作者：李竞远
多高层模块化钢结构建筑技术研究与工程实践
目
录
01 | 发展现状 |
02 | 主要技术问题 |
03 | 工程案例 |
04 | 正在开展的工作 |
发展现状
·装配式钢结构建筑具有轻质高强、抗震性能好、施工周期短、绿色环保、便于工业化生产、可循环利用等优点，符合建筑行业绿色、低碳发展方向，得到国家政策的大力支持。模块化钢结构建筑作为其中重要组成部分，受到越来越多的关注。
·模块化钢结构建筑符合建筑工业化和绿色建筑的发展要求，建筑集成效果好、工厂化程度高、建设周期短、对周边环境影响小，适用于酒店、学校、医院、办公楼、住宅等项目，特别在应急防疫酒店等对建设速度和功能完整性要求极高的建设项目中，更能发挥出其独特的优势。
·2023年4月28日，中央政治局召开的经济形势和经济工作会议上，提出了在超大特大城市积极稳步推进城中村改造和“平急两用”公共基础设施建设。模块化钢结构建筑易建造、易拆改、易回收，在这项工作中有突出优势，应用场景有望进一步拓展。
PART/1
体系特点
PART/2
国外发展情况
模块化建筑于上世纪60年代最早出现于欧美、日本等国，发展出了混凝土模块化建筑、钢结构模块化建筑、集装箱式模块化建筑等多种形式。
钢结构模块化建筑被广泛应用于酒店、住宅、公寓、学校的建设中，典型工程案例如：东京中银舱体楼、纽约住宅大厦、布鲁克林单身公寓、卡斯尔大学学生公寓等。纽约住宅大厦是目前世界上最高的模块建筑，共32 层，采用了模块+钢框架-支撑结构体系。
·东京中银舱体楼
·纽约住宅大厦
· 布鲁克林单身公寓
PART/3
国内工程情况
在国内，钢结构模块化建筑最初多用于工地临时办公用房、临时安置房、展示厅、临时医疗诊所等临时性建筑，这类模块多采用可拆装的箱体结构，通常自重较轻，可整箱运输，也可拆解后打包堆叠，运输十分方便。
近年来，钢结构模块化建筑被越来越多地应用于公寓、酒店、办公楼、学校等永久性建筑，这类模块为了获得更加稳定的承载能力，通常采用刚接梁柱，模块主体结构不可拆装，建筑模块在工厂内有更高的完成度，采用整箱运输。
在国内，钢结构模块化建筑常见于办公、医疗、酒店、公寓、学校等建筑平面标准化程度高、对建设速度又有较高要求的项目中，根据建设高度、环境条件和建筑效果等，通常采用叠箱结构、叠箱-抗侧力结构、嵌入式结构等。
雄安市民中心-临时办公区：叠箱结构（3层）
深圳福田区幼儿园：叠箱结构（3层）
多层模块酒店：叠箱-框架（7层）
烟台莱山健康驿站：叠箱+框架-支撑（20层）
镇江港南路公租房小区：叠箱-核心筒（18层）
湖南农业大学神农英才公寓：嵌入式（8层）
主要技术问题
PART/1
国内标准情况
国内现行的钢结构模块化建筑相关标准包括1部行业标准、多部CECS标准和多部地方标准，涉及的内容和做出的要求均有一定差异。
2022年6月，住房和城乡建设部印发了《装配式钢结构模块建筑技术指南》，主要内容包括：项目策划、建筑设计、结构设计、室内装饰装修与设备管线设计、制作与运输、现场安装与拆除、质量检查与验收、维护与管理，涵盖了建设过程方方面面，对现有规范内容进行了一定的梳理。注重完整性、先进性、可操作性，对指导工程实践有较高价值。
PART/2
抗震要求
抗震相关要求对结构的安全性、经济性和施工便捷性影响显著，目前国内针对模块化钢结构的规范对模块化建筑抗震的要求不尽相同，高钢规、钢规等直接套用又有适用性的问题，很大程度上需要设计师自行把控，体现在：
抗侧力结构的形式、布置，模块与模块之间，模块与抗侧力结构之间的连接构造等都对结构抗震性能有显著影响，特别在目前各家节点连接方式及性能各不相同的情况下，结构最大适用高度限值仍需深入研究。
因目前研究和工程经验较少，对钢结构模块化建筑应该按单重体系还是双重体系来计算仍有争议，完全不考虑叠箱的抗震贡献似乎过于保守，特别在高层模块化建筑应用中会造成成本的大幅增加。
叠箱-抗侧力体系地震剪力分配调整有2种思路，一是模块部分单独调整，二是模块部分与非模块部分框架共同调整，二者的合理性取决于叠箱与抗侧力结构的协同工作能力，又受到两部分规模比例的影响，仍有待深入研究。
目前钢结构模块化建筑性能化设计要求尚不明确，主要参考传统钢结构建筑设计习惯进行，具体计算要求见仁见智，尚无统一标准，实际操作难度较大。
PART/3
结构体系
钢结构模块化建筑的结构体系主要根据抗侧力体系的不同进行划分，通常可分为纯叠箱结构、叠箱-抗侧力结构、嵌入式结构，叠箱-底部框架结构从抗侧角度本质属于叠箱结构。
纯叠箱结构仅靠钢结构模块抵抗地震作用，建筑高度一般不超过3层，多高层建筑应采用叠箱-抗侧力结构或嵌入式结构。叠箱-抗侧力结构中可采用框架、框架-支撑、核心筒等作为抗侧力结构与叠箱共同承担地震作用，嵌入式结构则有外部骨架结构承担全部地震作用，钢结构模块主要发挥建筑集成、工厂预制作用，荷载工况更统一，有潜力实现最大程度的标准化。
叠箱-抗侧力结构是目前多高层模块化建筑最常见的结构形式，模块嵌入式结构用于高层更加可靠，具备房间可更替潜力。
PART/4
箱体间连接
钢结构模块箱体间的连接分为竖向连接和水平连接，钢结构模块化建筑相关标准推荐的箱体间连接形式多体现在竖向连接方式的不同，主要可归纳为螺栓连接、拉杆-抗剪键连接、自锁式连接、灌浆连接等。
螺栓连接、拉杆连接、自锁式连接等多认为是铰接节点，灌浆连接经设计加强和试验验证可实现刚接性能。
水平连接通常采用能够释放竖向位移的构造，通常采用水平钢板拉接。
现场施工便捷性
模块化建筑追求快速建造，
应避免采用焊接量大、构造复杂、
安装误差敏感性大的节点构造
多模块连接可操作性
节点设计应考虑多模块安装时的
可操作性，最多时一个节点连接
上下层共8个模块
尽量保证箱体的完整性
模块单元通常为全装修，
节点安装方法尽量不要破坏墙体，
需要克服缺少施工空间的问题
PART/5
设计流程
预制构件深化设计、二次机电深化设计、装修深化设计等工作应前置。
模块化建筑工厂生产与现场施工双线并行，建筑模块的高完成度决定了内装设计是与建筑设计、结构设计、机电设计同步推进的，以保证建筑模块的工厂预制进度。
工程案例
正在开展的工作
·
模块嵌入式隔减震钢结构体系研究
模块化钢结构建筑在由低层建筑向多高层建筑发展的过程中，抗震性能要求不断提高，常见“叠箱式”模块化钢结构体系抗震性能差的劣势逐渐凸显。
主体
结构
采用钢框架结构/钢框架-支撑结构作为主体承重、
抗侧结构
模块
单元
2种模块，每个主结构框格内放置多层模块，
顶层模块特殊构造避开主结构次梁
施工
方式
现场仅需吊装和装配式安装，
大量减少焊接，施工速度快，施工质量易于保证
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