劉 倩，楊淑娟，郁有升，于德湖

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525)

模塊化裝配式建筑作為一種新型的工業(yè)化建筑形式，一方面，具有低耗能、低污染、施工便捷等優(yōu)勢，可以解決傳統(tǒng)建筑存在的問題；另一方面，工業(yè)化建筑模式可以保證模塊的質(zhì)量及精度，加快施工進程，節(jié)約工期，節(jié)約成本[1]。同時一定程度上解決我國的勞動力短缺問題，推進建筑產(chǎn)業(yè)中的勞動力供需平衡。為加大裝配式發(fā)展的支持力度，我國發(fā)布了一系列相關(guān)政策，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑，積極推廣綠色建筑和建材，加快標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級。

1 模塊化建筑簡介

模塊化建筑(Prefabricated Prefinished Volumetric Construction，簡稱PPVC)是指將建筑按一定功能劃分為數(shù)個模塊單元。模塊單元在工廠預(yù)制裝配柱、板、墻體、門窗、內(nèi)部設(shè)備及管線，裝配完成后運輸至施工現(xiàn)場完成模塊間的堆疊與安裝。模塊化建筑作為一種可實現(xiàn)提升效益和快速施工的新型結(jié)構(gòu)體系成為國內(nèi)外研究的熱點。目前，應(yīng)用范圍局限于酒店、學(xué)生宿舍、住宅等小空間建筑。

1.1 模塊單元類型

裝配式模塊單元可以根據(jù)建筑功能、結(jié)構(gòu)受力特點、模塊材料及模塊成型工藝等進行類型劃分，如表1所示。

表1 模塊單元劃分

目前常用的承重空間模塊為墻體(剪力墻)承重以及柱(角柱)承重空間模塊。

剪力墻承重空間模塊：連續(xù)支撐或四面圍墻模塊，豎向荷載通過樓板傳至墻體，再由墻體傳給下層結(jié)構(gòu)，最終傳給基礎(chǔ)，如圖1所示。

圖1 墻體承重模塊

角柱承重空間模塊：四面開放式或點支撐模塊，豎向荷載通過樓板傳至梁，梁傳至柱，柱傳至下層結(jié)構(gòu)，最終傳給基礎(chǔ)[2]，如圖2所示。

圖2 柱承重模塊

1.2 模塊單元連接

模塊化單元連接施工方式可分為干式連接、濕式連接及預(yù)應(yīng)力連接3種。干式連接指相鄰模塊梁間、柱間或者單元邊角處通過螺栓、焊接或者鍵槽凸鍵連接。濕式連接指相鄰模塊間通過后澆混凝土墻板或者后澆混凝土樓板帶的連接。預(yù)應(yīng)力連接指在模塊單元間角柱的位置通過螺桿施加預(yù)應(yīng)力使得上下相鄰模塊單元連接。

1.3 模塊建筑體系

模塊單元通過連接組成整體結(jié)構(gòu)，按照整體結(jié)構(gòu)形式，可分為全模塊結(jié)構(gòu)體系和復(fù)合模塊結(jié)構(gòu)體系[3]。

全模塊結(jié)構(gòu)體系由模塊單元疊放組合構(gòu)成承重結(jié)構(gòu)，每個模塊單元均為承重的空間結(jié)構(gòu)，即模塊單元既具有受力作用又具有使用功能。該體系建筑物外部造型缺乏多樣化，且節(jié)點連接構(gòu)造不易處理，內(nèi)部空間使用不夠靈活。但預(yù)制裝配率高，工業(yè)化程度高。例如加拿大“住宅67號”，所有建筑模塊均為承重結(jié)構(gòu)。

復(fù)合模塊結(jié)構(gòu)體系主要包括模塊結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)、模塊結(jié)構(gòu)與核心筒復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種體系的受力功能主要由框架結(jié)構(gòu)和核心筒結(jié)構(gòu)承擔(dān)，模塊單元承擔(dān)使用功能及部分傳力功能。建筑中采用復(fù)合模塊結(jié)構(gòu)可以使得建筑結(jié)構(gòu)選型更加靈活，更合理地進行內(nèi)部空間布置以及建筑外部空間造型，提升建筑物結(jié)構(gòu)性能及使用性能。

2 國內(nèi)外研究概況

2.1 國外模塊化建筑研究

國外對盒子模塊化和鋼結(jié)構(gòu)模塊化的結(jié)構(gòu)體系受力性能、單元和單元節(jié)點的受力性能展開了一系列研究，推動了模塊化建筑的發(fā)展，為模塊建筑體系提出了行之有效的設(shè)計及施工技術(shù)方案。加拿大ANNAN C D 等對鋼框架模塊展開一系列研究，發(fā)現(xiàn)鋼骨支撐體系的結(jié)構(gòu)強度儲備大于規(guī)范中常規(guī)支撐體系的結(jié)構(gòu)強度儲備，缺點是鋼模塊框架由于不能對短柱提供支撐，致使短柱發(fā)生彎曲破壞；且對組合式鋼結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和建模，得出鋼框架模塊的抗震性能很大程度上由模塊間豎向連接決定[4]。原蘇聯(lián)中央住宅試驗設(shè)計科研院研究了5層和7層的宿舍盒子，研究發(fā)現(xiàn)破壞的原因：盒子間連接處相對于盒子剛度具有較大差異。措施：沿著盒子各邊設(shè)置垂直鋼筋，減小剛度差異，從而減少水平縫產(chǎn)生與發(fā)展，以及減少盒子間的互相碰撞[5]。韓國首爾國立大學(xué)SUNGGUL Hong等針對鋼框架模塊結(jié)構(gòu)提出一種新型的側(cè)向抗力體系——雙層薄鋼板組合框架結(jié)構(gòu)，并對該鋼面板體系進行剛塑性分析以及受力試驗，建立了輕鋼框架的彎矩-曲率關(guān)系[6]。

BIM技術(shù)的興起，為模塊化建筑的成本降低、綠色環(huán)保提供了新的建設(shè)思路，國外許多學(xué)者結(jié)合BIM新技術(shù)對模塊化建筑展開研究。MOHAMMAD Kamali，DARA Chinyere，F(xiàn)ERDOUS Wahid，MONAHAN J等對集裝箱型住宅案例進行研究，對比傳統(tǒng)的施工方法及特點，評估其生命周期和生命周期成本，最終得出，平均而言，模塊化建筑提供了更好的生命周期性能，例如建筑物的能源性能等[7-10]。ALADDIN Alwisy將BIM技術(shù)應(yīng)用到模塊化建筑中，降低了設(shè)計成本，提高了布局的精度[11]。

2.2 國內(nèi)模塊化建筑研究

盒子式建筑體系是模塊化建筑中最典型、應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)體系。對于該體系，清華大學(xué)肖麗等對整澆式盒子和拼裝式盒子展開了對比研究，發(fā)現(xiàn)拼裝盒子具有靈活性但其質(zhì)量相較于整澆式盒子差，整澆式盒子造型靈活性差，滿足不了多樣性要求[12]。張惠英等采用盒式抗側(cè)力計算方法，對比研究側(cè)向力對剪力墻與盒子側(cè)墻的影響，研究得到剪力墻的剛度較大，但二者變形性能相似[13]。

鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑體系是近些年模塊化建筑主要的研究方向，裝配式建筑是我國建筑發(fā)展的趨勢。對于該體系，蘇州大學(xué)曲媛媛將模塊化設(shè)計原理與建筑設(shè)計相結(jié)合，分析適合我國裝配式發(fā)展的模塊化建筑，探索標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化的建筑設(shè)計[14]。天津大學(xué)曲可鑫以4層的模塊化公寓建筑為例，采用靜力分析及動力時程分析，對鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系進行研究，得出剛接節(jié)點與鉸接節(jié)點兩種結(jié)構(gòu)形式的受力特征、性能薄弱點以及適用性[15]。東南大學(xué)董競瑤對農(nóng)村輕型鋼結(jié)構(gòu)模塊化住宅進行了研究設(shè)計，提出可行的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造措施，并進一步探討和設(shè)計[16]。

新加坡以及加拿大的建筑不考慮抗震設(shè)防要求，故建造時需要考慮不利因素較少，有利于模塊化高層建筑的建造。但是我國以及世界大多國家都深受震害影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮抗震設(shè)防，故模塊化間的連接要深入抗震研究及有限元模擬分析。廣州大學(xué)黃敦堅以某擬建模塊化辦公樓為例，研究隔震層位置變化對模塊化結(jié)構(gòu)隔震效果的變化規(guī)律，最終得到模塊化結(jié)構(gòu)的隔震設(shè)計方案[17]。萬里波等對6層剪力墻盒子結(jié)構(gòu)模型進行抗震性能研究，采用擬動力試驗方案，研究得出該結(jié)構(gòu)能夠滿足8度設(shè)防烈度的設(shè)防目標(biāo)要求，具有較好的變形能力、延性以及消耗能力，為預(yù)制裝配式模塊化結(jié)構(gòu)的未來應(yīng)用提供理論數(shù)據(jù)研究及試驗參考[18]。孫超等對3層可拆裝式模塊化箱式建筑進行研究，用有限元分析了12個模塊單元，研究其在靜力以及地震作用下的內(nèi)力及位移[19]。

隨著建筑行業(yè)發(fā)展，無論是國外還是國內(nèi)，都將傳統(tǒng)建筑與BIM等新型技術(shù)融合到一起，有效地管控施工進程，提高精度，降低成本。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李姣佼以及廣州大學(xué)黃永勝引入BIM技術(shù)，探討實際工程模塊化設(shè)計體系以及設(shè)計流程，分析模塊單元的設(shè)計，建立體量模型，實現(xiàn)場館數(shù)字化輸出，提高企業(yè)管理的效率[20-21]。朱江華、老浩寅、何秀鐸、趙飛等將BIM技術(shù)模塊設(shè)計以及施工管理控制相結(jié)合，對整個建筑的所有數(shù)據(jù)利用計算機系統(tǒng)集成以及分析，從而實現(xiàn)成本可視化和標(biāo)準(zhǔn)化，提高造價管理效率[22-25]。

3 國內(nèi)外工程實例

加拿大魁北克1967年世界博覽會展示的“67號住宅”，是由365個結(jié)構(gòu)模塊拼接搭建而成的12層建筑。所有建筑組成部分均為承重構(gòu)件，即全模塊建筑結(jié)構(gòu)體系[26]。日本設(shè)計師黑川紀(jì)章成名之作“中銀艙體大樓”，建于1972年，現(xiàn)場建構(gòu)2個鋼筋混凝土的核心筒，工廠預(yù)制140個正六面艙體運至現(xiàn)場，將模塊附著于2個中心核心筒，建成11層和13層的2棟混凝土樓。這個建筑是日本“新陳代謝運動”的代表作之一，展現(xiàn)出未來主義建筑風(fēng)格[27]。2008年7月在英國中部地區(qū)啟動的沃爾弗漢普25層建筑工程(圖3)，是由824個模塊構(gòu)建的3座混凝土核心模塊化建筑[28]。美國2012年動工的32層住宅大樓461 Dean，是當(dāng)時世界上最高的模塊化建筑，將工廠預(yù)制的960個鋼框架模塊自下而上逐層頂升就位，鋼框架與鋼模塊焊接相連。澳大利亞墨爾本的小英雄低層公寓樓(圖4)，施工現(xiàn)場澆筑混凝土核心筒，預(yù)制的58個單層公寓模塊連接到核心筒，所有橫向荷載將轉(zhuǎn)移到核心筒[29]。英國布里斯托爾邦德街的學(xué)生宿舍項目(圖5)，由400個臥室模塊裝配組成，共計12層，穩(wěn)定性由4個鋼核心筒支撐。新加坡Clement Canopy建筑是2019年6月完工的目前世界最高的模塊化建筑，1899個模塊附著在40層高的塔樓上組成了505套豪華公寓，是新加坡第一座全混凝土預(yù)制構(gòu)造的PPVC體系的建筑[30]。

圖4 低層模塊化建筑“小英雄”

圖5 模塊化學(xué)生公寓

花都匯生態(tài)公園考慮到地基承載力低、集裝箱建筑節(jié)能環(huán)保、施工快捷等因素，結(jié)合BIM技術(shù)，設(shè)計施工了由17個建筑模塊構(gòu)成的2層花都匯游客中心[31]。十七屆住博會上深圳展團展示的單人精品公寓(圖6)，涵蓋了臥室、客廳、廚房、衛(wèi)生間等生活必備空間，屬于整體式模塊化裝配式建筑，是模塊化裝配式進一步的探索，具有國際領(lǐng)先性及獨創(chuàng)性[32]。雄安市民服務(wù)中心企業(yè)臨時辦公室由593個12 m×4 m×3.6 m的標(biāo)準(zhǔn)模塊組成，幕墻系統(tǒng)、內(nèi)部裝飾以及管線布置均采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計[33]。中建科技在北京建造了國內(nèi)首個模塊化裝配式零耗能健康集成房屋，采用了集研究、設(shè)計、采購、加工、施工于一體的REMPC模式，施工僅用時40 d。

圖6 單人精品公寓

目前，我國的模塊化建筑發(fā)展相比于國外還比較落后，模塊化建筑在我國建筑領(lǐng)域還不能被國人廣泛接受，應(yīng)用最多的是集裝箱式的施工現(xiàn)場板房、街邊報停、公廁等。對于模塊化建筑，國內(nèi)也在不斷研究、探索符合我國建筑國情、相對于傳統(tǒng)建筑又具有優(yōu)勢的新型工業(yè)化模塊建筑。

4 未來展望

4.1 技術(shù)展望

1) 模塊化建筑適于低層建筑，高度受到限制。但我國人口基數(shù)大，東部沿海城市人口密度大，建筑更傾向于高層建筑。因此，未來模塊化建筑要對模塊間連接受力進行更深的研究和設(shè)計，以更適于高層建筑。

2) 我國是地震多發(fā)區(qū)，且沿海城市較多，要考慮地震及臺風(fēng)對結(jié)構(gòu)的影響。隨著建筑高度的增加，風(fēng)載對建筑的影響也隨之加大。因此，要保證建筑的安全穩(wěn)定性，未來模塊化建筑整體結(jié)構(gòu)以及模塊間連接要進行抗震、抗風(fēng)的試驗研究，做好抗震、抗風(fēng)的結(jié)構(gòu)措施。

3) 模塊化單元在運輸過程、吊裝過程以及安裝過程都會產(chǎn)生誤差，難以保證模塊單元的精度。我國臨海城市風(fēng)載較大，模塊單元在該類城市安裝過程中難免受到影響，降低施工精度，從而影響模塊化建筑整體的安全穩(wěn)定。因此，未來模塊集成建筑要保證運輸及施工吊裝精度。

4.2 應(yīng)用展望

目前模塊化建筑外形不夠多樣性，未來模塊化集成體系將應(yīng)用到造型復(fù)雜、空間多樣、大跨度的高層建筑。除了應(yīng)用到普通住宅、賓館、學(xué)生宿舍等建筑，還可用于以下建筑：

1) 模塊化建筑用于震后人員安置。目前我國震后通常用救災(zāi)帳篷安置人員，條件比較簡陋，安全性有待提高。隨著裝配式工業(yè)化的不斷發(fā)展，模塊化建筑可以更安全、更綠色地解決災(zāi)后安置問題，從而做好震后的衛(wèi)生防疫，應(yīng)對傳染、瘟疫等次生災(zāi)害。

2) 模塊化建筑用于搭建景區(qū)賓館。通常大部分景區(qū)具有旅游淡旺季，淡季時賓館閑置，且賓館前期建造耗費時間以及占用大量土地資源。模塊化建筑可以快捷施工，且可以拆卸運輸，二次利用，節(jié)省資源，綠色施工，不會影響景區(qū)原有生態(tài)環(huán)境。

3) 模塊化建筑用于新型綠色農(nóng)村的建設(shè)。我國大力發(fā)展裝配式建筑，推進綠色新型農(nóng)房項目建設(shè)。PPVC體系將會更有效、快捷且工業(yè)化的推進該項目的進行。

5 結(jié)束語

本文基于國內(nèi)外的文獻，簡述了模塊化建筑概念、梳理了國內(nèi)外理論、技術(shù)研究以及實際工程案例，對我國未來模塊化建筑發(fā)展提出展望。我國建筑產(chǎn)業(yè)正處于結(jié)構(gòu)調(diào)整升級階段，模塊化建筑集成技術(shù)以及相關(guān)智慧建造技術(shù)還未發(fā)展成熟，且缺乏成熟的政策理論、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及生產(chǎn)建筑流程，但其符合我國建筑業(yè)綠色發(fā)展的理念，模塊化建筑將得到全面推廣。政府主導(dǎo)的裝配式項目將成為建筑市場的切入點，例如裝配式新型農(nóng)房、震后安置房、保障房以及基礎(chǔ)建設(shè)等。