模塊化裝配式建筑發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)展望

劉 倩，楊淑娟，郁有升，于德湖

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525)

模塊化裝配式建筑作為一種新型的工業(yè)化建筑形式，一方面，具有低耗能、低污染、施工便捷等優(yōu)勢(shì)，可以解決傳統(tǒng)建筑存在的問題；另一方面，工業(yè)化建筑模式可以保證模塊的質(zhì)量及精度，加快施工進(jìn)程，節(jié)約工期，節(jié)約成本[1]。同時(shí)一定程度上解決我國(guó)的勞動(dòng)力短缺問題，推進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)中的勞動(dòng)力供需平衡。為加大裝配式發(fā)展的支持力度，我國(guó)發(fā)布了一系列相關(guān)政策，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑，積極推廣綠色建筑和建材，加快標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)。

1 模塊化建筑簡(jiǎn)介

模塊化建筑(Prefabricated Prefinished Volumetric Construction，簡(jiǎn)稱PPVC)是指將建筑按一定功能劃分為數(shù)個(gè)模塊單元。模塊單元在工廠預(yù)制裝配柱、板、墻體、門窗、內(nèi)部設(shè)備及管線，裝配完成后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)完成模塊間的堆疊與安裝。模塊化建筑作為一種可實(shí)現(xiàn)提升效益和快速施工的新型結(jié)構(gòu)體系成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前，應(yīng)用范圍局限于酒店、學(xué)生宿舍、住宅等小空間建筑。

1.1 模塊單元類型

裝配式模塊單元可以根據(jù)建筑功能、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、模塊材料及模塊成型工藝等進(jìn)行類型劃分，如表1所示。

表1 模塊單元?jiǎng)澐?/p>

目前常用的承重空間模塊為墻體(剪力墻)承重以及柱(角柱)承重空間模塊。

剪力墻承重空間模塊：連續(xù)支撐或四面圍墻模塊，豎向荷載通過(guò)樓板傳至墻體，再由墻體傳給下層結(jié)構(gòu)，最終傳給基礎(chǔ)，如圖1所示。

圖1 墻體承重模塊

角柱承重空間模塊：四面開放式或點(diǎn)支撐模塊，豎向荷載通過(guò)樓板傳至梁，梁傳至柱，柱傳至下層結(jié)構(gòu)，最終傳給基礎(chǔ)[2]，如圖2所示。

圖2 柱承重模塊

1.2 模塊單元連接

模塊化單元連接施工方式可分為干式連接、濕式連接及預(yù)應(yīng)力連接3種。干式連接指相鄰模塊梁間、柱間或者單元邊角處通過(guò)螺栓、焊接或者鍵槽凸鍵連接。濕式連接指相鄰模塊間通過(guò)后澆混凝土墻板或者后澆混凝土樓板帶的連接。預(yù)應(yīng)力連接指在模塊單元間角柱的位置通過(guò)螺桿施加預(yù)應(yīng)力使得上下相鄰模塊單元連接。

1.3 模塊建筑體系

模塊單元通過(guò)連接組成整體結(jié)構(gòu)，按照整體結(jié)構(gòu)形式，可分為全模塊結(jié)構(gòu)體系和復(fù)合模塊結(jié)構(gòu)體系[3]。

全模塊結(jié)構(gòu)體系由模塊單元疊放組合構(gòu)成承重結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊單元均為承重的空間結(jié)構(gòu)，即模塊單元既具有受力作用又具有使用功能。該體系建筑物外部造型缺乏多樣化，且節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造不易處理，內(nèi)部空間使用不夠靈活。但預(yù)制裝配率高，工業(yè)化程度高。例如加拿大“住宅67號(hào)”，所有建筑模塊均為承重結(jié)構(gòu)。

復(fù)合模塊結(jié)構(gòu)體系主要包括模塊結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)、模塊結(jié)構(gòu)與核心筒復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種體系的受力功能主要由框架結(jié)構(gòu)和核心筒結(jié)構(gòu)承擔(dān)，模塊單元承擔(dān)使用功能及部分傳力功能。建筑中采用復(fù)合模塊結(jié)構(gòu)可以使得建筑結(jié)構(gòu)選型更加靈活，更合理地進(jìn)行內(nèi)部空間布置以及建筑外部空間造型，提升建筑物結(jié)構(gòu)性能及使用性能。

2 國(guó)內(nèi)外研究概況

2.1 國(guó)外模塊化建筑研究

國(guó)外對(duì)盒子模塊化和鋼結(jié)構(gòu)模塊化的結(jié)構(gòu)體系受力性能、單元和單元節(jié)點(diǎn)的受力性能展開了一系列研究，推動(dòng)了模塊化建筑的發(fā)展，為模塊建筑體系提出了行之有效的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)方案。加拿大ANNAN C D 等對(duì)鋼框架模塊展開一系列研究，發(fā)現(xiàn)鋼骨支撐體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備大于規(guī)范中常規(guī)支撐體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備，缺點(diǎn)是鋼模塊框架由于不能對(duì)短柱提供支撐，致使短柱發(fā)生彎曲破壞；且對(duì)組合式鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模，得出鋼框架模塊的抗震性能很大程度上由模塊間豎向連接決定[4]。原蘇聯(lián)中央住宅試驗(yàn)設(shè)計(jì)科研院研究了5層和7層的宿舍盒子，研究發(fā)現(xiàn)破壞的原因：盒子間連接處相對(duì)于盒子剛度具有較大差異。措施：沿著盒子各邊設(shè)置垂直鋼筋，減小剛度差異，從而減少水平縫產(chǎn)生與發(fā)展，以及減少盒子間的互相碰撞[5]。韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)SUNGGUL Hong等針對(duì)鋼框架模塊結(jié)構(gòu)提出一種新型的側(cè)向抗力體系——雙層薄鋼板組合框架結(jié)構(gòu)，并對(duì)該鋼面板體系進(jìn)行剛塑性分析以及受力試驗(yàn)，建立了輕鋼框架的彎矩-曲率關(guān)系[6]。

BIM技術(shù)的興起，為模塊化建筑的成本降低、綠色環(huán)保提供了新的建設(shè)思路，國(guó)外許多學(xué)者結(jié)合BIM新技術(shù)對(duì)模塊化建筑展開研究。MOHAMMAD Kamali，DARA Chinyere，F(xiàn)ERDOUS Wahid，MONAHAN J等對(duì)集裝箱型住宅案例進(jìn)行研究，對(duì)比傳統(tǒng)的施工方法及特點(diǎn)，評(píng)估其生命周期和生命周期成本，最終得出，平均而言，模塊化建筑提供了更好的生命周期性能，例如建筑物的能源性能等[7-10]。ALADDIN Alwisy將BIM技術(shù)應(yīng)用到模塊化建筑中，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了布局的精度[11]。

2.2 國(guó)內(nèi)模塊化建筑研究

盒子式建筑體系是模塊化建筑中最典型、應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于該體系，清華大學(xué)肖麗等對(duì)整澆式盒子和拼裝式盒子展開了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)拼裝盒子具有靈活性但其質(zhì)量相較于整澆式盒子差，整澆式盒子造型靈活性差，滿足不了多樣性要求[12]。張惠英等采用盒式抗側(cè)力計(jì)算方法，對(duì)比研究側(cè)向力對(duì)剪力墻與盒子側(cè)墻的影響，研究得到剪力墻的剛度較大，但二者變形性能相似[13]。

鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑體系是近些年模塊化建筑主要的研究方向，裝配式建筑是我國(guó)建筑發(fā)展的趨勢(shì)。對(duì)于該體系，蘇州大學(xué)曲媛媛將模塊化設(shè)計(jì)原理與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合，分析適合我國(guó)裝配式發(fā)展的模塊化建筑，探索標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化的建筑設(shè)計(jì)[14]。天津大學(xué)曲可鑫以4層的模塊化公寓建筑為例，采用靜力分析及動(dòng)力時(shí)程分析，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行研究，得出剛接節(jié)點(diǎn)與鉸接節(jié)點(diǎn)兩種結(jié)構(gòu)形式的受力特征、性能薄弱點(diǎn)以及適用性[15]。東南大學(xué)董競(jìng)瑤對(duì)農(nóng)村輕型鋼結(jié)構(gòu)模塊化住宅進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，提出可行的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造措施，并進(jìn)一步探討和設(shè)計(jì)[16]。

新加坡以及加拿大的建筑不考慮抗震設(shè)防要求，故建造時(shí)需要考慮不利因素較少，有利于模塊化高層建筑的建造。但是我國(guó)以及世界大多國(guó)家都深受震害影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮抗震設(shè)防，故模塊化間的連接要深入抗震研究及有限元模擬分析。廣州大學(xué)黃敦堅(jiān)以某擬建模塊化辦公樓為例，研究隔震層位置變化對(duì)模塊化結(jié)構(gòu)隔震效果的變化規(guī)律，最終得到模塊化結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計(jì)方案[17]。萬(wàn)里波等對(duì)6層剪力墻盒子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行抗震性能研究，采用擬動(dòng)力試驗(yàn)方案，研究得出該結(jié)構(gòu)能夠滿足8度設(shè)防烈度的設(shè)防目標(biāo)要求，具有較好的變形能力、延性以及消耗能力，為預(yù)制裝配式模塊化結(jié)構(gòu)的未來(lái)應(yīng)用提供理論數(shù)據(jù)研究及試驗(yàn)參考[18]。孫超等對(duì)3層可拆裝式模塊化箱式建筑進(jìn)行研究，用有限元分析了12個(gè)模塊單元，研究其在靜力以及地震作用下的內(nèi)力及位移[19]。

隨著建筑行業(yè)發(fā)展，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，都將傳統(tǒng)建筑與BIM等新型技術(shù)融合到一起，有效地管控施工進(jìn)程，提高精度，降低成本。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李姣佼以及廣州大學(xué)黃永勝引入BIM技術(shù)，探討實(shí)際工程模塊化設(shè)計(jì)體系以及設(shè)計(jì)流程，分析模塊單元的設(shè)計(jì)，建立體量模型，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館數(shù)字化輸出，提高企業(yè)管理的效率[20-21]。朱江華、老浩寅、何秀鐸、趙飛等將BIM技術(shù)模塊設(shè)計(jì)以及施工管理控制相結(jié)合，對(duì)整個(gè)建筑的所有數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成以及分析，從而實(shí)現(xiàn)成本可視化和標(biāo)準(zhǔn)化，提高造價(jià)管理效率[22-25]。

3 國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例

加拿大魁北克1967年世界博覽會(huì)展示的“67號(hào)住宅”，是由365個(gè)結(jié)構(gòu)模塊拼接搭建而成的12層建筑。所有建筑組成部分均為承重構(gòu)件，即全模塊建筑結(jié)構(gòu)體系[26]。日本設(shè)計(jì)師黑川紀(jì)章成名之作“中銀艙體大樓”，建于1972年，現(xiàn)場(chǎng)建構(gòu)2個(gè)鋼筋混凝土的核心筒，工廠預(yù)制140個(gè)正六面艙體運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，將模塊附著于2個(gè)中心核心筒，建成11層和13層的2棟混凝土樓。這個(gè)建筑是日本“新陳代謝運(yùn)動(dòng)”的代表作之一，展現(xiàn)出未來(lái)主義建筑風(fēng)格[27]。2008年7月在英國(guó)中部地區(qū)啟動(dòng)的沃爾弗漢普25層建筑工程(圖3)，是由824個(gè)模塊構(gòu)建的3座混凝土核心模塊化建筑[28]。美國(guó)2012年動(dòng)工的32層住宅大樓461 Dean，是當(dāng)時(shí)世界上最高的模塊化建筑，將工廠預(yù)制的960個(gè)鋼框架模塊自下而上逐層頂升就位，鋼框架與鋼模塊焊接相連。澳大利亞墨爾本的小英雄低層公寓樓(圖4)，施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土核心筒，預(yù)制的58個(gè)單層公寓模塊連接到核心筒，所有橫向荷載將轉(zhuǎn)移到核心筒[29]。英國(guó)布里斯托爾邦德街的學(xué)生宿舍項(xiàng)目(圖5)，由400個(gè)臥室模塊裝配組成，共計(jì)12層，穩(wěn)定性由4個(gè)鋼核心筒支撐。新加坡Clement Canopy建筑是2019年6月完工的目前世界最高的模塊化建筑，1899個(gè)模塊附著在40層高的塔樓上組成了505套豪華公寓，是新加坡第一座全混凝土預(yù)制構(gòu)造的PPVC體系的建筑[30]。

圖4 低層模塊化建筑“小英雄”

圖5 模塊化學(xué)生公寓

花都匯生態(tài)公園考慮到地基承載力低、集裝箱建筑節(jié)能環(huán)保、施工快捷等因素，結(jié)合BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)施工了由17個(gè)建筑模塊構(gòu)成的2層花都匯游客中心[31]。十七屆住博會(huì)上深圳展團(tuán)展示的單人精品公寓(圖6)，涵蓋了臥室、客廳、廚房、衛(wèi)生間等生活必備空間，屬于整體式模塊化裝配式建筑，是模塊化裝配式進(jìn)一步的探索，具有國(guó)際領(lǐng)先性及獨(dú)創(chuàng)性[32]。雄安市民服務(wù)中心企業(yè)臨時(shí)辦公室由593個(gè)12 m×4 m×3.6 m的標(biāo)準(zhǔn)模塊組成，幕墻系統(tǒng)、內(nèi)部裝飾以及管線布置均采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[33]。中建科技在北京建造了國(guó)內(nèi)首個(gè)模塊化裝配式零耗能健康集成房屋，采用了集研究、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、加工、施工于一體的REMPC模式，施工僅用時(shí)40 d。

圖6 單人精品公寓

目前，我國(guó)的模塊化建筑發(fā)展相比于國(guó)外還比較落后，模塊化建筑在我國(guó)建筑領(lǐng)域還不能被國(guó)人廣泛接受，應(yīng)用最多的是集裝箱式的施工現(xiàn)場(chǎng)板房、街邊報(bào)停、公廁等。對(duì)于模塊化建筑，國(guó)內(nèi)也在不斷研究、探索符合我國(guó)建筑國(guó)情、相對(duì)于傳統(tǒng)建筑又具有優(yōu)勢(shì)的新型工業(yè)化模塊建筑。

4 未來(lái)展望

4.1 技術(shù)展望

1) 模塊化建筑適于低層建筑，高度受到限制。但我國(guó)人口基數(shù)大，東部沿海城市人口密度大，建筑更傾向于高層建筑。因此，未來(lái)模塊化建筑要對(duì)模塊間連接受力進(jìn)行更深的研究和設(shè)計(jì)，以更適于高層建筑。

2) 我國(guó)是地震多發(fā)區(qū)，且沿海城市較多，要考慮地震及臺(tái)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。隨著建筑高度的增加，風(fēng)載對(duì)建筑的影響也隨之加大。因此，要保證建筑的安全穩(wěn)定性，未來(lái)模塊化建筑整體結(jié)構(gòu)以及模塊間連接要進(jìn)行抗震、抗風(fēng)的試驗(yàn)研究，做好抗震、抗風(fēng)的結(jié)構(gòu)措施。

3) 模塊化單元在運(yùn)輸過(guò)程、吊裝過(guò)程以及安裝過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生誤差，難以保證模塊單元的精度。我國(guó)臨海城市風(fēng)載較大，模塊單元在該類城市安裝過(guò)程中難免受到影響，降低施工精度，從而影響模塊化建筑整體的安全穩(wěn)定。因此，未來(lái)模塊集成建筑要保證運(yùn)輸及施工吊裝精度。

4.2 應(yīng)用展望

目前模塊化建筑外形不夠多樣性，未來(lái)模塊化集成體系將應(yīng)用到造型復(fù)雜、空間多樣、大跨度的高層建筑。除了應(yīng)用到普通住宅、賓館、學(xué)生宿舍等建筑，還可用于以下建筑：

1) 模塊化建筑用于震后人員安置。目前我國(guó)震后通常用救災(zāi)帳篷安置人員，條件比較簡(jiǎn)陋，安全性有待提高。隨著裝配式工業(yè)化的不斷發(fā)展，模塊化建筑可以更安全、更綠色地解決災(zāi)后安置問題，從而做好震后的衛(wèi)生防疫，應(yīng)對(duì)傳染、瘟疫等次生災(zāi)害。

2) 模塊化建筑用于搭建景區(qū)賓館。通常大部分景區(qū)具有旅游淡旺季，淡季時(shí)賓館閑置，且賓館前期建造耗費(fèi)時(shí)間以及占用大量土地資源。模塊化建筑可以快捷施工，且可以拆卸運(yùn)輸，二次利用，節(jié)省資源，綠色施工，不會(huì)影響景區(qū)原有生態(tài)環(huán)境。

3) 模塊化建筑用于新型綠色農(nóng)村的建設(shè)。我國(guó)大力發(fā)展裝配式建筑，推進(jìn)綠色新型農(nóng)房項(xiàng)目建設(shè)。PPVC體系將會(huì)更有效、快捷且工業(yè)化的推進(jìn)該項(xiàng)目的進(jìn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)，簡(jiǎn)述了模塊化建筑概念、梳理了國(guó)內(nèi)外理論、技術(shù)研究以及實(shí)際工程案例，對(duì)我國(guó)未來(lái)模塊化建筑發(fā)展提出展望。我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)正處于結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)階段，模塊化建筑集成技術(shù)以及相關(guān)智慧建造技術(shù)還未發(fā)展成熟，且缺乏成熟的政策理論、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及生產(chǎn)建筑流程，但其符合我國(guó)建筑業(yè)綠色發(fā)展的理念，模塊化建筑將得到全面推廣。政府主導(dǎo)的裝配式項(xiàng)目將成為建筑市場(chǎng)的切入點(diǎn)，例如裝配式新型農(nóng)房、震后安置房、保障房以及基礎(chǔ)建設(shè)等。