多高层模块化钢结构建筑技术研究与工程实践

本文转载自公众号：标准院钢结构，作者：李竞远多高层模块化钢结构建筑技术研究与工程实践目录

本文转载自公众号：标准院钢结构， 作者：李竞远

多高层模块化钢结构建筑技术研究与工程实践

目

录

01	发展现状
02	主要技术问题
03	工程案例
04	正在开展的工作

01. 发展现状

· 装配式钢结构建筑 具有轻质高强、抗震性能好、施工周期短、绿色环保、便于工业化生产、可循环利用等优点，符合建筑行业 绿色、低碳发展方向 ，得到国家政策的大力支持。 模块化钢结构建筑 作为其中重要组成部分，受到越来越多的关注。

· 模块化钢结构建筑 符合 建筑工业化 和 绿色建筑 的发展要求， 建筑集成 效果好、 工厂化 程度高、 建设周期短 、对周边 环境影响小 ，适用于酒店、学校、医院、办公楼、住宅等项目，特别在 应急防疫 酒店等对 建设速度 和 功能完整性 要求极高的建设项目中，更能发挥出其独特的优势。

· 2023年4月28日 ， 中央政治局 召开的 经济形势和经济工作会议 上，提出了在超大特大城市积极稳步推进城中村改造和 “平急两用” 公共基础设施建设。模块化钢结构建筑 易建造、易拆改、易回收 ，在这项工作中有 突出优势 ，应用场景有望进一步拓展。

PART/ 1

体系特点

PART/ 2

国外发展情况

模块化建筑于上世纪60年代最早出现于欧美、日本等国，发展出了 混凝土 模块化建筑、钢结构模块化建筑、 集装箱 式模块化建筑等多种形式。

钢结构模块化建筑 被广泛应用于酒店、住宅、公寓、学校的建设中，典型工程案例如：东京中银舱体楼、纽约住宅大厦、布鲁克林单身公寓、卡斯尔大学学生公寓等。 纽约住宅大厦 是目前世界上最高的模块建筑，共32 层，采用了模块+钢框架-支撑结构体系。

· 东京中银舱体楼

· 纽约住宅大厦

· 布鲁克林单身公寓

PART/ 3

国内工程情况

在国内，钢结构模块化建筑最初多用于工地临时办公用房、临时安置房、展示厅、临时医疗诊所等 临时性建筑 ，这类模块多采用 可拆装 的箱体结构，通常自重较轻，可整箱运输，也可 拆解后打包堆叠 ，运输十分方便。

近年来，钢结构模块化建筑被 越来越多 地应用于公寓、酒店、办公楼、学校等 永久性建筑 ，这类模块为了获得更加稳定的承载能力，通常采用 刚接梁柱 ，模块主体结构 不可拆装 ，建筑模块在工厂内有 更高的完成度 ，采用 整箱运输 。

在国内，钢结构模块化建筑常见于办公、医疗、酒店、公寓、学校等建筑平面 标准化 程度高、对 建设速度 又有较高要求的项目中，根据建设高度、环境条件和建筑效果等，通常采用 叠箱结构、叠箱-抗侧力结构 、嵌入式结构等。

雄安市民中心-临时办公区： 叠箱结构（3层）

深圳福田区幼儿园： 叠箱结构（3层）

多层模块酒店： 叠箱-框架（7层）

烟台莱山健康驿站： 叠箱+框架-支撑（20层）

镇江港南路公租房小区： 叠箱-核心筒（18层）

湖南农业大学神农英才公寓： 嵌入式（8层）

02. 主要技术问题

PART/ 1

国内标准情况

国内现行的钢结构模块化建筑相关标准包括 1部行业标准、多部 CECS标准和多部地方标准，涉及的内容和做出的要求均有一定差异。

2022年6月，住房和城乡建设部印发了 《装配式钢结构模块建筑技术指南》 ，主要内容包括：项目策划、建筑设计、结构设计、室内装饰装修与设备管线设计、制作与运输、现场安装与拆除、质量检查与验收、维护与管理，涵盖了建设过程方方面面，对现有规范内容进行了一定的梳理。注重 完整性、先进性、可操作性 ，对指导工程实践有较高价值。

PART/ 2

抗震要求

抗震相关要求对结构的安全性、经济性和施工便捷性影响显著，目前国内针对模块化钢结构的规范对模块化建筑抗震的要求不尽相同，高钢规、钢规等直接套用又有适用性的问题，很大程度上需要设计师自行把控，体现在：

最大适用高度

抗侧力结构 的形式、布置，模块与模块之间，模块与抗侧力结构之间的 连接构造 等都对结构抗震性能有显著影响，特别在目前各家节点连接方式及性能 各不相同 的情况下，结构最大适用高度限值 仍需深入研究

抗侧力体系

因目前研究和工程经验较少，对钢结构模块化建筑应该按 单重体系 还是 双重体系 来计算仍有争议，完全不考虑叠箱的抗震贡献似乎过于保守，特别在高层模块化建筑应用中会造成成本的大幅增加.

地震剪力分配

叠箱-抗侧力体系地震剪力分配调整有 2种思路 ，一是模块部分单独调整，二是模块部分与非模块部分框架共同调整，二者的合理性取决于叠箱与抗侧力结构的 协同工作 能力，又受到两部分 规模比例 的影响，仍有待深入研究

性能化设计

目前钢结构模块化建筑性能化设计要求 尚不明确 ，主要参考传统钢结构建筑设计习惯进行，具体计算要求见仁见智，尚无统一标准，实际操作难度较大。

PART/ 3

结构体系

钢结构模块化建筑的结构体系主要根据 抗侧力体 系的不同进行划分，通常可分为纯 叠箱结构、叠箱-抗侧力结构、嵌入式结构，叠箱-底部框架 结构从抗侧角度本质属于叠箱结构。

纯叠箱结构仅靠钢结构模块抵抗地震作用，建筑高度一般不 超过3层，多高层建筑 应采用叠箱-抗侧力结构或嵌入式结构。叠箱-抗侧力结构中可采用 框架、框架-支撑、核心筒 等作为抗侧力结构与叠箱共同承担地震作用，嵌入式结构则有外部骨架结构承担全部地震作用，钢结构模块主要发挥 建筑集成、工厂预制 作用，荷载工况更统一，有潜力实现最大程度的标准化。

叠箱-抗侧力结构是目前多高层模块化建筑最常见的结构形式，模块嵌入式结构用于高层更加可靠，具备房间可更替潜力。

PART/ 4

箱体间连接

钢结构模块箱体间 的连接分为 竖向连接和水平连接 ，钢结构模块化建筑相关标准推荐的箱体间连接形式多体现在竖向连接方式的不同，主要可归纳为 螺栓连接、拉杆-抗剪键连接、自锁式连接、灌浆连接 等。

螺栓连接、拉杆连接、自锁式连接等多认为是铰接节点，灌浆连接经设计加强和试验验证可实现刚接性能。

水平连接 通常采用能够释放竖向位移的构造，通常采用水平钢板拉接。

现场施工便捷性

模块化建筑追求快速建造，应避免采用 焊接量大、构造复杂 、安装误 差敏感性大 的节点构造

多模块连接可操作性

节点设计应考虑 多模块安装 时的 可操作性 ，最多时一个节点连接上下层共8个模块

尽量保证箱体的完整性

模块单元通常为 全装修 ，节点安装方法尽量不要破坏墙体，需要克服缺少施工空间的问题

PART/ 5

设计流程

预制构件深化设计、二次机电深化设计、装修深化设计等工作应前置。

模块化建筑工厂生产与现场施工双线并行，建筑模块的高完成度决定了内装设计是与建筑设计、结构设计、机电设计同步推进的，以保证建筑模块的工厂预制进度。

CASE TWO.

烟台莱山健康驿站

主要建筑功能与功能转化

疫情期间，健康驿站的建设关系人民群众身体健康，关系城市经济发展。

为满足国家防疫政策要求，确保工期，确保质量，同时充分考虑 “平时、医疗” 功能切换。

烟台莱山健康驿站项目

塔楼采用 钢结构模块+钢框架-支撑体系 ，地上5~20层标准层布置钢结构模块，钢结构模块布置在 L形平面的外侧 ，钢框架-支撑部分为钢结构模块提供面外支承。

由于模块柱跨较小（3.9m），地上4层设置转换层，4层以下为钢管混凝土框架-支撑结构，15层以下设置BRB。

模块化建筑结构具有“ 双梁、双柱、双板 ”的特点，灌浆节点位于钢结构模块角柱处，通过 内插钢管连接件 与C120 灌浆料 连接 上下箱体 ，通过 水平连接钢板 连系 左右箱体 ，走廊钢构件也连接在灌浆节点水平连接钢板上，从而建立与箱体的约束关系。

本工程上下钢结构模块柱采用灌浆节点的连接方式，布置栓钉的灌浆连接件焊接在 连接钢板 上，形成对上下箱体和左右箱体的连接， 节点区柱壁加厚 。针对本工程涉及箱体和节点规格开展了有限元分析，结果表明，该灌浆节点用于本项目能够实现模块上下框柱 刚接，抗压、抗弯等强，抗剪、抗拉承载力满足设计要求 并有较大富余。