在青藏高原上像搭乐高一样造房子!上海交通大学助力西藏日喀则地区装配式建筑技术落地

《文汇报》报道,唐宋时期兴盛的唐蕃古道和茶马古道,使民间贸易经西藏绵延至南亚、中亚、西亚等地,促进了西藏贸易的繁荣。当前,“一带一路”这个惠及全球半数人口的倡议,让西藏成为联系内外的重要枢纽。也使得西藏迎来了新一轮的工程建设热潮。

工程建设无法摆脱自然环境的影响,西藏高海拔、高寒冷、高烈度地震及生态脆弱等“三高一脆”特点,使得工程建设受到恶劣自然环境的制约更为严重。恶劣的自然环境严重制约了工程建设的开展,加大了工程建设难度;复杂的地质条件使工程建设选址困难,工程规模无法扩展。

而且,因为水泥在低温情况下无法达到建筑所要求的强度,西藏每年只有4月~10月半年左右的时间可以施工。现今,藏民居住的土坯房、砖瓦房,大多建筑质量差,抗震水平低。在新的历史时期,因地制宜推动高原藏区建筑产业现代化进程,对实现西藏地区的跨越发展、长治久安、安定团结和全面建成小康社会大局具有重要意义。

传统造房子,水泥搅拌,现场浇筑,铅锤测量;新式造房子,工厂预制,标准构件,快速拼装。在上海,这种被形容为“乐高积木”模式的环保节能的装配式建筑,不仅可以解决高原藏区的建筑施工难题,也能进一步保护当地的脆弱生态环境,并具有良好的抗震设防效果。

西藏高原气候寒冷、干旱、缺氧,90%以上地区处在高寒下。这种严酷的自然环境导致西藏高原生态系统具有不稳定性、敏感性、易变性等脆弱性特征。因此,环境保护成为日喀则地区推广装配式建筑的重中之重。高原装配式建筑新体系的主体结构全部采用钢结构,只有起围护、分隔作用的墙体需要用到水泥,而水泥施工过程中产生的粉尘排放量占到了建筑施工粉尘排放总量的35%左右,是造成建筑施工粉尘污染的主要污染源。所以,如何降低墙体施工的水泥用量,也就成为了高原装配式建筑新体系推广应用的“阿喀琉斯之踵”。

经过调研发现,日喀则地区有一定数量的采石场,其产品废料——小石块,大有用武之地。研究团队通过技术攻关,将采石场废料小石块破碎为石粉状,替代部分水泥用量,再与发泡剂、少量水泥、粉煤灰等原料搅拌,并通过发泡机充分发泡形成发泡混凝土。由发泡混凝土形成的内、外墙与保温层一次成型,通过可靠的连接件连接形成结构保温一体化预制墙板(SIP)。SIP墙体不仅具有轻质高强、保温隔热和绿色环保等特点,而且由于构件整体性好,防水、防潮性能也有明显的提高。此外,由于保温层采用耐火等级A1级的保温EPS材料,外饰面层采用60mm厚发泡混凝土包裹,经过反复的高温耐受试验,证明SIP墙体的防火各项指标均优于传统墙体结构。

▲高原装配式建筑结构体系中结构保温一体化预制墙板施工:墙体里的泡沫保温层

通过这种变废为宝、就地取材的做法,不仅很好地解决了高原装配式建筑新体系与藏区生态环境脆弱的矛盾,还为当地采石场的废料找到了稳定的销售渠道,并且为预制构件加工企业节约了成本,从而实现了三赢。

高原装配式建筑通过BIM结构专用设计软件生成结构BIM信息化模型,确定每一根钢构件及墙板的尺寸、形状、开洞位置等;根据生成的BIM信息化模型,在预制构件工厂采用自动化设备生产出钢构件、墙板和其他部件,并在工厂完成管线洞口开设;在房屋施工现场,则采用“乐高搭积木”的作业方式,即在现场地基上,按照每一个钢构件的编号进行现场安装,现场采用“干”式方法施工,节点拼接均以螺栓连接形式完成,无需灌浆及焊接作业,最后完成屋面吊装及水电安装。

由此可见,高原装配式建筑的施工方式是将包括主体在内大部分构件和部品转移到工厂生产,将传统的建筑工地变为住宅工厂的“总装车间”。通过采用机械化、全装配、部品化装修等技术创新,高原装配式建筑沿袭工业制造的高精度和高质量要求,最大限度消除人为因素的制约。

高原装配式建筑实现了基础、地下室与主体构件生产同步,主体施工与内外装修同步,颠覆了传统串联施工方式,从而大幅节省了时间,其施工周期只需要传统建筑现浇施工方式的1/3,很好地解决了藏区施工时间短的难题;其现场施工场地可压缩到最小,施工现场可以比较方便地实现信息化管理,使得施工现场整洁清爽、有条不紊,不破坏周边环境;成品住宅完工后,因为内外装修已经与主体施工同步完成,不会出现后期二次装修污染和扰民现象,从而大幅降低了浪费现象的发生,能够实现每百平方米建筑面积减少5吨左右建筑垃圾的产生。

平均海拔4000米以上的日喀则,是西藏第二大城市,也是上海对口援建所在。日喀则建城至今已有600多年历史,这里不仅是后藏曾经的政教中心,也是历代班禅的驻锡之地。浓厚的文化氛围也使当地的传统藏式民居有着非常鲜明的民族特色。

在藏区推广和发展高原装配式建筑,首要考虑藏民们对这种创新型建筑的接受程度。为此,研究团队将藏区传统住宅元素融合在高原装配式建筑新体系中,研发的三大类别九种户型样板房,具有典型的藏区传统建筑文化风貌:外形端庄稳固,风格古朴粗犷;墙壁上厚下薄,门窗小;采用框架结构,结构稳固;室内空间较低,在3米以下;屋面为平顶。

应该说,无论是80平米的紧凑型,还是300平米的豪华型,当地居民均可找到心仪方案。这种将创新建筑与西藏传统建筑风貌结合的做法,在改善了藏区人民居住水平的同时,也兼顾了当地民族文化的传承与发展,使之成为高原装配式建筑在当地推广应用的重要因素之一。

研究团队还把研究生的科研能力培养与家国情怀的爱国主义思想教育紧密结合起来,依托本课题为青年学子开展暑期社会实践创造条件。十余位研究生组建了上海交通大学雪域栖居博士生社会实践团,奔赴西藏日喀则地区开展了“雪域高原上的栖居——乐高模式下高原藏区新型建造技术调研、规划与开发”社会实践项目,并取得了突出的成绩,获评全国“三下乡”暑期社会实践优秀报道奖、优秀指导教师、优秀通讯员,上海市“知行杯”社会实践大赛特等奖、优秀指导教师、先进个人,上海交通大学社会实践十佳项目等多项荣誉。

研究团队将高原装配式建筑研发工作与教书育人、立德树人工作进行了融合贯通,一方面锻炼了研究生脚踏实地、结合西藏高原地区实际情况开展科学研究的能力,另一方面拥有了在西藏高原恶劣自然环境下艰苦奋斗的经历后,很好地培育了研究生舍己为人的奉献精神、脚踏实地的担当精神、敢为人先的开拓精神,从而成为“实践育人”的一个优秀案例。

西藏是身体的炼狱,也是视觉的天堂。在这里,缺氧气不缺志气,缺植被不缺风景,缺人才不缺精神。研究团队成员常被雪域高原的神秘和壮美所震撼,也常被西藏人民的淳朴和虔诚所感染。

刚上高原之时,正是中印洞朗对峙时期。研究团队来到日喀则市一个叫不上名字的偏远小县城调研时,当一下车看到老百姓房子上的五星红旗迎风飘扬之时,国家意识、家国情怀油然而生——绿水青山是锦绣河山,冰天雪地也是锦绣河山,我们国土虽大,但无一寸多余!应该说,这次科技援藏,上海交大建筑工业化研究团队经受了最深刻的国情教育,最严峻的国防教育,最现实的爱国主义教育。

刚上高原之时,研究团队成员普遍有强烈的高原反应,其中杨健教授连喝水都会引发呕吐,使得他在日喀则工作期间只能靠喝些葡萄糖注射液维持。但即使在如此恶劣的条件下,研究团队成员始终坚守工作岗位,按照工作计划顺利地完成了实地调研、规划编制、技术公益培训、实践基地建立等一系列工作,取得了宝贵的第一手数据资料,为回沪后开展高原装配式建筑新体系的研发,打下了坚实的基础。

通过建筑工业化研究团队的科技援藏,日喀则市住建局在西藏全区率先开展了高原装配式建筑的顶层设计,编制完成了西藏第一份装配式建筑发展规划和技术体系,出台了西藏七地市第一份市政府层面的装配式建筑发展指导意见,同时还规划了西藏第一个真正意义上的装配式建筑产业园,并在日喀则市的桑区、亚东、仲巴等多个县区开展了高原装配式建筑建设试点,累计试点建设超过10万平方米。

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