[Reproducción] Estudio de los sistemas estructurales prefabricados y su viabilidad económica
Sincronización WeChat · Xiaowei · 2021-02-02
1. Relaciones entre los 11 sistemas estructurales de los edificios prefabricados
Relaciones entre los 11 sistemas de edificios prefabricados
Según el componente estructural principal, los edificios prefabricados pueden clasificarse en edificios de estructura de hormigón prefabricado, de estructura de acero prefabricada y de estructura de madera prefabricada. La combinación del hormigón prefabricado y la estructura de acero da lugar al sistema estructural mixto acero-hormigón. La estructura de hormigón prefabricado cuenta en exclusiva con el sistema estructural pretensado y con el sistema estructural de muro de corte compuesto de doble cara; si en las estructuras de hormigón y de acero se emplean muros de corte o pórticos principal y secundario, pueden subdividirse respectivamente en el sistema de edificios residenciales de gran altura con muro de corte prefabricado o en el sistema estructural de pórticos principal y secundario; si en las estructuras de acero y de madera se emplean celosías alternadas, pueden subdividirse en el sistema estructural de celosías alternadas; y si los tres tipos son totalmente prefabricados y se destinan a viviendas de baja altura, se dispone del sistema de viviendas de baja altura totalmente prefabricadas, mientras que si se emplean módulos, puede subdividirse en el sistema estructural modular.
2. Comparación de la aplicación de estos sistemas estructurales en edificios de viviendas
La frecuencia de uso de los distintos sistemas de vivienda prefabricada está relacionada principalmente con dos agentes: los promotores inmobiliarios y los consumidores:
Promotores inmobiliarios:Dan mayor importancia a las políticas de desarrollo inmobiliario, los costos, el grado de aceptación de los consumidores y el ciclo de construcción, entre otros aspectos. La estructura de hormigón prefabricado se promovió antes desde las políticas, y la estructura integral de muro de corte de hormigón prefabricado se desarrolló con anterioridad y cuenta con una tecnología más madura, por lo que constituye hoy el sistema dominante de estructura de hormigón prefabricado de gran altura en nuestro país. El hormigón pretensado, el muro de corte compuesto de doble cara y la estructura de madera, en cambio, exigen más no solo de la calidad del propio producto, sino también del personal de producción y de la maquinaria, y su precio resulta relativamente elevado. Sin embargo, el hormigón pretensado y el muro de corte compuesto de doble cara poseen una gran rigidez lateral y una fuerte capacidad para resistir la deformación bajo fuerzas horizontales, con un mejor comportamiento sísmico, y apenas requieren cambios en el proceso de las plantas de PC existentes, por lo que se emplean sobre todo en proyectos piloto de uso no residencial.
Consumidores:Prestan más atención a la calidad, el precio y la privacidad de la vivienda, entre otros aspectos. Hoy los consumidores aún se encuentran en la fase de conocer los edificios prefabricados y aceptan con mayor facilidad las viviendas de hormigón prefabricado, similares a las viviendas construidas in situ. Las estructuras de pórticos principal y secundario, las de celosías alternadas y las de acero son más habituales en edificios de grandes espacios, como las salas de exposición; sin embargo, cuando se aplican a la vivienda, los consumidores se preocupan por el aislamiento acústico y térmico de la vivienda, por lo que el grado de aceptación de este tipo de vivienda prefabricada es bajo. En cuanto a las casas bajas de las zonas rurales, montañosas o costeras, donde el aislamiento acústico no es un requisito prioritario y se valoran la resistencia sísmica y la facilidad de uso, también se emplea mucho el sistema de viviendas totalmente prefabricadas de baja altura.
Así pues, en conjunto, los sistemas de edificios residenciales de gran altura con muro de corte prefabricado y de viviendas totalmente prefabricadas de baja altura son los de mayor aplicación.
3. ¿Por qué es tan baja la proporción de edificios residenciales de gran altura con estructura de acero?
En la etapa actual de nuestro país, la estructura PC ocupa la posición principal entre los edificios prefabricados, seguida de la estructura de acero. Tomando como ejemplo los 119 proyectos demostrativos de edificios prefabricados publicados en 2016 por el Ministerio de Vivienda y Desarrollo Urbano-Rural (MOHURD), 41 proyectos corresponden a estructura PC, el 35%; 19, a estructura de acero, el 16%; 4, a estructura de madera, y el resto, a proyectos de producción de componentes y piezas.
Proyectos demostrativos de edificios prefabricados del Ministerio de Vivienda y Desarrollo Urbano-Rural (MOHURD) en 2016
En los últimos dos años, los edificios prefabricados se han desarrollado con rapidez: en 2018 se iniciaron en todo el país 290 millones de metros cuadrados de edificios prefabricados, con un incremento interanual del 81% con respecto a 2017; sin embargo, la proporción de edificios de estructura de acero y de viviendas de estructura de acero sigue siendo baja. Como forma estructural importante dentro de los edificios prefabricados, la estructura de acero representa en realidad solo alrededor del 30% del total, y la mayor parte de los edificios prefabricados de estructura de acero son edificios públicos: las viviendas apenas superan el 1%, una cifra casi insignificante.
Superficie de nueva construcción de hormigón prefabricado en China, 2013~2023 (previsión)
Las principales razones de que la proporción de edificios residenciales de gran altura de estructura de acero sea baja son:
En nuestro país, el hormigón se desarrolló antes y presenta ventajas en cuanto a costos, mientras que el desarrollo de las viviendas de estructura de acero aún no ha generado economías de escala. El costo de desarrollo de una estructura de acero prefabricada suele ser ya alrededor de un 15% superior al de una estructura de hormigón prefabricado, y desde luego será aún mayor en comparación con el hormigón armado. Además, los sistemas complementarios de cerramiento y decoración de la estructura de acero son menos numerosos que los del hormigón, y la cadena de apoyo correspondiente aún no está completa.
Los edificios prefabricados presentan cierto problema de dependencia de la trayectoria: el sistema de contratación general restringe el desarrollo de las empresas en el ámbito de la estructura de acero. Actualmente, muchas empresas de estructura de acero solo disponen de la cualificación de contratación especializada en estructura de acero, y numerosos proyectos en los que predomina la estructura de acero aún deben ejecutarse mediante contratación general por empresas de obra civil, por lo que a las empresas de estructura de acero les resulta difícil tener voz propia.
En las viviendas de estructura de acero, el cuerpo principal de vigas y columnas emplea generalmente perfiles H; la estructura de acero transmite con facilidad el sonido a través de los sólidos, de modo que la transmisión de vibraciones y sonidos resulta bastante perceptible. Los tabiques se componen principalmente de acero ligero, montantes metálicos y placas de yeso, por lo que el problema de la transmisión del sonido es difícil de resolver. En las viviendas de estructura de acero ligero, como los componentes portantes son ligeros y el interior es prácticamente hueco, es muy fácil que se forme el efecto de membrana. A ello se añade que las propiedades de protección contra incendios de algunos materiales aún no alcanzan los niveles exigidos, por lo que el mercado no acepta en gran medida las viviendas de estructura de acero.
4. ¿Por qué en 2019 las políticas comenzaron a hacer hincapié en la prefabricación con estructura de acero?
Las razones políticas son de vital importancia para el desarrollo de la estructura de acero prefabricada: la política nacional sobre el acero ha pasado de ahorrar acero y utilizarlo de forma racional a fomentar su uso, lo que ofrece una sólida garantía para el desarrollo de los edificios de estructura de acero.
Principales políticas sobre estructura de acero en nuestro país en 2019
Las razones por las que en 2019 se promovió la estructura de acero prefabricada son:
(1) El sistema de viviendas totalmente prefabricadas de estructura de acero presenta ventajas únicas en las zonas rurales o en las periferias remotas.En comparación con el hormigón, el acero es ligero y su transporte resulta más cómodo: algunas carreteras rurales de baja categoría difícilmente soportan los camiones que transportan los paneles de muro de hormigón. La estructura de acero se construye en seco con mayor comodidad, sin necesidad de ejecutar cimientos, y además permite conexiones totalmente atornilladas, sin grandes exigencias técnicas; en cambio, la conexión del hormigón prefabricado requiere la complicada tecnología de manguitos de inyección de lechada. Aunque la estructura de acero presenta problemas como la facilidad de corrosión o un aislamiento acústico deficiente, su repercusión en las viviendas rurales de baja altura es escasa.
(2) La estructura de acero desempeña un papel cada vez más sustitutivo respecto de la estructura de hormigón.Se manifiesta principalmente en lo siguiente: el costo del control de la contaminación de la estructura de acero es menor; los proyectos de obra civil generan bastante polvo en la obra y constituyen una de las principales fuentes de partículas respirables. Para proteger el medio ambiente, el Estado comenzó a controlar la producción de cemento, lo que ha encarecido el cemento; el precio del acero, en cambio, se ha mantenido en un estado relativamente estable, mientras que ha subido el costo de las materias primas de las estructuras de hormigón prefabricado. Dado que el sector de la construcción es una industria intensiva en mano de obra y que el costo laboral representa una proporción elevada en los proyectos de obra civil, mientras el ciclo de construcción en obra de la estructura de acero es más corto que el de la estructura de hormigón, el costo de la mano de obra resulta menor.
(3) Hoy la proporción de viviendas que adoptan estructuras de hormigón prefabricado en el mercado ya es bastante elevada; sin embargo, la tecnología de manguitos de inyección de lechada presenta problemas de seguridad aún no resueltos, y en medio de un desarrollo tan rápido es necesario frenar el ritmo para someterla a nuevas comprobaciones. La estructura de acero emplea conexiones soldadas y atornilladas, que no plantean problemas de seguridad; además, tras más de veinte años de desarrollo, ya no es una forma estructural nueva: la mayoría de los institutos de diseño cuentan hoy con personal especializado en estructura de acero, lo que aporta las condiciones necesarias para su difusión generalizada. Por ello, el Gobierno comenzó a orientar desde las políticas el desarrollo de la estructura de acero prefabricada. Esta respuesta a la epidemia ha demostrado asimismo que las ventajas de la estructura de acero son muy evidentes en la construcción de algunos edificios públicos.
(4) Desde la puesta en marcha de la reforma del lado de la oferta a finales de 2015, las existencias sociales de acero se mantienen en niveles elevados; promover sistemas de edificios de estructura de acero prefabricados y sistemas de vivienda de estructura de acero con amplias perspectivas de aplicación en el mercado y con derechos de propiedad intelectual propios contribuye a absorber el exceso de capacidad productiva, a orientar el consumo del mercado y a impulsar la difusión y el uso a gran escala de los edificios de estructura de acero en nuestro país.
Empresas de estructura de acero cuya producción superó las 50 000 toneladas entre 2014 y 2018
De la tabla anterior se desprende que, en los últimos años, no deja de aumentar el número de empresas de estructura de acero cuya producción supera las 50 000, 100 000 y 300 000 toneladas, lo que indica que el consumo de acero para la construcción en nuestro país crece año tras año. Ello resulta de cierta ayuda para eliminar las existencias de acero en el mercado.
Por ello consideramos que, gracias a las políticas y a sus propias características, el sistema de vivienda de estructura de acero prefabricada tiene un gran futuro en las zonas rurales. Además, dado que la tecnología de inyección de lechada en manguitos verticales de la estructura PC aún presenta riesgos para la seguridad, las ciudades también deberían aumentar adecuadamente la proporción de edificios públicos y de viviendas de estructura de acero.
5. ¿Qué son el índice de prefabricación y la tasa de prefabricación? ¿Qué partes se prefabrican en los edificios con distintos índices de prefabricación?
El índice de prefabricación expresa la proporción, en volumen, que supone el hormigón de las partes prefabricadas dentro del consumo total de hormigón de los correspondientes componentes de la estructura principal y del cerramiento situados por encima del nivel del suelo exterior en un edificio prefabricado. La tasa de prefabricación, por su parte, expresa la proporción que el número (o la superficie) de componentes prefabricados y piezas de construcción supone respecto del número total (o la superficie total) de componentes o piezas de la misma categoría en el edificio prefabricado.
Tabla de puntuación de los edificios prefabricados
En viviendas de distintas tipologías de producto y con distintos índices de prefabricación, el costo de elegir qué componentes prefabricar es diferente. La tabla siguiente presenta, desde la perspectiva de un proyecto de promoción inmobiliaria y tomando como ejemplo un proyecto de Shanghái, un análisis de casos en el que se enumeran las combinaciones económicas de los principales componentes individuales para tres tipologías de producto —villas superpuestas, edificios residenciales bajos y edificios de gran altura— bajo distintos índices de prefabricación:
Principales componentes individuales según la tipología de producto y el índice de prefabricación
Incluso en los edificios construidos in situ, el empleo de escaleras, balcones y placas para unidades de aire acondicionado prefabricados permite alcanzar una tasa de prefabricación de alrededor del 15%. La «Norma de evaluación de edificios industrializados» GB/T51129-2015 establece que el índice de prefabricación de un edificio prefabricado no debe ser inferior al 20%, aunque los métodos de cálculo y los criterios de dicho índice varían ligeramente según la región. Tomando como ejemplo la estructura de muro de corte de hormigón prefabricado, cuando el índice de prefabricación alcanza el 30% suele añadirse una losa compuesta, y cuando llega al 40%, suele añadirse un panel de muro exterior.
6. ¿Por qué los edificios prefabricados resultan caros? ¿Es posible que sean más baratos que la construcción in situ?
El costo del método de construcción prefabricada, en comparación con el método tradicional in situ, aumenta o disminuye según las circunstancias concretas, como la forma estructural, el sistema técnico, el nivel de diseño sismorresistente, el índice de prefabricación, el nivel de gestión o la escala del proyecto, por lo que no puede afirmarse de manera genérica que el costo de los edificios prefabricados sea alto o bajo. En concreto, las partidas que incrementan el costo de los edificios prefabricados incluyen principalmente: los productos de componentes prefabricados y su transporte, el izado e instalación en obra, el alquiler de maquinaria pesada, el tratamiento de las juntas entre los paneles de muro y las losas de piso y los materiales relacionados. Las partidas que lo reducen incluyen principalmente: las obras de armaduras y de hormigón se ejecutan en las fábricas de componentes prefabricados, lo que reduce los trabajos de albañilería en obra, reduce el costo de la mano de obra y reduce también los gastos de apeos y encofrados en obra.
(1) Primer caso: sistema de muro de corte de hormigón prefabricado
La mayoría de los edificios prefabricados tienen un costo mayor que los de construcción in situ. Según la estimación de un proyecto concreto en Shenyang recogida en el artículo «Investigación sobre el método de análisis de los beneficios integrales de los edificios prefabricados», considerando cierto costo de transporte, hoy el costo de los edificios prefabricados (tomando la estructura PC como ejemplo) supera en torno a un 20% al de la construcción in situ. El proyecto es un edificio residencial de estructura de pórtico con muro de corte: el edificio n.º 1 es prefabricado —de la cimentación a la planta 3 se ejecutó in situ, y de las plantas 4 a 17, de forma prefabricada—, mientras que el edificio n.º 3 es íntegramente de construcción in situ. En la parte de obra civil, y sobre todo en los componentes verticales, el costo del edificio prefabricado es superior al de la construcción in situ, debido en su mayor parte al costo de las conexiones de las armaduras verticales y al incremento de costo en las uniones entre los muros exteriores prefabricados y los componentes vertidos in situ.
Comparación de costos entre edificios de construcción in situ y edificios prefabricados
(2) Segundo caso: sistema de muro de corte de hormigón prefabricado
Según los resultados del análisis de Zhang Jianguo, de Yatai Group, y sus colaboradores, realizado en 2017, en comparación con la construcción in situ, los edificios con tasas de prefabricación del 20%, el 40% y el 60% registraron un aumento del costo de construcción por metro cuadrado del 11.1%, el 30% y el 33.8%, respectivamente; no obstante, a medida que aumenta la tasa de prefabricación, la proporción que representa el costo de la mano de obra disminuye progresivamente. Esto se debe principalmente a tres causas:
En primer lugar, porque actualmente el grado de estandarización de los componentes prefabricados en el país es bajo y son muchas las especificaciones y dimensiones; la producción de componentes prefabricados aún no ha logrado compras, fabricación y transporte a escala, y el transporte a granel resulta poco eficiente. En segundo lugar, porque el grado de estandarización de los componentes prefabricados es desigual y el costo de los componentes resulta elevado. La mayoría de los fabricantes siguen centrados en la producción de componentes prefabricados horizontales, como escaleras y losas de escalera, mientras que se fabrican pocos componentes verticales, como los paneles de muro; todo ello genera a los fabricantes de prefabricados una gran presión financiera por la inversión en equipos y, a la vez, un aumento del costo de amortización de los equipos repercutido en los componentes prefabricados. Por consiguiente, puede apreciarse quecuando el índice de prefabricación pasa del 20% al 40%, el costo aumenta de manera considerable.En tercer lugar, porque actualmente el grado de integración entre diseño, producción y construcción es bajo, entre otros motivos. Cuando el proveedor de sistemas prefabricados actúa como contratista general y asume el diseño, es posible reducir el costo.
(3) Comparación de las normas de consumo entre el hormigón prefabricado y la estructura de acero
La «Norma de consumo de proyectos de edificios prefabricados» (borrador para consulta) del Ministerio de Vivienda y Desarrollo Urbano-Rural (MOHURD) ofrece también indicadores de referencia para la estimación de la inversión de los proyectos de viviendas de hormigón prefabricado y de viviendas de estructura de acero prefabricada con nueve niveles distintos de tasa PC (tasa de prefabricación), lo que aporta un criterio y una base claros y uniformes para calcular el costo de los edificios prefabricados. Como el acero es más caro que el hormigón, el costo de la estructura de acero es superior al de las viviendas de hormigón prefabricado.
Pero también hay que ver que el costo de los edificios prefabricados se está acercando al de la construcción in situ, por varias razones. En primer lugar, todas las regiones del país han introducido políticas preferentes para los edificios prefabricados. Por ejemplo, Shanghái: los edificios prefabricados cuyos muros exteriores adopten muros sándwich prefabricados con aislamiento recibirán una bonificación del índice de edificabilidad superior al 3%. Hasta diciembre de 2018, 81 proyectos de Shanghái habían superado la revisión de esta política de bonificación del índice de edificabilidad urbanística; la superficie total construida de estos proyectos ronda los 7 millones de metros cuadrados, y en conjunto obtuvieron alrededor de 195 000 metros cuadrados de superficie no computable como bonificación. De este modo, al flexibilizarse el índice de edificabilidad, el costo de los edificios prefabricados puede reducirse de forma relativa. En segundo lugar, el ciclo de construcción de los edificios prefabricados es corto; en particular, hoy los nuevos desarrollos inmobiliarios solo pueden obtener préstamos hipotecarios tras haber cerrado la estructura del edificio, y la ventaja de las viviendas prefabricadas reside en poder cerrar rápidamente la estructura para cumplir los requisitos de concesión de préstamos y de venta. Por lo tanto, el costo de los edificios prefabricados está disminuyendo.
(4) Casos de otros sistemas prefabricados
Dentro de los sistemas prefabricados, el costo de la estructura de celosías alternadas puede ser inferior al de la construcción in situ. En general, el peso propio de un edificio de gran altura de estructura de acero equivale a entre 1/2 y 3/5 del peso propio de una estructura de hormigón; la estructura de celosías alternadas es aún más ligera que el pórtico de acero convencional con muro de corte y consume menos acero, lo que permite abaratar el costo de la cimentación; en especial, en las regiones del sur con suelos blandos, la reducción del peso propio de la estructura hace más evidente el descenso del costo de la cimentación.
El costo del sistema estructural de viviendas de baja altura totalmente prefabricadas es ligeramente inferior al de la construcción in situ, porque construir una casa en el medio rural no es un simple acto de consumo, sino un acto de producción: el cliente puede participar en la construcción de la vivienda. El sistema totalmente prefabricado permite, además de una producción cuantificable, contar con apertura y flexibilidad; su método constructivo es sencillo y puede completarse con la participación de los miembros de la comunidad, por lo que el ciclo de construcción es corto y el costo de la mano de obra, bajo.
Como regla general, la estructura de acero prefabricada es algo más cara que el muro de corte de hormigón prefabricado, y las viviendas de gran altura con muro de corte de hormigón prefabricado resultan a su vez más caras que las de construcción in situ. No obstante, es posible que el costo de construcción de sistemas prefabricados como la estructura de celosías alternadas o el sistema de viviendas de baja altura totalmente prefabricadas sea inferior al de la construcción in situ. Según los datos disponibles hasta ahora, el costo de la prefabricación se está acercando al de la construcción in situ; consideramos que la estructura PC, al tener un costo menor, presenta un mayor valor para su promoción, mientras que la estructura de acero necesita que maduren aún más las condiciones objetivas.
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