全球汇 | 日本节能装配建筑产业化发展趋势（四）【连载】
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5 日本节能装配建筑产品技术动向
节能装配建筑产品技术首先在欧美等国家（地区）逐步发展起来，后在日本得到了进一步的研究和开发，设计制造、装配和施工技术日趋成熟。在《节约能源法》《住宅节能标准》等法律法规的多次修正发展中，日本节能装配建筑产品技术不仅改变了传统住宅的结构模式，而且以节能标准化设计生产的建筑装配部构件几乎完全替代了砖、混凝土、石材和木材，真正实现了节能标准化设计、工厂系列化生产和快速机械化施工，从而大大降低了施工现场的劳动强度，缩短了施工工期，这种方式已在国际处于领先地位。
现在日本，不同结构形式的节能装配建筑所占比例分别为：木结构12%~15%，PC（预制混凝土）装配结构24%%~30%，轻钢结构56%。其中高层节能装配住宅的市场占有率为58.40%，若是有85%的装配住宅不同程度地采用了PC装配构件，那么采用PC装配结构技术的装配住宅的市场总体占有率将在40%以上；在住宅标准化方面，日本各类装配部构件（构配件、制品设备）的工业化、社会化生产的产品标准已十分齐全，占标准总数的95%以上；在建筑节能方面，日本新建的建筑物中80%以上是节能化的；而内装100%是工业化生产+现场干作业方式。近年来，日本节能装配建筑界正在发掘和推行的节能产品与装配技术有如下几类。
5.1 木结构节能装配技术
日本1990年提出发展3R型社会的基本方针，旨在通过节省资源（Reduce）、废旧产品再使用（Reuse）和废弃物再资源化（Recycle），实现资源的循环利用。在木结构建筑领域已经取得了很大的进展，积累了很多成功的经验。特别是2003年在《循环型社会推进基本计划》中确定了木结构建筑业的主要节能规范：（1）减少木结构建筑废弃物的产生，减少木结构建筑用料和能源消耗；（2）促进木结构建筑产品的再使用和废弃物的再资源化；（3）企业要尽量生产环保型和能够长期使用的木结构建筑产品。国土交通省公布的《2015年度木结构建筑副产物实态调查》显示，2015年度木结构建筑废弃木材比1998年减少了75%，建筑废弃木材的再资源化率为68%，2016年再资源化目标为80%；2020年再资源化目标为98%。
现在日本，木结构建筑的节能装配技术工法主要有以下三种。
（1）木造轴组工法。该制法是日本传统的装配制造工法，多被大工工务店【大工是木构建筑建造、修理的匠人，大工工务店就是专门从事木构建筑建造修理的工厂、作坊】类型的中小型建设企业采用，是民间建筑应用最广泛的住宅施工方式。一般情况下，大工工务店的木制住宅现场由工务店的负责人统一指挥。住宅的木制主体结构多由本工务店的技术工人承担施工，屋顶、装饰等工程则由外部的工人承担。按照日本的法律规定，较小的建设工程（工程造价低于1500万日元，约90万元人民币）无须取得建设业许可证，是可以不用办手续的，因此采用该工法的节能装配效率和住宅数量难以统计。
（2）2×4工法。这是日本传统工法和美国标准化的结合，以2英寸×4英寸的木材为骨材，结合墙面、地面、天井面等面形部件作为房屋的主体框架进行房屋装配建造方法。该工法较传统的轴线工法有更高的施工效率，且不需要技术很高的熟练工，适合中小企业进行房屋建造。1988年日本采用该工法新建的住宅数量为全部新建住宅的2.5%，节能装配效率达到45%。此后持续稳步增长，2003年新建住宅数量达到5.2%，节能装配效率达到56%；2015年新建住宅数量达到7%，节能装配效率达到67%。
（3）Pre-fabricated工法。它是大型住宅建设企业以工厂预制构造的主要施工方法。该工法是将住宅的主要部位构件，如墙壁、柱、楼板、天井、楼梯等，在工厂成批生产，现场组装。其节能标准化、工厂生产化与施工装配化效率较高。2003年日本采用该工法新建住宅数量为全部新建住宅的2.5%，节能装配效率达到45%。此后持续稳步增长，2003年新建住宅数量达到11.5%，节能装配效率达到75%；2015年新建住宅数量达到13.7%，节能装配效率达到75%。
5.2 预制混凝土（PC）结构装配节能技术
日本制定的《节约能源法》与《住宅节能标准》等法规，经过多次修改后，2006年又追加了与PC结构等装配建筑设备有关项目的节能标准。要求PC结构建筑从设计阶段就综合考虑标准化、装配化和集约化理念，引导叠合楼板、内外墙板、楼梯板、阳台板等预制构配件的系列化开发、规模化生产，促进PC装配式建筑的建造工期缩短、成本降低以及运营管理效率提高，确保节能减排综合效益。
日本自1956年开发了壁式预制装配的2层住宅后，其结构装配技术逐步发展，至今形成了多种完善的PC结构装配节能技术，不同的结构装配对应不同节能建筑的施工方法，不同的施工方法又对应不同结构体系的节能设计方法，即形成了不同节能装配的结构技术体系，在节能装配建筑产业化方面走在世界的前列。目前日本建筑界采用的PC结构装配节能技术体系主要有4种：（1）壁式预制钢筋混凝土（W-PC）工法技术体系；（2）壁式框架预制钢筋混凝土（WR-PC）工法技术体系；（3）预制框架钢筋混凝土（R-PC）工法技术体系；（4）型钢+预制框架钢筋混凝土（SR-PC）工法技术体系。
5.3 钢结构装配节能技术
装配式钢结构具有许多安全装配与节能优势：（1）钢材强度高、自重轻、刚度大，且匀质性和韧性好，有稳定承载力并可承受较大变形；（2）相比混凝土这种脆性材料，钢结构具有更好的抗震能力；（3）作为装配式部构件，钢材料适于工厂化制作，可减少现场工作量，缩短施工工期，符合产业化要求；（4）与混凝土结构建筑相比，钢结构建筑更容易实现设计的标准化与系列化、构配件生产的工厂化、现场施工的装配化、完整建筑产品供应的社会化；（5）钢结构工厂制作质量可靠、尺寸精确、安装方便，易与相关部品配合；（6）钢结构具有生态环保的优点，改建和拆迁容易，材料的回收和再生利用率高，节能与环保效益可达70%；（7）采用装配化施工的钢结构建筑，占用的施工现场少，施工噪音小，可减少建造过程中产生的建筑垃圾50%以上，被誉为“绿色节能建筑”。日本在住宅与建筑方面，出于装配安全和结构节能的考虑，选择钢结构的比例较高。现在日本，常用的建筑结构体系为：6层以下的低层建筑采用纯钢结构；6~16层采用钢筋混凝土结构；16层以上的，底部采用钢筋混凝土结构，上部采用纯钢结构的较多；超高层建筑则采用多层钢结构与多型钢混凝土梁柱结构。
由于装配式钢结构特殊的节能优势，从日本政府层面看，尽管政府对建筑结构没有明确的政策差异，但是十分重视钢结建筑的节能和环保的实际效果，并于1981年颁发《新耐震设计法》，2001年、2007年两次修订《建筑基准法》，针对钢结建筑的节能效率与钢建筑抗震性能等发布非常明确的法律条款和强制性规范。《钢构造设计规准》补充条款，提高建筑的抗震标准。此外，成立于1955年的日本轻钢建筑协会，对日本钢结构建筑产业化的形成和发展起到了重大作用。该协会颁发有关钢结构节能装配的现行规范、规程就达几十部之多，如《钢构造设计规准》《钢构造塑性设计指针》等。对于钢结构的装配节能技术和所有建筑材料以及新型材料，指定由专业节能装配组织评审检验后，再由政府签发通用许可；并要求每批材料的标准审定和批准文号都存档备案，同时对生产与建造企业施行全过程的监管和检验，保证合乎标准的材料才能运用到节能装配建筑中去。
现在日本，钢结构装配住宅体系特点集中体现在其外墙体系上，而外墙体系的先进程度突出表现在使用了性能优越的钢骨架、墙板及相关构配件，但要想在建筑实际使用中真正发挥出高性能，墙板体系构造方案的优化组合是关键，各构件只有既“各司其职”又“密切配合”才实现最佳整合效果，达成墙体的整体高性能。目前日本建筑界采用的钢结构节能装配外墙技术体系主要有以下三种：（1）H-SCBS/ECB技术体系——H钢柱梁框架结构＋挤压成形纤维水泥板体系，应用于上下柱错位重型钢框架；（2）H-SBCCS/NTC技术体系——H钢梁管柱组合框架结构＋NTC板体系，应用于典型的抗震框架的组合钢结构墙体；（3）H-SBCCS/NTC技术体系——H型钢梁结构＋蒸压轻质混凝土板体系，应用于小断面C型钢矩形墙框架。
5.4 KSI节能装配技术
KSI中的“S”为Skeleton的缩写，指建筑结构部分的骨架体与支撑体；“I”为Infill的缩写，指住宅里面的填充体，包括设备管线和内装修；“K”是指日本UR机构（都市再生机构）。1973年UR机构从“公团实验住宅项目”（KEP）开始开发节能装配技术，到2010年发展成为KSI节能装配技术体系。
图1 SI住宅组成示意
资料来源：装配式建筑 | 时间轴上的日本百年宅, 微信订阅号“国家建筑标准设计订阅号”（chinabuilding1956）, 2017-08-02
（1）体系要求：①支撑体系：固定在土地上的承重构件；共用设施管线；共用设备机器、竖向和水平交通道；外墙体系；共用玄关门、窗框。②填充体系：住户内装；专用部分配管配线；专用部分设备机器；间隔墙（非承重墙）。
（2）结构概要：①结构：纯刚性框架钢筋混凝土；②层高：1层3600mm、2层3000mm；③层数：2层（但在结构设计上设想为11层）；④地面面积：1层约260㎡、2层约230㎡；⑤其他：屋顶上可建独户感觉的房屋。
（3）无障碍设计要点：①按需要安装扶手，如卫生间，浴室，门庭处等；②除了入户门和浴室入口，室内不出现地面高低差；③注意室内门的开启方向，比如厕所门要外开，或做推拉门；④卫生间门的有效开口750mm以上；⑤采用防滑地面材料，特别是门厅、浴室、厨房；⑥插座的开关高度应适当。
（4）节能建材要求：①自主清洁：通过自然雨和日光去除污垢，以节能技术保持清洁美观；②阻挡紫外线，防止内部装修的劣化（如褪色、材质老化等）；③通过改装提高性能：在不破坏建筑框架的前提下，提供简单的安装功能；④防止因结露而导致劣化：只要贴在墙壁上，即可将室内的湿度控制在舒适范围。
（5）设计要点：①主要结构体具有百年耐久性；②没有小梁和承重墙的大型楼板；③公共管井设置在建筑的公共空间内；④电器配线与结构主体分离；⑤上下层布局多样化；⑥住宅功能和规格灵活多变。
图2 KSI住宅研发案例
资料来源：装配式建筑 | 时间轴上的日本百年宅, 微信订阅号“国家建筑标准设计订阅号”（chinabuilding1956）, 2017-08-02
（6）施工方式：①地面优先施工法；②地下配线槽方式；③带式电缆施工法；④排水总管施工法；⑤电线与结构体分离法。
（7）节能功效：①房屋支撑体和填充体分离施工；②居者随时根据需要改变居住空间；③房间布局和装饰允许自由变化或更新；④单体建筑实现多元化的套型设计。
日本的KSI节能装配技术创造了可持续居住环境的最成熟体系，对于建设资源节约型、环境友好型社会等方面都具有重要意义。
本文编译自日本杂志《工业学院》2016年12月、《财田产业》2017年第3期、《新产经发展》2017年4月号的相关文章。原文作者：东京大学研究生院建筑信息研究系，坂村健 教授；爱知产业大学经营学部，吉田修 教授；横滨商科大学经济学部部长，伊藤穰 教授
译者：王庄林
编辑：张祎娴
排版：赵大伟
——to be continued——
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