新兴的模块化建筑技术

2014-01-12 14:49:40 来源于: 作者: 浏览:1407

模块化建筑是一种新兴的建筑结构体系,该体系是以每个房间作为一个模块单元,均在工厂中进行预制生产,完成后运输至现场并通过可靠的连接方式组装成建筑整体。与传统建筑的建造方式相比,其具有可缩短工期、节约人力物力、绿色环保、品质精良等优点。结合工程实例对模块化建筑的概念、研究现状、结构特点、设计要求以及施工方法等多方面内容进行介绍与讨论。

  一、装配式建筑与模块化建筑特征

  装配式建筑是指预制的构件在工地装配而成的建筑。这种建筑的优点是建造速度快、受气候条件制约小、节约劳动力并可提高建筑质量。

  根据不同的预制程度,装配式建筑的预制单元一般可分为:杆件单元、板体单元和模块单元几种。对应建筑结构体系即为:直接装配式结构体系、预制大板结构体系与模块化建筑结构体系。

  直接装配式结构体系:结构中所有的杆件按设计尺寸切割,主要的开洞也在工厂完成,并以单根杆件形式运至现场,采用螺栓或自攻螺丝连接,均在现场完成。优点是现场可进行一定修改对工厂设备要求低可用集装箱运输,经济适用于体型复杂的建筑,缺点是现场劳动量相对较大。

  预制大板结构体系:结构中带骨架的墙板、屋面板及屋架均在工厂用专用模具预制成型,并运输至现场进行组装。这种体系的优点是建造速度快,质量易于控制,自动化程度较高,现场工作量小但相对运输费用高,现场需要提升设备。

  模块化建筑结构体系:结构以单个房间作为一个模块均在工厂进行预制,并可在工厂对模块内部空间进行布置与装修。然后运输至现场通过吊装将模块可靠的连接为建筑整体。模块化建筑结构体系预制化比例高,可节约人力、物力,减少工期、绿色环保。

  据统计,预制大板结构体系的预制比例可打60%左右,而模块化建筑结构体系的预制比例一般可达85%以上,其中完全工厂制造的模块化建筑的预制比例可高达95%,仅剩余的5%工作为现场基础施工与模块安装的连接工作。

  二、模块化建筑的工程实例

  英国伍尔弗汉普顿学生公寓——建筑共25层,于2009年8月完工,共820个模块在8个月内安装完成,总建造耗时12个月左右,该建筑是目前已完工的最高的模块化建筑。

  美国纽约布鲁克林34层住宅大楼——建筑面积34万平方英尺,是最大的预制模块化建筑。大厦有350套公寓,其中一半是中低收入人群买得起的住房。60%的建筑将在工厂里制造,估计将制造大约950钢框架模块。该建筑已于2013年3月开始动工。

  三、国内外的研究现状

  国内研究现状

  国内对与模块化建筑结构体系的研究还比较少,而且只有几种在低层模块化住宅的研究。如:2009年的第七届中国国际住宅产业博览会,浙江泰格集成房屋有限公司展示了一套2层的模块化住宅;2011年的上海国际冶金展,宝钢集团展示了一套2层的刚模块房屋,有13个模块组成。

  哈工大查晓雄教授对集装箱改造房进行理论分析与试验研究。集装箱改装房与模块化建筑形式相似,但结构特点有较大不同。

  国外研究现状

  国外的R.M.Lawson等人对多高层模块化建筑的结构体系及结构设计进行了相关研究,并对模块化单元的墙板及连接节点做了相关试验和理论分析研究。

  加拿大的C.D.Annan等人对带有支撑的多层刚模块建筑的抗震性能做了具体研究及相关试验。

  韩国的Sung-Gul Hong等人对带有双层钢板的刚模块框架进行了试验研究,分析了双层钢板对刚模块框架的抗震性能的影响。

  四、建筑所用的模块类型

  根据建筑模块的结构与功能类型,目前模块化建筑所用的模块可分为:墙体承重模块、角柱支撑模块、楼梯模块和非承重模块几种。

  墙体承重模块

  模块包括四块墙体,由竖向立柱、水平横杆和支撑组成。楼板和天花板托梁的跨度方向平行于模块单元的短边。除了四块外墙,也可包括非承重隔墙,用于将所围空间划分为适当大小的房间。这种建筑类型应用于宾馆、学生宿舍和社会保障房或工人宿舍十分理想,这些房屋通常是由大量的小房间组成。

  为使建筑内部模块布局更加灵活,并且考虑到可通过合并多个模块单元来实现大的内部空间设计,可对墙体承重模块的侧向墙体进行局部开孔设计,并对开孔附近设置附加边梁或支柱进行补强。

  角柱支撑模块

  角部支撑模块类似于传统的热轧钢结构,在方钢管角柱中布置梁高较高的纵向边梁,与带有轻钢承重墙的墙体模块形成明显对比。角部支撑模块的关键优势是模块的一个或多个面可以完全开放,当模块并排安装在一起时可以创建大的开放式空间。这种建筑形式是学校和医院的理想选择。

  楼梯模块

  楼梯模块在一个独立的预制单元中提供楼梯(通常为两跑,中间为楼梯平台)和平台,由此通往模块结构更高的楼层。它们一般与常规公寓模块(卧室、客厅等)一起使用组成模块化住宅公寓楼。楼梯平台和中建平台由纵向墙体所支承,并根据需要设置一定的附属钢结构。这种结构形式一般用于完全模块化建筑。

  非承重模块

  非承重模块用于在非模块化建筑中提供空间预制单元构件。它们一般用于浴室、厨房和设备室,这些设施在工厂环境下安装具有明显的优点。厨房和浴室一般在交送到现场是配备齐全的,包括水暖、电气、配套家具和装饰。非承重模块具有有限的结构强度,必须依靠于其他结构构件的支承,如构造钢构件过楼板构件。然而,它们需要设计承担其自重荷载及其在进行吊装时所受的力。

  五、模块化建筑结构体系

  模块化建筑结构体系,按种类可分为全模块化建筑结构体系和复合模块化建筑结构体系。

  全模块化建筑结构体系

  建筑前部由模块单元装配而成,适用于多层建筑房屋,一般适用层数为4~8层。当层数过高时,需要有独立的抗侧体系作为预考。模块间一般通过螺栓和改版进行连接,以此最为模块化建筑的传力路径。

  复合模块化建筑结构体系

  为提高模块化建筑的结构与使用性能,需要将模块化建筑与其他建筑形式进行复合,一般可包括:与传统框架复合结构体系、与板体结构复合体系、与剪力墙与核心筒复合结构体系等。

  与传统框架复合结构体系:为满足更开放的活动空间,可考虑将模块化建筑与传统钢结构框架进行复合,如以传统钢结构框架建造房屋的1层或1~2层,并以此传统框架为平台在上部进行模块安装,下部空间一般可作为零售店或停车场。另外,对于一些相对高层的模块建筑,也可以传统框架作为结构的外骨架,以此为依附进行模块化建筑的建造。

  与板体结构复合体系:在这种建造形式中,模块堆叠成一个核心,在其周围布置预制承重墙和楼板。模块通常可形成楼梯井,并在建筑内部提供了公共设施的中心区域。建筑物的模块部分能够容纳大量的公共设施区域,如厨房和浴室等,而在非模块区域则可作为卧室和客厅。从结构的角度看,除了其承重作用,模块化核心还为整个建筑物提供了稳定性。这种布置一般被限制在4~6层高度的楼房,是住宅应用的理想选择。

  与剪力墙与核心筒复合结构体系:为使模块化建筑有更高层数的发展,需将其与剪力墙或核心筒相结合组成复合结构体系。

  六、模块化建筑设计要点

  考虑模块化建筑与传统建筑结构体系的不同之处,模块化建筑的结构设计还需要考虑以下几点:

  模块单元的运输与密封要求

  运输的基本要求包括公路装载的最大宽度和高度,这决定了所生产模块单元的尺寸。在英国,一般允许的最大宽度为3.5米,但如果运输路线允许可以增加到4.3米。最大的载物高度为4.5米,但当运输经过旧的桥下或隧道时需要注意,可能需要使用更低的拖车。

  模块单元需要进行密封处理,特别是在运输过程中。模块单元一般由较厚的干燥塑料膜所覆盖,并在建造过程中需一直保留。而且,在模块单元之间的连接、走廊和公共设施空间也需进行防水处理。

  提升与安装受力

  模块单元在升降操作过程中的受力将产生与通常情况不同的内部应力。特别是当所提升位置存在局部的受力集中,需要加强相邻的构件以及它们之间的连接来抵抗这些受力。通常这些位置可采用热轧型钢,而其他地方多采用轻钢构件。

  根据起重机臂架的高度,有多种不同的吊装技术。通常,应在模块单元的顶部进行提升,并且需要调整吊装绳索的角度,以使水平构件的受力分量不会过大。最佳的吊点是距模块单元两端点长度的20%左右,这样结构是最稳定的。然而,模块单元通常是从它们的角部进行提升,这样就需要使用一个独立的框架或一对衡量协助吊装。重型的吊装框架可与模块单元的平面尺寸相同,这样可以免除在模块单元上产生水平力与剪力。

  整体稳定性与安全性要求

  对于整体稳定性和安全性的要求即结构的鲁棒性。原则上,在结构的一个构件发生故障后,其余结构应该有足够的强度保障荷载的作用不会产生不成比例的连续破坏。

  模块单元不同于其他传统的建造单元,虽然单独的模块单元强度很高,但当它们组装在一起时,荷载是通过模块的墙体或角柱进行传递的。考虑对这种荷载路径进行移除的可能性,墙体的鲁棒性设计应该如下:

  考虑水平跨度在一个深梁或隔墙区域内的破坏,对其进行移除。

  相邻模块单元需提供拉力与支撑,也就是模块单元之间除了竖向,水平方向也应进行连接。

  基础要求

  由于模块单元的重量比较轻,所以模块化建筑的基础一般不会同传统建筑的基础一样巨大。条形基础位于承重墙和剪力构件的下部,通过树脂锚入混凝土。基础或者地梁的水准对于随后模块单元的安装和对齐十分重要,经常需要对基础或模块单元的底部进行一些调整,且每个模块厂商都有自己的体系。一般情况下,可允许基础顶部在20毫米左右的范围内进行变动。对于低劣的地基,可以采用桩基,并且模块单元的底梁可以设计为跨越各桩帽之间。

  七、模块化建筑施工技术

  区别于传统建筑的施工方法,模块化建筑的施工是将在工厂制造好的模块单元通过拖车运输至现场,然后通过吊车将其逐个吊装进行安装。结合BIM系统可通过模块化建筑的整个安装过程的施工模拟对实际过程进行优化设计:

  收集相关信息,建立3D施工信息模型。需要信息包括:建筑有关信息、现场场地情况、使用起重机情况以及所需考虑的条件限制。如:运输条件、安全性、天气状况等;

  根据3D信息模型,对场地布置进行优化分析,确定场地的起重机位置、模块单元的固定交付位置等;

  通过4D模拟,对模块吊装的过程进行模拟分析,确定模块安装的最优次序及装配时间安排,并对施工过程中可能出现的问题进行预防。参考工程实例为美国宾夕法尼亚州阿伦敦市穆伦堡学院的5栋宿舍楼的建造施工模拟:该建筑的模块由美国新泽西州的库尔曼车间制造,交付至宾夕法尼亚州阿伦敦市的穆伦堡学院,组装成5栋3层楼的宿舍楼。共有90多个模块,放在5个不同的地点,可入宿145名学生。

  通过对施工过程中的4D模拟分析,确定了最优化的施工方案,并给出了施工过程的时间安排表。在施工的最后阶段,即对第5栋宿舍楼的屋顶进行吊装中,起重机的吊臂与已经建好的宿舍楼出现冲突。为避免这种问题的发生,进行了多种尝试,最终选择对起重机的吊臂进行长度延伸。最终,在不降低安全性和质量的条件下,5栋宿舍楼的装配时间由21天缩短到10天,体现了良好的经济效益。

  综上所述,我们结合工程实例对模块化建筑的概念、研究现状、结构特点、设计要求以及施工方法等多方面内容进行的介绍与讨论,体现了模块化建筑作为一种新兴的建筑结构体系,因其工业化比例高,具有可缩短工期、节约人力物力、绿色环保、品质精良等有点,符合我国关于绿色建筑的发展要求,需受到社会的重视与推广。(作者:天津大学建筑工程学院王小盾、曲可鑫、陈志华,天津市建筑设计院陈敖宜)


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