裝配式鋼結構系統(tǒng)選型及節(jié)點連接技術分析

孟慶恩 吳玖榮2

(1 廣州市城市建設開發(fā)有限公司；2 廣州大學風工程與工程振動研究中心)

0 引言

裝配式預制施工是指建筑構件在工廠制造并運輸至施工現(xiàn)場進行安裝的施工過程，與傳統(tǒng)現(xiàn)場施工方法相比，它具有顯著的優(yōu)勢，如更快、更安全的制造、更好的質(zhì)量控制和更低的環(huán)境影響，從而在材料利用效率、減少現(xiàn)場廢物和改善工作環(huán)境等方面帶來可持續(xù)性優(yōu)勢。使用裝配式模塊化施工技術可以減少50%的施工時間，節(jié)省20%的成本。根據(jù)預制化裝配式程度，一般鋼結構有三類預制結構施工方式：一維構件單元、二維板塊系統(tǒng)和三維實體化模型施工系統(tǒng)[1]。二維板塊系統(tǒng)和三維實體化系統(tǒng)，也稱為裝配式模塊化結構，是最有效的預制結構類型，因為它允許70%至95%的建筑構件在運輸至現(xiàn)場組裝之前在工廠進行預制。

在公寓、學校、辦公室、宿舍、酒店和醫(yī)院等具有重復單元的高層鋼結構系統(tǒng)中，首選裝配式模塊化施工方式，由于重復模塊的數(shù)量增加，裝配式模塊化施工的優(yōu)勢將最大化應用于建筑施工中。盡管模塊化建筑在過去三十年中已廣泛應用于低層建筑，但其在高層建筑中的應用仍然有限[2-4]。

本文對高層鋼建筑裝配模塊化施工技術的最新成果做一些簡單介紹，著重于在（i）高層鋼建筑模塊化系統(tǒng)在國內(nèi)的現(xiàn)狀及應用，（ii）高層建筑鋼結構裝配模塊化系統(tǒng)選型及比較，（iii）節(jié)點連接的技術比較與分析。

1 我國預制裝配模塊化高層鋼結構建筑應用狀況

裝配模塊化建筑在我國高層建筑中的應用是由長沙遠大集團的子公司遠大可持續(xù)建筑（BSB）公司在過去十年中首創(chuàng)的，該公司開發(fā)了一種先進的鋼結構建筑二維板塊系統(tǒng)施工技術[5]。在這項技術中，超過90%的鋼結構建筑組件（包括結構構件，如樓板預制結構系統(tǒng)和框架系統(tǒng)）在BSB 中心工廠制造，然后使用螺栓連接方法進行現(xiàn)場組裝。BSB 開發(fā)的二維板塊化建筑技術已在國內(nèi)30多個試點和商業(yè)項目中進行了測試，包括圖1所示的30 層酒店（T30 塔）和圖2 所示的57 層公寓（J57迷你天空塔）。T30 和J57 迷你天空塔[6]也是目前世界上最高的十座裝配式模塊化建筑之列。這些塔樓最顯著的特點是創(chuàng)造了建造速度最快的世界紀錄。T30 塔樓僅在15 天內(nèi)完工，而J57 迷你天空塔樓僅在19 天內(nèi)完工（每天三層）。

圖1 30層酒店（T30塔）

圖2 57層公寓（J57迷你天空塔）

2 預制裝配模塊化高層鋼建筑的結構系統(tǒng)

模塊化單元作為裝配模塊化建筑的主要承重構件，模塊化高層建筑施工方式通?？煞譃閮煞N類型：二維板塊系統(tǒng)和三維實體化系統(tǒng)。二維板塊系統(tǒng)通常需要更多的現(xiàn)場組裝，而三維實體化系統(tǒng)則需要更多的場外預加工。二維板塊系統(tǒng)的裝配工作比三維實體化系統(tǒng)更復雜，因為它需要更多的內(nèi)部構件精細加工。然而，二維板塊系統(tǒng)比三維實體化系統(tǒng)可提供更大的靈活性。

二維板塊系統(tǒng)施工方式目前在國內(nèi)已經(jīng)得到廣泛使用，尤其是用于裝配式模塊化高層建筑。BSB 率先開發(fā)了二維板塊系統(tǒng)，采用鋼樓板預制結構系統(tǒng)和鋼框架系統(tǒng)，如圖3 所示。這些鋼板通過螺栓技術現(xiàn)場連接。圖3 顯示了其中一個示例。需要注意的是，現(xiàn)場組裝工作比傳統(tǒng)方法簡單得多，但與三維實體化系統(tǒng)施工方式相結合時會變得更加復雜。

圖3 二維板塊系統(tǒng)施工

二維板塊系統(tǒng)和三維實體化系統(tǒng)（即混合系統(tǒng)）的組合也可用于裝配式模塊化高層鋼結構建筑施工中，以充分實現(xiàn)每個系統(tǒng)的優(yōu)點[7,8,9]。

3 節(jié)點連接技術比較與分析

在裝配式模塊化高層鋼結構建筑中，裝配式模塊化單元之間的連接起著非常重要的作用，因為它們確保了整個建筑的結構完整性、整體穩(wěn)定性和魯棒性。盡管焊接連接可以提供相鄰模塊之間的剛性，但現(xiàn)場并不首選，因為它需要高技能的勞動力、大的工作空間和焊接后耗時的檢查。越來越多的新興連接技術已被開發(fā)用于裝配式模塊化鋼結構建筑的模塊間節(jié)點連接方式中[10～13]。這些連接可分為三種不同類型：①使用桿件連接的模塊間連接；②使用連接節(jié)點的模塊間連接；③使用螺栓的模塊間連接施工方式。以下就各種主要的節(jié)點連接技術及相應的施工方法，進行相互的比較與分析。

3.1使用桿件連接的模塊節(jié)點連接方式

這種類型的連接（見圖4）旨在將下部模塊的立柱垂直連接至上部模塊的立柱（即立柱間連接）。在這方面，通過使用垂直桿件在下部和上部模塊之間提供垂直支撐，而下部和上部柱之間的剪力由剪力鍵抵抗。這種類型連接的優(yōu)點是它可以安裝在模塊外部，從而防止對內(nèi)部飾面的任何潛在損壞。此外，這種連接技術也可以應用于鋼管混凝土截面的柱，這是高層建筑保持相同柱尺寸所必需的。然而此種類型節(jié)點連接的抗彎矩能力有限，其力學性能與弱半剛性連接相似。這導致整個建筑的框架整體作用相對較弱，因此這種連接方式不太適用于有較多層數(shù)的高層鋼建筑系統(tǒng)中。

圖4 裝配式模塊化建筑的典型模塊間連接

為彌補上述不足之處，有學者提出如圖5 所示的改進系統(tǒng)，他們建議采用帶剪切塊和預應力筋的系桿連接，用于帶有鋼管混凝土柱的角接頭-J1 連接方式中（見圖4a）。在這種連接方式中，需要將帶有加強筋和孔的密封板焊接到場外模塊柱上，以容納預應力鋼筋束和插筋穿過。在現(xiàn)場安裝期間，將上部模塊提升到下部模塊上方（圖5），然后將插桿和鋼筋束對齊并插入相應的孔中。然后將剪切塊插入封閉孔中（圖5），以抵抗上部模塊下落前的剪切力。將鋼筋束拉伸至設計應力水平后，將填充混凝土澆筑到空心鋼管柱中。采用插筋以防止混凝土壓碎，并增加連接節(jié)點的延性能力。

圖5 帶剪切塊和預應力筋的節(jié)點連接

3.2使用連接節(jié)點的模塊間節(jié)點連接

與桿件連接的模塊節(jié)點連接方式不同，使用連接節(jié)點的模塊間節(jié)點連接的施工及安裝非常簡單和靈活，因為連接節(jié)點可以很容易地焊接到具有不同橫截面形狀的模塊梁和柱上。目前已經(jīng)有多種此種連接類型的節(jié)點系統(tǒng)，如Vectorbloc 型連接節(jié)點、自鎖型連接節(jié)點、旋轉(zhuǎn)型連接節(jié)點和支架型連接節(jié)點。

Vectorbloc 型連接節(jié)點：Vectorblo 型連接節(jié)點是一種標準化、結構可擴展的裝配式模塊化連接系統(tǒng)，旨在促進裝配式模塊化建筑與空心鋼截面構件的高效設計和組裝。在該種類型的連接系統(tǒng)中，裝配式模塊化建筑的水平和垂直模塊單元在其拐角處，通過角撐板和新型的鑄鋼連接節(jié)點連接，該連接節(jié)點在工廠中焊接到模塊的空心鋼截面構件上。VectorBloc 類型連接節(jié)點的優(yōu)點是：它可以更快、更方便地在現(xiàn)場安裝梁柱和模塊構件間的連接。VectorBloc 類型連接節(jié)點的基本部件是上下塊（Upper bloc and Lower bloc）、定位銷(Registration pin)、平頭螺釘(FHCS)、高強度內(nèi)六角螺釘(SHCS)和角撐板(Gusset plate)，如圖6所示。

圖6 VectorBloc型連接節(jié)點

自鎖型連接節(jié)點：這種自鎖型連接節(jié)點如圖7 所示，由于此種連接節(jié)點是通過摩擦自鎖機構確保下部模塊和上部模塊之間的垂直連接，因此不需要像Vectorbloc 型連接節(jié)點那樣的螺栓系統(tǒng)。因此，它可以快速輕松地安裝。然而，不考慮相鄰模塊之間的橫向連接，此種類型的連接節(jié)點僅適用于角點部位的連接方式。

圖7 自鎖連接節(jié)點

旋轉(zhuǎn)型連接節(jié)點：該種連接技術一般可應用于國內(nèi)的裝配式模塊化建筑如宿舍樓，如圖8 所示。此種連接中，模塊的梁和柱將在場外焊接到角配件上，類似于自鎖型連接節(jié)點系統(tǒng)的節(jié)點連接配置方式。在現(xiàn)場安裝期間，上部模塊被提升到下部模塊上方。然后，將旋轉(zhuǎn)連接節(jié)點插入下部模塊的角配件中。一旦上部模塊與下部模塊正確對齊，它們將通過旋轉(zhuǎn)連接節(jié)點連接。為了便于安裝，在角配件的兩側還設置了檢修孔（見圖8）。旋轉(zhuǎn)連接型節(jié)點用于垂直連接下部模塊和上部模塊構件。

圖8 旋轉(zhuǎn)連接節(jié)點

支架型連接節(jié)點：在這種連接中，通過螺栓連接實現(xiàn)相鄰模塊構件之間的水平連接以及下部和上部模塊構件之間的垂直連接。如圖9 所示，立方體支架連接節(jié)點由鋼板組成，鋼板上有用于螺栓安裝的開孔。

圖9 旋轉(zhuǎn)型連接節(jié)點

3.3使用螺栓型的模塊間連接

螺栓連接由于其快速、簡單的安裝和更好的質(zhì)量控制，被認為是單面焊接方法的替代解決方案。目前應用于裝配式模塊化鋼結構建筑節(jié)點連接的各種螺栓連接技術主要有以下幾種。

帶插件裝置（plugin device）的螺栓連接：圖10 說明了帶插件裝置螺栓連接的主要示意圖。其中主要使用高強度螺栓系統(tǒng)來建立下部和上部模塊構件之間的垂直連接，同時采用一種插件裝置來建立相鄰模塊之間的水平連接。樓面梁和天花板梁也將通過場外焊接蓋板和中間板（Cover plate）進行加固，以防止樓面梁在螺栓拉力作用下發(fā)生局部屈曲。插件裝置具有四個方形管，用于與裝配式模塊化建筑內(nèi)部接頭的四個相鄰模塊間進行水平連接。

圖10 帶插件裝置的螺栓連接節(jié)點

帶焊接蓋板的螺栓連接：在這種連接中，焊接蓋板（Cover plate）作為角撐板，如圖11 所示。十字形角撐板（Gusset plate）用于通過螺栓與垂直和水平連接模塊。為了為螺栓安裝創(chuàng)造空間，將通過切割柱側壁來創(chuàng)建檢修孔。為了將角撐板與模塊柱栓接，如圖11 所示，還將柱蓋板焊接到上部柱的底部和下部柱的頂部，該焊接在工廠完成。在現(xiàn)場安裝期間，先將角撐板插入兩個下部模塊之間的間隙中。然后將兩個上部模塊提升到角撐板上。一旦上部和下部模塊正確對齊，它們將通過檢修孔與垂直和水平螺栓連接到角撐板上。最后，現(xiàn)場將蓋板焊接到立柱上，以替換切割部分。

圖11 帶焊接蓋板的螺栓連接節(jié)點

帶連接板的螺栓連接：這種類型的連接用于裝配式模塊化鋼結構建筑的周邊連接中。連接方式如圖12 所示，外部連接板（Connection plate）用于通過普通螺栓和盲螺栓系統(tǒng)連接垂直和水平模塊構件。由于盲螺栓可以從空心截面的外部安裝，因此將在連接到空心截面柱的區(qū)域使用盲螺栓。相反，普通螺栓將用于連接C 形梁的區(qū)域。

圖12 帶連接板的螺栓連接節(jié)點

帶延伸端板的螺栓連接：在這種節(jié)點連接方式中，延伸端板將在場外焊接到各模塊構件的柱端。然后使用螺栓技術現(xiàn)場連接該組件。對于裝配預制式高層鋼結構建筑，已經(jīng)提出了不同類型的螺栓端板連接。如圖13a 所示，多層鋼結構建筑的柱和梁采用螺栓端板連接。在這種情況下，梁需要在工廠內(nèi)與垂直連接板和柱基焊接。圖13b和圖13c分別顯示了相鄰模塊構件中的柱之間帶延伸端板的螺栓連接。聯(lián)鎖銷（Locating pin）和水平連接板P2（見圖13c）連接，以提高其抗剪剛度和抗剪性，聯(lián)鎖銷也用于對齊目的。使用聯(lián)鎖銷系統(tǒng)的目的，也是為了提高多層裝配式模塊化鋼結構建筑的整體受力性能。

圖13 帶延伸端板的螺栓連接節(jié)點

4 結論

與傳統(tǒng)的常規(guī)施工方法相比，裝配式模塊化施工在節(jié)省施工時間、降低成本以及更重要的是對減輕環(huán)境影響方面具有顯著的優(yōu)勢。裝配式模塊化施工方法所具有的這些優(yōu)點非常適合于鋼結構高層建筑的模塊化施工，從而可以塑造建筑行業(yè)的未來。本文介紹了裝配式模塊化技術的相關進展，重點包括結構系統(tǒng)選型和節(jié)點連接技術的比較與分析方面。盡管裝配式模塊化施工方法已日益廣泛應用于低層建筑，但其在高層鋼結構建筑中的應用仍然有限。通過解決與上述問題相關的技術挑戰(zhàn)，裝配式模塊化施工技術可以用于建造更高，更快，施工造價更低的建筑施工方法中。