新興的模塊化建筑技術

    模塊化建筑是一種新興的建筑結構體系,該體系是以每個房間作為一個模塊單元,均在工廠中進行預制生產,完成后運輸至現場并通過可靠的連接方式組裝成建筑整體。與傳統建筑的建造方式相比,其具有可縮短工期、節約人力物力、綠色環保、品質精良等優點。結合工程實例對模塊化建筑的概念、研究現狀、結構特點、設計要求以及施工方法等多方面內容進行介紹與討論。
    一、裝配式建筑與模塊化建筑特征
     裝配式建筑是指預制的構件在工地裝配而成的建筑。這種建筑的優點是建造速度快、受氣候條件制約小、節約勞動力并可提高建筑質量。
     根據不同的預制程度,裝配式建筑的預制單元一般可分為:桿件單元、板體單元和模塊單元幾種。對應建筑結構體系即為:直接裝配式結構體系、預制大板結構體系與模塊化建筑結構體系。
     直接裝配式結構體系:結構中所有的桿件按設計尺寸切割,主要的開洞也在工廠完成,并以單根桿件形式運至現場,采用螺栓或自攻螺絲連接,均在現場完成。優點是現場可進行一定修改對工廠設備要求低可用集裝箱運輸,經濟適用于體型復雜的建筑,缺點是現場勞動量相對較大。
    預制大板結構體系:結構中帶骨架的墻板、屋面板及屋架均在工廠用專用模具預制成型,并運輸至現場進行組裝。這種體系的優點是建造速度快,質量易于控制,自動化程度較高,現場工作量小但相對運輸費用高,現場需要提升設備。
    模塊化建筑結構體系:結構以單個房間作為一個模塊均在工廠進行預制,并可在工廠對模塊內部空間進行布置與裝修。然后運輸至現場通過吊裝將模塊可靠的連接為建筑整體。模塊化建筑結構體系預制化比例高,可節約人力、物力,減少工期、綠色環保。
    據統計,預制大板結構體系的預制比例可打60%左右,而模塊化建筑結構體系的預制比例一般可達85%以上,其中完全工廠制造的模塊化建筑的預制比例可高達95%,僅剩余的5%工作為現場基礎施工與模塊安裝的連接工作。
    二、模塊化建筑的工程實例
    英國伍爾弗漢普頓學生公寓建筑共25層,于2009年8月完工,共820個模塊在8個月內安裝完成,總建造耗時12個月左右,該建筑是目前已完工的最高的模塊化建筑。
    美國紐約布魯克林34層住宅大樓??建筑面積34萬平方英尺,是最大的預制模塊化建筑。大廈有350套公寓,其中一半是中低收入人群買得起的住房。60%的建筑將在工廠里制造,估計將制造大約950鋼框架模塊。該建筑已于2013年3月開始動工。
    三、國內外的研究現狀
    1、國內研究現狀
    國內對與模塊化建筑結構體系的研究還比較少,而且只有幾種在低層模塊化住宅的研究。如:2009年的第七屆中國國際住宅產業博覽會,浙江泰格集成房屋有限公司展示了一套2層的模塊化住宅;
    2011年的上海國際冶金展,寶鋼集團展示了一套2層的剛模塊房屋,有13個模塊組成。
    哈工大查曉雄教授對集裝箱改造房進行理論分析與試驗研究。集裝箱改裝房與模塊化建筑形式相似,但結構特點有較大不同。
    2、國外研究現狀
    國外的R.M.Lawson等人對多高層模塊化建筑的結構體系及結構設計進行了相關研究,并對模塊化單元的墻板及連接節點做了相關試驗和理論分析研究。
    加拿大的C.D.Annan等人對帶有支撐的多層剛模塊建筑的抗震性能做了具體研究及相關試驗。
    韓國的Sung-Gul Hong等人對帶有雙層鋼板的剛模塊框架進行了試驗研究,分析了雙層鋼板對剛模塊框架的抗震性能的影響。
    四、建筑所用的模塊類型
    根據建筑模塊的結構與功能類型,目前模塊化建筑所用的模塊可分為:墻體承重模塊、角柱支撐模塊、樓梯模塊和非承重模塊幾種。
    1、墻體承重模塊
    模塊包括四塊墻體,由豎向立柱、水平橫桿和支撐組成。樓板和天花板托梁的跨度方向平行于模塊單元的短邊。除了四塊外墻,也可包括非承重隔墻,用于將所圍空間劃分為適當大小的房間。這種建筑類型應用于賓館、學生宿舍和社會保障房或工人宿舍十分理想,這些房屋通常是由大量的小房間組成。
    為使建筑內部模塊布局更加靈活,并且考慮到可通過合并多個模塊單元來實現大的內部空間設計,可對墻體承重模塊的側向墻體進行局部開孔設計,并對開孔附近設置附加邊梁或支柱進行補強。
    2、角柱支撐模塊
    角部支撐模塊類似于傳統的熱軋鋼結構,在方鋼管角柱中布置梁高較高的縱向邊梁,與帶有輕鋼承重墻的墻體模塊形成明顯對比。角部支撐模塊的關鍵優勢是模塊的一個或多個面可以完全開放,當模塊并排安裝在一起時可以創建大的開放式空間。這種建筑形式是學校和醫院的理想選擇。
    3、樓梯模塊
    樓梯模塊在一個獨立的預制單元中提供樓梯(通常為兩跑,中間為樓梯平臺)和平臺,由此通往模塊結構更高的樓層。它們一般與常規公寓模塊(臥室、客廳等)一起使用組成模塊化住宅公寓樓。樓梯平臺和中建平臺由縱向墻體所支承,并根據需要設置一定的附屬鋼結構。這種結構形式一般用于完全模塊化建筑。
    4、非承重模塊
    非承重模塊用于在非模塊化建筑中提供空間預制單元構件。它們一般用于浴室、廚房和設備室,這些設施在工廠環境下安裝具有明顯的優點。廚房和浴室一般在交送到現場是配備齊全的,包括水暖、電氣、配套家具和裝飾。非承重模塊具有有限的結構強度,必須依靠于其他結構構件的支承,如構造鋼構件過樓板構件。然而,它們需要設計承擔其自重荷載及其在進行吊裝時所受的力。

(建筑時報)

發布時間:2013年10月17日 00:04
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