混凝土模塊化集成建筑吊裝系統(tǒng)設計及安裝關鍵技術研究

孟 輝

（廣東海龍建筑科技有限公司 廣東 珠海 519000）

0 引言

由于我國已步入老齡化社會階段，再加上經(jīng)濟的快速發(fā)展，年輕人從事粗放型重體力勞動的意愿明顯降低，勞動密集型的傳統(tǒng)建造方式難以為繼，亟需加快推進裝配式建筑的發(fā)展［1］。模塊化建筑則是裝配式建筑發(fā)展的新趨勢［2-3］，實現(xiàn)了裝配式由傳統(tǒng)的單一構件的預制安裝，轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨燃傻哪K安裝，大大提高了建筑的工廠化生產(chǎn)率，有利地推動了建筑工業(yè)化。

混凝土模塊建筑［4］按照建筑房間拆分成不同的模塊單元，每個模塊均為四面墻體和頂?shù)装褰M成的獨立六面體空間。模塊可實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，設備管線的安裝預埋及裝修，完成的模塊再運至現(xiàn)場組裝成建筑。與其他裝配式建筑預制部品相比，模塊建筑重量更大，構造更復雜且裝修保護要求高，吊裝難度大大升級。目前，針對裝配式建筑預制部品吊裝技術研究的文獻較多，主要分為傳統(tǒng)混凝土預制件［5-7］，預制混凝土管廊［8-9］，鋼結(jié)構模塊［10-11］等的吊裝研究。傳統(tǒng)混凝土預制件，多指預制墻板、預制樓梯、預制疊合梁、疊合板、預制柱等，吊點布置較少且可對稱布置，吊裝簡單易控制；預制混凝土管廊則接近混凝土模塊構造，但管廊構造較對稱和尺寸更規(guī)格化，吊點布置及吊重較易確定；鋼結(jié)構模塊建筑較混凝土模塊質(zhì)量輕，且基本為框架結(jié)構，吊點布置可設置到模塊角柱處或鋼梁上，于鋼構件受力宜發(fā)生形變的特點，其吊點布置及吊裝設計與混凝土模塊存在較大差異性。然而，針對混凝土模塊化建筑吊裝系統(tǒng)整體研究的相關文獻還未見到。為了推動混凝土模塊化建筑的進一步發(fā)展，吊裝技術研究是其中不可忽略的一環(huán)。本文依托香港某綜合樓項目進行結(jié)構吊裝計算和實驗驗證。該項目由混凝土模塊組裝合成，針對該項目拆分的建筑模塊進行吊點布置，吊架設計及吊裝精度控制，最終形成一套模塊吊裝關鍵技術，以指導模塊吊裝施工。

1 項目概況

香港某綜合樓項目共8層，其中2～8層，除樓核心區(qū)、電梯間及設備用房外，其他標準戶型均采用模塊化拼裝，共有7 款模塊類型，最重約16 t。每層需吊裝的模塊為252個，全樓共1 764個模塊。所有建筑模塊均為工廠生產(chǎn)并完成設備管線的預埋及裝修工作后，再運輸?shù)浆F(xiàn)場完成吊裝工作。

2 模塊建筑無偏斜吊裝系統(tǒng)設計

2.1 模塊無偏斜吊裝設計原理

為避免吊裝過程產(chǎn)生大角度傾斜，從而導致吊裝安全隱患，本項目吊裝全程采用鋼結(jié)構吊架起吊，同時為保證鋼吊架穩(wěn)定，在吊架頂部設置4 根吊鏈與頂部吊機連接，鋼吊架底部吊鏈與模塊連接。其中頂部4 根吊鏈應等長等傾斜度對稱布置，且傾斜度與鋼架平面水平夾角不宜小于60°，以便于吊鏈較大限度地承受豎向吊重；底部吊鏈應保持豎直等長，避免因吊鏈長度不均導致構件傾斜，從而產(chǎn)生水平力造成模塊水平向的受力破壞。為保證吊架起吊無偏斜，應保證底部模塊重心、鋼吊架的重心在吊架頂部4 根吊鏈的合力作用線上。項目模塊起吊如圖1所示。

圖1 混凝土模塊起吊Fig.1 Concrete Module Lifting

2.2 復雜模塊吊點布置原則

建筑模塊是由墻、柱、梁、板等構件組成的六面體結(jié)構。通過香港某項目吊裝設計，總結(jié)了一個模塊吊點布置及計算的方法。吊點設置前應先計算出模塊的重心點坐標，重心確定后，模塊頂部吊點可布置于重心周邊的豎向承重構件（墻或柱）上，盡量避開門窗洞口頂部薄弱處布置，吊點數(shù)量應多于3 個且至少有一點不共線。吊點布置后應進行吊點計算，避免吊點因模塊重心與吊架重心及其上部吊鏈合力作用線不共線產(chǎn)生的偏心彎矩而出現(xiàn)受壓情況，如出現(xiàn)該情況，則說明吊點布置不合理，應給予位置調(diào)整，直到所布置吊點全部受拉方可。

⑴吊點計算，以香港某項目模塊類型1 吊點布置為例，吊點共6 個，吊點布置俯視圖如圖2 所示，編號為A1～A6。各吊點拉力計算公式［12］如下：

圖2 模塊1吊點布置俯視圖Fig.2 Top View of Hoisting Point Layout of Module 1

式中：G為模塊的重力；n為吊點的數(shù)量；Xi，Yi為吊點的坐標點；Xr，Yr為吊點的中心坐標點；X0，Y0為模塊的重心坐標點；ex，ey為吊點中心坐標點與模塊重心坐標點的偏心距；FAi為吊點Ai的吊點力。

⑵通過模塊吊裝試驗測量（見圖3），給出吊點力理論值和試驗值的對比，如表1所示。

表1 吊點力理論值與試驗值Tab.1 Theoretical Value and Experimental Value of Lifting Point Force

圖3 模塊吊點測試Fig.3 Module Hanging Point Test

本次測試使用的儀器為上海某公司生產(chǎn)的5 t 的OCS 電子吊秤，測試選取了3 個模塊，編號分別為MiC-2，MiC-2a，MiC-3，每個模塊均設置了6 個吊點。其中MiC-2與MiC-2a為同一款，MiC-2與MiC-3是未做裝修的模塊，MiC-2a為裝修后的模塊。選取MiC-2與MiC-3 是因為前者重心偏心小，吊點布置較均衡，后者重心偏心較大，吊點布置不太均衡，通過對不同偏心模塊的測試，數(shù)據(jù)更全面。在通過對3 個模塊的理論值與試驗值的對比可知：

⑴模塊總重最大絕對值偏差為2%，說明測試數(shù)據(jù)整體準確。

⑵18組吊點數(shù)據(jù)平均偏差值為4.9%，說明試驗值與理論值較吻合，該理論計算方法可作為工程設計使用。

⑶單個吊點力理論值最大絕對偏差為14%，平均絕對偏差4.9%，且計算值為標準值未考慮起吊動力系數(shù)，建議起吊動力系數(shù)設置不小于1.1，可有效降低吊點力偏差的不利影響。

2.3 鋼吊架設計原理

鋼吊架是由主次鋼梁焊接而成的平面鋼架，鋼架頂部設有4 個吊點用于與吊機連接，底部設有與模塊頂部吊點一一對應連接的掛點。當所起吊的模塊體型復雜且重心偏心距較大時，應按模塊頂部吊點實際布置位置對應布置吊架的鋼梁及其底部吊點，使模塊頂部吊點都能一一對應豎直掛到吊架底部掛點；吊架頂部4個吊點也應按照模塊的重心點對稱布置到吊架的相應鋼梁頂部，如圖4所示，圖4中吊架頂部吊點合力作用點同底部模塊的重心點應共線。按該方式逆序設計的吊架可能會發(fā)現(xiàn)吊架的重心與模塊的重心不共線，為實現(xiàn)無偏斜模塊起吊，可在模塊重心偏離吊架重心一側(cè)的吊架鋼梁上配重，使吊架的重心與模塊的重心重合。配重可通過鋼架自重與其坐標乘積加上配重與其坐標乘積之和除于鋼架與配重總重所得的坐標值等于模塊重心坐標值的方式［12］來設置。

圖4 吊架底部掛點及頂部吊點布置平面Fig.4 Layout Plan of Hanging Point at Bottom and Top of Hanger

鋼吊架構件布置設計完成后，按照頂部吊點為豎向約束，底部吊點吊重為荷載，進行鋼架鋼梁的截面設計及對應連接節(jié)點的設計即可完成吊架的設計。

3 模塊建筑精確安裝關鍵技術

3.1 模塊安裝前準備

⑴每個模塊工廠生產(chǎn)完成后，要用工裝臺對其水平度、垂直度及尺寸進行驗收，驗收不合格的返廠修補，確保所有模塊出廠前均達到安裝要求；

⑵制訂模塊拼裝順序；

⑶根據(jù)箱體拼裝順序，在箱體吊裝后露出在外側(cè)的兩面相交的墻體上繪制標高定位水平墨線和模塊豎直墨線，其中水平墨線可與模塊裝修墨線共用，豎直墨線則位于水平墨線中部且與水平線正交布置。

3.2 現(xiàn)場安裝

⑴對場地或拼裝樓板面進行平整，使其滿足模塊拼裝平整度及標高要求；

⑵每個拼裝層設一個模塊吊裝區(qū)外部的固定測量點；

⑶按照模塊拼裝圖，由固定測量點引入測量，繪制模塊底部對齊輪廓線，至少兩個垂直邊；

⑷每個模塊吊裝前應進行底部墊片設置，墊片宜設置在模塊四角或中間隔墻底部，墊片位置不少于4 處且至少有2 處不共線，通過固定測量點設置墊片高度，使其達到設計標高點；

⑸用泡沫條對模塊吊裝位進行坐漿區(qū)圍護，并坐漿，使模塊底板與下層結(jié)構板之間縫隙填充密實，如圖5所示；

圖5 墊片調(diào)整及坐漿處理Fig.5 Gasket Adjustment and Grouting

⑹模塊按照場地輪廓墨線將模塊吊裝到位，底部由設置好的墊片支撐。模塊落位后，通過測量儀對模塊標高水平線及傾斜度進行復測，根據(jù)復測結(jié)果再起吊模塊，對應調(diào)整底部墊片高度，直到模塊安裝后滿足標高和豎直度要求，如圖6所示。

圖6 模塊落位安裝Fig.6 Module Installation

4 結(jié)論

通過香港某綜合樓項目混凝土模塊的吊裝技術研究，主要得出以下結(jié)論：

⑴研究形成混凝土模塊無偏斜吊裝的設計理論；

⑵給出混凝土模塊起吊用鋼吊架的設計原理；

⑶針對混凝土模塊的安裝給出具體的安裝流程和精度控制關鍵技術。

該模塊建筑無偏斜吊裝施工技術研究全面解決了混凝土模塊建筑吊裝中的難題，也為相類似的裝配式建筑工程項目的吊裝作業(yè)提供了寶貴的技術支持，可有力推動裝配式建筑的快速發(fā)展。