易国辉，国住人居工程顾问有限公司研发总监，高级工程师，从事装配式建筑领域的技术研发、创新与转化工作十余载，负责/参与国家、地方及企业科研课题与咨询项目20余项，负责或参与国家、行业、地方、团体技术标准及国标图集14项，获得装配式建筑领域相关知识产权专利技术40余项，发表论文10余篇。
钢结构模块建筑技术发展
本论文收录于《建筑业技术发展报告(2022)》
文 / 娄霓 易国辉 庄彤 彭明英 张鹏
(中国建筑设计研究院有限公司，国住人居工程顾问有限公司)
01.
发展现状
钢结构模块建筑（以下简称“模块建筑”）是主要采用钢结构集成模块单元在施工现场组合而成的装配式建筑[1]。其中，钢结构集成模块单元（以下简称“模块单元”）是由工厂预制完成的钢结构主体结构、围护墙体、底板、顶板、内装部品、设备管线等组合而成的具有建筑使用功能的三维空间体（图1）。
▲ 图1 工厂生产完成的成品模块单元
国外模块建筑设计思想起步较早，自工业革命以来一直伴随着工业技术的发展而不断完善，目前模块建筑已在欧洲、北美、澳大利亚以及亚洲等发达国家得到了较为广泛的应用（图2），建成的模块建筑高度达到44层[2]，是目前国际上现场装配程度、工厂完成度与集成度、建设效率都处于领先水平的装配式建筑体系。由于模块集成设计建造技术的应用，模块建筑在提供高品质建筑的基础上还能有效节省人工、缩短建造周期，在国外发达国家具备较强的市场竞争力。
▲ 图2 国外典型模块建筑项目
近年来，在国内绿色节能与低碳发展战略背景下，模块建筑在我国北京、天津、江苏、江西、广东、深圳等省市逐步得到应用，项目类型涵盖了住宅、公寓、办公楼、酒店、学校、军事设施建设、应急救灾建筑等，最高建成高度为18层。2022年3月住建部发布的《“十四五”住房和城乡建设科技发展规划》和《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》明确指出：大力发展节能低碳建筑，全面推广绿色低碳建材，推动建筑材料循环利用，以及大力发展装配式建筑，有序提高绿色建筑占新建建筑的比例。未来模块建筑可成为国家大力推进节能低碳建筑技术战略的有效技术载体，应用潜力可期。
02.
技术特点
模块建筑在设计时将建筑空间模块化，并进行建筑一体化和集成化设计；生产制作方面，模块单元能实现工厂标准化流水线定级生产，建筑质量的均好性得到良好的保证；施工安装方面采用整体模块单元装配式安装方式，装配效率快，且在设计、生产与建造全流程中有利于实现数字化信息协同、追踪与管理，是一种较彻底的工业化建造技术。主要技术特点体现在以下五个方面：
2.1 建筑空间模块化
模块建筑的主要部分由模块单元拼接组成，建筑主要功能空间均由模块单元分割与组合而成，可将建筑物按照模块特点进行空间模块拆分。模块拆分不仅要考虑建筑功能，还要考虑设备系统设置、运输条件限值、现场吊装场地限制、吊装顺序、吊装装置、防水抗渗措施等多种因素，是设计中非常重要的环节，对后期建造速度、成本节约均有较大影响。
▲ 图3 雄安市民服务中心模块示意
2.2 设计制造一体化
模块建筑中的模块单元是一种功能集成设计的建筑单元，且在工厂集成生产制造完成，设计与制造一体化考虑，设计全专业以及产业链协同特征明显。模块建筑设计应注重与制造的协同，考虑生产制造工序、工艺的特点，提高生产效率。同时工厂进行模块单元深化设计时，要对主体结构、围护系统、内装部品以及设备管线等在模块单元的加工深化图上进行集成表达。
▲ 图4 施工现场数字化物流管理
2.3生产工艺标准化
模块建筑中模块单元是根据标准化生产流程和加工组装工艺制作完成，厨房、卫生间可标准化生产，管线系统高度标准化，是一种较彻底的标准化建造技术产品。工艺的标准化对成本和效率影响较大，模块建筑设计时应充分考虑模块单元与构件标准化生产的需求，模块单元与构件生产时应制定标准化生产流程与质量控制措施，提高效率，降低损耗。
▲ 图5 工厂化生产
2.4 建筑施工装配化
▲ 图6 昆山福园工业邻里中心一期吊装现场
2.5 绿色建造低碳化
相较于传统建筑，模块建筑在降低建筑全生命周期“隐含碳”方面优势显著。首先，模块建筑较少采用碳密集型产品（如混凝土、水泥等材料），且模块建筑材料可回收利用率高，减少大量材料生产碳排放。其次，模块在受控的装配线环境中“异地”生产，并在现场高效组装，单次运输效率高，减少了大量运输阶段碳排放。再次，模块建筑施工现场所用机械、台班数量较少，可节省大量施工机械产生的碳排放。根据国住人居公司实际案例测算，在全生命周期内，采用钢结构模块体系的建筑比采用现浇混凝土结构体系的建筑减少隐含碳排放量50%以上。
▲ 图7 钢结构模块与现浇混凝土建筑全周期各阶段中隐含碳排放对比
参考文献
[1]装配式钢结构模块建筑技术指南[S]，北京，住房和城乡建设部，2022.06。
[2]易国辉,张兰英,陈洋,庄彤,周永安.《箱式钢结构集成模块建筑技术规程》编制情况介绍[J].城市住宅,2020,27(01):6-11。
[3]陈志华,刘洋,钟旭,刘佳迪,丛子怡,周子栋.模块连接节点分析设计及其剪切性能试验研究[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2019,52(S2):9-15。
[4]丁阳,邓恩峰,宗亮,戴骁蒙,李豫明,王海鹏,毕家欣.模块化钢结构建筑连接节点研究进展[J].建筑结构学报,2019,40(03):33-40.DOI:10.14006/j.jzjgxb.2019.03.003。
[5]Ziquan Dai, Sze Dai Pang, JY Richard Liew. Axial load resistance of grouted sleeve connection for modular construction［J］. Thin-Walled Structures, 2020, 154: 106883。
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[7]张育红,李显峰.钢模块建筑现场快速吊装就位技术[J].天津建设科技,2021,31(01):69-71。
[8]何雯丽.施工周期缩短30%——香港首个永久性高层模块化建筑落成[N].预制建筑网,2021-01-22。
[9]娄霓,任祖华,庄彤,朱宏利,陈谋蒙.装配式模块建筑的研究与实践[J].城市住宅,2018,25(10):109-115。
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