箱式鋼結(jié)構(gòu)集成模塊化建筑建造實(shí)踐案例

姚進(jìn)洪，麥鎮(zhèn)東

（1、東莞水鄉(xiāng)投資控股有限公司 廣東東莞523180；2、東莞市建筑科學(xué)研究所 廣東東莞523076）

1 技術(shù)概述

箱式鋼結(jié)構(gòu)集成模塊化建筑（以下簡稱“模塊建筑”）是指將民用建筑的功能空間分隔為具有特定功能的模塊單元，相關(guān)部品實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和模塊化組裝的一種新型建造方式［1］。模塊建筑預(yù)制率可以達(dá)到85%～95%，具有建筑質(zhì)量精良、建設(shè)周期短、建造成本低和施工過程綠色環(huán)保的優(yōu)勢，在發(fā)達(dá)國家中備受青睞［2-5］。在建造規(guī)模、建筑層高和社會(huì)接受程度方面，與國外相比，我國模塊建筑發(fā)展起步慢，行業(yè)對模塊建筑了解少，多以工地人員臨時(shí)居住用房等低端產(chǎn)品出現(xiàn)在大家視野［2］，但在抗擊新型冠狀病毒肺炎疫情中，讓世界矚目的武漢火神山醫(yī)院和雷神山醫(yī)院從方案設(shè)計(jì)到建成交付僅用10余天，突顯模塊建筑在國家應(yīng)急管理體系建設(shè)中的重要作用［6-8］。當(dāng)前，模塊建筑相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已開始實(shí)施，并在辦公樓、酒店、學(xué)校等有初步應(yīng)用，但實(shí)踐項(xiàng)目案例少，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)不足，未能在行業(yè)中形成共識。

2 項(xiàng)目概況

東莞某項(xiàng)目工程位于東莞市道滘鎮(zhèn)，總建筑面積5 474 m2，其中3號樓采用模塊建筑體系，如圖1所示，地上2 層，建筑高度為9.0 m，建筑面積為1 392 m2，建筑功能為行政辦公用樓。項(xiàng)目所采用的模塊建筑技術(shù)為角柱支撐的鋼結(jié)構(gòu)箱式集成模塊化建筑，是模塊建筑技術(shù)在東莞市的初次探索實(shí)踐。

圖1 項(xiàng)目竣工實(shí)景Fig.1 Real Scene of the Completion of the Project

除基礎(chǔ)工程、屋面工程、部分裝飾工程在現(xiàn)場施工外，建筑工程約80%的工作量均在工廠內(nèi)完成。項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)全部由模塊單元預(yù)制安裝而成，共使用了16 個(gè)A 型標(biāo)準(zhǔn)模塊和12 個(gè)B 型標(biāo)準(zhǔn)模塊組合，于2019 年6 月25 日開工，同年9 月20 日竣工，共歷時(shí)88天。在技術(shù)工程師的指導(dǎo)下，配合5個(gè)技師工人，基本能在1 h 內(nèi)完成1 個(gè)模塊的吊裝，5 個(gè)工作日即完成總共28個(gè)模塊的吊裝施工。

3 建筑設(shè)計(jì)

3.1 建筑設(shè)計(jì)理念

本項(xiàng)目的建筑功能定義為行政辦公類，辦公用房在規(guī)劃工作空間時(shí)，注重辦公人員的行為因素，并考慮會(huì)議、內(nèi)部交通等方面的協(xié)調(diào)，結(jié)合現(xiàn)代辦公模式的要求，為員工提供創(chuàng)造性與人性化的辦公空間，要求本建筑空間不宜狹小，且要求多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)布局的房間。而模塊建筑可通過單元組合，實(shí)現(xiàn)具有良好的采光與自然通風(fēng)條件，單元布局組合多樣，一個(gè)單元可作為小型辦公戶型，而多個(gè)模塊單元組合可作為中大型辦公戶型，適用于空間的靈活布局。在外立面設(shè)計(jì)方面，為避免模塊建筑常規(guī)重復(fù)組合而造成單一的感覺，本項(xiàng)目外立面有局部位置懸挑外飄單元，飾面通過水泥板與鋁單板結(jié)合，能夠使其散發(fā)出獨(dú)特的后工業(yè)氣息，迎合追求獨(dú)特品味的科創(chuàng)園區(qū)。

3.2 空間組合與平面布置

與傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)相似，模塊建筑的設(shè)計(jì)過程也分為建筑整體布局及內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)，在空間組合方面，不管是模塊單元空間組合，還是在特定箱體內(nèi)進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，對于不同類型的模塊建筑而言均有普適性［2］。

3.2.1 空間組合

如圖2所示，項(xiàng)目模塊單元間沿水平方向（即X軸與Y軸方向）與垂直方向（Z 軸方向）對齊布列，綜合交錯(cuò)是模塊建筑最常用的組合方式，可布列出較為規(guī)則的整體，其空間利用率高且平面簡單清晰。沿建筑X方向并列拼接時(shí)將其內(nèi)部打通，形成較大空間來突破模塊自身的空間限制，滿足對空間需求更大的功能區(qū)域；此外，此種拼接方式使結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)固，一方面，便于各模塊的角柱能夠垂直對齊，有助于傳遞荷載和裝配便利，另一方面，使得建筑體形系數(shù)變小，對于節(jié)能較為有利。

圖2 項(xiàng)目模塊單元空間組合Fig.2 Spatial Combination of the Project

3.2.2 平面布置

根據(jù)項(xiàng)目的方位、建筑定位和功能要求，模塊選用長方體形狀，通過排列組合，得出較優(yōu)的周長和占地面積，從而可以獲取更有效的建筑面積和最大的日照，提升建筑的經(jīng)濟(jì)性和辦公的舒適性。如圖3所示，項(xiàng)目首層設(shè)置3個(gè)出入口，主入口位于東南側(cè)，供辦事人員和行政服務(wù)人員出入使用，東側(cè)及北側(cè)均設(shè)置了次入口。首層水平交通是通過模塊單元內(nèi)部開啟連通門洞從而形成連廊走道，實(shí)現(xiàn)其他模塊水平串聯(lián)，豎向交通則通過模塊單元底部開啟樓梯洞口，并利用樓梯連接上下層，在模塊內(nèi)開啟水平與豎向交通有利于避免由于新增連廊模塊和樓梯模塊，造成多個(gè)模塊的設(shè)置和復(fù)雜多樣的類型。2層與首層采用模塊無錯(cuò)動(dòng)的布置方案，首層以員工辦公區(qū)域?yàn)橹鳎?層以公共空間為主，通過輕鋼龍骨墻體分割成門廳、中庭空間、大會(huì)議室等功能用房。幾乎所有箱體都是長向拼接而成，因此模塊長向側(cè)墻未開設(shè)門窗洞口，只在短向側(cè)墻設(shè)置，因此限制模塊長度，以免造成室內(nèi)自然采光不足。

圖3 首層平面Fig.3 First Floor Plan

3.3 綠色節(jié)能設(shè)計(jì)

項(xiàng)目模塊建筑采取以下節(jié)能措施：①采用合理的窗墻比，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用高質(zhì)量的保溫隔熱復(fù)合墻板；②屋面設(shè)有太陽能光伏系統(tǒng)，容量為25.9 kW，同時(shí)滿足隔熱和再生能源應(yīng)用；③采用聯(lián)控通風(fēng)系統(tǒng)，優(yōu)化空氣交換率，減少能量損失；④大量應(yīng)用LED 光源照明，減少電量消耗。

3.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的定位為高品質(zhì)模塊建筑，代表著行政管理單位的形象，而圍護(hù)體系的選擇對于提升建筑整體品質(zhì)起著決定性作用，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選用尤為重要。

3.4.1 內(nèi)隔墻

項(xiàng)目的內(nèi)隔墻采用薄壁輕鋼龍骨墻體，用于承受豎向荷載以及起保溫隔熱作用，隔墻立柱設(shè)計(jì)為400 mm 間距排列的C 型冷彎薄壁輕鋼，將立柱上下兩端插入上下2條矩形鋼軌梁中，并通過自攻釘連接；內(nèi)外墻飾面材料為石膏板，通過自攻釘將其與立柱兩側(cè)的翼緣固定，內(nèi)部填充巖棉材料。

3.4.2 幕墻

本項(xiàng)目外立飾面采用水泥纖維板與鋁單板組合的幕墻結(jié)構(gòu)。水泥纖維板以白色、淺灰色、深灰色、棕色的順序排列，最終形成疏密有致、變化豐富的立面，整體建筑色調(diào)為冷灰色，加入了鋁單板的金屬色澤會(huì)使立面更具親切感。鋁單板不僅是外立面的裝飾構(gòu)件、遮陽構(gòu)件，也是空調(diào)外置機(jī)位，金屬質(zhì)感貼合了整個(gè)建筑的工業(yè)風(fēng)格，增強(qiáng)了整個(gè)建筑的現(xiàn)代感。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

如圖4 所示，基本模塊單元的結(jié)構(gòu)形式采用角柱支撐箱式模塊，主體構(gòu)件材質(zhì)為Q235B，模塊底板和頂板采用密肋鋼梁結(jié)構(gòu)布置形式。角部支撐箱式模塊的主要優(yōu)勢在于可以對模塊單元的一個(gè)或多個(gè)面進(jìn)行完全開放，當(dāng)模塊并排安裝在一起時(shí)可創(chuàng)建更大的開放式空間，這種結(jié)構(gòu)形式是辦公樓的理想選擇。

圖4 模塊單元構(gòu)成Fig.4 Module Unit Composition

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于本項(xiàng)目樓層較低及結(jié)構(gòu)體系具有較強(qiáng)的消能能力，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不考慮風(fēng)荷載和地震荷載計(jì)算，僅選取在最不利荷載作用效應(yīng)下的模塊單元進(jìn)行計(jì)算，因此計(jì)算單元選用建筑功能為首層門廳的模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。根據(jù)相關(guān)功能用房和規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)的設(shè)定：樓面恒、活荷載取值為3.50 kN/m2和3.67 kN/m2，梁間荷載（輕鋼龍骨石膏板隔墻）取值為0.42 kN/m2；上部荷載（上部模塊的恒載與活載標(biāo)準(zhǔn)組合荷載）通過模塊角柱節(jié)點(diǎn)所傳遞的荷載值為93.2 kN，于角柱連接節(jié)點(diǎn)的邊界設(shè)為鉸支座，采用通用有限元分析軟件Midas Civil 進(jìn)行計(jì)算，如圖5 所示。計(jì)算結(jié)果表明本項(xiàng)目最不利荷載作用下的模塊單元，其最大等效應(yīng)力（122.2 MPa）出現(xiàn)在角柱連接節(jié)點(diǎn)位置，應(yīng)力比為0.59，具有良好的強(qiáng)度富裕與經(jīng)濟(jì)性。如圖6可知，最大位移（14.9 mm）出現(xiàn)在底板跨中處，滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對受彎結(jié)構(gòu)容許撓度值（L/300=26.7 mm），故模塊單元滿足結(jié)構(gòu)安全和適用要求。

圖5 單元應(yīng)力云圖Fig.5 Unit Stress Nephogram（MPa）

圖6 單元變形云圖Fig.6 Unit Deformation Nephogram（mm）

4.3 連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

考慮到模塊整體吊裝拼接方式和現(xiàn)場安裝操作空間受限，因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)尤為重要，既要考慮盡量減少對集成模塊安裝的影響，又要保證結(jié)構(gòu)受力的合理性［9］，本項(xiàng)目模塊連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要考慮因素為節(jié)點(diǎn)的可拆裝性。通過螺栓連接的模塊，在吊裝施工過程中難以精確定位，無法滿足安裝便捷的施工要求［2，10］。因此，本項(xiàng)目主要利用角件進(jìn)行模塊間的對位連接（常用連接方式），此對連接件上下兩側(cè)有4 個(gè)突起錐體，在吊裝對位過程中，箱體角件連接孔只要捕捉到錐體頂端就可順勢安裝，而箱體間的水平連接就通過螺栓經(jīng)過預(yù)留螺栓孔進(jìn)行連接，安裝既迅速又準(zhǔn)確［11］。

模塊建筑的建造過程是一個(gè)從工廠預(yù)制到現(xiàn)場裝配的過程，項(xiàng)目所有預(yù)制模塊單元都包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)（見圖7a）、樓地面裝修、集成衛(wèi)生間等，在工廠預(yù)制好后，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行組裝（見圖7b），現(xiàn)場只有局部的裝飾裝修和機(jī)電綜合的工程量。其施工建造流程為：現(xiàn)場基礎(chǔ)施工?最下層模塊連接板找平、連接件定位檢查及修正?模塊吊裝及拼接?現(xiàn)場模塊間管線連接、建筑接口處理?模塊建筑整體完成。

圖7 模塊施工Fig.7 Module Construction

4.3.1 現(xiàn)場基礎(chǔ)施工

本建筑采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)，其樁基上方安裝有基礎(chǔ)承臺，在基礎(chǔ)承臺上預(yù)埋連接板件。本工程基礎(chǔ)施工同傳統(tǒng)管樁基礎(chǔ)施工相似，但需要注意的是，在打樁過程中樁整體垂直度易發(fā)生偏移，易造成模塊間連接的累積誤差，進(jìn)而無法精確定位安裝，因此，需嚴(yán)格控制樁定位精準(zhǔn)度，此外，在施樁過程中應(yīng)做好垂直度監(jiān)測。

4.3.2 工廠制作與運(yùn)輸

模塊單元根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)線和嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系，在專業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)下由熟練工人在組裝流水生產(chǎn)線上制作完成，其加工流程為［9］：構(gòu)件加工?底框、頂框、端框加工?框模塊組裝→打砂、防腐處理?結(jié)構(gòu)防火涂料涂裝?內(nèi)裝、設(shè)備機(jī)電管線安裝?外立面裝修?密封打包?模塊出廠。模塊運(yùn)輸主要考慮公路裝載的最大寬度與高度要求，這將對所生產(chǎn)模塊單元的尺寸有所限制，根據(jù)道路安全法相關(guān)要求，模塊單元尺寸允許的最大寬度為3.5 m，最大的載物高度應(yīng)為4.2 m。

4.3.3 現(xiàn)場安裝

模塊單元的吊裝使所提升吊點(diǎn)部位存在局部的應(yīng)力集中，需要加強(qiáng)起重位置的構(gòu)件強(qiáng)度以承擔(dān)其自重。根據(jù)已選用的汽車起重設(shè)備型號，可選擇多種不同的吊裝方案，本工程模塊單元的吊裝使用繩索與其頂部構(gòu)件進(jìn)行連接，此方法需要調(diào)整吊裝繩索的角度以使水平構(gòu)件的作用力分量不會(huì)過大，以傳統(tǒng)的一般構(gòu)件起重所采用的彎矩平衡法而言，其最佳的吊點(diǎn)為距模塊單元兩端長度約20%處，然而，由于上邊梁截面型材受力性能較差，直接在梁跨設(shè)置吊點(diǎn)易造成模塊變形，進(jìn)而影響安裝精度和施工質(zhì)量，因此吊點(diǎn)位置宜設(shè)于模塊的四角立柱，從它們的角部進(jìn)行連接提升。

5 結(jié)語

模塊建筑是一個(gè)綜合性的技術(shù)體系，需要多專業(yè)、多工種的配合，但相對于裝配式混凝土建筑而言，所需統(tǒng)籌考慮的問題少，易建性好和工程質(zhì)量高，是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的模式典范，對推動(dòng)我國裝配式建筑技術(shù)的革新與應(yīng)用起到積極作用。本文對模塊建筑的技術(shù)內(nèi)涵特點(diǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行敘述，并以東莞市某項(xiàng)目為依托，重點(diǎn)從建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場安裝等方面對箱式鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑建造實(shí)踐進(jìn)行研究，旨在為模塊建筑的推廣提供案例實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。