《PCI设计手册》-预制及预应力混凝土的大百科全书

近年来，装配式混凝土建筑结构在我国得到了大力的推广应用，但是配套的规范、标准以及应用手册存在缺失以及良莠不齐的问题，在这方面美国已经发展多年，有着更多的经验，并且美国的“预制/预应力混凝土协会”（简称PCI）从1971年开始汇聚现行业最新的实践经验进行总结，形成了《PCI设计手册》并不断进行迭代，目前最新版为2017年发布的第八版。通过对《PCI设计手册》进行学习借鉴，可以帮助我国更好更快地发展装配式混凝土建筑。

北美预制/预应力混凝土发展历程

预制/预应力混凝土在美国的早期出现可以在纪念预应力混凝土协会成立25周年而编写的一系列论文中找到。纪念“预制/预应力混凝土协会（PCI）成立50周年之际，也出版了类似刊物。1950年在宾夕法尼亚州费城建设的著名的核桃路纪念大桥是北美地区预制/预应力混凝土行业快速发展的里程碑事件。核桃路纪念大桥建成后，美国工程师和建筑行业掀起了预应力混凝土的热潮。

50年代的关注焦点在七股钢绞线，长线胎模，外加剂，高强混凝土，真空混凝土，蒸汽养护等多方面的创新。随着以上技术和工艺的发展，再加上PCI提供的技术和后勤保障，产业得以快速增长。标准产品的研发是20世纪50年代和60年代的主要活动之一。1970年代末，低松弛钢绞线的出现极大地减少预应力损失现象，从而更有效地使用预应力，进一步获得更大跨度和更小的结构截面。1980年代，工程师和业主均认识到耐久性是建筑结构的一个重要方面，而工厂预制的混凝土结构可以在较低水灰比和更好控制条件下进行生产，比现场浇筑的混凝土更耐用。

在过去的几十年中，行业见证了更高效的结构体系、更复杂的建筑形态和表面处理技术的发展。超高强度混凝土（UHSC）、自密实混凝土（SCC）、聚合物、碳纤维和高强钢材等新材料、新技术持续推动着行业发展。在新世纪，预制/预应力混凝土被认为是一种高性能材料，它易于与其他材料和系统相集成，形成具有多样性，高效率和功能易恢复（抗灾韧性）等优点的高性能结构。

预制/预应力混凝土的特点

预制与预应力混凝土易于与其他材料和系统集成，可以形成具有多样性、高效率和功能易恢复（抗灾韧性）等优点的高性能结构。其具有以下特点与优势：

1.实现美学多样性：美学多样性可通过一系列的纹理、颜色、饰面和镶嵌等实现，可以模仿或结合花岗岩、石灰石、砖、陶土以及其它几乎任何形状和配置的材料。

2.更大跨高比：通过预应力的应用，构件具有更大的跨高比，更强的结构性能以及需要更少的材料。使建筑物开放空间更大，桥梁中使用更少桥墩。

3.重复利用：大跨度预应力预制构件可拆卸和重复使用。

4.快速建造：地上建筑构件的生产可与地基基础作业同时进行，现场安装工作可全年进行，不会因恶劣天气或构件强度养护要求而造成延误，从而实现快速建造。

5.对施工现场影响最低：装配结构通常不使用脚手架、临时平台或大型堆放区域，更适用于场地紧张的项目。 

6.专业分包和交接环节少：通过减少专业分包商数量和交接环节降低项目整体风险。如防水板和接缝密封材料等无需分包。 

7.热工性能和能效好：由于混凝土本身具有高的比热容，再进一步通过设置连续隔热层可以进一步提高建筑热工性能和能效。 

8.耐久性好：预制混凝土具有较长的使用寿命，在某些情况下可超过100年，从而降低全生命周期成本。 

9.抗灾韧性好：预制混凝土的固有质量和高强度的特性，可针对龙卷风、飓风、地震和其它自然灾害或人为危害事件提供多方面的防护。

10.抗爆和抗连续倒塌性能好：具有将结构设计成冗余系统的能力，可以保证建筑结构的抗爆性能和结构整体性。

11.防火性能好：预制混凝土作为不可燃材料，可作为被动防火材料，无需额外防火保护。可能实现保险费的降低。 

12.室内环境质量好：预制混凝土不包含挥发性有机化合物（VOC），不适合霉菌生长，因此提高了生命安全和室内环境质量。

13.隔声效果好：在声学控制方面，为居民和使用者带来愉悦的工作和生活条件。

14.质量可靠：在工厂可控的条件下制造，质量控制得以提升。

典型应用情况

1.建筑结构

预制/预应力混凝土天生具备多功能性、效率和抗灾韧性，是一种高性能材料和系统。业主、开发商和设计师认识到这些预制/预应力混凝土的固有特性，将有助于设计和建造各种类型的高性能结构。

装配式混凝土结构体系：预制混凝土梁、柱与预制混凝土楼板的组合提供了一个快速经济的结构体系。该结构体系结合预制装饰混凝土外墙板为业主提供了单一责任主体带来的成本和进度的优势。

装配式混凝土围护系统（外围护）：包括预制装饰混凝土外围护系统、外墙板和饰面板。批量生产的预制混凝土构件具备良好的经济性的同时，也为建筑艺术表达提供了极大的灵活性。外围护系统不仅可作为结构的外围护或承受竖向荷载，而且可承受水平荷载。

住宅：预制/预应力混凝土广泛应用于低、中、高层住宅、酒店、汽车旅馆、公寓、宿舍、退休住房和疗养院。其出色的防火和隔音性能得到了业主和开发商的高度认可。

司法设施：司法设施包括多种建筑类型，包括看守所、监狱、警察局、法院、少管所、特殊精神健康或毒品治疗中心。预制混凝土因其诸多天然优势受司法设施的青睐，除了前面提到的优势，在人身安全、安全硬件和通信系统方面预制/预应力混凝土建筑亦是理想选择。

办公楼：预制/预应力混凝土在办公建筑中有着广泛的应用，无论是从整体建筑系统还是到单一的预制构件产品。预制/预应力混凝土梁、楼板和柱用于框架系统中，剪力墙可单独使用或与梁和柱一起使用来抵抗水平荷载。预制装饰混凝土既可以作为外围护系统也可以作为结构系统的一部分。

仓库和工业建筑：预应力混凝土的大跨度、低梁高且可承受较大荷载的能力，特别适用于仓库和工业建筑。有隔热层或不含非隔热层的预应力混凝土墙板应用于仓库和轻工业厂房中是非常经济的。在重工业项目中，预应力楼板能够承受工业设施所产生的较大楼面荷载，通过与其它预制混凝土构件相结合能够构建出多功能、低维护费用、耐腐蚀的结构体系。

教育设施：预制/预应力混凝土材料用于教育设施具有许多独特的价值。预制混凝土楼板和墙板为不燃材料，全面提高了消防安全性。装配式混凝土结构的高比热容提供了热惰性，从而减少了总体的加热和冷却费用，并为居住者提供较高的舒适度。且预制混凝土施工速度快，可以满足大多数教育设施工期紧凑的要求。

风暴避难所：采用装配式混凝土体系的风暴避难所，例如体育馆、教室、自助餐厅、娱乐区和会议室等，除了能发挥其日常基本功能之外，当龙卷风预警发出时，它们可作为抵抗龙卷风的防护避难场所。预制混凝土的自重大，有利于满足风暴避难所的抗风吸要求，也有利于满足飞行物冲击测试要求。

其他建筑结构：预制/预应力混凝土的众多优点使其不仅适用于住宅、司法设施，办公楼、工业厂房以及教育设施，也适用于其他建筑类型：如购物中心等商业建筑；如医院、图书馆、博物馆和候机楼等公共建筑以及项目改造。

2.停车场结构

建筑师、工程师、开发商和业主已经将预制/预应力混凝土作为商业，市政和公共停车场的首选建筑材料。停车场虽然被归类为建筑物进行建造，但其结构很特殊，在某些方面和具有多层面板的桥梁类似。停车场结构需承受汽车的移动载荷，其屋顶和桥梁面板一样需暴露在外。此外，作为露天结构，其整体结构易受天气影响。装配式混凝土结构自身较强的耐久性能、低成本、快速建造、美观多样性和大跨度等优点，使其成为停车场结构的不二选择。

3.体育馆/演出场地

大型体育场馆和演出场地等复杂结构的实现很大程度上得益于预制技术的应用。此类项目通常工期紧凑以满足特定的体育赛事。预制/预应力混凝土因其工期优势、耐久性好和维护费用低的特点成为此类建筑的不二选择。工厂批量制造的预制看台板可被生产成各种造型和跨度，供快速现场安装并能长久使用。人行坡道、楼面夹层、商铺、卫生间和更衣室等区域都可以使用预制/预应力混凝土构件高效构筑并快速建造。

4.桥梁

桥梁建设开启了北美预应力行业的发展。现在，预制/预应力混凝土是中小跨度桥梁的主要结构材料。预制/预应力混凝土凭借其自身的耐久性、维护成本低、性能优异、质量高等优势成为桥梁建设的必然选择。预制混凝土构件可在各种天气情况下进行快速建造，且不影响交通，从而增加了项目的经济性。

5.其他结构与应用

之前提到的预制/预应力混凝土固有特性和设计灵活性也使其成为各种特殊结构的理想选择。预制/预应力混凝土因其耐腐蚀性、耐火性、耐久性和快速安装的特点使其在电线杆、桩、铁路枕木、储罐、单轨铁路、挡土墙、高速公路和跑道路面、隔音屏障和预应力桩应用上具有显著优势。标准化的预制构件在提供性价比较高的预制产品的同时，还可降低现场建造成本和风险。预制/预应力混凝土也可以根据需求进行定制化设计和应用，并融合多功能与形式以适应各种复杂的环境。

《PCI设计手册》简介

《PCI设计手册》整合了预制/预应力混凝土行业最新的实践经验，涉及到行业整个产业链的方方面面，本文主要对第一章的内容做了简要介绍，其余章节的内容详见中建科技集团和美国PCI协会合作译审的《PCI设计手册-预制及预应力混凝土》中文版，全书除包括结构设计、构件设计、连接节点设计、构件生产、储运与安装外，还有材料、防火、声学、热工、振动、抗爆、抗连续倒塌、公差、横隔板设计、装饰混凝土结构、规程与标准等若干专题内容，此外还附有数百篇参考文献和引用标准。

《PCI设计手册》是一本在预制及预应力混凝土领域大百科全书式的著作，对于国内从事装配式建筑结构领域的理论研究、设计分析、生产制作、施工装配、标准制定的工作人员来说，具有重要的参考意义。相信通过对《PCI设计手册》的消化借鉴，以及我国从业技术人员的不断努力，我国的装配式混凝土建筑行业的发展会更加迅速和健康。