引   言

模塊化建筑是建筑業(yè)數(shù)十年來存在的各種預(yù)制技術(shù)的提升，并且是將此類技術(shù)集成到一個(gè)更全面的解決方案中的平臺。因施工速度快、現(xiàn)場工作量小，模塊化施工逐漸成為現(xiàn)代建筑業(yè)中較為流行的施工方法。鋼材已在模塊化結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用，易于安裝，輕便且適合拆卸。隨著中國鋼鐵工業(yè)持續(xù)快速的發(fā)展，鋼材在模塊化施工等現(xiàn)代建筑技術(shù)的應(yīng)用，將會給國內(nèi)外帶來巨大效益。

圖1給出了與其他類型建筑相比模塊化施工所需的勞動(dòng)力和施工時(shí)間。

圖1   模塊化施工現(xiàn)場所需勞動(dòng)力和施工時(shí)間

預(yù)制模塊結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：

1）建筑的預(yù)制組件包括樓梯、電梯豎井、立面、走廊等。

2）模塊構(gòu)件在可控制質(zhì)量的生產(chǎn)設(shè)施中進(jìn)行批量生產(chǎn)。一個(gè)構(gòu)件單元的長度、寬度和高度可以因項(xiàng)目而異，同時(shí)也受到現(xiàn)場運(yùn)輸、吊裝和搬運(yùn)等因素的限制。

3）現(xiàn)場施工的勞動(dòng)力要求低，這使得施工建造從以勞動(dòng)力為導(dǎo)向的操作轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨ば驗(yàn)閷?dǎo)向的制造和裝配過程，從而使建筑工地減少擁堵和污染。

4）模塊可以拆卸，便于重復(fù)利用或重新定位。預(yù)制模塊的可重復(fù)利用性極大地影響了模塊化建筑的壽命周期能耗。

5）模塊化建造使施工時(shí)間縮短了50%以上，這確保了項(xiàng)目客戶更早地獲得收益。

6）施工過程不易受到惡劣天氣的影響。

模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑

Little Hero Building

2010年6月在澳大利亞墨爾本完工的低層公寓“小英雄”是一個(gè)典型的模塊化建筑(圖2)。該建筑由58個(gè)單層鋼框架模塊和5個(gè)雙層模塊組成。建筑位于墨爾本CBD(中央商務(wù)區(qū))，施工入口非常狹窄，8個(gè)模塊化的樓層在8天內(nèi)完成組裝，展示了模塊化建設(shè)的許多優(yōu)勢。它是澳大利亞最早的多層模塊化建筑之一。

圖2   Little Hero Building La Trobe Tower

這是一個(gè)位于墨爾本CBD的44層住宅公寓(圖3)，高133m，是目前世界上最高的模塊化建筑之一。該項(xiàng)目2016年底竣工，歷時(shí)19個(gè)月，整個(gè)工期全部選擇夜間施工，降低了對周邊地區(qū)的干擾。該項(xiàng)目使用了鋼預(yù)制模塊，作為混凝土填充墻的主要結(jié)構(gòu)框架。墻體的鋼筋連接在一些預(yù)制模塊上，在現(xiàn)場組裝完成后，填充混凝土。

圖3   La Trobe Tower Student Housing Building

這座25層的公寓樓僅用了27周的時(shí)間完成了現(xiàn)場施工。Lawson等表明，對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場密集型項(xiàng)目可以節(jié)省50%的現(xiàn)場施工時(shí)間，還可以大幅度減少建筑垃圾。因此，模塊化技術(shù)不僅省時(shí)，而且更環(huán)保。

One9 Apartment Building

這是一座10層的模塊化建筑，建在澳大利亞墨爾本的內(nèi)郊區(qū)，由34個(gè)公寓組成，旨在提高能源效率和居住舒適性(圖4)。場地受到附近大型購物中心的限制，地上的模塊化樓層在5天內(nèi)組裝完成。該項(xiàng)目展現(xiàn)了可持續(xù)建造的特點(diǎn)，獲得了Green Star Australia的6星評級。模塊化建筑在這個(gè)項(xiàng)目中已經(jīng)多方面證實(shí)了它的價(jià)值。

圖4   One9 Apartment Building Post Katrina Housing

2005年卡特里娜颶風(fēng)災(zāi)難后出現(xiàn)了巨大的住房需求，人們對改進(jìn)以前使用的“聯(lián)邦應(yīng)急管理局拖車”進(jìn)行了廣泛的研究，并開始建設(shè)模塊化臨時(shí)住房。Marianne Cusato研發(fā)了這類模塊化住宅，因此被命名為“卡特里娜小屋”。它的安裝面積為27.8m^2。此后這一方案得到了改進(jìn)，納入了20種不同的小屋模型，為未來的擴(kuò)建提供了更持久的住房解決方案。

中國鋼結(jié)構(gòu)模塊化建設(shè)

鋼模塊建筑項(xiàng)目

模塊化建筑已經(jīng)在中國龐大的建筑市場中占據(jù)重要的地位。同時(shí)，中國的模塊化建筑廣泛應(yīng)用于海外工程，如英國、美國、澳大利亞、許多非洲國家和亞洲周邊國家。CIMC（南通中集）是中國領(lǐng)先的模塊化制造和出口企業(yè)之一，在全球范圍內(nèi)擁有4家工廠。他們最新的一個(gè)項(xiàng)目于2019年初完成，是英國紐卡斯?fàn)柕囊粋€(gè)學(xué)生宿舍項(xiàng)目，采用789個(gè)模塊建造了6個(gè)4~9層的學(xué)生宿舍(圖5)。這項(xiàng)工程若采用傳統(tǒng)的建筑技術(shù)需要3年多的時(shí)間完成，但采用模塊化技術(shù)，耗時(shí)約2年，節(jié)省了超過30%的時(shí)間成本。

圖5   英國紐卡斯?fàn)枌W(xué)生宿舍

中國模塊化建筑公司XCube于2016年在中國云南建造的一家豪華酒店。在這個(gè)項(xiàng)目中，8個(gè)模塊的安裝僅需要一周的現(xiàn)場工作，因?yàn)樗械哪K幾乎100%完成了全部裝修和調(diào)試。

圖6   酒店的模塊化組裝

中國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)

鋼作為一種材料在開發(fā)有效的模塊化解決方案中是非常必要的。在這方面，擁有強(qiáng)大的鋼鐵工業(yè)是一項(xiàng)巨大的優(yōu)勢，特別是考慮到運(yùn)輸和稅收方面的財(cái)政節(jié)省以及其他優(yōu)勢。如圖7所示中國的鋼鐵產(chǎn)量在過去10年中快速增長。

圖7 2010—2019年中國鋼鐵產(chǎn)量

在全球范圍內(nèi)，中國是領(lǐng)先者，如圖8所示2018年中國對全球鋼鐵產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為49%，近一半的鋼鐵產(chǎn)品用于建筑業(yè)。因此，強(qiáng)大的鋼鐵行業(yè)可以很好地推動(dòng)預(yù)制模塊化建筑行業(yè)的發(fā)展。

圖8   鋼鐵主要生產(chǎn)商和使用行業(yè)

鋼模塊建筑的結(jié)構(gòu)體系

模塊化建筑的結(jié)構(gòu)體系主要有兩種類型，根據(jù)其承載和傳遞荷載的方式有：

承重模塊體系——這些模塊的圍墻結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度和連續(xù)性，能將重量傳遞給下面的模塊并最終傳遞到基礎(chǔ)上(圖9a)。墻體采用鋼支撐加固，有助于防止在臨時(shí)情況下的變形，如在工廠內(nèi)移動(dòng)和搬運(yùn)、裝卸卡車、運(yùn)輸及現(xiàn)場吊裝和搬運(yùn)。這種結(jié)構(gòu)體系在低層建筑中是可行的。

角支撐模塊系統(tǒng)——模塊中的角柱承擔(dān)地面荷載并將其轉(zhuǎn)移到下面的柱子上(圖9b)。只要結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)合理，該系統(tǒng)也能抵抗水平荷載，如地震作用和風(fēng)荷載，因此非常適用于多層建筑。

圖9 兩類模塊化結(jié)構(gòu)體系

結(jié)束語

模塊化建設(shè)為設(shè)計(jì)師、建設(shè)者和開發(fā)人員提供了一種在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目的方法。修正的角支撐體系為設(shè)計(jì)者提供了空間布置的靈活性。模塊的整體幾何形狀、剛度和重量需滿足吊裝、運(yùn)輸和組裝標(biāo)準(zhǔn)，以適用于任何預(yù)制或模塊化結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)這一過程中，鋼材作為材料在生產(chǎn)通用的結(jié)構(gòu)部件中起著至關(guān)重要的作用。

中國強(qiáng)大的鋼鐵產(chǎn)業(yè)可使其在國內(nèi)和國際模塊化行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)?shù)厥袌錾显牧虾弯撹F產(chǎn)品的供應(yīng)可以有效地降低能耗，并提高建筑系統(tǒng)的可持續(xù)性。這些因素可以很好地支持當(dāng)前中國模塊化行業(yè)的上升趨勢。

總體而言，模塊化技術(shù)已使現(xiàn)代建筑發(fā)生了顯著變化，從試圖使現(xiàn)場活動(dòng)更安全，更有效地制造高效的異地制造(OSM)，原型制造和組裝系統(tǒng)開始。這種用于制造和組裝設(shè)計(jì)(DfMA)的概念通過創(chuàng)建性能更好的模塊化系統(tǒng)，使建筑業(yè)快速發(fā)展，該系統(tǒng)將更快地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目，并為建筑商和投資者帶來更高的利潤率。

在技術(shù)工人正在作為一種資源減少并且勞動(dòng)力老化的情況下，對預(yù)制件和模塊化技術(shù)進(jìn)行投資將是一個(gè)非常謹(jǐn)慎的決定，尤其是對于在世界各地如南亞和東亞地區(qū)建造業(yè)一直是勞動(dòng)力的建筑商而言。通過以工廠為導(dǎo)向的流程以及最低的現(xiàn)場成本，建筑商還將受益于各種規(guī)模經(jīng)濟(jì)。鋼結(jié)構(gòu)的可重復(fù)使用性為材料的可用性和成本增加了另一個(gè)維度。除了快速施工外，它還將為訓(xùn)練有素的建筑技術(shù)人員創(chuàng)造更加注重質(zhì)量的施工實(shí)踐和更安全的工作環(huán)境。

來源：鋼結(jié)構(gòu)