Übernommen | Untersuchung von Tragwerksystemen und Wirtschaftlichkeit im Fertigteilbau
WeChat-Sync · Xiaowei · 2021-02-02
1. Die Beziehungen zwischen den elf Tragwerkssystemen des Fertigteilbaus
Zusammenhänge zwischen den elf Systemen des Fertigteilbaus
Je nach den wichtigsten tragenden Bauteilen lassen sich Fertigteilgebäude in Gebäude mit Betonfertigteiltragwerk, Fertigteilgebäude in Stahlbauweise und Fertigteilgebäude in Holzbauweise unterteilen. Die Kombination aus Betonfertigteilen und Stahlbau ergibt das Verbundsystem aus Stahl und Beton. Dem Betonfertigteilbau sind das vorgespannte Tragwerkssystem und das System mit doppelseitigen Verbundschubwänden eigen. Verwenden Gebäude in Beton- oder Stahlbauweise Schubwände, lassen sie sich in das Hochhaus-Wohnsystem mit Fertigteil-Schubwänden untergliedern; verwenden sie Rahmen mit Haupt- und Nebenträgern, in das Rahmentragwerkssystem mit Haupt- und Nebenträgern. Verwenden Gebäude in Stahl- oder Holzbauweise versetzte Fachwerkträger, lassen sie sich in das System mit versetzten Fachwerkträgern untergliedern. Handelt es sich bei allen dreien um vollständig vormontierte, niedrige Wohngebäude, kommt das System für vollständig vormontierte niedrige Wohngebäude zur Anwendung; werden Module verwendet, lässt sich das System in ein modulares Tragwerkssystem untergliedern.
2. Vergleich des Einsatzes dieser Tragwerkssysteme im Wohnungsbau
Die Nutzungshäufigkeit der verschiedenen Fertigteil-Wohnbausysteme hängt vor allem von zwei Seiten ab: vom Bauträger und vom Verbraucher:
Bauträger:Sie achten stärker auf die Politik für den Wohnungsbau, die Kosten, die Akzeptanz der Verbraucher und die Bauzeit. Der Fertigteilbetonbau wurde politisch früh gefördert, und das monolithisch zusammengefügte Schubwandtragwerk aus Betonfertigteilen ist schon länger in Entwicklung und technisch ausgereifter; es ist daher gegenwärtig das vorherrschende System für hohe Fertigteilbeton-Gebäude in China. Vorgespannter Beton, doppelseitige Verbundschubwände und Holzbau stellen dagegen nicht nur höhere Anforderungen an die Produktqualität selbst sowie an das Personal und die Maschinen, sondern sind auch verhältnismäßig teuer. Da vorgespannte Betonelemente und doppelseitige Verbundschubwände jedoch eine hohe Quersteifigkeit besitzen, sich unter horizontalen Lasten nur wenig verformen und ein besseres Erdbebentragverhalten zeigen, und da der Umbau der bestehenden Prozesse in den PC-Werken gering ausfällt, kommen sie häufiger in Pilotprojekten außerhalb des Wohnungsbaus zum Einsatz.
Verbraucher:Sie achten stärker auf Qualität, Preis und Privatsphäre des Wohnraums. Gegenwärtig befinden sich die Verbraucher beim Fertigteilbau noch in der Kennenlernphase; am ehesten akzeptieren sie Fertigteilbeton-Wohnhäuser, die monolithisch errichteten Wohnhäusern ähneln. Rahmen mit Haupt- und Nebenträgern, versetzte Fachwerkträger und Stahlbauten sind häufiger in Gebäuden mit großen Räumen wie Ausstellungshallen anzutreffen; beim Einsatz im Wohnungsbau sorgen sich die Verbraucher jedoch um die Schall- und Wärmedämmung der Gebäude, weshalb solche Fertigteil-Wohnhäuser auf geringere Akzeptanz stoßen. In ländlichen, bergigen oder küstennahen Gegenden, in denen keine hohen Anforderungen an den Schallschutz bestehen und erdbebensicheres, einfach zu nutzendes niedriges Bauen im Vordergrund steht, wird ebenfalls häufig das System für vollständig vormontierte niedrige Wohngebäude verwendet.
Insgesamt werden also das Hochhaus-Wohnsystem mit Fertigteil-Schubwänden und das System für vollständig vormontierte niedrige Wohngebäude am häufigsten eingesetzt.
3. Warum ist der Anteil von Stahlbau-Hochhäusern im Wohnungsbau so gering?
Derzeit nimmt das PC-Tragwerk die wichtigste Stellung unter den Fertigteilgebäuden in China ein, gefolgt vom Stahlbau. Nimmt man die 119 Demonstrationsprojekte für den Fertigteilbau, die das Ministerium für Wohnungswesen und Stadt-Land-Entwicklung (MOHURD) 2016 veröffentlicht hat, als Beispiel, so entfallen 41 Projekte auf PC-Tragwerke, das sind 35 %; auf den Stahlbau entfallen 19 Projekte, das sind 16 %; auf den Holzbau entfallen 4 Projekte, der Rest sind Produktionsprojekte für Bauteile und Komponenten.
Demonstrationsprojekte für den Fertigteilbau des Ministeriums für Wohnungswesen und Stadt-Land-Entwicklung (MOHURD) 2016
In den vergangenen zwei Jahren hat sich der Fertigteilbau rasant entwickelt: 2018 wurden landesweit 290 Millionen Quadratmeter Fertigteilgebäude neu begonnen, ein Plus von 81 % gegenüber 2017. Der Anteil von Stahlbauten und Stahlbau-Wohnhäusern bleibt jedoch weiterhin gering. Der Stahlbau als eine wichtige Tragwerksform des Fertigteilbaus macht in Wirklichkeit nur rund 30 % des Fertigteilbaus aus, und die meisten Stahlbau-Fertigteilgebäude sind öffentliche Gebäude; der Wohnungsanteil liegt unter 1 % und ist nahezu vernachlässigbar.
Neu begonnene Fläche von Betonfertigteilgebäuden in China, 2013–2023 (Prognose)
Der geringe Anteil von Stahlbau-Hochhäusern im Wohnungsbau ist vor allem auf folgende Gründe zurückzuführen:
Der Betonbau wurde in China früh entwickelt und hat Kostenvorteile; die Entwicklung von Stahlbau-Wohnhäusern hat noch keine Skaleneffekte erzielt. Die Entwicklungskosten eines Fertigteilbaus in Stahlbauweise liegen in der Regel bereits rund 15 % höher als die eines Betonfertigteiltragwerks; gegenüber Stahlbeton liegen sie sicherlich noch höher. Zudem verfügt der Stahlbau über weniger zugehörige Systeme für Gebäudehülle und Ausbau als der Betonbau; die Zulieferkette ist noch nicht ausgereift.
Der Fertigteilbau weist eine gewisse Pfadabhängigkeit auf; das Generalunternehmersystem beschränkt die Unternehmen in ihrer Entwicklung im Stahlbau. Derzeit besitzen viele Stahlbaufirmen lediglich die Qualifikation als spezialisierter Stahlbau-Fachunternehmer; viele Projekte mit Stahlbau-Schwerpunkt müssen weiterhin von konventionellen Bauunternehmen als Generalunternehmer übernommen werden, sodass die Stahlbaufirmen nur schwer Einfluss nehmen können.
Für die tragenden Träger und Stützen von Stahlbau-Wohnhäusern werden in der Regel H-Profile verwendet. Stahl überträgt Körperschall von Natur aus leicht, sodass Schwingungs- und Schallübertragung deutlich spürbar sind. Da die Trennwände überwiegend aus Leichtstahlprofilen, Ständerwerk und Gipskartonplatten bestehen, ist das Problem der Schallübertragung nur schwer zu lösen. Weil die tragenden Bauteile von Leichtstahlhäusern ein geringes Eigengewicht besitzen und die Konstruktion im Inneren weitgehend hohl ist, entsteht leicht ein Membraneffekt. Da zudem die Brandschutzeigenschaften einiger Schutzmaterialien noch nicht den Anforderungen genügen, ist die Akzeptanz von Stahlbau-Wohnhäusern auf dem Markt gering.
4. Warum begann die Politik 2019, den Fertigteilbau in Stahlbauweise zu betonen?
Die Politik ist für die Entwicklung des Fertigteilbaus in Stahlbauweise äußerst wichtig: Die staatliche Politik gegenüber dem Stahl hat sich vom Stahlsparen und vom rationellen Stahleinsatz hin zur Förderung des Stahleinsatzes gewandelt; das bietet eine solide Grundlage für die Entwicklung von Stahlbauten.
Die wichtigsten politischen Maßnahmen für den Stahlbau in China im Jahr 2019
Die Gründe für die Förderung des Fertigteilbaus in Stahlbauweise im Jahr 2019 sind folgende:
(1) Das vollständig vormontierte Wohnbausystem in Stahlbauweise besitzt in ländlichen Gebieten und abgelegenen Vororten einzigartige Vorteile.Stahl ist leichter als Beton und lässt sich einfacher transportieren; einige Landstraßen in ländlichen Gebieten sind von niedrigerer Ausbaustufe und können die Lastkraftwagen für den Transport von Betonwandplatten kaum tragen. Stahlbauten lassen sich bequemer in Trockenbauweise errichten, benötigen keine Fundamente und können vollständig verschraubt werden; die technischen Anforderungen sind gering. Für die Verbindungen von Betonfertigteilen ist dagegen die anspruchsvolle Technik des Vergussmuffen-Verpressens erforderlich. Auch wenn Stahlbauten Probleme wie Korrosionsanfälligkeit und schwachen Schallschutz aufweisen, fallen diese bei niedrigen Wohngebäuden im ländlichen Raum kaum ins Gewicht.
(2) Der Stahlbau übernimmt gegenüber dem Betonbau zunehmend eine Ersatzrolle.Das zeigt sich vor allem darin: Der Stahlbau verursacht geringere Kosten für die Schadstoffbehandlung, während konventionelle Bauprojekte auf der Baustelle viel Staub erzeugen und zu den wichtigsten Quellen von Feinstaubpartikeln gehören. Aus Umweltschutzgründen hat der Staat begonnen, die Zementproduktion zu begrenzen, was die Zementkosten steigen ließ; die Stahlpreise blieben dagegen relativ stabil, während die Rohstoffkosten von Betonfertigteilen stiegen. Da das Baugewerbe eine arbeitsintensive Branche ist und die Lohnkosten bei konventionellen Bauprojekten einen hohen Anteil ausmachen, ist die Bauzeit vor Ort im Stahlbau kürzer als bei Betonkonstruktionen, und die Lohnkosten sind niedriger.
(3) Der Anteil von Wohnhäusern mit Betonfertigteil-Tragwerken ist auf dem Markt inzwischen relativ hoch; das Verfahren der Muffenverpressung weist jedoch noch ungelöste Sicherheitsfragen auf, sodass man die rasche Entwicklung verlangsamen und das Verfahren erneut verifizieren muss. Der Stahlbau arbeitet mit Schweiß- und Schraubverbindungen und weist keine sicherheitsrelevanten Probleme auf; zugleich ist der Stahlbau nach über 20 Jahren Entwicklung keine neuartige Bauweise mehr, und die meisten Planungsinstitute verfügen inzwischen über Stahlbau-Konstrukteure. Damit sind die Voraussetzungen für die Verbreitung des Stahlbaus geschaffen. Daher hat der Staat begonnen, den Fertigteilbau in Stahlbauweise politisch zu fördern. Auch der Kampf gegen die Pandemie hat gezeigt, dass der Stahlbau beim Bau mancher öffentlicher Gebäude deutliche Vorteile bietet.
(4) Seit der Angebotsseitenreform Ende 2015 sind die Stahlbestände im Markt weiterhin hoch. Die Förderung von Fertigteil-Stahlbausystemen und Stahlbau-Wohnsystemen, die breite Anwendungsperspektiven am Markt haben und über eigenes geistiges Eigentum verfügen, kann überschüssige Kapazitäten abbauen, die Marktnachfrage lenken und die flächendeckende Verbreitung und Nutzung von Stahlbauten in China vorantreiben.
Stahlbauunternehmen mit einer Jahresproduktion von über 50.000 Tonnen, 2014–2018
Aus der obigen Tabelle geht hervor, dass die Zahl der Stahlbauunternehmen mit einer Produktion von über 50.000, 100.000 bzw. 300.000 Tonnen in den letzten Jahren stetig zugenommen hat; das belegt, dass die im Bauwesen verwendete Stahlmenge in China von Jahr zu Jahr steigt. Das trägt dazu bei, die Stahlbestände im Markt abzubauen.
Wir sind daher der Auffassung, dass das Fertigteil-Wohnsystem in Stahlbauweise angesichts der politischen Förderung und seiner eigenen Eigenschaften im ländlichen Raum großes Potenzial besitzt. Da die vertikale Muffenverpresstechnik bei PC-Tragwerken zudem weiterhin Sicherheitsrisiken birgt, sollten die Städte auch den Anteil öffentlicher Gebäude und Wohnhäuser in Stahlbauweise angemessen erhöhen.
5. Was bedeuten der Vorfertigungsgrad und die Fertigteilquote? Welche Teile werden bei Gebäuden mit unterschiedlichem Vorfertigungsgrad vorgefertigt?
Der Vorfertigungsgrad bezeichnet das Volumenverhältnis des Betons, der in den vorgefertigten Teilen der Haupttragstruktur und der Gebäudehülle oberhalb der Geländeoberkante des Außenbereichs eines Fertigteilgebäudes verwendet wird, zum gesamten Betonvolumen der entsprechenden Bauteile. Die Fertigteilquote gibt dagegen das Verhältnis der Anzahl (bzw. Fläche) von Fertigteilen und Bauprodukten in einem Fertigteilgebäude zur Gesamtzahl (bzw. Gesamtfläche) gleichartiger Bauteile und Produkte an.
Bewertungstabelle für Fertigteilgebäude
Bei Wohnhäusern in unterschiedlichen Nutzungsarten und mit unterschiedlichem Vorfertigungsgrad fallen die Kosten dafür, welche Bauteile jeweils vorgefertigt werden, unterschiedlich aus. Die folgende Tabelle analysiert am Beispiel eines Projekts in Shanghai aus der Perspektive der Wohnimmobilienentwicklung und führt für die drei Nutzungsarten — gestapelte Villa, niedriggeschossiges Wohnhaus (Yangfang) und Hochhaus — die wirtschaftlichsten Kombinationen der wichtigsten einzelnen Gebäudebauteile bei unterschiedlichen Vorfertigungsgraden auf:
Die wichtigsten einzelnen Gebäudebauteile bei unterschiedlichen Nutzungsarten und Vorfertigungsgraden
Selbst bei monolithisch errichteten Gebäuden lassen sich mit Fertigteiltreppen, Fertigteilbalkonen und Fertigteilplatten für Klimageräte Fertigteilquoten von rund 15 % erreichen. Die Norm „Bewertungsstandard für industrialisierte Gebäude“ GB/T 51129-2015 legt fest, dass der Vorfertigungsgrad von Fertigteilgebäuden mindestens 20 % betragen muss; die Berechnungsmethoden und Maßstäbe für den Vorfertigungsgrad weichen regional leicht voneinander ab. Am Beispiel eines Tragwerks aus Fertigteil-Schubwänden: Bei einem Vorfertigungsgrad von 30 % werden üblicherweise Verbunddecken ergänzt, bei 40 % in der Regel Außenwandplatten.
6. Warum sind die Baukosten von Fertigteilgebäuden hoch? Können sie günstiger sein als die monolithische Bauweise?
Die Kosten der Fertigteilbauweise liegen gegenüber der herkömmlichen monolithischen Bauweise teils höher und teils niedriger; das hängt von der konkreten Situation ab, etwa von der Tragwerksform, dem technischen System, der Erdbebenbemessungsstufe, dem Vorfertigungsgrad, dem Managementsniveau und der Projektgröße. Pauschal lässt sich nicht sagen, ob Fertigteilgebäude teuer oder günstig sind. Im Einzelnen setzen sich die Mehrkosten von Fertigteilgebäuden vor allem zusammen aus: den Fertigteilen selbst und ihren Transportkosten, den Montage- und Hebekosten auf der Baustelle, der Miete für Großgeräte sowie der Behandlung der Stoßfugen von Wand- und Deckenplatten einschließlich der dazugehörigen Materialkosten. Die Kosteneinsparungen umfassen vor allem: Da die Bewehrungs- und Betonarbeiten in den Fertigteilwerken stattfinden, entfallen die Maurerarbeiten vor Ort, sinken die Lohnkosten und entfallen die Kosten für Abstützungen und Schalungen auf der Baustelle.
(1) Fallbeispiel 1: Betonfertigteil-Schubwandsystem
Die Baukosten der meisten Fertigteilgebäude liegen höher als die monolithisch errichteter Gebäude. Nach einer Berechnung anhand eines Projektbeispiels in Shenyang in der Studie „Untersuchung zu den Methoden der umfassenden Nutzenanalyse von Fertigteilbauten“ liegen die Baukosten von Fertigteilgebäuden (am Beispiel von PC) derzeit rund 20 % über denen der monolithischen Bauweise, wenn ein gewisser Transportaufwand berücksichtigt wird. Bei dem Projekt handelt es sich um ein Wohngebäude mit Rahmen-Schubwand-Tragwerk: Gebäude 1 ist als Fertigteilgebäude ausgeführt, bei dem das Fundament bis zum 3. Geschoss monolithisch und die Geschosse 4–17 in Fertigteilbauweise errichtet sind; Gebäude 3 ist ein rein monolithisch errichtetes Gebäude. Im Rohbau, insbesondere bei den vertikalen Bauteilen, sind die Baukosten von Fertigteilgebäuden höher als bei monolithischer Bauweise; das rührt überwiegend von den Kosten der Verbindungen der vertikalen Bewehrung und den Mehrkosten an den Anschlussstellen zwischen Fertigteil-Außenwänden und Ortbetonbauteilen her.
Vergleich der Baukosten von monolithisch errichteten und Fertigteilgebäuden
(2) Fallbeispiel 2: Betonfertigteil-Schubwandsystem
Einer Analyse von Zhang Jianguo u. a. bei der Yatai-Gruppe aus dem Jahr 2017 zufolge steigen die Baukosten pro Quadratmeter bei Gebäuden mit Fertigteilquoten von 20 %, 40 % bzw. 60 % gegenüber monolithisch errichteten Gebäuden um 11,1 %, 30 % bzw. 33,8 %; mit steigender Fertigteilquote sinkt der Anteil der Lohnkosten jedoch allmählich. Dafür gibt es vor allem drei Gründe:
Erstens: Da die Standardisierung der Fertigteile in China derzeit gering ist und die Zahl der unterschiedlichen Abmessungen groß ist, sind Einkauf, Produktion und Transport der Fertigteile noch nicht in großem Maßstab organisiert; der Transport der Teile in loser Form ist wenig effizient. Zweitens: Da der Standardisierungsgrad der Fertigteile unterschiedlich ist, sind die Bauteilkosten hoch. Die meisten Hersteller bleiben weiterhin bei der Produktion horizontaler Fertigteile wie Treppen und Treppenplatten; vertikale Bauteile wie Wandplatten werden kaum produziert. All das setzt die Fertigteilhersteller unter erheblichen Kapitaldruck bei den Investitionen in Anlagen und erhöht zugleich die auf die Fertigteile entfallenden Abschreibungskosten der Anlagen. Daraus ist Folgendes zu erkennen:Steigt der Vorfertigungsgrad von 20 % auf 40 %, erhöhen sich die Kosten deutlich.Drittens: Der Grad der Integration von Planung, Produktion und Bauausführung ist derzeit gering. Wenn der Fertigteil-Anbieter als Generalunternehmer zugleich die Planung übernimmt, können die Kosten gesenkt werden.
(3) Vergleich der Verbrauchsnormen von Fertigteilbeton- und Stahlbauten
Das Ministerium für Wohnungswesen und Stadt-Land-Entwicklung (MOHURD) hat in der „Verbrauchsnorm für Fertigteilbauarbeiten“ (Entwurf zur Stellungnahme) für neun Arten von Fertigteilbeton-Wohnhäusern und Fertigteil-Stahlbau-Wohnhäusern mit unterschiedlicher PC-Quote (Fertigteilquote) jeweils Referenzkennwerte für die Investitionsschätzung angegeben; damit stehen für die Kostenberechnung von Fertigteilgebäuden klare und einheitliche Standards und Grundlagen zur Verfügung. Da Stahl teurer ist als Beton, liegen die Baukosten von Stahlbau-Fertigteilwohnhäusern höher als die von Fertigteilbeton-Wohnhäusern.
Man muss jedoch auch sehen, dass sich die Kosten des Fertigteilbaus allmählich an die der monolithischen Bauweise angleichen. Dafür gibt es mehrere Gründe. Erstens haben alle Regionen des Landes Förderpolitik für den Fertigteilbau eingeführt. In Shanghai gilt beispielsweise: Wird die Außenwand eines Fertigteilgebäudes als vorgefertigte Sandwich-Außenwand mit Kerndämmung ausgeführt, wird ein Bonus auf die Geschossflächenzahl von über 3 % gewährt. Bis Dezember 2018 haben in Shanghai insgesamt 81 Projekte die Prüfung für diese Geschossflächenzahl-Bonusregelung bestanden; die gesamte Baufläche dieser Projekte beträgt knapp 7 Millionen Quadratmeter, und zusammen erhielten sie eine Flächenprämie von rund 195.000 Quadratmetern, die nicht auf die Geschossflächenzahl angerechnet wird. Wenn die Geschossflächenzahl großzügiger bemessen wird, können sich die Baukosten von Fertigteilgebäuden entsprechend verringern. Zweitens ist die Bauzeit von Fertigteilgebäuden kurz. Insbesondere da bei neuen Wohnprojekten die Baudarlehen erst nach dem Abschluss des Rohbaus (Topping-out) gewährt werden, liegt der Vorteil von Fertigteil-Wohnhäusern darin, dass sie schnell den Rohbauabschluss erreichen und damit die Voraussetzungen für die Kreditvergabe und den Verkauf erfüllen. Daher sinken die Baukosten von Fertigteilgebäuden.
(4) Fallbeispiele für weitere Fertigteil-Systeme
Unter den Fertigteil-Systemen kann das System mit versetzten Fachwerkträgern günstiger sein als die monolithische Bauweise. Das Eigengewicht von Hochhäusern in Stahlbauweise beträgt in der Regel 1/2 bis 3/5 des Eigengewichts von Betonkonstruktionen; das System mit versetzten Fachwerkträgern ist leichter als ein üblicher Stahlrahmen mit Schubwänden und verbraucht weniger Stahl, wodurch sich die Gründungskosten senken lassen. Insbesondere in den Gebieten mit weichen Böden im Süden Chinas fällt die Senkung der Gründungskosten nach der Gewichtsreduzierung deutlicher aus.
Das System für vollständig vormontierte niedrige Wohngebäude ist etwas günstiger als die monolithische Bauweise, denn das Bauen im ländlichen Raum ist kein bloßer Konsumakt, sondern ein Produktionsakt: Die Kunden können am Hausbau mitwirken. Die vollständig vormontierte Bauweise vereint die Möglichkeit der industrialisierten Serienproduktion mit Offenheit und Flexibilität; sie ist einfach auszuführen und kann unter Beteiligung der Bewohner vor Ort umgesetzt werden, sodass die Bauzeit kurz und die Lohnkosten niedrig sind.
Im Allgemeinen ist der Fertigteilbau in Stahlbauweise etwas teurer als der Bau mit Betonfertigteil-Schubwänden; Hochhaus-Wohngebäude mit Betonfertigteil-Schubwänden sind wiederum teurer als monolithisch errichtete Gebäude. Systeme wie das mit versetzten Fachwerkträgern oder das System für vollständig vormontierte niedrige Wohngebäude können jedoch unter Umständen günstiger gebaut werden als in monolithischer Bauweise. Nach den derzeit vorliegenden Daten nähert sich der Fertigteilbau in den Kosten der monolithischen Bauweise an; wir sind der Ansicht, dass die PC-Bauweise wegen der geringeren Kosten eher für die Verbreitung geeignet ist, während der Stahlbau auf die weitere Reifung der objektiven Rahmenbedingungen angewiesen ist.
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