钢结构模块化建筑的实践与探索
——以北京市亦庄的N20蓝领公寓项目为例
李志武
中建集成科技有限公司
本文以北京市亦庄N20蓝领公寓项目为例，从对装配式钢结构模块化建筑历史发展和应用场景的分析出发，总结了现阶段我国模块化钢结构技术标准的主要内容，并对不同建筑高度下钢结构模块化结构体系方案的选择给出了建议。通过分析N20项目在模块化技术应用过程中的实践和探索，提出了现阶段模块化建筑实践和探索过程中存在的问题和思考，为我国模块化建筑这种新型工法的发展提供了解决方案。
【关键词】钢结构模块化建筑;应用场景;结构方案比较和选择;模块化结构的技术标准
模块化建筑，特别是那些由三维空间模块化单元组成的建筑，属于建筑技术的进口。由于现代工业的发展，建筑业的工业化也随之而来。在美洲、欧洲、亚洲和其他经济发达国家，已经出现了许多模块化建筑案例。随着中国国民经济的快速发展，近年来，特别是 21 世纪 10 年代之后，许多模块化建筑项目如雨后春笋般涌现。目前，以国内规模最大、产品化程度最高、抗震设防要求最高的北京市亦庄N20蓝领公寓项目为例，阐述了项目实践过程中的一些思考。
模块化建筑概述
1.1 模块化建筑应用场景分析
与传统的钢结构和混凝土建筑相比，模块化建筑的应用范围相对有限。从基于理性的前提的情景分析角度来看，模块化建筑的主要应用场景是五个方面：快速建设、缺乏常规施工资源、拆除和重建要求、建筑资源远程配置、施工场地条件有限。从上述应用场景来看，主要是由模块化建筑的技术属性和特点决定的。
1.1.1 快速施工的应用场景
这
模块化建筑之所以能够快速建造，根本原因是由于高度的集成和工业加工制造。常规的施工方法，无论是现浇钢筋混凝土框架体系、剪力墙体系，还是钢结构框架体系或框架体系等，由于集成程度的高低，必须遵循顺序施工的系列化模式，即先主体结构，后次结构，最后按顺序进行内置机电安装。前一项的构造是后一项的前提和载体，不能绕过。例如，假设按照常规串联模式建造一栋建筑，土方和基础的施工时间为 1 个月，地下室的施工时间为 1 个月，地上主体结构的施工时间为 2 个月，挡土墙中隔墙的施工时间为 2 个月， 室内装饰和机电施工时间为 2 个月。采用模块化施工方式，土方、基础施工时间仍为1个月，地下室施工时间仍为1个月，但在土方开挖、地下室施工的同时，组件加工厂开始组件的加工制造，充分利用2个月的土方、地下室，在地面上完成所有组件的加工制造， 然后在正负零后开始模块的吊装和安装工作。安装时间为0.5个月，机电管道连接和收尾工作预计为0.5个月，即采用模块化施工方式，同一栋建筑只需要3个月，仅相当于传统串联施工方式的50%，节省近一半的施工时间，达到快速施工的目的， 如图 1 所示。
图 1 传统和模块化施工时间的比较
1.1.2 资源稀缺的应用场景搭建
施工资源稀缺的应用场景通常发生在偏远地区;高海拔地区、气候恶劣的地区、海洋中的小岛屿地区等。上述资源一般是由于地理、海拔、环境、气候等因素导致常规建筑资源稀缺或稀缺，如建筑机械设备、建筑材料、建筑工人，即所谓的人机材料。按照传统的建设模式强行配置资源，会导致不经济和工期的延长。
1.1.3 需要拆除或异地重建的应用场景
具有重复拆装要求的应用场景适用于这种模块化施工模式。模块化装配化程度高，结构连接节点与机电管道系统之间的连接为装配模式。这种施工和连接的方法自然满足了拆除和场外重新组装的要求。现有的模块化施工技术可以满足20年内重复拆装6次的要求北京拆除钢结构，单次拆装损耗率不超过5%。
1.1.4 建筑资源重新分配的应用场景
建筑资源重新分配的应用场景，本质上是由于全球经济发展不平衡、建筑业发展饱和以及劳动力成本逐渐增加造成的。在此应用场景中，模块化单元的运输趋势一般从劳动密集度较高、劳动力成本低、工业生产条件较多的地区流向经济较发达、劳动力成本高、常规建筑成本高的国家和地区。市场经济的接力棒将有意识地引导项目决策者选择这种新的施工方式进行建设。
1.1.5 现场施工条件受限的应用场景
在施工条件受限的应用场景中，模块化施工的应用也更加充分。一个典型的案例是，现阶段我国在对大量老旧小区进行改造过程中，由于老旧小区场地狭窄，且老旧改造的建筑与周边建筑彼此靠近，常规的施工模式存在噪音、废水、 以及周边地区的废物。模块化集成施工模式更好地解决了场地问题和环境影响问题，得到了社会的广泛认可。
1.2 我国模块化建筑技术标准概述
我国国内模块化建筑技术标准体系的建设已经做了大量的基础工作。技术标准和参考图集的颁布实施，为模块化建筑的推广应用提供了相关技术支持。但是，除了大量的工作外，我们还应该实事求是，到目前为止，我国还没有出台国家标准级别的模块化建筑技术标准，相信在不久的将来，随着新国家标准模块化建筑技术标准的发布和实施，我国模块化建筑的发展将迎来更广阔的发展前景。通过不同标准之间的对比，不同的标准对相同的技术方案给出了不同的解释和要求，从对比来看，大部分内容是相互协同的，但也有一些规定在要求上存在一定程度的差异。在执行标准的过程中，还需要大胆思考，谨慎选择。
1.3 低层、多层、高层建筑模块化建筑结构体系选型建议
那里
是模块化建筑提高建筑高度的趋势。对于低层建筑，尤其是三层（含）以下的建筑，在采用模块化施工方式时，应优先采用纯堆箱方案，这样可以充分发挥模块化快速施工和集成集成的优势。同时，也应该客观地看到，在一定的设计条件下，需要将一楼的高度抬高到超出模块单元的高度要求之外，因此这些部分可以采用钢结构框架与垂直方向叠箱模块系统相结合的结构方案。从建筑风格、屋面防水节能的角度来看，经常出现屋面倾斜的情况，可以将屋面倾斜叠加为三角屋面模块和下部钢结构模块。为了建筑建模，会有一些凸凹块，这种建筑的表现形式在结构体系上可以采用凹凸造型的低层模块化建筑方案。
在模块化建筑在多层建筑中的应用，特别是在10层以下的情况下，目前被认为在满足结构计算的同时，最大程度地优化经济指标。电梯厅等建筑区域应优先使用钢框架或钢框架支撑系统，使整体结构系统形成由框架/框架支撑系统和模块箱组成的结构系统。
对于10层以上的高层建筑，一般普遍采用类似于传统高层建筑结构的框架-筒系统，即中间设置混凝土核心筒体，围绕核心筒体布置钢结构模块。这种高层模块系统由于底部模块需要支撑上层数量较多的模块的重量，因此底部模块的构件尺度必然比较粗壮，甚至可以在模块单元的角柱处浇筑混凝土，以提高立柱的抗压承载能力北京拆除钢结构， 并且大量的模块叠加，导致下、中、上三部分需要划分成不同类型的模块，这也导致了模块标准化程度的显著降低。另一个需要面对的问题是，大量的模块单元叠加，在实际的现场施工和安装中，安装公差积累的偏差会在中上部形成非常大的绝对偏差，总偏移量不能满足箱体和气缸的连接要求。
这种类型的高层模块化建筑，基于目前的思路，更推荐采用由巨型钢框架和钢筋混凝土组成的框架和管系统。巨型框架填充高度标准化的模块单元以形成一个子结构，类似于模块填充的“抽屉式”方法。与纯堆箱系统相比，它解决了结构受力问题，也解决了大量堆箱的施工和安装公差堆积问题。同样，没有一种放之四海而皆准的系统解决方案是完美的。在巨架系统与圆柱体结合的系统中，还需要解决巨架梁柱与模块单元下部结构结合的问题，巨架层高不一致的问题，巨架外围护系统的问题。
北京市亦庄N20蓝领公寓项目实践与探索
2.1 项目概况
北京亦庄N20蓝领公寓项目（以下简称N20项目）是市政府2021年安排的七套“疫情救助组合”保障性租赁住房之一，如图2所示。N20项目按照应急救援救灾项目建设，建成后可提供1810间标准隔离房（每间使用面积约28平方米）;疫情过后，作为人才公寓，将为经开区工业技术人员提供住房保障。项目施工地点位于北京市经济技术开发区鲁南区瑞和东二路与荣兴街交叉口东北侧。占地面积 33500 平方米，容积率 2.7，总高度 33 米，总建设规模 120000 平方米。项目采用 EPC 模式，合同期限为 288 个日历日。设计方案如图 3 所示。
图 2 总体规划
图 3 N20 项目设计图
2.2 应用场景分析及技术系统对比
N20 项目是一种需要快速建设的应用场景。在方案设计初期，重点考虑的是多种施工方法的选择和比较，可以选择的结构体系包括：现浇钢筋混凝土框架结构、现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构、装配式整体框架结构、装配式整体式剪力墙结构、装配式整体框架现浇剪力墙结构、钢结构框架结构、 钢结构框架-支撑结构、钢结构纯模块化结构、模块-钢框架混合结构等。由于现浇钢筋混凝土框架结构和现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构施工周期长，且为冬季施工，跨过春节，不能满足工程对工期的要求;整体框架结构的拼装、整体剪力墙结构的拼装、整体框架-现浇剪力墙结构的拼装可以缩短工期，但经市场调研，预制构件的供应不能满足本项目短时间内大量构件的供应要求;钢结构框架结构和钢结构框架支撑结构施工速度快，结构主体封盖早于钢筋混凝土结构体系，但考虑到围护、室内装饰和机电安装，仍不能满足总工期的要求;钢结构为纯模块化结构，集施工、机电、室内装修于一体，大部分工作可在工厂内完成，仅预留部分接口现场安装，施工速度快，可满足总工期的要求，但纯模块化结构的最大层数和适用高度不能满足本工程的要求;模块化钢框架复合结构系统具有纯模块化钢结构的优点，同时适用于层数和最大高度，以满足本项目的需要。结构本项目的特点，经过多种方案的比较和选择，本项目更倾向于采用模块-钢框架复合结构体系，具体筛选流程详见表1。
表1 结构方案筛选对比
2.3 钢结构模块化建筑结构设计方案
图 4 模块化结构布局（左）和垂直布局（右）。
图 5 模块单元的示意图
模块单元的平面和垂直布局，首层高度为 4.2 米，标准模块高度一般控制在 3.6 米以内，以满足运输要求。二~九层高度为3.3米，功能室为标准间，便于使用标准模块化设计，满足工期要求。标准模块的尺寸（长×宽×高）为 10.15×3.58×3.3，每个标准模块包含走廊、客房和阳台，如图 4 所示。模块单元的原理图如图 5 所示。整体模块结构如图 6 所示。
图 6 整体结构体系
这
结构节点 连接 结构 N20 项目是该项目连接的关键，如图 7 所示。
图 7 模块节点连接的基本结构
N20项目整体结构体系各模块元件之间的结构节点连接计算假设为：模块单元垂直上下部分之间采用柱底铰链;水平连接刚性杆的两端铰接在模块单元之间。模块单元之间以及上下模块之间的垂直压力通过模块单元的角柱传递，上下模块之间的拉力和水平剪切力通过摩擦式高强度螺栓连接传递;模块之间的水平剪切力通过高强度螺栓和连接板传递。模块与框架支撑之间的弯矩和竖向力不相互传递，水平剪切力是由连接板和螺栓组成的连接节点，由模块传递到框架支撑。模块元件之间连接的计算假设如图 8 所示。
图 8 模块元件之间连接的计算假设
N20 项目的一些典型真实场景，如图 9 所示。
图 9 正在运行的 N20 项目
现阶段模块化建筑实践与探索过程中存在的问题与思考
3.1 机电管道接口与机电一体化存在的问题
在模块化建筑的实践和探索过程中，更多的关注点放在模块化结构的方案和连接结构上，存在一定程度的“重结构、轻机电”问题。模块化建筑的施工方法决定了现场吊装安装后主要要做两个方面的工作：一是涉及结构受力的结构节点的连接，二是机电管道的接口和连接。模块化建筑结构连接技术的研发相对比较充分，行业关注度也很高。另一部分工作，即适应模块化技术体系的机电管道接口连接技术，仍然是最传统的实现方式。业内很少有接口技术能够高效、快速，甚至快速拆解和组装。这与模块化建筑相对利基的市场有关，但无论是模块化技术还是常规建筑，机电系统安装技术的进步和速度都略微滞后。适用于模块化建筑的机电接口技术的特点应该是：一是在满足管道安装质量和使用安全的前提下实现快速连接;二是需要具备快速安装连接、快速拆卸的功能;三是应重点研发强电与桥梁、给排水管道之间的管道接口技术。
3.2 更高效的节点连接方案的问题
我国钢结构模块化结构的接头连接技术方案的主流做法是螺栓连接的方案，也采用了少量焊接或结合预应力钢结构技术的接头连接做法。现有的节点连接方案需要进一步提高节点连接的简单性和效率。螺栓连接的解决方案应集中在系绳孔的对齐问题上。螺栓孔对中应侧重于工厂加工制造环节的加工公差和现场施工安装环节的安装公差，工厂与现场存在正负公差积累的问题，负负公差和正公差的积累如果没有实现它们之间的公差协调， 最终的螺栓孔对中必然存在射孔障碍物的问题，必须引起重视。对于创新结构节点连接的研发，应坚持复杂问题化简的原则。目前，结构节点的连接结构比较复杂，应从连接介质或连接材料方面开发更多创新的连接结构和连接方法。例如，使用新型高强度永磁材料（如 NdFeB）的磁节点连接方案可以作为一种扩展和开放思路的尝试。
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