全预制模块化建筑体系技术与应用实践
全预制模块化建筑体系技术与应用实践
模块化建筑是一种新兴的装配式建筑形式，其基本模块单元可在工厂内完成从结构到管线再到室内外装修的预制，现场施工如同“搭积木”式整体吊装和简单装配，大大减少了现场的工作量和建造时间，是一种绿色低碳的建筑结构形式。
模块化建筑发展概述
模块化建筑的概念最早可以追溯到1921年，法国现代建筑大师勒·柯布西耶在《走向新建筑》中首次提出“像造汽车一样建房子”的理念。1967年，蒙特利尔世界博览会上“Habitat67”项目首次实践模块化建筑。20世纪80年代，日本在住宅建筑领域大量使用模块化建筑，1972年东京建成了代表性模块建筑中银胶囊塔，并成功运营使用了50年。新加坡自20世纪70年代开始采用装配式建造方式，并于2014年完成首个模块化技术公共住宅，之后发展出系列设计指南推动模块化建筑快速推广应用。
近年来，模块化建筑在美国、欧洲、日本、新加坡、澳大利亚等国家或地区的酒店、公寓、宿舍以及医院等建筑中得到快速推广，并占据了相当的市场份额。模块化建筑在新加坡称为PPVC（Prefabricated Prefinished Volumetric Construction)，在中国香港地区则简称为MiC（Modular integrated Construction）。在部分城市或地区的酒店及公寓项目中，采用钢结构模块化体系的综合成本已接近或低于采用传统建造方式的结构体系，而钢材可重复利用的特点，使得该类建筑的绿色低碳性能更加突出。
模块化建筑体系分类技术及应用
模块化建筑按照主要结构材料可分为混凝土模块化建筑、钢结构模块化建筑、木结构模块化建筑以及组合式模块化建筑体系，且基于不同材料体系的成形方式、材料强度特征以及应用构件类型，发展出适应不同功能和建造场景的系列结构体系。
混凝土模块化建筑体系技术及典型应用
混凝土模块体系在多高层建筑的应用实践较早，主要结构体系包括由预制混凝土模块单元通过套筒灌浆连接、浆锚搭接连接等方式组合的装配整体式叠箱建筑；由整体预制混凝土模块单元间，以及模块单元与剪力墙、核心筒锚固后浇形成的预制-后浇式混凝土模块建筑。
新加坡自2014年起强制在公共居住类建筑中应用PPVC，其中，The Clement Canopy公寓是首栋超过40层的混凝土模块建筑。该项目采用现浇混凝土核心筒复合预制混凝土模块房间单元的结构体系。其中，模块化混凝土单元在工厂中进行钢筋混凝土骨架预制，并完成85%的内部墙体、顶底板系统的安装工作。预制混凝土模块单元边缘预留后浇锚固钢筋，单元整体运输至施工现场并吊装就位后，采用接缝处后浇实现预制模块之间以及模块单元与核心筒之间连接成型。
当混凝土模块单元全部墙体骨架均在工厂中预制时，其单元整体自重较大，相应地，对运输和吊装控制要求较高；或者在模块重量有一定限制下需控制单元尺寸。基于此，近年来涌现了箱模-现浇剪力墙式混凝土模块建筑体系，并被应用于深圳龙华樟坑径保障房高层模块化建筑项目。该体系中的模块化单元骨架主要采用外肋式混凝土模壳组成，单元内部围护系统及内装系统仍在工厂内采用工业化生产方式、利用现代化生产设备和技术进行组装和制造。混凝土单元模壳骨架仅需达到单元在运输及吊装中的刚度和强度要求。运输至现场后，相邻模块单元之间预留后浇段，采用局部后浇方式将离散化模块单元连为整体。该施工方式下仍可实现主体结构制造以及建筑系统安装的工厂化预制，且采用预制-后浇的箱模构造可实现预制模块单元的轻量化。现场施工中相邻模块单元的预制模壳墙可作为后浇段模板，且无需架设额外模板，这种施工方式可将离散化的模块单元进行有效组合，结构设计和使用仍可采用传统的混凝土结构设计方法。
钢结构模块化建筑体系技术及典型应用
钢结构模块单元按结构形式可分为密柱式轻钢模块单元、钢框架模块单元、集装箱式模块单元等。建筑体系主要有叠箱式轻型钢结构模块体系、混合式钢结构模块体系以及嵌入式钢结构模块体系等。
叠箱式轻型钢结构模块体系
该体系主要以既有集装箱改造房屋和轻型打包箱式房屋为主。早期的设计较为简单，内装较为粗糙，应用场景大都为施工临时用房等。近年来，应急医疗和应急救灾类建筑需求严峻，此外，在文旅业及城镇化发展中出于对环保和用地限制的考虑，对临时营房、校舍等非永久性建筑需求显著。在此背景下，轻型钢结构模块建筑以其快速建造、标准化生产、可拆装及可异地快速转移等优势得到快速发展，且逐步形成医疗类、文旅类、营房类等系列模块化建筑产品体系。“雷神山”“火神山”医院中的冷弯薄壁构造下轻钢叠箱体系实现了单元箱体的快速装配、转运和吊装。定制化的集装箱式轻型模块房屋通过改进围护系统构造和功能化内装设计，实现了在不同类型营房、展厅、医疗方舱等移动式建筑中的应用。轻型钢结构叠箱仅通过角部相连，整体性较弱，在部分实践中发展出了叠箱-打包带式结构体系，通过在四周设置水平和竖向贯通的拉结式加劲钢板或钢带，将离散的模块化单元进行拉结以增强结构的整体性。
混合式钢结构模块体系
随着建筑工业化的转型升级及多高层建筑的发展，可用于多高层及永久性建筑的钢结构模块建筑在我国得到快速发展和应用。模块单元与抗侧力结构复合的混合体系是目前非临时性钢结构模块化建筑中主要应用方式。
混合体系包括模块单元与框架及框架支撑结构复合而成的箱-框（支撑）体系；与剪力墙、板体复合而成的箱-板体系；与核心筒复合而成的箱-筒体系等。混合体系中模块单元主要承担竖向荷载，所复合的抗侧力结构承担主要水平作用。
非临时性模块化建筑以及多高层建筑应用中对于整体结构和模块单元的刚度、强度和整体性能要求均较临时性建筑更高。因此，混合体系中模块单元主要采用钢框架式骨架结构复合外围护系统的构造方式。围护墙板可选用加气混凝土板、薄板钢骨复合轻质外墙、轻集料混凝土与岩棉板复合墙板等类型。模块单元楼板可采用钢筋混凝土结构或轻钢骨架-混凝土复合底板等构造。
在钢结构模块单元连接方面，由于模块单元化拼装的施工特性，结构中存在单元内连接和单元间连接两类。其中，单元内连接常采用焊接节点并在工厂制造成型。单元间连接需同时保障足够的模块间传力能力和便捷的单元拼装性能，宜采用全螺栓式装配化连接。基于不同的功能需求可选用自锁式连接、预应力式连接、端板螺栓连接以及角件卡固式连接等形式。水平模块间的连接常采用水平连接板方式。
除分离式连接外，还可通过节点域范围内梁间或柱间螺栓拉结方式实现模块单元间组合传力。雄安贾光中学宿舍楼项目即采用了承插式连接节点，其上下模块之间通过设置上柱插头、下柱承接构造实现上下模块单元间的插入紧固。水平单元之间通过承插段预留螺栓孔，承插装配后柱间对拉方式进行装配。装配完成后通过注胶孔在节点内部注浆填充实现连接域的一体化成型。该节点构造实现了模块单元节点域多梁多柱组合，并提高了整体性。
嵌入式钢结构模块体系
模块化建筑中基于单元化子结构拼装成型的结构组合方式下，单元子结构需使用小尺寸结构构件，导致结构承载力有限，进而限制结构适用高度和适用范围。嵌入式钢结构模块体系是采用传统结构作为建筑主体受力骨架，模块单元以局部嵌入方式与主体骨架相连，嵌入模块可为单层独立单元，也可为多个叠箱结构组成的局部嵌入模块区域。该种结构体系下，模块单元仅承担自身重力或局部叠箱区域自重，上部结构所传递的重力以及水平荷载均由传统结构骨架承担。从结构设计上仍可采用传统的分析方法，且可采用承载效率更高的钢-混组合结构体系以及框剪或框筒结构体系，所嵌入的模块结构仅考虑为荷载作用。局部嵌入模块结构部分无需承担上部区块箱体所累积的竖向荷载和水平荷载，仅需承担自重荷载。因此模块单元设计可采用轻型结构骨架，且不同高度的模块建筑均可采用统一的模块单元设计，实现较高的标准化水平。
湖南农业大学教师员工公租房项目采用了钢结构框架内嵌轻型模块单元箱体的嵌入式结构体系。该项目总建筑面积为3853.7m²，高度为34.2m。
该项目主受力框架采用方钢管柱复合H型钢梁的钢框架设计，各层内嵌模块单元考虑不同房间尺寸以及区域划分，共应用了388个模块箱体。单元箱柱均采用210mm×150mm×4mm尺寸的L型卷边立柱；单元底梁为190mm×100mm×30mm×3mm卷边槽钢；顶部纵梁采用180mm×100mm×30mm×3mm槽钢；单元箱体四面墙体龙骨为厚度为2.5mm和2mm的矩形钢管。
结构设计中仅考虑钢框架部分，将单元箱体自重折算为等效楼面荷载考虑。施工中单元箱体部分在工厂中进行预制成型。由于采用统一的单元骨架尺寸和标准化生产工序，因此避免了施工中的偏差问题，且制造效率得到大幅提升。现场采用逐层钢框架梁、柱安装后嵌入轻型箱体的施工次序，通过现场-工厂施工进程匹配性控制，有效实现了单元箱体即达即吊的安装进程。
木结构模块化建筑体系技术及典型应用
木结构模块化建筑中主要采用木材或胶合木作为结构骨架。木材具有材料密度较低、易于切割加工、灵活的钉接和胶黏等连接组合方式等优点，使得该体系在北美、欧洲以及南亚等木材资源丰富的国家或地区的低多层公用和民用建筑中得到大量应用，且较高比例建筑均采用装配式施工方式，其中的部分住宅和公寓项目应用了模块化结构体系。
木结构模块化体系主要结构组成和结构形式与轻型模块化结构设计方法类似，包括胶合木框架复合木龙骨墙板的类框架式模块化结构，以及木龙骨复合胶合木板组成的墙承重式模块化结构。由于木材受压稳定性和承载能力的限制，应用于多高层建筑时较多采用正交胶合木构件，或采用胶合木板复合轻钢龙骨组成的组合式模块化结构。木模块单元构件制作中常采用自攻钉式连接，正交胶合木框架梁柱考虑了木材横纹方向易开裂导致的锚固能力有限和钉接处易劈裂等问题，胶合木梁柱等主受力构件之间连接处常采用内填或外包钢板下的螺栓连接，或采用端部外接钢制连接件、连接端板等辅助连接方式。
由于我国木材资源分布不均匀，且出于对木材利用效率的考虑，装配式木结构建筑应用相对较少，模块化木结构仅在东北、广西等木资源相对丰富的地区试点应用相对较多，主要应用方式也以钢木组合式模块化结构，以及以钢结构或混凝土结构为骨架复合局部木结构模块单元的嵌入式模块化结构为主。长沙象山国际幼儿园项目即采用正交胶合木-钢混合框架内嵌木结构模块化单元的组合方式。
模块化建筑设计及施工技术特点
建筑工业化背景下，模块化建筑得到快速发展，相适应的设计及施工方法逐步完善，围绕不同的模块化建筑体系已逐步形成规范化的技术指标体系。除通用性标准规范外，针对模块化建筑已形成了系列标准。
模块化单元工厂生产、全专业预装、整体转运吊装的施工方式对模块单元制作精度和不同专业间协调配合提出了极高的要求。模块化建筑设计及施工中宜遵循工业化制造思路，结合BIM技术推动结构设计分析、电气系统集成、给排水系统集成和暖通空调系统等全专业一体化的联动协同设计模式；从设计初始即综合考虑相关模块模数、结构骨架位置、孔洞或埋件预设、管线走向、功能布局、装修配合等因素，在设计阶段即保证模块建筑整体施工可行、质量有保障和效率可控制。
工厂预制模块化建筑单元后，需采用板车或货运方式将单元整体运输至建筑施工场地，因此在设计模块单元尺寸时不仅需要考虑建筑模数需求，还需考虑公路运输尺寸限制要求。如尺寸超限，需取得相关地域交通、路政等管理部门的运输管理许可。此外，在运输中还需考虑道路条件导致的振动损伤，基于实际条件设置临时固定及减振措施。
由于模块单元为整体吊装、装配化组装成型，因此设计时需考虑吊装中的吊点选取和受力状态变化可能产生的安全问题。此外，模块在吊装过程中单元受力变形也会对内部装修产生一定的影响。吊装中水平起吊，通过设置多吊点、转换架等减少模块单元变形，吊装就位时宜采用两级就位方式，先进行初步吊装定位，定位后需进行姿态调整和精调就位，以满足安装精度。
“双碳”目标背景下，建筑行业碳排放、追踪和管控技术越来越得到重视。模块化建筑的产品化设计和建造特点，使其可更为便捷地进行碳排放计算和追踪；全工厂预制和可拆卸设计也在减少建筑废弃物和建筑可循环利用上具备天然优势。模块化建筑未来发展中宜充分融合碳排放管控技术，并完善建筑循环利用模式下的建造、拆解、再组装和全寿命周期性能评估技术体系，打造高性能绿色建筑新范式。