鋼結構模塊化建筑技術在城市應急管理項目中的應用

趙寶軍，姚 杰，黃明洋

（中建海龍科技有限公司 深圳 518000）

0 引言

建筑工業(yè)化是我國建筑業(yè)發(fā)展的重要方向，符合我國發(fā)展綠色建筑的要求，其主要標志有建筑設計標準化、構配件生產(chǎn)工廠化、施工機械化以及組織管理科學化。近年來，模塊化建筑憑借其優(yōu)異的設計理念和突出的便捷性，作為一種新型的建筑形式，得到了國內外建筑行業(yè)的廣泛關注［1］。在全球新冠肺炎疫情的嚴峻形式下，越來越多人逐漸意識到模塊化建筑方案的集成和快速優(yōu)勢［2］。尤其是在武漢火神山和雷神山成功實施案例中，集中建造了臨時的防疫醫(yī)院，在短短的數(shù)天內完成了幾萬m2的醫(yī)院建筑，模塊化建筑在其快速建設中發(fā)揮出了關鍵性作用，滿足了現(xiàn)場建筑快速組建要求，全國各地開始逐步推廣采用了模塊化集成建筑方案以應對當下疫情防控［3-5］。將此類具有綠色節(jié)能、高品質、高建造效率等一系列顯著的技術優(yōu)勢的多層鋼結構模塊化建筑推廣應用于學校教育設施建設、應急防疫類醫(yī)院等的快速建造有著巨大的社會效益［6］。

通過對裝配式鋼結構模塊化建筑的設計、加工制造、運輸與安裝一體化進行了研究，探索了裝配式鋼結構模塊化建筑技術在深圳某防疫隔離項目的應用方式。該項目大大縮短了現(xiàn)場施工周期，減少了勞動力需求，降低了工程成本，促進了建筑工業(yè)化的發(fā)展和驗證了其模塊化集成建筑在城市應急管理應用的技術可行性，為應對當下日趨嚴峻的防疫隔離要求提供了一個良好的示范作用。

1 模塊化建筑

1.1 模塊化建筑的概念

MiC（Modular integrated Construction）組裝合成建造法，也叫模塊化集成建筑，是由若干功能模塊化單元構建組成的一種建筑形式，所有模塊既是1個結構單元又是1 個空間功能單元，能實現(xiàn)不依賴外部支撐而獨立存在；可根據(jù)不同功能需求，劃分成不同功能空間，配置不同辦公、生活、輔助設施以適應建筑設計方案要求，組合形態(tài)多變，實現(xiàn)功能與造型多樣化。按照所用的結構材料分類，MiC 體系主要有鋼結構MiC、混凝土MiC 以及鋁合金MiC 等［6］。在項目實踐中，鋼結構MiC 更加適用于公共建筑，包括酒店、公寓、學校等?；炷罬iC 更加適用于住宅產(chǎn)品，特別是剪力墻體系。鋁合金MiC 常用于文旅建筑或園林小品等［7-8］。

MiC 模塊化建筑和傳統(tǒng)建筑的區(qū)別可概括為“四提四降”，“四提”是提高建筑品質、提高施工的進度、提高科技含量、提高建筑集成；“四降”是降低勞動用工、降低現(xiàn)場施工、降低安全風險、降低環(huán)境污染［9］。模塊化建筑其技術核心在于利用模塊化的設計理念和工廠化生產(chǎn)方式，將原本需要在項目現(xiàn)場實施的工程內容盡可能實現(xiàn)工廠預制，運輸?shù)浆F(xiàn)場之后，通過快速有效的連接方式組合完成整棟建筑［10-12］。

1.2 鋼結構模塊化建筑的意義

隨著社會的發(fā)展進步，裝配式建筑及其優(yōu)勢正日益受到廣泛的關注。鋼結構MiC 作為一種新型的建造體系，在建造效率、全壽命周期經(jīng)濟性以及可持續(xù)發(fā)展等方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。與傳統(tǒng)建筑相比，具有以下優(yōu)勢：

⑴經(jīng)濟性和效率性高：采用鋼結構模塊化技術建造房屋，相較于傳統(tǒng)建筑的支模及澆筑混凝土，模塊化集成建筑的設計制造理念可以減少設計師和工程師的成本，流水線量產(chǎn)化制造技術和速度都遠勝于傳統(tǒng)建造工藝［13］。

⑵抗震性能優(yōu)越：模塊化集成建筑在設計之初就將各類性能要求嚴格把關，作業(yè)施工基本在預制工廠內完成，其建造的模塊化構件整體性能在發(fā)生地質災害時能夠保持良好的穩(wěn)定性，其抗震能力遠高于一般的建筑［14-15］。

⑶施工綠色可持續(xù)性：模塊化建筑高度集成化制造管理，很大程度上降低建筑生產(chǎn)活動產(chǎn)生的建筑垃圾、粉塵、噪音、光等污染［16］，再加上模塊化建筑使用的多為綠色建材和通用鋼結構配件，使用完后的相關建材和配件等也大多數(shù)可以進行回收利用，極大地減少了資源的浪費，體現(xiàn)了建筑綠色化生產(chǎn)和環(huán)?？沙掷m(xù)性理念，具備了低碳綠色節(jié)能化的特點。

⑷應急性強：對于一些突發(fā)疫情的地區(qū)，可以做到在最短的時間內完成防疫應急設施的建設，在使用周期結束后，相關單元可拆卸運送至其它地方，組裝成新的應急設施［17-18］，具備特定應急性。

2 深圳某防疫隔離項目鋼結構模塊化建筑一體化技術研究

針對裝配式鋼結構體系建筑在包含設計、制造、運輸與安裝的建造全過程的技術協(xié)同需求，研究和優(yōu)化建造全過程中設計、制造、運輸與安裝4個主要階段為主的一體化原則和各階段之間的技術對接方案。模數(shù)化、標準化、信息化是基礎，以此保證全專業(yè)設計的協(xié)調、不同專業(yè)相關部品的一體化及高效連接和安裝協(xié)調、不同參與方的信息協(xié)同，從而最大限度地保證裝配式鋼結構體系建筑的集成效率、精度和質量［19-20］。

為了應對日趨嚴峻的疫情隔離需求，深圳某防疫隔離項目建設規(guī)模24 萬m2，包含6 棟7 層的隔離酒店，4 棟18 層的隔離酒店，服務人員宿舍、應急基本醫(yī)療用房、食堂、物資庫和工作站等配套設施。政府要求在2 個月時間內完成700 間防疫隔離用房，該項目時間緊任務重，采用傳統(tǒng)建筑施工方式顯然無法達到要求。根據(jù)已建立的模塊化建筑一體化技術成果，全部采用鋼結構MiC，將其成功運用在該項目中，展現(xiàn)出了不可比擬的建造優(yōu)勢和應急價值，并取得了良好的示范效果（見圖1）。

圖1 深圳某防疫隔離項目（防疫隔離酒店）Fig.1 A Quarantine Project in Shenzhenl（Epidemic Prevention and Quarantine Hotel）

2.1 鋼結構模塊化建筑標準化與裝配式設計

通過對以往模塊化建筑的設計進行歸納總結制定出一套通用的設計流程，形成全專業(yè)一體化、裝修一體化設計聯(lián)動協(xié)同模式，并依據(jù)模塊受力特點，將設計過程系統(tǒng)化、模式化。項目設計階段，首先按照標準化設計，確定模塊尺寸、模塊的類型化、系列化，按照模塊化設計原則，將整個建筑分為不同功能的標準模塊，包括隔離房間模塊、走廊模塊、樓梯模塊、屋頂模塊等（見圖2）。其模塊組合方式遵照“少規(guī)格，多組合”原則，體現(xiàn)建筑構成的多樣性和豐富性，充分考慮快速接駁、快速施工要求，實現(xiàn)了整個建筑的模塊化拆分。

圖2 項目設計圖Fig.2 Project Design Drawings （m）

模塊單元間連接節(jié)點設計，應簡單、便捷、易操作、節(jié)省時間，其連接方式采用專門用于低多層的可拆卸螺桿連接體系。該體系傳力路徑明確，加工安裝簡便，已廣泛成功應用于不同類型的鋼結構MiC（見圖3）。

圖3 可拆卸螺桿連接體系Fig.3 Detachable Screw Connection System

2.2 鋼結構模塊化單元一體化制造

在項目實施過程中，700 個隔離房間模塊及300余功能模塊的生產(chǎn)周期約30 d。鋼結構模塊化單元制造工藝流程如下（見圖4）。

圖4 鋼結構MiC產(chǎn)品生產(chǎn)制造流程示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Manufacturing Process of MiC Products with Steel Structure

⑴鋼材送檢：首先，對進場的鋼材進行抽樣送檢，確保使用的鋼材性能符合設計、建造標準，從源頭上對原材料做好品控把關，杜絕因使用不合格產(chǎn)品導致的返工和安全事故。

⑵鋼材預處理：質檢合格后的鋼材屬于胚料，不能直接用于工程中。需要對其進行相關預處理、開料完成基本的毛邊形狀尺寸等的規(guī)整，為下一步工作做好基礎。

⑶鋼部件制作：根據(jù)設計圖紙以及相關力學計算，采用數(shù)控機床或機械臂將各尺寸鋼材按照設計要求，加工成各零部件。

⑷框架總裝：在預制化工廠內使用制作好的鋼部件將半成品的框架按照設計圖紙組裝成主體框架，批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)工廠車間整體有條不紊，整潔有序。

⑸打砂噴漆：打砂能把工件表面的銹皮等一切污物清除，并在工件表面建立起十分重要的基礎圖式，通過調換不同粒度的磨料，達到不同程度的粗糙度，大大提高工件與涂料的結合力，使粘接件粘接更牢固。

⑹鋼結構質檢：結構檢測合格是確保鋼件能順利出廠的必要條件，通常來說需要進行質檢的內容主要有3個部分，分別為原材料檢測、螺栓檢測和鋼結構撓度檢測［21］。其中，原材料檢測主要包括鋼板、圓鋼的拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、硬度等韌性和塑性測試等。

⑺綁扎樓板鋼筋、落混凝土：鋼結構房屋的樓板主要有在壓型鋼板上現(xiàn)澆混凝土形成的組合樓板、非組合樓板、裝配整體式鋼筋混凝土樓板以及裝配式樓板等，砼樓板可有效提高鋼結構房屋的抗側移剛度，提高建筑的整體性，減小由于其它外因造成的顫動，改善辦公生活的整體舒適性［22-23］。

⑻輕鋼龍骨及防火板安裝：施工工藝流程主要有：彈線分檔?做地枕帶（設計有要求時）?固定沿頂、沿地龍骨?固定邊框龍骨?安裝豎向龍骨?安裝門、窗框?安裝附加龍骨?安裝支撐龍骨?檢查龍骨安裝?電氣鋪管安附墻設備?安裝一面罩面板?填充隔聲防火材料?安裝另一面罩面板?接縫及護角處理?質量檢驗［24］。

⑼整體衛(wèi)生間安裝：所有部件全部在工廠內生產(chǎn)，現(xiàn)場進行裝配，有利于實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化，建筑工業(yè)化。

⑽吊頂龍骨安裝及預埋機電管線：裝配式住宅機電的關鍵技術就是做好預制結構體內管線的預留預埋。設計人員需在設計階段精確定位設備管線并與土建構件一起生成BIM 模型提供給預制構件廠，進行精確定位的預留預埋，進行管線優(yōu)化布置。

⑾天花、墻面、地面裝飾：天花快裝利用專門開發(fā)的金屬邊龍骨加中間點支撐的方法安裝吊頂大板，安裝快捷。墻面快裝系統(tǒng)可以分為兩種形式：自立型墻體及貼面墻體系。作為裝配式內裝的組成部分，地面裝飾系統(tǒng)遵循干法施工的要求。

⑿裝飾裝修質檢：國家推行裝配式建筑是指建筑和裝飾裝修采用裝配式方式實施的一體化，和傳統(tǒng)濕作業(yè)，裝配式裝修強調的是干法施工、成品化安裝。裝配式裝修相關的標準和技術規(guī)范相繼的出臺，極大地促進了裝配式建筑的發(fā)展和完善。

⒀打包出貨：模塊化箱房建筑一般都是整套的，有的是打包成散件運輸?shù)浆F(xiàn)場，近距離采用整箱運輸，遠距離一般采用散件多次運輸，但是需要現(xiàn)場組裝。

2.3 鋼結構箱式模塊運輸與安裝

在運輸方面，模塊化建筑結構體系，模塊經(jīng)過工廠設計拼裝，通過高強度螺栓對梁、柱、節(jié)點進行了穩(wěn)固，穩(wěn)定性好?？烧郫B打包成一個標準集裝箱尺寸大小運輸模塊，可滿足民用集裝箱平板車公路運輸，能有效提高空間利用率及節(jié)約運輸成本［25］。適應叉裝、吊裝、抓舉等多種裝卸方式，并可堆碼貯存，具備裝卸搬運適應性。

模塊單元在工廠預制完成后運輸至進場，采用起重設備，將模塊單元按順序吊裝至指定位置，通過快速連接節(jié)點連接模塊和模塊間管線，并完成接口接縫處理，實現(xiàn)搭積木式的房屋建造（見圖5）。對于幾何形狀和剛度雙向對稱的模塊單元，其吊點宜設置在模塊單元的樓面鋼梁上；對于幾何形狀和剛度均不對稱的模塊單元，為減小吊裝過程中模塊單元的變形量，吊裝時可根據(jù)變形情況增加臨時加固設施。箱體模塊之間連接方式采用專門用于低多層的可拆卸螺桿連接體系，箱體主體結構水平箱體通過左右連接件進行連接，上下箱體通過限位器及上下連接件連接。

圖5 鋼結構箱式模塊運輸與安裝Fig.5 Steel Structure Box Type Module Transportation and Installation

3 關于模塊化集成建筑的一種新型城市應急管理建筑方案

結合本項目的實施以及鋼結構MiC 其他類似項目的經(jīng)驗，提出一種符合“平戰(zhàn)結合”原則的新型城市應急管理建筑方案。以深圳某防疫隔離項目（防疫隔離酒店）項目為例，現(xiàn)有的酒店后期可轉換為大學的學生宿舍。暖通專業(yè)可根據(jù)箱體構造獨立性，設置獨立分體空調及衛(wèi)生間獨立排風，均可在工廠完成安裝隨箱體運輸安裝，減少大量施工現(xiàn)場安裝工作量。獨立箱體均可采用自然排煙措施，不影響整棟建筑消防系統(tǒng)。

針對電氣專業(yè)，設計時在MiC 客房門口朝向走廊處設置單獨的強弱電箱，客房內照明、插座、空調與網(wǎng)絡、可視對講、電話、電視等智能化端口均從此強弱電箱引至，門口上方預留金屬管連接外部電源及網(wǎng)絡，使得每個MiC 箱體成為一個獨立的配電小單元，為學校、酒店、公寓等建筑的一字形和回字形，外走廊形擺放組合提供了可能。如深圳某防疫隔離項目，由回字形組合成隔離酒店，后期改裝成宿舍時，僅需在門口處加裝電表即可實現(xiàn)單獨計費的要求；衛(wèi)生間內的排氣扇只需接通開關就可實現(xiàn)由防疫時的集中控制改成就地控制。網(wǎng)絡設置可直接在前端通過電腦操作，集中管理。由此達到平戰(zhàn)結合、快速改造的特點。遇到新冠疫情等突發(fā)情況，鋼結構MiC 可以在短時間內實現(xiàn)功能裝換，具體包括：

⑴場地變換，從防疫隔離酒店等人流密集區(qū)域可以運輸?shù)筋A留發(fā)展用地等人口稀少區(qū)域，便于集中管理。

⑵ 經(jīng)過簡單改造可以實現(xiàn)暖通的空氣壓力梯度，從屋頂新風到樓梯間到走廊到客房的正壓梯度?？头款A留的新風管道都可以改造成為集中排風井道，滿足防疫要求。

⑶配電箱、弱電箱均朝向走廊，便于連接以及加裝智能化管控系統(tǒng)，迅速實現(xiàn)科技防疫要求。

⑷模塊化的走廊、樓梯、屋蓋可以配合不同的應急管理需求，組成不同規(guī)模體量的建筑單體。既能實現(xiàn)快速靈活建造，又節(jié)約成本。按照我們在珠海某宿舍樓多次搬遷的測算，每次異地安置的建安成本約為初始成本的15%。

4 結語

伴隨著經(jīng)濟發(fā)展，城市規(guī)模越來越大，在面對疫情災情時候需要更多品質高，效率快，成本低的應急建筑。在國家大力提倡建筑工業(yè)化以及實施可持續(xù)發(fā)展的背景下，此次疫情中鋼結構MiC 一體化技術在深圳某防疫隔離項目應用產(chǎn)生的社會、經(jīng)濟效益，將有助于我國裝配式建筑、模塊化建筑推向新的高潮，也為今后此類應急醫(yī)院、搶險項目的設計施工提供一定的借鑒作用。

在國家大力倡導和發(fā)展裝配式建筑的形勢下，鋼結構MiC 憑借其工業(yè)化程度確保工業(yè)化品質，具有高度工廠化和極高裝配率等突出優(yōu)勢，其采用的模塊化建造方式代表著建筑工業(yè)化、綠色施工和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展方向。同時易于拆卸安裝的連接體系，遵照“平戰(zhàn)結合”原則，模塊化建造技術規(guī)?；瘧檬痉俄椖拷o城市應急管理提供了一種全新的建筑解決方案，頗具推廣價值。