模块装配式建筑的研究现状

张彤

摘要：模块装配式建筑是建筑工业化程度最高的一种结构形式，其由多个已完成加工的模块单元拼接而成，整个安装过程仅涉及现场吊装和拼装作业，建造周期短，节省资源，比较适用于具有规则单元形状建筑的建造，本文中对模块装配式建筑的研究现状进行了总结。

关键词：模块装配式建筑;模块化建筑;建筑业

1. 模块装配式建筑的发展趋势

装配式建筑是建筑工业化下的建筑形式，也是一种新型建造方式。相比传统建筑业大量的现场施工作业，装配式建筑的科技含量更高，建造过程快速高效。装配式建筑的发展，在有效降低工期成本和浪费的同时也能显著的提高建筑业的劳动生产率和建筑的质量。

近年来，我国发布一系列政策文件，对装配式建筑的推广提出了明确要求。国务院常务会议审议通过了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》、中共中央印发《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》、住建部《“十三五”装配式建筑行动方案》[1]等文件都强调了要发展新型建造方式并加大装配式建筑在新型建筑中的比例。在政策的引领下，装配式建筑受到越来越多的关注，在实际工程中的应用不断增加。

2. 模块装配式建筑的定义与特点

模块化建筑将结构分为单个房间大小的单元，后在工厂完成对模块单元的建造、室内装饰和水电安装等，再将预制完成的模块单元运送到现场并使用起重机进行吊装，最后连接成结构整体[2，3]。

模块化建筑与传统建筑相比，具有明显的优点[4]。第一，施工质量有保证，可对建筑模块单元的建造质量进行全方面检测，控制误差，减少对现场作业的影响。第二，缩短建设周期，在工厂组装好直接运送到现场进行吊装，显著加快工期，提高建设速度。第三，模块装配式采用工业化的建造方式，施工现场模板、脚手架的用量以及水电的用量将大大减少，施工过程中还可省去抹灰粉刷等工序，也能节约人力物力，而工地噪聲、粉尘灰尘以及建筑垃圾等问题都能得到有效地改善。

3. 模块装配式建筑的研究现状

国外早期对模块装配式建筑的关注集中在建筑造型方面，后期逐渐扩展到使用性能、结构设计和施工细节等方面。

英国萨里大学Robert Mark Lawson[5，6]等在总结模块装配式建筑发展技术的基础上，对多高层模块装配式建筑中的轻钢组合式墙体的抗压性能进行了试验研究，并提出了应用于高层模块化建筑的设计方法。

由于在模块单元在吊装和安装过程中可能会出现局部的应力集中，影响结构的整体稳定性和安全性，加拿大的Jacek Olearczyk[7]等人在总结模块化建筑与传统建筑差异的基础上，合理的给出了模块单元尺寸的建议。

新加坡国立大学Liew[3]指出由于模块化结构节点的灵活性以及制造和施工误差，模块化结构在高层建筑中并不常用，并介绍了高层建筑模块化建中现有挑战，如模块单元的重量和尺寸受到运输和提升能力的限制，现场快速安装技术面临的问题和自动化技术的高成本投入限制了其发展。

相比与国外模块装配式建筑的发展，我国模块装配式建筑发展缓慢，现阶段随着国家政府大力推进建筑工业化、产业化，国内各大高校以及相关建筑企业投入大量资金进行装配式建筑的研究和应用，其中的模块装配式建筑具有良好的应用前景，目前对于模块装配式结构体系的研究主要通过有限元软件数值模拟与试验相结合的方式，围绕模块装配式建筑的结构设计和性能测试，国内学者开展了一定的研究。

天津大学的曲可鑫[8]详细的介绍了目前模块装配式建筑中常用单元的类型、模块结构体系和连接节点形式，并对4层模块公寓样本楼进行了设计分析，为了研究节点刚度对结构体系受力性能的影响，完成了在刚接和铰接两种不同情况下样本楼的动力时程分析和静力分析。

哈尔滨工业大学的向沛国[9]根据中集集团提出开发的高层模块装配式建筑体系提出了一种连接该模块建筑的节点，根据梁柱节点抗弯性能试验分析模块内梁柱节点的抗弯性能及破坏模式，并用有限元软件验证了其正确性，最后通过模块间连接节点的滞回试验研究了在地震作用下的性能。

为了较方便的使用高强螺栓连接相邻模块单元，同济大学的孙瑛志[10]等提出可将槽形截面钢拼接形成模块柱，并通过理论推导了组合柱的换算长细比和截面惯性柱，后建立有限元模型验证了理论结果。

由于普通钢框架的设计方法并不适用于箱式模块化钢框架的设计中，同济大学的曹珂、李国强[11]等推导出了无侧移半刚性连接箱式模块化框架柱的计算长度系数公式，并结合有限元分析验证了理论推导以及分析了影响柱长度系数的因素。

北京大跨度预应力钢结构工程研究中心[12，13]提出了一种新型的模块化梁柱节点，采用试验与有限元相结合的方法，设计了四个足尺模型进行静力和拟静力试验。分别研究了桁架梁弦杆厚度、腹板厚度及焊接质量对节点静力性能和抗震性能的影响。

4. 总结

在我国大力推广装配式建筑的背景下，模块装配式建筑近年来得到了快速的发展，已应用于多个实际工程，相比国外40多年的发展历史，我国模块化的研究起步较晚，目前主要集中于低层模块化建筑的研究，针对多高层模块化建筑的研究较少。因此在政策的引领下，加快装配式建筑的步伐对于整个建筑业的发展是非常重要的。

参考文献：

[1]丁阳，邓恩峰，宗亮等. 模块化钢结构建筑连接节点研究进展[J]. 建筑结构学报，2019， 40（3）： 33-40.

[2]俞宝达，俞宝明. 从模块化建筑到模块化施工[J]. 浙江建筑，2013， 30（5）： 56-59.

[3]Liew JYR， Chua YS， Dai Z. Steel concrete composite systems for modular construction of high-rise buildings[J]. Structures， 2019.57244036-02C4-4759-8D36-246E83708853

[4]Lawson RM. Building Design Using Modules[M]. London： The Steel Construction Institute， 2007.

[5]Lawson RM， Richards J. Modular design for high-rise buildings[J]. Proceedings of the ICE - Structures and Buildings， 2010， 163（3）： 151-164.

[6]Lawson RM， Ogden RG. ‘Hybrid light steel panel and modular systems[J]. Thin-Walled Structures， 2008， 46（7-9）： 720-730.

[7]Olearczyk J， Al-Hussein M， Bouferguene A， et al. Virtual construction automation for modular assembly operations[C]. Construction Research Congress 2009： Building a Sustainable Future. 2009： 406-415.

[8]曲可鑫. 鋼结构模块化建筑结构体系研究[D]. 天津：天津大学，2014.

[9]向沛国. 装配式模块化建筑节点试验研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[10]孙瑛志，杨晓杰，陆烨，等. 模块建筑槽钢组合柱长细比与截面惯性矩研究[J]. 钢结构， 2016， 31（5）： 1-5.

[11]曹轲，李国强，陆烨. 无侧移半刚性连接箱式模块化框架的稳定分析[J]. 建筑科学与工程学报，2016， 33（1）： 83-89.

[12]Liu XC， Xu AX， Zhang AL， et al. Static and seismic experiment for welded joints in modularized prefabricated steel structure[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2015， 112： 183-195.

[13]Liu XC， Pu SH， Zhang AL， et al. Static and seismic experiment for bolted-welded joint in modularized prefabricated steel structure[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2015， 115： 417-433.57244036-02C4-4759-8D36-246E83708853