任樂民，黃柯柯，戴淑丹，李景珊

（1、廣州建筑產(chǎn)業(yè)研究院有限公司 廣州 510663；2、廣州建筑股份有限公司 廣州 510030）

0 引言

近年來，國內(nèi)外裝配式建筑建造技術(shù)日趨完善，裝配式建筑得以迅速發(fā)展，而代表高裝配率的集成式模塊建筑以其顯著的綜合效益，具有更大的市場空間［1］。例如，新加坡政府推廣應(yīng)用的PPVC 預(yù)制預(yù)裝塊體建造技術(shù)和香港特區(qū)提出的MIC 組裝合成建筑法均提供了成功的實(shí)踐案例，其特點(diǎn)是根據(jù)“先裝后嵌”理念，將現(xiàn)場建筑工序轉(zhuǎn)移至較易控制的廠房進(jìn)行，在廠房中制造獨(dú)立的體積模塊組件（包括裝飾工程、衛(wèi)生間、MEP 機(jī)電暖通給排水設(shè)施等），再將完成的模塊化單元，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場快捷組裝［2］。其中，箱式鋼結(jié)構(gòu)集成模塊（簡稱箱式模塊）建筑在國內(nèi)應(yīng)用較為成熟，并實(shí)行了行業(yè)技術(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)［3-5］。集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑產(chǎn)業(yè)基地已經(jīng)形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和安裝全過程的產(chǎn)業(yè)鏈，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。本文就箱式模塊建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等有關(guān)問題進(jìn)行分析探討，希望能夠提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

某工程中，建筑基本采用3 層內(nèi)廊式集裝箱單元組合的疊箱結(jié)構(gòu)。箱體單元尺寸6.0 m×3.0 m×2.9 m，采用輕鋼結(jié)構(gòu)，恒荷載按箱體自重，樓面活荷2.00 kN/m2，屋面活荷載0.50 kN/m2，基本風(fēng)壓0.30 kN/m2，使用年限5 年，地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度。箱體與基礎(chǔ)梁采用預(yù)埋地腳螺栓連接，箱體之間在吊頭部位采用?16螺桿連接和6 mm 鋼貼板焊接（見圖1）。現(xiàn)場按1∶1的三層模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)測試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)有限元分析和疊箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù)，證明結(jié)構(gòu)體系及節(jié)點(diǎn)連接安全可靠。

圖1 箱體吊頭之間連接節(jié)點(diǎn)做法Fig.1 Method of Connecting Nodes between Box Lifting Heads

景德鎮(zhèn)某學(xué)校宿舍樓及教學(xué)樓采用內(nèi)走道箱式模塊體系建造，地上4 層，無地下室，首層采用傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)架空設(shè)計(jì)，2～4層采用箱式模塊，區(qū)抗震設(shè)防烈度為6 度。模塊自身的框架梁柱為剛接節(jié)點(diǎn)，模塊之間垂直和水平方向?yàn)槁菟ㄟB接的鉸接點(diǎn)，以便于異地重建，快速裝拆［6］。

俄羅斯索契冬奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員宿舍項(xiàng)目，采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱單元，2個(gè)箱體設(shè)計(jì)成一間套房，中間走廊以鋼框架構(gòu)成側(cè)向抗力主體，再將兩側(cè)箱體連接成6 層的模塊集成建筑［7］。為便于異地遷建公寓用途，模塊之間節(jié)點(diǎn)采用可快速拆裝的高強(qiáng)螺栓連接形式。

香港金門某31 層住宅MIC 設(shè)計(jì)方案因考慮到地區(qū)最大風(fēng)壓（2.92 kPa）影響，就采用了箱式模塊與現(xiàn)澆鋼筋混凝土豎向和水平抗剪結(jié)構(gòu)（電梯間、樓梯間、采光井和交通走廊）結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系。箱體構(gòu)件采用S355 等級(jí)的300 mm×150 mm×16 mm 方鋼柱和梁，箱體之間角部節(jié)點(diǎn)采用柱腔內(nèi)設(shè)抗剪鋼筋和灌注C45 無收縮膠漿的豎向連接方式，梁端設(shè)置墊板加螺栓緊固以保證水平連接；箱體設(shè)連接板與現(xiàn)澆鋼筋混凝土抗剪結(jié)構(gòu)預(yù)埋螺栓連接，螺栓錨固長度不小于600 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)形式和基本原則

箱式模塊建筑結(jié)構(gòu)以箱式模塊為基本單元，通常組構(gòu)成3 種結(jié)構(gòu)體系：疊箱結(jié)構(gòu)、箱-框結(jié)構(gòu)和箱-框-支撐結(jié)構(gòu)（見圖2）。通常，進(jìn)行箱式模塊建筑空間結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，節(jié)點(diǎn)以螺栓連接的結(jié)構(gòu)形式，視作鉸接模型。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：抗震設(shè)防烈度6～8 度情況下，箱式模塊建筑的最大適用高度：疊箱結(jié)構(gòu)40～25 m，箱-框結(jié)構(gòu)60～30 m，箱-框-支撐結(jié)構(gòu)100～50 m。依據(jù)水平剪力作用下建筑結(jié)構(gòu)剛度分配和協(xié)調(diào)機(jī)理，結(jié)構(gòu)主體可分成箱體框架和非箱體框架兩部分考慮，兩部分框架及金屬壁板協(xié)同受力，共同抵抗水平地震力和高風(fēng)壓作用。而對于采用箱-框-支撐結(jié)構(gòu)體系的高層箱式模塊建筑，則強(qiáng)調(diào)，非箱式模塊的鋼框架-支撐部分承擔(dān)層間剪力的比例應(yīng)大于60%，以保證整體結(jié)構(gòu)的水平抗力和安全可靠性。

圖2 箱式模塊建筑結(jié)構(gòu)體系簡圖Fig.2 Structural System Diagram of Box Module Building

1.3 節(jié)點(diǎn)連接方式

箱式模塊建筑結(jié)構(gòu)體系屬于鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展形式。其重要特征表現(xiàn)在連接節(jié)點(diǎn)的安全性和可裝拆性能，尤其箱體模塊之間的結(jié)合部位的構(gòu)造和連接方式，影響到整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震能力［8］。對于高層建筑，特別強(qiáng)調(diào)進(jìn)行連接節(jié)點(diǎn)在地震作用下的內(nèi)力分析和抗震性能化設(shè)計(jì)，以保證足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備和延性。節(jié)點(diǎn)連接方式通常分為蓋板螺栓連接、鑄鋼連接、自鎖式連接、預(yù)應(yīng)力連接、焊接和混合連接。應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的建筑類別、抗震設(shè)防烈度等級(jí)、結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)模型力學(xué)分析和計(jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)合連接技術(shù)成熟度、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)通用性、制作成本和可安裝性等進(jìn)行節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式的選擇和設(shè)計(jì)。有關(guān)文獻(xiàn)建議，連接方式的選擇排序?yàn)椋鸿T鋼連接?蓋板螺栓連接?預(yù)應(yīng)力連接?組合連接?焊接連接［9］。鑄鋼連接方式拆裝方便，避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的削弱性效應(yīng)，可以標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，適用于高層建筑；蓋板螺栓連接可靠度高，適用于中低層建筑；預(yù)應(yīng)力連接具有高強(qiáng)度和高剛度性能，可用于多高層箱式模塊建筑的豎向連接；組合連接剛度增強(qiáng)，施工效率偏低，可用于中層建筑；焊接連接存在不可拆卸、質(zhì)量不穩(wěn)定、延性差等問題，可在中低層的一般建筑中使用；自鎖式連接可用于不方便施工操作節(jié)點(diǎn)部位及低層臨時(shí)建筑。目前，箱式模塊之間各種連接方式的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式多樣，其標(biāo)準(zhǔn)化程度和通用性有待于再提高。

1.4 比較分析

⑴多層疊箱結(jié)構(gòu)裝配化程度較高，優(yōu)勢顯著。某工程近34萬m2，大部分為3層的疊箱輕鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)建筑，該項(xiàng)目工程在3 個(gè)月左右的工期內(nèi)，共完成7 000 間箱式模塊建筑的集成安裝，得益于成熟的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)和裝配式施工技術(shù)，其成功經(jīng)驗(yàn)可應(yīng)用于更多類型的多層功能性建筑，以拓展更為廣闊的箱式模塊建筑發(fā)展空間。然而，由于箱體單元之間的連接節(jié)點(diǎn)性質(zhì)偏于鉸接，其整體剛度和側(cè)向抗力弱于框架和框架-支撐結(jié)構(gòu)，更弱于框剪復(fù)合結(jié)構(gòu)。特別在抗震設(shè)防烈度較高和風(fēng)壓較大的地區(qū)，考慮到結(jié)構(gòu)布置和組合的穩(wěn)定性要求，建造高度和高寬比受到了一定限制。

⑵為實(shí)現(xiàn)建筑高度上顯現(xiàn)的綜合效益，則需要采用箱-框結(jié)構(gòu)、箱-框-支撐結(jié)構(gòu)和框剪等復(fù)合型結(jié)構(gòu)體系，來提高箱式模塊建筑的安全可靠度。由于該結(jié)構(gòu)體系的抗剪承載力獲得了充分的強(qiáng)度儲(chǔ)備，并在箱體結(jié)構(gòu)的薄弱節(jié)點(diǎn)部位，采取了提高抗震能力的有效措施。

⑶在箱-框-支撐結(jié)構(gòu)以及框剪結(jié)構(gòu)等復(fù)合型結(jié)構(gòu)體系的高層建筑建造過程中，隨著施工高度和樓層的增加，為保證疊箱模塊結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，按照每層結(jié)構(gòu)安裝順序，要先完成非箱體結(jié)構(gòu)的支撐體（鋼框架-支撐或現(xiàn)澆鋼筋混凝土抗剪結(jié)構(gòu)）施工，然后才能吊裝箱體模塊部分，再與非箱體結(jié)構(gòu)支撐體連接加固。同時(shí)，要考慮這兩部分結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)的構(gòu)件之間的豎向變形差和應(yīng)力集中問題，采取釋放施工期豎向變形措施，由此導(dǎo)致的施工技術(shù)間歇。可以看出，這種箱體單元與非箱體框架及支撐體結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)的施工不同步情況，甚至交叉施工現(xiàn)象，既增加了現(xiàn)場施工管理和協(xié)調(diào)難度，也會(huì)影響建筑的總體建造預(yù)期。其裝配化程度和施工效率等指標(biāo)會(huì)明顯低于疊箱結(jié)構(gòu)的技術(shù)效能，這是由該類結(jié)構(gòu)體系自身特點(diǎn)、安全儲(chǔ)備和客觀因素所決定的，而所看重的是相應(yīng)模塊建筑的綜合效益。

2 思考與探討

2.1 基本判斷

通過上述分析，綜合安全、適用、經(jīng)濟(jì)和裝配化程度等因素，可以得出以下判斷：

⑴疊箱結(jié)構(gòu)多用于多層和中層建筑，技術(shù)成熟，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)易于標(biāo)準(zhǔn)化。

⑵箱-框-支撐結(jié)構(gòu)或箱-剪復(fù)合結(jié)構(gòu)偏重高層建筑的安全性，綜合效益較好。

⑶設(shè)計(jì)上，強(qiáng)調(diào)高層建筑的箱體結(jié)構(gòu)和模塊連接的可靠性要求，相對成本增加。

⑷箱-框結(jié)構(gòu)與疊箱結(jié)構(gòu)相比，可建高度趨近，高寬比相同，結(jié)構(gòu)體系相對重復(fù)（筆者認(rèn)為疊箱結(jié)構(gòu)可以視同框架結(jié)構(gòu)），且整體抗剪能力和綜合效益不夠突出。

為此認(rèn)為：在抗震設(shè)防烈度7度及以下地區(qū)，初步考慮采用改進(jìn)型疊箱結(jié)構(gòu)等代箱-框結(jié)構(gòu)，建造相同高度的模塊建筑是可行的。

2.2 技術(shù)性探討

⑴改進(jìn)型疊箱結(jié)構(gòu)應(yīng)以符合技術(shù)規(guī)程和相關(guān)規(guī)范要求為基礎(chǔ)，通過安全可靠的箱式模塊連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，建立等同鋼框架強(qiáng)度、剛度和延性儲(chǔ)備的空間結(jié)構(gòu)。分析發(fā)現(xiàn)，疊箱結(jié)構(gòu)除建筑陽角部位，集成后的箱式模塊依靠連接節(jié)點(diǎn)實(shí)際建立了由組合柱、組合梁、組合樓板和組合墻板等構(gòu)件構(gòu)成的框架體系，這種框架形式應(yīng)該較同等規(guī)模的鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能具有一定的潛在優(yōu)勢。

⑵相對鋼框架結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵還要解決疊箱結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度儲(chǔ)備、結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性以及樓（屋）蓋板水平剛度等方面的薄弱問題。可以考慮箱式模塊柱頂和柱底連接盒采用鑄鋼標(biāo)準(zhǔn)件，加強(qiáng)箱體梁柱節(jié)點(diǎn)的截面剛度和承載力。節(jié)點(diǎn)豎向連接可采用高強(qiáng)螺栓連接、預(yù)置錨固螺栓后灌漿連接和預(yù)應(yīng)力連接等方式。

在節(jié)點(diǎn)連接盒豎向連接的同時(shí)，留置連接鋼板，采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行箱體間的水平連接。為提高組合柱和組合梁的整體剛度，經(jīng)計(jì)算分析，可在其長度方向預(yù)留側(cè)向連接點(diǎn)，螺栓固定，形成格構(gòu)型式的組合截面，從而增強(qiáng)疊箱模塊建筑的穩(wěn)定性。為保證連接節(jié)點(diǎn)的耐久性，應(yīng)采取防腐封堵措施。

對于高度超過30 m 的高層建筑，應(yīng)每隔5 層，安裝標(biāo)準(zhǔn)化平面支撐構(gòu)架或?qū)υ搶酉涫侥K的樓層板梁進(jìn)行整體性構(gòu)造設(shè)計(jì)，提高該樓板層側(cè)向剛度，并采用裝配式鋼筋混凝土疊合屋面板，提高結(jié)構(gòu)整體水平抗剪和抗變形能力。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)嚴(yán)格控制以下技術(shù)要點(diǎn)：

⑴結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)規(guī)則均衡，合理控制高寬比例，保持整體剛度和質(zhì)量基本均勻。

⑵要與建筑模數(shù)設(shè)計(jì)及模塊組合方式相協(xié)調(diào)，柱網(wǎng)宜控制在9 m以內(nèi)。

⑶應(yīng)設(shè)地下室，地下室頂板應(yīng)高出室外地坪1.5 m 以上或增設(shè)鋼筋混凝土架空層。結(jié)構(gòu)豎向組合柱宜延伸至地下一層或基礎(chǔ)，并在地下室頂板節(jié)點(diǎn)處采取加強(qiáng)或轉(zhuǎn)換措施。

⑷結(jié)構(gòu)凸凹部位、樓電梯間、豎向管井及跨度較大空間等薄弱部分構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)，應(yīng)采取加強(qiáng)措施，提高其抗震能力儲(chǔ)備。

⑸采用防止結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)。利用加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接的組合柱、組合梁、組合墻板、加強(qiáng)樓（屋）面板層以及耗能支撐等構(gòu)造形式，改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布能力，形成超靜定結(jié)構(gòu)體系，保持多條荷載和作用的傳遞路徑，建立可靠的耗能減震儲(chǔ)備，從而保證震后結(jié)構(gòu)安全和整體穩(wěn)定性。

2.3 反向思考

根據(jù)由住宅建筑發(fā)展出來的SAR（Stichting Architeten Research）理論，將建筑分為支撐體和可分體（或填充體）兩個(gè)部分，以實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的安全耐久性和建筑適用功能易變性雙重要求。日本山梨文化會(huì)館（Yamanashi Press and Broadcasting Center）建筑面積18 085 m2，地上8 層，地下2 層，采用4 組共16 根圓筒形結(jié)構(gòu)作為主要支柱，圓筒直徑5 m，由樓梯、電梯、貨梯、衛(wèi)生間和空調(diào)機(jī)房構(gòu)成，柱間距為17.15 m。建筑的超大空間可以滿足報(bào)紙、廣播和印刷等使用功能要求，既保證了各個(gè)企業(yè)運(yùn)營的獨(dú)立性，還考慮到彼此間的有機(jī)聯(lián)系和改擴(kuò)建方便。在各層之間還留出許多空間作屋頂花園，建筑自身構(gòu)成了一個(gè)可以生長和發(fā)展的立體交往空間。由此借鑒，以作為支撐體的永久性構(gòu)架保持建筑的可靠性和整體性，通過構(gòu)架提供的大空間靈活布置箱式模塊組合的功能體，既可以簡化箱式模塊結(jié)構(gòu)形式，又能夠避免箱式模塊建筑由于箱體節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、箱體組構(gòu)剛度和防止連續(xù)性倒塌等方面遺留的問題，實(shí)現(xiàn)“先裝后嵌”的裝配式營造方式。

3 結(jié)語

總之，不論采用何種形式的結(jié)構(gòu)體系，箱式模塊建筑節(jié)點(diǎn)連接的安全耐久性和裝拆效率至關(guān)重要，都直接影響到結(jié)構(gòu)體系的可行性和實(shí)用性。特別對于高層箱式模塊建筑，在不同抗震設(shè)防烈度和風(fēng)壓地區(qū)，其箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、箱體之間組構(gòu)強(qiáng)度及剛度、箱體與非箱體結(jié)構(gòu)協(xié)同受力及剛度分配、抗結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌能力等方面，還需要通過可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求證空間結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析的不確定性。由此采用的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，會(huì)不同程度地增加箱式模塊建筑的建造成本。但是，通過研究和發(fā)展箱式模塊建筑結(jié)構(gòu)體系，提升標(biāo)準(zhǔn)化建造水平，加速裝配式建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，則將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。