国住观点 | 钢结构模块建筑技术发展（中）

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)

03.

技术应用要点

 3.1 适用场景

1：模块建筑标准化程度高，适用建造公寓、酒店、学校、宿舍、住宅、办公等建筑类型。

针对公寓、酒店、学校、宿舍、住宅、办公等建筑类型，本身功能空间为单元式，建造标准固定，标准化、单元化特征明显，容易实现通用化和标准化设计，适宜采用标准化程度较高的模块化的装配式钢结构建筑形式，既可以保证建筑品质的优良化，又可以提高建设速度、有效控制建造成本。

2：模块建筑可重复拆装，适用有整体搬迁与规模拓展需求的项目。

模块建筑采用模块单元整体吊装施工方式，模块单元间通过可拆装节点连接成整体，可实现反复拆装与重复利用，为未来项目的整体搬迁与规模拓展提供可能。项目后期可根据需求进行整体回收再利用，保障能力适应性强，绿色度高。

3：模块建筑组装便利，建造迅速，适用有应急工程建设需求的项目

新冠疫情爆发后，应对突发重大传染病疫情，多地应急安置项目采用了装配式钢结构模块建筑技术。装配式钢结构模块建筑可以有效压缩建筑的建设周期，摆脱传统建筑建设方式对施工场地的要求，并允许地处偏远、资源不足或在自然灾害发生时场地条件恶劣情况下进行空间基地的建设，在近些年自然灾害与传染病频发的背景下，具有实际的备战意义。

4：模块建筑产品海运方便，适用海外缺少劳动力与产业资源的地区项目工程。

单元集成模块单元整体刚度较大，海运及陆运技术成熟，整体模块单元产品可以海运结合陆路运输的方式从国内生产地发至工程现场。与传统建筑的物资分批散货运输的形式相比，由于模块建筑产品的标准化与集成度高，运输效率可大幅提高，可以实现运输成本可控、时间可控。

 3.2 设计技术

Construction System

3.2.1 建筑体系

1：模数协调设计与模块组合

模块建筑轴线的定位与传统的建筑不同，设计制图时，应充分考虑施工图与深化图技术内容表达以及与施工定位关键构件的衔接性。模块建筑平面设计应以模块单元的基本平面尺寸作为设定组合模数的依据，模块单元的基本平面尺寸应以模块单元最外缘结构外皮为计量基准面^[1]，目前工程中关于平面尺寸与轴线的表达有以下两种方式，一是双轴线的表达形式，即以每个模块单元的最外缘结构外皮为定位轴线，如图3所示，此时定位轴线间距离可直接表示模块单元的基本平面尺寸以及相邻模块单元最外缘结构外皮间隙距离；二是单轴线模式，即以模块单元墙体中心线或模块单元间间隙中心线为定位轴线，如图4所示，此时也应额外表示模块单元的基本平面尺寸以及相邻模块单元最外缘结构外皮间隙距离。

▲ 图3 双轴线表达示意图

▲ 图4 单轴线表达示意图

此外按照模块建筑的标准化与多样化相协调的原则，模块建筑可通过少量类型的标准化模块单元体进行多种排列组合方式来实现建筑的多样性和灵活性（表1）。

▲ 表1 模块建筑的组合方式

2：建筑防火

模块建筑水平相邻模块间墙体形成双墙，竖向相邻模块间形成双板，且拼缝较多，与常规钢结构建筑防火构造特征区别较大。在钢结构构件防火方面，现状技术一般采用防火板包覆做法与防火涂料做法两种形式，典型构件防火包覆做法如表2所示；在模块间缝隙防火方面，模块建筑的相邻模块单元间的水平缝、竖缝，模块单元和非模块单元的水平缝、竖缝，模块单元间洞口周围缝隙、模块单元和非模块单元间的洞口周围缝隙、底层模块单元与支座连接处等位置，应采用不燃材料进行填塞封堵，不燃材料填塞封堵深度不宜小于200mm，且任何接缝都应保证不减弱相邻部位建筑的耐火性能。

▲ 表2 模块建筑主要构件防火构造

3：建筑防水

由于模块建筑的缝隙较多，做好防水非常重要。既要考虑模块自身的防水性能，还要考虑模块运输、吊装期间的临时防水措施，避免在此期间遇到雨水对整个模块建筑造成隐患。模块建筑的外墙整体防水设计应包括外墙防水工程的构造、防水层材料的选择和节点的密封防水构造。模块单元自防水应在工厂完成，模块在运输、现场存放时的临时防水措施一般采用防水篷布包裹。

工程安装现场模块单元之间水平及竖向拼缝、模块单元与非模块单元水平及竖向拼缝、模块单元顶部和墙面开洞处及变形缝、屋面、女儿墙等现场作业部分应进行防水处理，典型部位防水做法示意如图5。

▲ 图5 典型缝隙防火构造做法

Structural System 

3.2.2 结构体系

1：结构抗震体系

模块结构体系是钢结构的一种形式。模块结构体系由模块单元组合形成稳定的几何不变体系，可选用纯模块结构体系、模块-钢框架结构体系、模块-钢框架支撑结构体系或模块-剪力墙/核心筒结构体系等类型（图6）。

纯模块结构体系依靠模块自身的抗侧能力抵抗水平作用，多用于低多层建筑。对于多高层建筑，可通过在模块钢结构中引入其他的抗侧结构，如框架支撑结构、剪力墙或核心筒结构等，提高模块结构体系的抗侧能力，增加建筑功能的灵活性。

▲ 图6 典型模块建筑结构体系类型

2：模块节点类型

模块单元是模块建筑的基本组成单元，模块单元间的连接节点是结构体系中的关键传力部位，直接影响结构的整体性能。同时节点设计应构造合理、便于施工，能与模块内部装修和使用功能相适应。

目前，模块建筑结构连接节点主要包括建筑底部模块单元与下部结构的连接、模块单元与非模块单元抗侧力结构的水平连接、相邻模块单元的水平连接、相邻模块单元的竖向连接以及屋面结构与相邻下部模块单元间的连接五种形式^[1][2]。

其中建筑底部模块单元与下部基础或地下室混凝土结构的连接可采用地脚螺栓或锚栓连接，也可采用焊接与地脚螺栓或锚栓组合连接。地脚螺栓或锚栓连接典型构造可参考图7做法形式；模块单元与非模块单元的结构水平连接应考虑释放施工期间的竖向变形差，采用仅传递水平荷载的连接节点形式，采用螺栓连接时可参考图8所示连接形式；

（左）▲ 图7 地脚螺栓或锚栓连接典型构造

（右）▲ 图8 模块单元与非模块单元的结构水平连接

相邻模块单元的水平连接应满足楼层平面内水平力传递的要求，可设置在模块单元顶面，可采用螺栓连接、焊接连接（图9）或焊接与螺栓混合连接等；相邻模块单元的竖向连接一般设置在模块单元柱端位置，可采用螺栓连接图10、焊接连接、焊接与螺栓混合连接等方式；

（左）▲ 图9 水平连接板焊接连接

（右）▲ 图10 竖向螺栓连接

屋面结构与相邻下部模块单元间的连接可采用装配整体式混凝土叠合做法增加结构体系的整体性，连接节点的设计可参考图11。

▲ 图11 屋面结构与相邻下部模块单元间的连接

此外，国内外学者针对模块单元间其他连接节点形式的研发成果已有不少。比如旋转式节点^[3]、预应力节点^[4]、混合节点^[5]和自锁节点^[4]等（图12），针对模块中柱等特殊连接部分，连接操作空间受限，施工操作困难，现状连接技术可选用改进型的螺栓连接节点^[6]、自锁式连接节点与混合节点。后续随着模块钢结构建筑的推广使用，模块连接节点的做法会更加成熟。

▲ 图12 典型模块建筑结构连接节点类型

3：模块钢结构防腐设计

模块建筑钢结构的防腐设计，主要从材料防腐、构造防腐等方面考虑。材料防腐方面可选用抗腐蚀性较强的建筑材料，如采用耐候钢和不锈钢等作为结构材料，也可采用热浸镀锌防腐技术或油漆防腐技术，使钢材表面形成一层保护膜，以提高钢材防腐性能；构造防腐方面可采用板材包覆，使钢材与大气隔开，以减缓钢材腐蚀速度。对于模块建筑，模块单元间的双层墙板与双层楼板构造将钢结构包覆在多层板材内，自带构造防腐设计，耐腐蚀性能也能相对提高。

现状模块建筑钢结构防腐较多采用的是材料防腐与构造防腐相结合的做法，在对抗腐蚀性要求较高的地区，还可同时考虑钢结构的腐蚀裕量来进一步加强模块建筑钢结构的耐久防护。

 3.3 工厂制作与运输

Production Process

3.3.1 生产制作流程

现阶段模块单元生产制作基于批量化与标准化的工厂流水线作业形式进行，主要工序流程包括骨架组装→围护墙、板构件组装→设备管线集成敷设→室内装饰装修施工→成品完成→打包待运（图13）。制作集成模块的各工序应紧密衔接。每一工序应按工艺要求进行质量控制，实行工序检验，相关各工种之间应进行交接检验，各工序的施工应在前一道工序质量合格后进行。在成熟的生产条件下，国内成品模块单元（含装修）的生产效率目前可达到90分钟/个。

▲ 图13 模块单元工厂生产流程示意

Precision Control

3.3.2 生产制作精度控制

相对于普通钢结构工程,模块建筑的整体安装特征对模块单元的生产制作精度提出了更高的要求，特别是涉及到用于现场连接定位的连接盒节点制作定位精度要求相对更高，达到1mm之内。如表3所示^[1]。

▲ 表3 模块单元生产制作允许偏差要求

Transportation

3.3.3 运输

模块工厂与项目建设地点之间的道路运输限制条件往往会对模块单元的规格设计产生决定性影响，在具体项目设计时，要进行路勘调研，对运输线路上的车辆转弯半径、桥梁限高、道路限宽等进行落实确认，避免运输问题的发生。所以模块单元的运输要提前做好运输方案，现状国内工程实践一般控制模块单元外轮廓长度不大于15m，宽度不大于4.5m，竖向模块单元高度不大于3.6m。

模块单元的运输方式分为陆运和海运两种（图14）。陆运一般采用平板货运车工具，海运则采用类似运载集装箱的货船进行。海外工程项目或建设地距离工厂较远时，上述2种运输方式可能会反复交替进行。模块单元在运输前应使用防水防潮的包装，确保在运输过程中不致出现因包装损坏而引起的模块受潮和污损，在运输过程中应牢固固定，并应采取措施防止运输过程中造成损坏。必要时，应进行运输过程中强度和刚度验算。

▲ 图14 模块单元运输方式示意

 3.4 现场吊装与施工

On-site 

3.4.1 现场吊装方式

模块单元为一空间立体结构，在工厂已完成围护装修及设备设施配套集成，因此现场吊装时除考虑吊装调节效率外，还要兼顾变形对产品质量的影响。为有效避免模块单元的变形，吊装受力应与模块单元主框架的受力特征相匹配，吊点宜设置在模块单元柱上保证其垂直受力，并减少因弯矩作用导致的梁挠度变形，对于重量较大的精装修模块单元，更应严格控制受力变形，此时建议选择设置分配梁或分配桁架的吊具，并应保证起重设备主钩位置、吊具及模块单元重心在竖直方向上重合。目前常见吊装方式如图15所示^[1]。

▲ 图15 模块单元吊装方法

Construction

3.4.2 施工建造精度控制

模块建筑施工建造过程中的现场误差调整较为困难，应重视模块单元的施工定位精度控制，并考虑误差累积对结构性能的影响。施工建造精度控制的好坏直接决定模块建筑的建造安全与可建造高度的大小。现阶段国内多高层模块建筑的施工建造精度控制标准如表4所示^[1]。相较于其他类型建筑，模块建筑对施工精细化程度更高，精度控制更严，实际工程施工时，现场采用锥形定位件用于模块单元的准确定位（图16）。

▲ 表4 模块建筑的安装允许偏差

▲ 图16 模块单元施工锥形定位件

Construction

3.4.3 模块间连接部位施工

模块建筑现场连接装配时，施工人员需要在模块外侧站位进行节点及接缝处理，而传统搭设脚手架的方法与模块建造的高效建造方式不匹配，国内目前配套使用的替代传统脚手架的方案主要有搭设升降式施工操作平台与附着式模块化操作平台两大类（图17）。其中升降式施工操作平台采用独立于模块单元外桁架式支撑结构以及架设于支撑结构之外的升降式平台组成，能同时满足多个模块单元间的连接作业空间需求，升降灵活快捷方便。附着式模块化操作平台连接依附于已吊装完成的模块单元，平台尺寸相对较小，施工较为轻便简单，能满足2~3个模块的连接作业需求^[7]。

▲ 图17 模块单元连接施工操作平台

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。

[6]张兰英,韦振飞,娄霓,易仁斌.箱式钢结构集成模块建筑体系在学校建筑中的应用[J].城市住宅,2020,27(01):12-15.

[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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