介绍
模块化建筑是对建筑行业几十年来存在的各种预制技术的改进，是将这些技术整合成更全面解决方案的平台。模块化建筑因其施工速度快、现场工作量小等特点，逐渐成为现代建筑行业更受欢迎的施工方式。钢材在模块化结构中得到广泛应用，具有安装方便、重量轻、适合拆卸等特点。随着中国钢铁行业的持续快速发展，钢材在模块化建筑等现代建筑技术中的应用将为中国和国外带来巨大的利益。
图 1 显示了模块化建筑与其他类型建筑所需的劳动力和施工时间。
图1 模块化施工现场所需劳动力及施工时间
预制模块结构具有以下特点：
1）建筑预制构件包括楼梯、电梯井、立面、走廊等。
2）模块化组件在质量受控的生产设施中批量生产。组件单元的长度、宽度和高度可能因项目而异，还受现场运输、起重和搬运等因素的影响。
3）现场施工对劳动力的要求低，将建筑施工从以劳动力为主的作业转变为以流程为导向的制造和装配过程，减少了施工现场的拥堵和污染。
4）模块可拆卸，方便重复使用或搬迁。预制模块的可重复使用性极大地影响了模块化建筑的生命周期能耗。
5）模块化建造使施工时间缩短50%以上，保证项目客户更早获得收益。
6）施工过程不易受到恶劣天气的影响。
模块化钢结构建筑
小英雄大厦
2010年6月竣工的澳大利亚墨尔本低层公寓楼“Little Hero”就是典型的模块化建筑（图2）。该建筑由58个单层钢架模块和5个双层模块组成。该建筑位于墨尔本CBD（中央商务区），施工入口非常狭窄。8个模块化楼层在8天内组装完成，展现了模块化建筑的诸多优势。它是澳大利亚最早的多层模块化建筑之一。
图2 小英雄大厦
拉筹伯大厦
这是位于墨尔本CBD的44层住宅公寓（图3），高133m，是世界上最高的模块化建筑之一。该项目于2016年底竣工，历时19个月。整个施工期都在夜间进行，减少了对周边地区的干扰。该项目采用钢制预制模块作为混凝土填充墙的主要结构框架。墙体的钢筋连接到一些预制模块上，现场组装后再填充混凝土。
图 3 拉筹伯塔
学生宿舍楼
这栋25层的公寓楼仅用了27周的时间就完成了现场施工。Lawson等人的研究显示，对于传统的场地密集型项目来说，可以节省50%的现场施工时间钢结构土建施工组织设计，建筑垃圾也可以显著减少。因此，模块化技术不仅节省时间，而且更环保。
One9 公寓大楼
这是一座10层的模块化建筑，建于澳大利亚墨尔本内郊区，由34套公寓组成，旨在提高能源效率和居住舒适度（图4）。场地受附近大型购物中心的限制钢结构土建施工组织设计，地面的模块化地板在5天内就组装完毕。该项目展示了可持续建筑的特点，并获得了澳大利亚绿星6星评级。模块化建筑在这个项目中证明了其多方面的价值。
图 4 One9 公寓大楼
卡特里娜飓风过后的住房
2005 年卡特里娜飓风灾难后，巨大的住房需求促使人们广泛研究改进以前使用的“FEMA 拖车”和建造模块化临时住房。Marianne Cusato 开发了这种模块化住房，因此得名“卡特里娜小屋”。它的安装面积为 27.8m^2。该计划后来经过改进，包括 20 种不同的小屋模型，为未来的扩展提供了更永久的住房解决方案。
中国钢结构模块化建筑
钢结构模块化建筑项目
模块化建筑在中国庞大的建筑市场中早已占据重要地位，与此同时，中国的模块化建筑在海外项目中也得到广泛应用，如英国、美国、澳大利亚、许多非洲国家以及邻近的亚洲国家。中集集团（南通中集）是中国领先的模块化制造和出口企业之一，在全球拥有4家工厂。他们最新的项目于2019年初完工，是位于英国纽卡斯尔的学生宿舍项目，使用789个模块建造6栋4-9层的学生宿舍（图5）。这个项目如果采用传统建筑技术，需要3年以上才能完成，但采用模块化技术，大约用了2年时间，节省了30%以上的时间成本。
图5 英国纽卡斯尔学生宿舍
2016 年，中国模块化建筑公司 XCube 在中国云南建造的一座豪华酒店。在这个项目中，八个模块的安装仅需一周的现场工作，因为所有模块几乎 100% 完全装修和调试完成。
图6 酒店模块化组装
中国钢结构行业
钢铁作为材料对于开发有效的模块化解决方案非常必要。在这方面，拥有强大的钢铁行业是一个巨大的优势，尤其是考虑到运输和税收方面的财务节省等优势。如图 7 所示，中国钢铁产量在过去 10 年中增长迅速。
图7 2010年至2019年中国钢铁产量
从全球来看，中国是领先的，如图8所示，2018年中国对全球钢铁产量的贡献为49%，其近一半的钢铁产品用于建筑行业。因此，强大的钢铁行业可以很好地促进预制模块化建筑行业的发展。
图8 主要钢铁生产企业及使用行业
钢结构模块化建筑结构体系
模块化建筑的结构体系主要有两种类型，具体取决于其承载和传递载荷的方式：
承重模块系统 - 这些模块的墙体结构足够坚固和连续，可以将重量转移到下面的模块，并最终转移到地基上（图 9a）。墙体用钢支架加固，有助于防止在工厂内移动和搬运、卡车装卸、运输和现场起重和搬运等临时情况下发生变形。这种结构系统适用于低层建筑。
角撑模块系统 - 模块中的角柱承受地面荷载并将其传递到下方的柱子（图 9b）。如果结构连接设计得当，该系统还可以抵抗地震作用和风荷载等水平荷载，非常适合多层建筑。
图9 两种模块化结构体系
结论
模块化建筑为设计师、建筑商和开发商提供了一种在短时间内实现具有挑战性的项目的方法。改进的角撑系统为设计师提供了空间布置的灵活性。模块的整体几何形状、刚度和重量需要满足起重、运输和组装的标准，以适用于任何预制或模块化结构。在实现这一点方面，钢材作为一种材料在生产通用结构部件方面发挥着至关重要的作用。
中国强大的钢铁产业可以使其在国内和国际模块化行业占据主导地位，原材料和钢铁产品的本土供应可以有效降低能源消耗，提高建筑系统的可持续性。这些因素可以很好地支撑中国模块化行业目前的上升趋势。
总体而言，模块化技术极大地改变了现代建筑，首先是高效的场外制造 (OSM)、原型设计和装配系统，这些系统试图使现场活动更安全、更高效。这种面向制造和装配的设计 (DfMA) 概念正在通过创建性能更好的模块化系统迅速发展建筑行业，这些系统将更快地实现项目并为建筑商和投资者创造更高的利润率。
在技术工人资源不断减少、劳动力不断老化的时代，投资预制和模块化技术将是一个非常明智的决定，尤其是对于建筑业一直是劳动力大军的地区（如南亚和东亚）的建筑商而言。通过工厂导向的流程和最低限度的现场成本，建筑商还将从各种规模经济中受益。钢结构的可重复使用性为材料的可用性和成本增加了另一个维度。除了快速施工外，它还将为训练有素的建筑技术人员创造更注重质量的施工实践和更安全的工作环境。
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关于作者
萨拉卡·古纳瓦德纳
墨尔本大学基础设施工程系研究员
墨尔本大学 ARC 预制房屋先进制造中心成员。其研究兴趣包括有限元分析、结构分析、结构动力学、地震工程、应用和计算数学等。曾参与澳大利亚和海外的多个预制模块化建筑项目，研究多层预制模块化建筑在地震下的性能、钢制模块化建筑及其在中国建筑行业的适用性、以及异地制造在澳大利亚公共基础设施项目中的有效利用。
普里扬·门迪斯
墨尔本大学基础设施工程学院教授
他是工程结构先进防护技术组织负责人、2004年至2011年安全澳大利亚ARC科研组织网络召集人及负责人、ARC预制房屋先进制造中心主任，以及工程学会、澳大利亚混凝土协会、美国混凝土协会会员。
长期从事结构火灾行为、高强混凝土/高性能混凝土、基础设施耐久性与建模、新型建筑与国防材料、可持续发展基础设施、纳米技术在建筑业的应用、结构生物工程等研究，参与了迪拜塔、中国上海中心大厦等许多重大国际建设工程的建设。
