[Republicação] Estudo sobre sistemas estruturais pré-fabricados e a sua economia
Sincronização WeChat · Xiaowei · 2021-02-02
1. Relações entre os 11 tipos de sistemas estruturais de edifícios pré-fabricados
Relações entre os 11 sistemas de edifícios pré-fabricados
Com base nos principais componentes estruturais, os edifícios pré-fabricados podem ser divididos em: edifícios de estrutura de concreto pré-moldado, edifícios de estrutura de aço pré-fabricada e edifícios de estrutura de madeira pré-fabricada. A combinação das estruturas de concreto pré-moldado e de aço forma o sistema estrutural misto de aço-concreto. A estrutura de concreto pré-moldado possui, exclusivamente, o sistema estrutural protendido e o sistema estrutural de parede de cisalhamento composta de dupla face. Nas estruturas de concreto e de aço, se forem utilizadas paredes de cisalhamento ou pórticos principais e secundários, elas podem ser subdivididas em sistema de residências de alta altura com paredes de cisalhamento pré-moldadas ou em sistema estrutural de pórtico principal e secundário. Nas estruturas de aço e de madeira, se forem utilizadas treliças escalonadas, elas podem ser subdivididas em sistema estrutural de treliça escalonada. Se as três categorias forem totalmente pré-fabricadas e se destinarem a residências de baixa altura, existe o sistema de residências de baixa altura totalmente pré-fabricadas; se forem utilizados módulos, elas podem ser subdivididas em sistema estrutural modular.
2. Comparação da aplicação desses sistemas estruturais em residências
A frequência de uso dos diversos sistemas de residências pré-fabricadas está relacionada principalmente a dois agentes — o incorporador e o consumidor:
Incorporador:Valoriza mais as políticas de desenvolvimento residencial, os custos, o nível de aceitação dos consumidores, o ciclo de construção etc. As políticas de promoção do concreto pré-moldado foram introduzidas mais cedo, e as estruturas de parede de cisalhamento de concreto pré-moldado monolítico também se desenvolveram mais cedo, com tecnologia mais madura; por isso, hoje elas constituem o sistema dominante das estruturas de concreto pré-moldado de alta altura do país. Já o concreto protendido, a parede de cisalhamento composta de dupla face e a estrutura de madeira não apenas exigem mais da qualidade do produto em si, dos profissionais e dos equipamentos de fabricação, como também são relativamente mais caros. No entanto, o concreto protendido e a parede de cisalhamento composta de dupla face apresentam grande rigidez lateral e forte capacidade de resistir à deformação sob forças horizontais, com melhor desempenho sísmico, e exigem pouca adaptação do fluxo das fábricas de PC existentes; por isso, são aplicados com mais frequência em projetos-piloto não residenciais.
Consumidor:Valoriza mais a qualidade, o preço e a privacidade das residências. Atualmente, os consumidores ainda estão na fase de conhecimento dos edifícios pré-fabricados e aceitam com mais facilidade as residências de concreto pré-moldado semelhantes às residências moldadas in loco. As estruturas de pórtico principal e secundário, as estruturas de treliça escalonada e as estruturas de aço são mais comuns em edifícios de grandes espaços, como salões de exposição; porém, quando aplicadas a residências, os consumidores se preocupam com o isolamento acústico e térmico, entre outros aspectos, e por isso o nível de aceitação dessas residências pré-fabricadas é baixo. Já para as casas de baixa altura em áreas rurais, montanhosas ou litorâneas, em que a exigência de isolamento acústico é baixa e se destacam a resistência sísmica e a facilidade de uso, também se utiliza amplamente o sistema de residências de baixa altura totalmente pré-fabricadas.
Assim, de modo geral, o sistema de residências de alta altura com paredes de cisalhamento pré-moldadas e o sistema de residências de baixa altura totalmente pré-fabricadas são os mais utilizados.
3. Por que a proporção de residências de alta altura com estrutura de aço é tão baixa?
Na fase atual, as estruturas de concreto pré-moldado (PC) ocupam a posição principal entre os edifícios pré-fabricados do país, seguidas pelas estruturas de aço. Tomando como exemplo os 119 projetos demonstrativos de edifícios pré-fabricados divulgados pelo Ministério da Habitação e Desenvolvimento Urbano-Rural (MOHURD) em 2016: foram 41 projetos de estruturas PC, correspondendo a 35%; 19 projetos de estruturas de aço, 16%; 4 projetos de estruturas de madeira, e os demais foram projetos de produção de componentes e peças.
Projetos demonstrativos de edifícios pré-fabricados de 2016 do Ministério da Habitação e Desenvolvimento Urbano-Rural (MOHURD)
Nos últimos dois anos, os edifícios pré-fabricados vêm se desenvolvendo rapidamente: em 2018, a área de edifícios pré-fabricados recém-iniciados no país atingiu 290 milhões de metros quadrados, um aumento de 81% em relação a 2017. No entanto, a proporção de edifícios com estrutura de aço e de residências com estrutura de aço ainda permanece baixa. Como uma importante forma estrutural de edifício pré-fabricado, a estrutura de aço representa, na prática, apenas cerca de 30% dos edifícios pré-fabricados, e a maior parte desses edifícios pré-fabricados com estrutura de aço são edifícios públicos, com as residências representando menos de 1% — um percentual quase desprezível.
Área de novas construções de concreto pré-moldado na China, 2013 a 2023 (previsão)
A baixa proporção de residências de alta altura com estrutura de aço se deve principalmente a:
No país, o concreto se desenvolveu mais cedo e tem vantagens de custo, enquanto o desenvolvimento das residências com estrutura de aço ainda não gerou economia de escala. Em geral, o custo de desenvolvimento dos edifícios pré-fabricados com estrutura de aço é cerca de 15% maior que o das estruturas de concreto pré-moldado, e certamente ainda maior em comparação com o concreto armado. Além disso, os sistemas complementares de vedação e acabamento para a estrutura de aço são menos numerosos que os do concreto, e a cadeia de fornecimento complementar ainda não está completa.
Os edifícios pré-fabricados apresentam certo problema de dependência de trajetória, e o sistema de empreitada geral restringe o desenvolvimento das empresas no segmento de estrutura de aço. Atualmente, muitas empresas de estrutura de aço possuem apenas a qualificação de contratação especializada em estrutura de aço; muitos projetos com predominância de estrutura de aço ainda precisam ser contratados em regime de empreitada geral por empresas de obras civis, de modo que as empresas de estrutura de aço dificilmente têm voz ativa.
Nos edifícios residenciais com estrutura de aço, os pilares e as vigas principais geralmente utilizam perfis H de aço. A estrutura de aço transmite facilmente o som por via sólida, de modo que a transmissão de sons por vibração é bastante evidente; como as paredes divisórias são compostas principalmente por aço leve, montantes e placas de gesso, o problema da transmissão do som é difícil de resolver. Nas casas com estrutura de aço leve, como os componentes estruturais têm peso próprio reduzido e o interior é basicamente oco, é fácil formar o efeito de membrana (efeito tambor). Além disso, como o desempenho de resistência ao fogo de alguns materiais de proteção ainda não atende aos padrões, o nível de aceitação das residências com estrutura de aço no mercado é baixo.
4. Por que, em 2019, as políticas passaram a enfatizar os edifícios pré-fabricados com estrutura de aço?
Os fatores políticos são de extrema importância para o desenvolvimento dos edifícios pré-fabricados com estrutura de aço. A política nacional em relação à estrutura de aço passou de “economizar aço” e “usar o aço de forma racional” para “incentivar o uso do aço”, o que fornece uma garantia sólida para o desenvolvimento dos edifícios com estrutura de aço.
Principais políticas nacionais de estrutura de aço em 2019
As razões para a promoção dos edifícios pré-fabricados com estrutura de aço em 2019 são:
(1) O sistema de residências totalmente pré-fabricadas com estrutura de aço tem vantagens exclusivas em áreas rurais ou em subúrbios remotos.O aço é mais leve que o concreto e mais conveniente de transportar; algumas estradas rurais de baixo padrão têm dificuldade de suportar caminhões que transportam painéis de parede de concreto. A construção a seco com estrutura de aço é mais conveniente, dispensa a execução de fundações e permite conexões totalmente aparafusadas, sem grandes exigências técnicas; já as conexões do concreto pré-moldado exigem a tecnologia mais complexa das luvas de graute. Embora a estrutura de aço apresente problemas como facilidade de corrosão e isolamento acústico deficiente, o impacto é pequeno para as casas de baixa altura das áreas rurais.
(2) A estrutura de aço vem se tornando cada vez mais um substituto da estrutura de concreto.Isso se manifesta principalmente em: a estrutura de aço tem menor custo de controle da poluição; os projetos de obras civis geram muita poeira no canteiro de obras, sendo uma das importantes fontes de material particulado. Para proteger o meio ambiente, o Estado passou a controlar a produção de cimento, o que elevou o custo do cimento; o preço do aço, por sua vez, manteve-se relativamente estável, enquanto o custo das matérias-primas das estruturas de concreto pré-moldado aumentou. Como a construção civil é um setor intensivo em mão de obra e o custo da mão de obra representa uma parcela elevada nos projetos de obras civis, e como o prazo de construção no local das estruturas de aço é menor que o das estruturas de concreto, o custo com mão de obra é menor.
(3) Atualmente, a proporção de residências que utilizam estruturas de concreto pré-moldado no mercado já é relativamente alta, mas o processo de grauteamento com luvas apresenta problemas de segurança ainda não plenamente resolvidos; em meio ao rápido desenvolvimento, é preciso desacelerar o ritmo para reavaliar essa questão. A estrutura de aço adota conexões soldadas e aparafusadas, sem problemas de segurança; além disso, após mais de 20 anos de desenvolvimento, a estrutura de aço deixou de ser uma estrutura construtiva nova, e a maioria dos institutos de projeto hoje conta com projetistas de estrutura de aço, o que fornece as condições necessárias para a sua popularização. Por isso, o governo passou a orientar, por meio de políticas, o desenvolvimento dos edifícios pré-fabricados com estrutura de aço. O enfrentamento da pandemia também comprovou que as vantagens da estrutura de aço são bastante evidentes na construção de alguns edifícios públicos.
(4) Desde a implementação da reforma pelo lado da oferta no final de 2015, o estoque social de aço permanece em nível elevado. A promoção dos sistemas de edifícios pré-fabricados com estrutura de aço — que apresentam amplas perspectivas de aplicação no mercado e detêm propriedade intelectual independente — e dos sistemas de residências com estrutura de aço pode ajudar a absorver o excesso de capacidade produtiva, orientar o consumo do mercado e impulsionar a promoção e a utilização em larga escala dos edifícios com estrutura de aço no país.
Empresas de estrutura de aço com produção superior a 50 mil toneladas entre 2014 e 2018
Pela tabela acima, percebe-se que, nos últimos anos, o número de empresas de estrutura de aço com produção superior a 50 mil, 100 mil e 300 mil toneladas vem aumentando continuamente, o que indica que o volume de aço utilizado na construção civil do país cresce ano após ano, ajudando a eliminar parte do estoque de aço em circulação na sociedade.
Portanto, acreditamos que, com o apoio das políticas e dadas as suas próprias características, o sistema de residências pré-fabricadas com estrutura de aço tem grande potencial de desenvolvimento nas áreas rurais. Em segundo lugar, diante dos riscos de segurança ainda existentes na tecnologia de grauteamento com luvas verticais das estruturas PC, as cidades também devem aumentar adequadamente a proporção de edifícios públicos e de residências com estrutura de aço.
5. O que são a taxa de pré-moldagem e a taxa de pré-fabricação? Quais partes são pré-moldadas em edifícios com diferentes taxas de pré-moldagem?
A taxa de pré-moldagem é a relação volumétrica entre o consumo de concreto das partes pré-moldadas da estrutura principal e do sistema de vedação acima do piso térreo do edifício pré-fabricado e o consumo total de concreto dos componentes correspondentes. A taxa de pré-fabricação, por sua vez, expressa a razão entre a quantidade (ou a área) de componentes pré-fabricados e de produtos de construção adotados no edifício pré-fabricado e a quantidade total (ou a área) de componentes ou produtos da mesma categoria.
Tabela de pontuação de edifícios pré-fabricados
Em residências de diferentes tipologias e com diferentes taxas de pré-moldagem, o custo de escolher quais componentes serão pré-moldados é diferente. A tabela abaixo apresenta uma análise de caso, do ponto de vista de projetos de desenvolvimento imobiliário, tomando como exemplo um projeto em Xangai, e lista as combinações econômicas dos principais componentes individuais sob diferentes taxas de pré-moldagem para três tipologias: vilas sobrepostas, casas de baixo gabarito e edifícios de alta altura:
Principais componentes individuais por tipologia e taxa de pré-moldagem
Mesmo os edifícios moldados in loco podem atingir uma taxa de pré-fabricação de cerca de 15% ao adotarem escadas, varandas e painéis de apoio de ar-condicionado pré-fabricados. A norma “Padrão de Avaliação de Edifícios Industrializados” GB/T51129-2015 estabelece que a taxa de pré-moldagem dos edifícios pré-fabricados não deve ser inferior a 20%, havendo pequenas diferenças nos métodos de cálculo e nos padrões da taxa de pré-moldagem entre as regiões. Tomando como exemplo a estrutura de parede de cisalhamento de concreto pré-moldado: quando a taxa de pré-moldagem atinge 30%, geralmente são acrescentadas lajes compostas; quando atinge 40%, geralmente são acrescentados painéis de parede externa.
6. Por que o custo de construção dos edifícios pré-fabricados é alto? É possível que sejam mais baratos que o método moldado in loco?
O custo do método construtivo pré-fabricado, em comparação com o método tradicional moldado in loco, ora aumenta, ora diminui, dependendo de condições específicas, como a forma estrutural, o sistema técnico, o nível de proteção sísmica, a taxa de pré-moldagem, o nível de gestão e a escala do projeto; não se pode afirmar genericamente que o custo dos edifícios pré-fabricados é alto ou baixo. Especificamente, os itens que aumentam o custo dos edifícios pré-fabricados incluem principalmente: os produtos de componentes pré-fabricados e o seu transporte, as despesas de instalação e içamento no local, o aluguel de máquinas de grande porte, o tratamento das juntas entre painéis de parede e lajes e os custos dos materiais relacionados. Os itens que reduzem o custo incluem principalmente: como as obras de armadura e de concreto são executadas nas fábricas de componentes pré-fabricados, reduzem-se as despesas de alvenaria no local, os custos de mão de obra e também as despesas com escoramentos e fôrmas no local.
(1) Sistema de parede de cisalhamento de concreto pré-moldado — caso 1
O custo de construção da maioria dos edifícios pré-fabricados é maior que o dos edifícios moldados in loco. De acordo com o cálculo de um exemplo de projeto em Shenyang apresentado no artigo “Pesquisa sobre o Método de Análise dos Benefícios Abrangentes dos Edifícios Pré-fabricados”, considerando um certo valor de frete, o custo de construção dos edifícios pré-fabricados atuais (tomando o PC como exemplo) é cerca de 20% maior que o dos edifícios moldados in loco. O projeto é um edifício residencial com estrutura de pórtico com parede de cisalhamento, no qual o bloco nº 1 é o edifício pré-fabricado, com as fundações até o 3º pavimento moldadas in loco e os pavimentos 4 a 17 pré-fabricados; o bloco nº 3 é um edifício totalmente moldado in loco. Na parte de obras civis dos edifícios pré-fabricados, especialmente nos componentes verticais, o custo é maior que o dos edifícios moldados in loco, sendo que a maior parte vem do custo das ligações das armaduras verticais e do aumento de custo nas ligações entre as paredes externas pré-moldadas e os componentes moldados in loco.
Comparação do custo de construção entre edifícios moldados in loco e edifícios pré-fabricados
(2) Sistema de parede de cisalhamento de concreto pré-moldado — caso 2
De acordo com a análise de Zhang Jianguo e colaboradores, do Grupo Yatai, em 2017, em comparação com os edifícios moldados in loco, o custo de construção por metro quadrado dos edifícios com taxas de pré-fabricação de 20%, 40% e 60% aumenta, respectivamente, 11.1%, 30% e 33.8%; no entanto, à medida que a taxa de pré-fabricação aumenta, a proporção das despesas com mão de obra diminui gradativamente. Há principalmente três razões:
Primeiro, porque a padronização dos componentes pré-fabricados no país ainda é baixa e há muitas especificações e dimensões; a produção de componentes pré-fabricados ainda não alcançou compras, fabricação e transporte em escala, e o transporte a granel tem baixa eficiência. Segundo, o grau de padronização dos componentes pré-fabricados é desigual, e o custo dos componentes é alto. A maioria dos fabricantes ainda se limita à produção de componentes pré-fabricados horizontais, como escadas e lajes de escada, enquanto a produção de componentes verticais, como painéis de parede, é pequena; tudo isso gera grande pressão de capital sobre os fabricantes de pré-moldados quanto ao investimento em equipamentos e, ao mesmo tempo, acarreta o aumento do custo de amortização dos equipamentos sobre os componentes pré-fabricados. Portanto, pode-se constatar que,quando a taxa de pré-moldagem passa de 20% para 40%, o custo aumenta consideravelmente.Terceiro, o nível de integração entre projeto, produção e construção ainda é baixo, entre outros fatores. Quando o fornecedor de pré-fabricados atua como contratante geral e participa do projeto, é possível reduzir os custos.
(3) Comparação das normas de consumo entre os edifícios pré-fabricados de concreto e os de estrutura de aço
A “Norma de Consumo de Quantitativos para Obras de Edifícios Pré-fabricados” (minuta para consulta pública) do Ministério da Habitação e Desenvolvimento Urbano-Rural (MOHURD) também fornece indicadores de referência, respectivamente, para a estimativa de investimento de obras de residências pré-fabricadas de concreto e de residências pré-fabricadas com estrutura de aço em 9 classes de taxa de PC (taxa de pré-fabricação), o que proporciona padrões e bases claros e unificados para o cálculo do custo dos edifícios pré-fabricados. Como o custo do aço é maior que o do concreto, o custo de construção das estruturas de aço é mais alto que o das residências de concreto pré-moldado.
Mas também é preciso reconhecer que o custo dos edifícios pré-fabricados está convergindo para o dos edifícios moldados in loco, por algumas razões. Primeiro, todas as regiões do país lançaram políticas de incentivo para os edifícios pré-fabricados. Por exemplo, em Xangai: edifícios pré-fabricados cujas paredes externas adotam painéis sanduíche de isolamento térmico pré-moldados recebem um bônus de índice de aproveitamento superior a 3%. Até dezembro de 2018, 81 projetos em Xangai haviam passado pela avaliação dessa política de bônus do índice de aproveitamento do planejamento urbano; a área construída total desses projetos é de quase 7 milhões de metros quadrados, que juntos obtiveram cerca de 195 mil metros quadrados de área bônus não computada no índice de aproveitamento. Assim, quando o índice de aproveitamento é flexibilizado, o custo de construção dos edifícios pré-fabricados pode ser relativamente reduzido. Segundo, o ciclo de construção dos edifícios pré-fabricados é curto; especialmente porque, hoje, os novos empreendimentos só liberam o financiamento habitacional após a conclusão da estrutura principal (topping out), e a vantagem das residências pré-fabricadas está em concluir rapidamente a estrutura principal, atingindo o padrão para a liberação do financiamento e para a venda. Por isso, o custo de construção dos edifícios pré-fabricados está diminuindo.
(4) Casos de outros sistemas pré-fabricados
Nos sistemas pré-fabricados, o custo da estrutura de treliça escalonada pode ser menor que o do sistema moldado in loco. Em geral, o peso próprio dos edifícios de alta altura com estrutura de aço corresponde a cerca de 1/2 a 3/5 do peso próprio das estruturas de concreto; a estrutura de treliça escalonada é mais leve que o pórtico de aço comum com parede de cisalhamento e consome menos aço, o que pode reduzir o custo das fundações. Especialmente nas regiões do sul com solos moles, com a redução do peso próprio da estrutura, a redução do custo das fundações é ainda mais evidente.
O custo do sistema estrutural de residências de baixa altura totalmente pré-fabricadas é ligeiramente menor que o do sistema moldado in loco, porque construir casas em áreas rurais não é um simples ato de consumo, mas sim um ato de produção: o cliente pode participar da construção da casa. A construção totalmente pré-fabricada consegue conciliar a produção quantificada com a sua abertura e flexibilidade; o método construtivo é simples e pode ser executado com a participação dos moradores da comunidade, resultando em um ciclo de construção curto e em baixo custo de mão de obra.
Em geral, os edifícios pré-fabricados com estrutura de aço são um pouco mais caros que os de parede de cisalhamento de concreto pré-moldado, e as residências de alta altura com parede de cisalhamento de concreto pré-moldado são, por sua vez, mais caras que as moldadas in loco. No entanto, o custo de construção de alguns sistemas pré-fabricados, como a estrutura de treliça escalonada e o sistema estrutural de residências de baixa altura totalmente pré-fabricadas, pode ser mais baixo que o dos moldados in loco. Com base nos dados disponíveis até o momento, o custo dos edifícios pré-fabricados está se aproximando do dos moldados in loco; acreditamos que o PC, por ter custo menor, tem maior potencial de promoção, enquanto a estrutura de aço depende do maior amadurecimento das condições objetivas.
[Aviso de direitos autorais: este artigo foi extraído de “Círculo de Otimização de Projetos”】
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