趙寶軍，姚 杰，黃明洋

（中建海龍科技有限公司 深圳 518000）

0 引言

建筑工業(yè)化是我國建筑業(yè)發(fā)展的重要方向，符合我國發(fā)展綠色建筑的要求，其主要標(biāo)志有建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)配件生產(chǎn)工廠化、施工機(jī)械化以及組織管理科學(xué)化。近年來，模塊化建筑憑借其優(yōu)異的設(shè)計(jì)理念和突出的便捷性，作為一種新型的建筑形式，得到了國內(nèi)外建筑行業(yè)的廣泛關(guān)注［1］。在全球新冠肺炎疫情的嚴(yán)峻形式下，越來越多人逐漸意識(shí)到模塊化建筑方案的集成和快速優(yōu)勢(shì)［2］。尤其是在武漢火神山和雷神山成功實(shí)施案例中，集中建造了臨時(shí)的防疫醫(yī)院，在短短的數(shù)天內(nèi)完成了幾萬m2的醫(yī)院建筑，模塊化建筑在其快速建設(shè)中發(fā)揮出了關(guān)鍵性作用，滿足了現(xiàn)場(chǎng)建筑快速組建要求，全國各地開始逐步推廣采用了模塊化集成建筑方案以應(yīng)對(duì)當(dāng)下疫情防控［3-5］。將此類具有綠色節(jié)能、高品質(zhì)、高建造效率等一系列顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)的多層鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑推廣應(yīng)用于學(xué)校教育設(shè)施建設(shè)、應(yīng)急防疫類醫(yī)院等的快速建造有著巨大的社會(huì)效益［6］。

通過對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑的設(shè)計(jì)、加工制造、運(yùn)輸與安裝一體化進(jìn)行了研究，探索了裝配式鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑技術(shù)在深圳某防疫隔離項(xiàng)目的應(yīng)用方式。該項(xiàng)目大大縮短了現(xiàn)場(chǎng)施工周期，減少了勞動(dòng)力需求，降低了工程成本，促進(jìn)了建筑工業(yè)化的發(fā)展和驗(yàn)證了其模塊化集成建筑在城市應(yīng)急管理應(yīng)用的技術(shù)可行性，為應(yīng)對(duì)當(dāng)下日趨嚴(yán)峻的防疫隔離要求提供了一個(gè)良好的示范作用。

1 模塊化建筑

1.1 模塊化建筑的概念

MiC（Modular integrated Construction）組裝合成建造法，也叫模塊化集成建筑，是由若干功能模塊化單元構(gòu)建組成的一種建筑形式，所有模塊既是1個(gè)結(jié)構(gòu)單元又是1 個(gè)空間功能單元，能實(shí)現(xiàn)不依賴外部支撐而獨(dú)立存在；可根據(jù)不同功能需求，劃分成不同功能空間，配置不同辦公、生活、輔助設(shè)施以適應(yīng)建筑設(shè)計(jì)方案要求，組合形態(tài)多變，實(shí)現(xiàn)功能與造型多樣化。按照所用的結(jié)構(gòu)材料分類，MiC 體系主要有鋼結(jié)構(gòu)MiC、混凝土MiC 以及鋁合金MiC 等［6］。在項(xiàng)目實(shí)踐中，鋼結(jié)構(gòu)MiC 更加適用于公共建筑，包括酒店、公寓、學(xué)校等?；炷罬iC 更加適用于住宅產(chǎn)品，特別是剪力墻體系。鋁合金MiC 常用于文旅建筑或園林小品等［7-8］。

MiC 模塊化建筑和傳統(tǒng)建筑的區(qū)別可概括為“四提四降”，“四提”是提高建筑品質(zhì)、提高施工的進(jìn)度、提高科技含量、提高建筑集成；“四降”是降低勞動(dòng)用工、降低現(xiàn)場(chǎng)施工、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、降低環(huán)境污染［9］。模塊化建筑其技術(shù)核心在于利用模塊化的設(shè)計(jì)理念和工廠化生產(chǎn)方式，將原本需要在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的工程內(nèi)容盡可能實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)之后，通過快速有效的連接方式組合完成整棟建筑［10-12］。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑的意義

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，裝配式建筑及其優(yōu)勢(shì)正日益受到廣泛的關(guān)注。鋼結(jié)構(gòu)MiC 作為一種新型的建造體系，在建造效率、全壽命周期經(jīng)濟(jì)性以及可持續(xù)發(fā)展等方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。與傳統(tǒng)建筑相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

⑴經(jīng)濟(jì)性和效率性高：采用鋼結(jié)構(gòu)模塊化技術(shù)建造房屋，相較于傳統(tǒng)建筑的支模及澆筑混凝土，模塊化集成建筑的設(shè)計(jì)制造理念可以減少設(shè)計(jì)師和工程師的成本，流水線量產(chǎn)化制造技術(shù)和速度都遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)建造工藝［13］。

⑵抗震性能優(yōu)越：模塊化集成建筑在設(shè)計(jì)之初就將各類性能要求嚴(yán)格把關(guān)，作業(yè)施工基本在預(yù)制工廠內(nèi)完成，其建造的模塊化構(gòu)件整體性能在發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)能夠保持良好的穩(wěn)定性，其抗震能力遠(yuǎn)高于一般的建筑［14-15］。

⑶施工綠色可持續(xù)性：模塊化建筑高度集成化制造管理，很大程度上降低建筑生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的建筑垃圾、粉塵、噪音、光等污染［16］，再加上模塊化建筑使用的多為綠色建材和通用鋼結(jié)構(gòu)配件，使用完后的相關(guān)建材和配件等也大多數(shù)可以進(jìn)行回收利用，極大地減少了資源的浪費(fèi)，體現(xiàn)了建筑綠色化生產(chǎn)和環(huán)?？沙掷m(xù)性理念，具備了低碳綠色節(jié)能化的特點(diǎn)。

⑷應(yīng)急性強(qiáng)：對(duì)于一些突發(fā)疫情的地區(qū)，可以做到在最短的時(shí)間內(nèi)完成防疫應(yīng)急設(shè)施的建設(shè)，在使用周期結(jié)束后，相關(guān)單元可拆卸運(yùn)送至其它地方，組裝成新的應(yīng)急設(shè)施［17-18］，具備特定應(yīng)急性。

2 深圳某防疫隔離項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑一體化技術(shù)研究

針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系建筑在包含設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸與安裝的建造全過程的技術(shù)協(xié)同需求，研究和優(yōu)化建造全過程中設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸與安裝4個(gè)主要階段為主的一體化原則和各階段之間的技術(shù)對(duì)接方案。模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化是基礎(chǔ)，以此保證全專業(yè)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)、不同專業(yè)相關(guān)部品的一體化及高效連接和安裝協(xié)調(diào)、不同參與方的信息協(xié)同，從而最大限度地保證裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系建筑的集成效率、精度和質(zhì)量［19-20］。

為了應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)峻的疫情隔離需求，深圳某防疫隔離項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模24 萬m2，包含6 棟7 層的隔離酒店，4 棟18 層的隔離酒店，服務(wù)人員宿舍、應(yīng)急基本醫(yī)療用房、食堂、物資庫和工作站等配套設(shè)施。政府要求在2 個(gè)月時(shí)間內(nèi)完成700 間防疫隔離用房，該項(xiàng)目時(shí)間緊任務(wù)重，采用傳統(tǒng)建筑施工方式顯然無法達(dá)到要求。根據(jù)已建立的模塊化建筑一體化技術(shù)成果，全部采用鋼結(jié)構(gòu)MiC，將其成功運(yùn)用在該項(xiàng)目中，展現(xiàn)出了不可比擬的建造優(yōu)勢(shì)和應(yīng)急價(jià)值，并取得了良好的示范效果（見圖1）。

圖1 深圳某防疫隔離項(xiàng)目（防疫隔離酒店）Fig.1 A Quarantine Project in Shenzhenl（Epidemic Prevention and Quarantine Hotel）

2.1 鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑標(biāo)準(zhǔn)化與裝配式設(shè)計(jì)

通過對(duì)以往模塊化建筑的設(shè)計(jì)進(jìn)行歸納總結(jié)制定出一套通用的設(shè)計(jì)流程，形成全專業(yè)一體化、裝修一體化設(shè)計(jì)聯(lián)動(dòng)協(xié)同模式，并依據(jù)模塊受力特點(diǎn)，將設(shè)計(jì)過程系統(tǒng)化、模式化。項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，首先按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，確定模塊尺寸、模塊的類型化、系列化，按照模塊化設(shè)計(jì)原則，將整個(gè)建筑分為不同功能的標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括隔離房間模塊、走廊模塊、樓梯模塊、屋頂模塊等（見圖2）。其模塊組合方式遵照“少規(guī)格，多組合”原則，體現(xiàn)建筑構(gòu)成的多樣性和豐富性，充分考慮快速接駁、快速施工要求，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)建筑的模塊化拆分。

圖2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖Fig.2 Project Design Drawings （m）

模塊單元間連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，應(yīng)簡(jiǎn)單、便捷、易操作、節(jié)省時(shí)間，其連接方式采用專門用于低多層的可拆卸螺桿連接體系。該體系傳力路徑明確，加工安裝簡(jiǎn)便，已廣泛成功應(yīng)用于不同類型的鋼結(jié)構(gòu)MiC（見圖3）。

圖3 可拆卸螺桿連接體系Fig.3 Detachable Screw Connection System

2.2 鋼結(jié)構(gòu)模塊化單元一體化制造

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，700 個(gè)隔離房間模塊及300余功能模塊的生產(chǎn)周期約30 d。鋼結(jié)構(gòu)模塊化單元制造工藝流程如下（見圖4）。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)MiC產(chǎn)品生產(chǎn)制造流程示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Manufacturing Process of MiC Products with Steel Structure

⑴鋼材送檢：首先，對(duì)進(jìn)場(chǎng)的鋼材進(jìn)行抽樣送檢，確保使用的鋼材性能符合設(shè)計(jì)、建造標(biāo)準(zhǔn)，從源頭上對(duì)原材料做好品控把關(guān)，杜絕因使用不合格產(chǎn)品導(dǎo)致的返工和安全事故。

⑵鋼材預(yù)處理：質(zhì)檢合格后的鋼材屬于胚料，不能直接用于工程中。需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理、開料完成基本的毛邊形狀尺寸等的規(guī)整，為下一步工作做好基礎(chǔ)。

⑶鋼部件制作：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙以及相關(guān)力學(xué)計(jì)算，采用數(shù)控機(jī)床或機(jī)械臂將各尺寸鋼材按照設(shè)計(jì)要求，加工成各零部件。

⑷框架總裝：在預(yù)制化工廠內(nèi)使用制作好的鋼部件將半成品的框架按照設(shè)計(jì)圖紙組裝成主體框架，批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)工廠車間整體有條不紊，整潔有序。

⑸打砂噴漆：打砂能把工件表面的銹皮等一切污物清除，并在工件表面建立起十分重要的基礎(chǔ)圖式，通過調(diào)換不同粒度的磨料，達(dá)到不同程度的粗糙度，大大提高工件與涂料的結(jié)合力，使粘接件粘接更牢固。

⑹鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)檢：結(jié)構(gòu)檢測(cè)合格是確保鋼件能順利出廠的必要條件，通常來說需要進(jìn)行質(zhì)檢的內(nèi)容主要有3個(gè)部分，分別為原材料檢測(cè)、螺栓檢測(cè)和鋼結(jié)構(gòu)撓度檢測(cè)［21］。其中，原材料檢測(cè)主要包括鋼板、圓鋼的拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度等韌性和塑性測(cè)試等。

⑺綁扎樓板鋼筋、落混凝土：鋼結(jié)構(gòu)房屋的樓板主要有在壓型鋼板上現(xiàn)澆混凝土形成的組合樓板、非組合樓板、裝配整體式鋼筋混凝土樓板以及裝配式樓板等，砼樓板可有效提高鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗側(cè)移剛度，提高建筑的整體性，減小由于其它外因造成的顫動(dòng)，改善辦公生活的整體舒適性［22-23］。

⑻輕鋼龍骨及防火板安裝：施工工藝流程主要有：彈線分檔?做地枕帶（設(shè)計(jì)有要求時(shí)）?固定沿頂、沿地龍骨?固定邊框龍骨?安裝豎向龍骨?安裝門、窗框?安裝附加龍骨?安裝支撐龍骨?檢查龍骨安裝?電氣鋪管安附墻設(shè)備?安裝一面罩面板?填充隔聲防火材料?安裝另一面罩面板?接縫及護(hù)角處理?質(zhì)量檢驗(yàn)［24］。

⑼整體衛(wèi)生間安裝：所有部件全部在工廠內(nèi)生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配，有利于實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化，建筑工業(yè)化。

⑽吊頂龍骨安裝及預(yù)埋機(jī)電管線：裝配式住宅機(jī)電的關(guān)鍵技術(shù)就是做好預(yù)制結(jié)構(gòu)體內(nèi)管線的預(yù)留預(yù)埋。設(shè)計(jì)人員需在設(shè)計(jì)階段精確定位設(shè)備管線并與土建構(gòu)件一起生成BIM 模型提供給預(yù)制構(gòu)件廠，進(jìn)行精確定位的預(yù)留預(yù)埋，進(jìn)行管線優(yōu)化布置。

⑾天花、墻面、地面裝飾：天花快裝利用專門開發(fā)的金屬邊龍骨加中間點(diǎn)支撐的方法安裝吊頂大板，安裝快捷。墻面快裝系統(tǒng)可以分為兩種形式：自立型墻體及貼面墻體系。作為裝配式內(nèi)裝的組成部分，地面裝飾系統(tǒng)遵循干法施工的要求。

⑿裝飾裝修質(zhì)檢：國家推行裝配式建筑是指建筑和裝飾裝修采用裝配式方式實(shí)施的一體化，和傳統(tǒng)濕作業(yè)，裝配式裝修強(qiáng)調(diào)的是干法施工、成品化安裝。裝配式裝修相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范相繼的出臺(tái)，極大地促進(jìn)了裝配式建筑的發(fā)展和完善。

⒀打包出貨：模塊化箱房建筑一般都是整套的，有的是打包成散件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，近距離采用整箱運(yùn)輸，遠(yuǎn)距離一般采用散件多次運(yùn)輸，但是需要現(xiàn)場(chǎng)組裝。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊運(yùn)輸與安裝

在運(yùn)輸方面，模塊化建筑結(jié)構(gòu)體系，模塊經(jīng)過工廠設(shè)計(jì)拼裝，通過高強(qiáng)度螺栓對(duì)梁、柱、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了穩(wěn)固，穩(wěn)定性好。可折疊打包成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸大小運(yùn)輸模塊，可滿足民用集裝箱平板車公路運(yùn)輸，能有效提高空間利用率及節(jié)約運(yùn)輸成本［25］。適應(yīng)叉裝、吊裝、抓舉等多種裝卸方式，并可堆碼貯存，具備裝卸搬運(yùn)適應(yīng)性。

模塊單元在工廠預(yù)制完成后運(yùn)輸至進(jìn)場(chǎng)，采用起重設(shè)備，將模塊單元按順序吊裝至指定位置，通過快速連接節(jié)點(diǎn)連接模塊和模塊間管線，并完成接口接縫處理，實(shí)現(xiàn)搭積木式的房屋建造（見圖5）。對(duì)于幾何形狀和剛度雙向?qū)ΨQ的模塊單元，其吊點(diǎn)宜設(shè)置在模塊單元的樓面鋼梁上；對(duì)于幾何形狀和剛度均不對(duì)稱的模塊單元，為減小吊裝過程中模塊單元的變形量，吊裝時(shí)可根據(jù)變形情況增加臨時(shí)加固設(shè)施。箱體模塊之間連接方式采用專門用于低多層的可拆卸螺桿連接體系，箱體主體結(jié)構(gòu)水平箱體通過左右連接件進(jìn)行連接，上下箱體通過限位器及上下連接件連接。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊運(yùn)輸與安裝Fig.5 Steel Structure Box Type Module Transportation and Installation

3 關(guān)于模塊化集成建筑的一種新型城市應(yīng)急管理建筑方案

結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)施以及鋼結(jié)構(gòu)MiC 其他類似項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，提出一種符合“平戰(zhàn)結(jié)合”原則的新型城市應(yīng)急管理建筑方案。以深圳某防疫隔離項(xiàng)目（防疫隔離酒店）項(xiàng)目為例，現(xiàn)有的酒店后期可轉(zhuǎn)換為大學(xué)的學(xué)生宿舍。暖通專業(yè)可根據(jù)箱體構(gòu)造獨(dú)立性，設(shè)置獨(dú)立分體空調(diào)及衛(wèi)生間獨(dú)立排風(fēng)，均可在工廠完成安裝隨箱體運(yùn)輸安裝，減少大量施工現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量。獨(dú)立箱體均可采用自然排煙措施，不影響整棟建筑消防系統(tǒng)。

針對(duì)電氣專業(yè)，設(shè)計(jì)時(shí)在MiC 客房門口朝向走廊處設(shè)置單獨(dú)的強(qiáng)弱電箱，客房內(nèi)照明、插座、空調(diào)與網(wǎng)絡(luò)、可視對(duì)講、電話、電視等智能化端口均從此強(qiáng)弱電箱引至，門口上方預(yù)留金屬管連接外部電源及網(wǎng)絡(luò)，使得每個(gè)MiC 箱體成為一個(gè)獨(dú)立的配電小單元，為學(xué)校、酒店、公寓等建筑的一字形和回字形，外走廊形擺放組合提供了可能。如深圳某防疫隔離項(xiàng)目，由回字形組合成隔離酒店，后期改裝成宿舍時(shí)，僅需在門口處加裝電表即可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)計(jì)費(fèi)的要求；衛(wèi)生間內(nèi)的排氣扇只需接通開關(guān)就可實(shí)現(xiàn)由防疫時(shí)的集中控制改成就地控制。網(wǎng)絡(luò)設(shè)置可直接在前端通過電腦操作，集中管理。由此達(dá)到平戰(zhàn)結(jié)合、快速改造的特點(diǎn)。遇到新冠疫情等突發(fā)情況，鋼結(jié)構(gòu)MiC 可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)功能裝換，具體包括：

⑴場(chǎng)地變換，從防疫隔離酒店等人流密集區(qū)域可以運(yùn)輸?shù)筋A(yù)留發(fā)展用地等人口稀少區(qū)域，便于集中管理。

⑵ 經(jīng)過簡(jiǎn)單改造可以實(shí)現(xiàn)暖通的空氣壓力梯度，從屋頂新風(fēng)到樓梯間到走廊到客房的正壓梯度?？头款A(yù)留的新風(fēng)管道都可以改造成為集中排風(fēng)井道，滿足防疫要求。

⑶配電箱、弱電箱均朝向走廊，便于連接以及加裝智能化管控系統(tǒng)，迅速實(shí)現(xiàn)科技防疫要求。

⑷模塊化的走廊、樓梯、屋蓋可以配合不同的應(yīng)急管理需求，組成不同規(guī)模體量的建筑單體。既能實(shí)現(xiàn)快速靈活建造，又節(jié)約成本。按照我們?cè)谥楹Ｄ乘奚針嵌啻伟徇w的測(cè)算，每次異地安置的建安成本約為初始成本的15%。

4 結(jié)語

伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市規(guī)模越來越大，在面對(duì)疫情災(zāi)情時(shí)候需要更多品質(zhì)高，效率快，成本低的應(yīng)急建筑。在國家大力提倡建筑工業(yè)化以及實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的背景下，此次疫情中鋼結(jié)構(gòu)MiC 一體化技術(shù)在深圳某防疫隔離項(xiàng)目應(yīng)用產(chǎn)生的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，將有助于我國裝配式建筑、模塊化建筑推向新的高潮，也為今后此類應(yīng)急醫(yī)院、搶險(xiǎn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工提供一定的借鑒作用。

在國家大力倡導(dǎo)和發(fā)展裝配式建筑的形勢(shì)下，鋼結(jié)構(gòu)MiC 憑借其工業(yè)化程度確保工業(yè)化品質(zhì)，具有高度工廠化和極高裝配率等突出優(yōu)勢(shì)，其采用的模塊化建造方式代表著建筑工業(yè)化、綠色施工和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向。同時(shí)易于拆卸安裝的連接體系，遵照“平戰(zhàn)結(jié)合”原則，模塊化建造技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用示范項(xiàng)目給城市應(yīng)急管理提供了一種全新的建筑解決方案，頗具推廣價(jià)值。