(作者：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院王小盾,、曲可鑫,、陳志華，天津市建筑設(shè)計(jì)院陳敖宜)

模塊化建筑是一種新興的建筑結(jié)構(gòu)體系,，該體系是 以每個(gè)房間作為一個(gè)模塊單元,，均在工廠中進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn)，完成后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)并通過可靠的連接方式組裝成建筑整體,。與傳統(tǒng)建筑的建造方式相比,，其具有可縮短工期、節(jié)約人力物力,、綠色環(huán)保,、品質(zhì)精良等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合工程實(shí)例對(duì)模塊化建筑的概念,、研究現(xiàn)狀,、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求以及施工方法等多方面內(nèi)容進(jìn)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(yù)制的構(gòu)件在工地裝配而成的建筑。這種建筑的優(yōu)點(diǎn)是建造速度快,、受氣候條件制約小,、節(jié)約勞動(dòng)力并可提高建筑質(zhì)量。
     根據(jù)不同的預(yù)制程度,，裝配式建筑的預(yù)制單元一般可分為：桿件單元,、板體單元和模塊單元幾種。對(duì)應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)體系即為：直接裝配式結(jié)構(gòu)體系,、預(yù)制大板結(jié)構(gòu)體系與模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系,。
     直接裝配式結(jié)構(gòu)體系：結(jié)構(gòu)中所有的桿件按設(shè)計(jì)尺寸切割，主要的開洞也在工廠完成,，并以單根桿件形式運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng),，采用螺栓或自攻螺絲連接，均在現(xiàn)場(chǎng)完成,。優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)可進(jìn)行一定修改對(duì)工廠設(shè)備要求低可用集裝箱運(yùn)輸,，經(jīng)濟(jì)適用于體型復(fù)雜的建筑，缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)量相對(duì)較大,。

     預(yù)制大板結(jié)構(gòu)體系：結(jié)構(gòu)中帶骨架的墻板,、屋面板及屋架均在工廠用專用模具預(yù)制成型，并運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝,。這種體系的優(yōu)點(diǎn)是建造速度快,，質(zhì)量易于控制，自動(dòng)化程度較高，現(xiàn)場(chǎng)工作量小但相對(duì)運(yùn)輸費(fèi)用高,，現(xiàn)場(chǎng)需要提升設(shè)備,。
     模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系：結(jié)構(gòu)以單個(gè)房間作為一個(gè)模塊均在工廠進(jìn)行預(yù)制，并可在工廠對(duì)模塊內(nèi)部空間進(jìn)行布置與裝修,。然后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)通過吊裝將模塊可靠的連接為建筑整體,。模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系預(yù)制化比例高，可節(jié)約人力,、物力,，減少工期、綠色環(huán)保,。
     據(jù)統(tǒng)計(jì),，預(yù)制大板結(jié)構(gòu)體系的預(yù)制比例可打60%左右，而模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系的預(yù)制比例一般可達(dá)85%以上,，其中完全工廠制造的模塊化建筑的預(yù)制比例可高達(dá)95%,，僅剩余的5%工作為現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)施工與模塊安裝的連接工作。

  二,、模塊化建筑的工程實(shí)例
     英國(guó)伍爾弗漢普頓學(xué)生公寓——建筑共25層,，于2009年8月完工，共820個(gè)模塊在8個(gè)月內(nèi)安裝完成,，總建造耗時(shí)12個(gè)月左右,，該建筑是目前已完工的最高的模塊化建筑。
     美國(guó)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(yù)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(jì)將制造大約950鋼框架模塊。該建筑已于2013年3月開始動(dòng)工,。

三,、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

     國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
     國(guó)內(nèi)對(duì)與模塊化建筑結(jié)構(gòu)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(guó)國(guó)際住宅產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)，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(guó)際冶金展,，寶鋼集團(tuán)展示了一套2層的剛模塊房屋，有13個(gè)模塊組成,。
     哈工大查曉雄教授對(duì)集裝箱改造房進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)研究,。集裝箱改裝房與模塊化建筑形式相似，但結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有較大不同,。
     國(guó)外研究現(xiàn)狀
     國(guó)外的R.M.Lawson等人對(duì)多高層模塊化建筑的結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究,，并對(duì)模塊化單元的墻板及連接節(jié)點(diǎn)做了相關(guān)試驗(yàn)和理論分析研究,。
     加拿大的C.D.Annan等人對(duì)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(guān)試驗(yàn)。
     韓國(guó)的Sung-Gul Hong等人對(duì)帶有雙層鋼板的剛模塊框架進(jìn)行了試驗(yàn)研究,，分析了雙層鋼板對(duì)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(jù)建筑模塊的結(jié)構(gòu)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,。
     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(dāng)大小的房間,。這種建筑類型應(yīng)用于賓館、學(xué)生宿舍和社會(huì)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(nèi)部模塊布局更加靈活，并且考慮到可通過合并多個(gè)模塊單元來實(shí)現(xiàn)大的內(nèi)部空間設(shè)計(jì),，可對(duì)墻體承重模塊的側(cè)向墻體進(jìn)行局部開孔設(shè)計(jì),，并對(duì)開孔附近設(shè)置附加邊梁或支柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
     角柱支撐模塊
     角部支撐模塊類似于傳統(tǒng)的熱軋鋼結(jié)構(gòu),，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(duì)比。角部支撐模塊的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是模塊的一個(gè)或多個(gè)面可以完全開放,，當(dāng)模塊并排安裝在一起時(shí)可以創(chuàng)建大的開放式空間,。這種建筑形式是學(xué)校和醫(yī)院的理想選擇。
     樓梯模塊
     樓梯模塊在一個(gè)獨(dú)立的預(yù)制單元中提供樓梯(通常為兩跑,，中間為樓梯平臺(tái))和平臺(tái),，由此通往模塊結(jié)構(gòu)更高的樓層。它們一般與常規(guī)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(tái)和中建平臺(tái)由縱向墻體所支承，并根據(jù)需要設(shè)置一定的附屬鋼結(jié)構(gòu),。這種結(jié)構(gòu)形式一般用于完全模塊化建筑,。
     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(yù)制單元構(gòu)件。它們一般用于浴室、廚房和設(shè)備室,，這些設(shè)施在工廠環(huán)境下安裝具有明顯的優(yōu)點(diǎn),。廚房和浴室一般在交送到現(xiàn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度,，必須依靠于其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的支承,，如構(gòu)造鋼構(gòu)件過樓板構(gòu)件。然而,，它們需要設(shè)計(jì)承擔(dān)其自重荷載及其在進(jìn)行吊裝時(shí)所受的力,。

    五、模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系
     模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系,，按種類可分為全模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系和復(fù)合模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系,。
     全模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系
     建筑前部由模塊單元裝配而成，適用于多層建筑房屋,，一般適用層數(shù)為4～8層,。當(dāng)層數(shù)過高時(shí)，需要有獨(dú)立的抗側(cè)體系作為預(yù)考,。模塊間一般通過螺栓和改版進(jìn)行連接,，以此最為模塊化建筑的傳力路徑。
     復(fù)合模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系
     為提高模塊化建筑的結(jié)構(gòu)與使用性能,，需要將模塊化建筑與其他建筑形式進(jìn)行復(fù)合,，一般可包括：與傳統(tǒng)框架復(fù)合結(jié)構(gòu)體系、與板體結(jié)構(gòu)復(fù)合體系,、與剪力墻與核心筒復(fù)合結(jié)構(gòu)體系等,。
     與傳統(tǒng)框架復(fù)合結(jié)構(gòu)體系：為滿足更開放的活動(dòng)空間，可考慮將模塊化建筑與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行復(fù)合,，如以傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)框架建造房屋的1層或1～2層,，并以此傳統(tǒng)框架為平臺(tái)在上部進(jìn)行模塊安裝，下部空間一般可作為零售店或停車場(chǎng),。另外,，對(duì)于一些相對(duì)高層的模塊建筑，也可以傳統(tǒng)框架作為結(jié)構(gòu)的外骨架,，以此為依附進(jìn)行模塊化建筑的建造,。
     與板體結(jié)構(gòu)復(fù)合體系：在這種建造形式中,，模塊堆疊成一個(gè)核心,，在其周圍布置預(yù)制承重墻和樓板。模塊通常可形成樓梯井,，并在建筑內(nèi)部提供了公共設(shè)施的中心區(qū)域,。建筑物的模塊部分能夠容納大量的公共設(shè)施區(qū)域，如廚房和浴室等,，而在非模塊區(qū)域則可作為臥室和客廳,。從結(jié)構(gòu)的角度看，除了其承重作用,，模塊化核心還為整個(gè)建筑物提供了穩(wěn)定性,。這種布置一般被限制在4～6層高度的樓房，是住宅應(yīng)用的理想選擇,。
     與剪力墻與核心筒復(fù)合結(jié)構(gòu)體系：為使模塊化建筑有更高層數(shù)的發(fā)展,，需將其與剪力墻或核心筒相結(jié)合組成復(fù)合結(jié)構(gòu)體系。

    六,、模塊化建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)
     考慮模塊化建筑與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)體系的不同之處,，模塊化建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要考慮以下幾點(diǎn)：
     模塊單元的運(yùn)輸與密封要求
     運(yùn)輸?shù)幕疽蟀ü费b載的最大寬度和高度，這決定了所生產(chǎn)模塊單元的尺寸,。在英國(guó),，一般允許的最大寬度為3.5米，但如果運(yùn)輸路線允許可以增加到4.3米,。最大的載物高度為4.5米,，但當(dāng)運(yùn)輸經(jīng)過舊的橋下或隧道時(shí)需要注意，可能需要使用更低的拖車,。
     模塊單元需要進(jìn)行密封處理,，特別是在運(yùn)輸過程中。模塊單元一般由較厚的干燥塑料膜所覆蓋,，并在建造過程中需一直保留,。而且，在模塊單元之間的連接,、走廊和公共設(shè)施空間也需進(jìn)行防水處理,。
     提升與安裝受力
     模塊單元在升降操作過程中的受力將產(chǎn)生與通常情況不同的內(nèi)部應(yīng)力。特別是當(dāng)所提升位置存在局部的受力集中,，需要加強(qiáng)相鄰的構(gòu)件以及它們之間的連接來抵抗這些受力,。通常這些位置可采用熱軋型鋼，而其他地方多采用輕鋼構(gòu)件,。
     根據(jù)起重機(jī)臂架的高度,，有多種不同的吊裝技術(shù)。通常,，應(yīng)在模塊單元的頂部進(jìn)行提升,，并且需要調(diào)整吊裝繩索的角度,，以使水平構(gòu)件的受力分量不會(huì)過大。最佳的吊點(diǎn)是距模塊單元兩端點(diǎn)長(zhǎng)度的20%左右,，這樣結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的,。然而，模塊單元通常是從它們的角部進(jìn)行提升,，這樣就需要使用一個(gè)獨(dú)立的框架或一對(duì)衡量協(xié)助吊裝,。重型的吊裝框架可與模塊單元的平面尺寸相同，這樣可以免除在模塊單元上產(chǎn)生水平力與剪力,。

     整體穩(wěn)定性與安全性要求
     對(duì)于整體穩(wěn)定性和安全性的要求即結(jié)構(gòu)的魯棒性,。原則上，在結(jié)構(gòu)的一個(gè)構(gòu)件發(fā)生故障后,，其余結(jié)構(gòu)應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度保障荷載的作用不會(huì)產(chǎn)生不成比例的連續(xù)破壞,。
     模塊單元不同于其他傳統(tǒng)的建造單元，雖然單獨(dú)的模塊單元強(qiáng)度很高,，但當(dāng)它們組裝在一起時(shí),，荷載是通過模塊的墻體或角柱進(jìn)行傳遞的?？紤]對(duì)這種荷載路徑進(jìn)行移除的可能性,，墻體的魯棒性設(shè)計(jì)應(yīng)該如下：
     考慮水平跨度在一個(gè)深梁或隔墻區(qū)域內(nèi)的破壞，對(duì)其進(jìn)行移除,。
     相鄰模塊單元需提供拉力與支撐,，也就是模塊單元之間除了豎向，水平方向也應(yīng)進(jìn)行連接,。
     基礎(chǔ)要求
     由于模塊單元的重量比較輕,，所以模塊化建筑的基礎(chǔ)一般不會(huì)同傳統(tǒng)建筑的基礎(chǔ)一樣巨大。條形基礎(chǔ)位于承重墻和剪力構(gòu)件的下部,，通過樹脂錨入混凝土,。基礎(chǔ)或者地梁的水準(zhǔn)對(duì)于隨后模塊單元的安裝和對(duì)齊十分重要,，經(jīng)常需要對(duì)基礎(chǔ)或模塊單元的底部進(jìn)行一些調(diào)整,，且每個(gè)模塊廠商都有自己的體系。一般情況下,，可允許基礎(chǔ)頂部在20毫米左右的范圍內(nèi)進(jìn)行變動(dòng),。對(duì)于低劣的地基，可以采用樁基,，并且模塊單元的底梁可以設(shè)計(jì)為跨越各樁帽之間,。

    七、模塊化建筑施工技術(shù)
     區(qū)別于傳統(tǒng)建筑的施工方法,，模塊化建筑的施工是將在工廠制造好的模塊單元通過拖車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng),，然后通過吊車將其逐個(gè)吊裝進(jìn)行安裝,。結(jié)合BIM系統(tǒng)可通過模塊化建筑的整個(gè)安裝過程的施工模擬對(duì)實(shí)際過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：
     收集相關(guān)信息，建立3D施工信息模型,。需要信息包括：建筑有關(guān)信息、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地情況,、使用起重機(jī)情況以及所需考慮的條件限制,。如：運(yùn)輸條件、安全性,、天氣狀況等,；
     根據(jù)3D信息模型，對(duì)場(chǎng)地布置進(jìn)行優(yōu)化分析,，確定場(chǎng)地的起重機(jī)位置,、模塊單元的固定交付位置等;
     通過4D模擬，對(duì)模塊吊裝的過程進(jìn)行模擬分析,，確定模塊安裝的最優(yōu)次序及裝配時(shí)間安排,，并對(duì)施工過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)防。參考工程實(shí)例為美國(guó)賓夕法尼亞州阿倫敦市穆倫堡學(xué)院的5棟宿舍樓的建造施工模擬：該建筑的模塊由美國(guó)新澤西州的庫(kù)爾曼車間制造,，交付至賓夕法尼亞州阿倫敦市的穆倫堡學(xué)院,，組裝成5棟3層樓的宿舍樓。共有90多個(gè)模塊,，放在5個(gè)不同的地點(diǎn),，可入宿145名學(xué)生。

     通過對(duì)施工過程中的4D模擬分析,，確定了最優(yōu)化的施工方案,，并給出了施工過程的時(shí)間安排表。在施工的最后階段,，即對(duì)第5棟宿舍樓的屋頂進(jìn)行吊裝中,，起重機(jī)的吊臂與已經(jīng)建好的宿舍樓出現(xiàn)沖突。為避免這種問題的發(fā)生,，進(jìn)行了多種嘗試,，最終選擇對(duì)起重機(jī)的吊臂進(jìn)行長(zhǎng)度延伸。最終,，在不降低安全性和質(zhì)量的條件下,，5棟宿舍樓的裝配時(shí)間由21天縮短到10天，體現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益,。
     綜上所述,，我們結(jié)合工程實(shí)例對(duì)模塊化建筑的概念、研究現(xiàn)狀,、結(jié)構(gòu)特點(diǎn),、設(shè)計(jì)要求以及施工方法等多方面內(nèi)容進(jìn)行的介紹與討論,，體現(xiàn)了模塊化建筑作為一種新興的建筑結(jié)構(gòu)體系，因其工業(yè)化比例高,，具有可縮短工期,、節(jié)約人力物力、綠色環(huán)保,、品質(zhì)精良等有點(diǎn),，符合我國(guó)關(guān)于綠色建筑的發(fā)展要求，需受到社會(huì)的重視與推廣,。