湖南建投集团钢结构模块化建筑预埋
箱架组合结构体系的技术创新与实践
文/陈浩、黄伟、王晓翔
第一作者为湖南省建设投资集团有限公司。
副总经理
钢结构模块化建筑由于主要结构材料采用钢材且可回收利用，成为模块化建筑的重要发展方向。湿作业少、结构重量轻、绿色低碳性能优良。
01
在新型建筑工业化的政策背景下，工业化程度高、组装率高的模块化建筑受到广泛关注。模块化建筑可以实现建筑、结构、机电、装饰在工厂内一体化生产。施工现场只需整体吊装和节点连接即可形成结构体系。施工速度快、精度高、质量优良。是一种具有巨大发展潜力的新型建筑。系统。
钢结构模块化建筑由于主要结构材料采用钢材且可回收利用，成为模块化建筑的重要发展方向。湿作业少、结构重量轻、绿色低碳性能优良。
受模块化建筑本身特点、道路运输尺寸限制、施工吊装对模块化单元内部装修的影响、市场需求和经济要求等因素的限制，现有模块化建筑工程应用仍主要集中在工程项目部门和临时展厅。 、应急保障住房等临时建筑，大部分为低层建筑钢结构检验批，永久性模块化建筑项目十分有限。
为将钢结构模块化建筑应用于永久性建筑，开展钢结构模块化建筑嵌入式箱架组合结构体系的研发，并完成示范工程应用，以期推动发展钢结构模块化建筑产业。
02
钢结构模块化建筑预埋箱架组合
结构系统示范工程概况
湖南农业大学教职工公共租赁住房项目位于湖南省长沙市，总建筑面积3853.73㎡，其中容建筑面积3824.08㎡，高度23.94m，地上8层。采用钢结构模块化建筑嵌入式箱架组合结构体系。共有388个钢制模块单元。
该项目于2021年2月完成建设报批，主要建设工期为2021年7月至2022年1月。施工期间使用了两台汽车起重机。钢架、箱体依次吊装，2022年5月完成流水施工作业，交付使用。
该项目是全国首座通过建设行政审批的嵌入式钢结构模块建筑。也是国内最高的永久性嵌入式钢结构模块建筑。荣获2022年度湖南省装配式建筑产业示范项目。 （图1）
▲图1 建筑效果图与实景图
03
钢结构模块化建筑预埋箱架组合
结构系统的基本原理和设计分析方法
嵌入式箱架组合结构体系是公司自主研发的新型钢结构模块结构体系。该体系与住房和城乡建设部颁布的《装配式钢结构模块施工技术导则》中的模块-钢框架结构体系不同。 ，两者比较见表1。
▲表1 嵌入式箱-框架组合结构体系与模块-钢框架结构体系对比
这种结构体系的基本原理是：钢框架形成一个自成体系的结构体系，并提供竖向承重和侧向抗力能力。工厂预制、全装修的钢模块单元在现场吊装并嵌入钢框架中。
根据结构体系的特点，建立了嵌入式箱架组合结构体系的总体设计分析方法。模块单元作为负载施加到钢框架上。不考虑模块本身对整体结构的侧向阻力贡献。计算以普通钢框架结构的设计计算为基础。 ，计算原理清晰，结构计算简单，结构安全性高。
在此计算假设下，模块只需满足其自身的结构稳定性和吊装相关要求，模块本身结构简单；模块与框架之间的连接节点只需能够完成基本的力传递，可设计为铰接式，节点结构简单。
这种结构体系可以大大简化结构计算。同时，由于没有考虑模块本身的侧阻贡献，结构安全冗余度高，经济性不高。
同时，在施工过程中，由于模块单元嵌入钢框架内，对现场施工精度和组织协调都有很高的要求。
04
钢结构模块化建筑预埋箱架组合
结构体系设计与施工关键技术
平面模块化单元划分。
模块化建筑中平面模块化单元的划分至关重要钢结构检验批，应遵循模块化、标准化、少规格、多组合的原则，充分发挥模块化建筑的优势，提高其经济性能。
本项目为住宅项目。原设计方案为传统钢结构住宅，后调整为钢模块建筑。由于总体平面图和单元类型已经确定，平面模块单元的划分只能在有限的情况下进行。
限于原设计方案，最终总共使用了388个模块，分为19个模块规格。规格过多，增加了生产加工和质量控制的难度，影响了模块化建筑的经济性。
结构系统分析和箱架连接节点设计。
该项目采用嵌入式箱架组合结构体系，并按照既定的设计分析方法进行结构设计分析。
箱体与框架的连接采用铰接节点设计。节点满足基本的极限功能和传力要求，保证现场施工快速便捷，充分发挥模块化建筑的施工速度优势。
模块化单元建筑墙体聚苯乙烯颗粒混凝土浇注工艺。
聚苯乙烯颗粒混凝土的轻质保温应用于建筑墙体可以解决保温空心的问题。同时还可以紧密包裹钢骨架，提高骨架的稳定性、防火防腐性能。
为了保证浇注致密，通过实验确定了三种浇注工艺。
首先，底板和墙体一次浇注。底板一次性浇注到位。墙体首先浇注至1米高度，养护6小时。
然后进行墙体的第二次浇筑。墙体浇注至2米高，养护6小时。
最后将墙浇筑了三遍。墙体浇筑至完全完成并固化6小时。
浇注墙板时，浇注时要用橡皮锤快速敲击水泥纤维板，防止混凝土出现空鼓或蜂窝。
模块单元间接缝的防火设计。
对于门洞、走廊、箱体之间的屋顶和地板接缝等，《预制钢结构模块施工技术指南》要求采用不燃材料进行填充和密封，但没有规定具体的施工方法；自主研发设计的全套防火接头密封结构采用双层0.3mm镀锌钢板夹20mm硅铝酸盐纤维毯。根据实际缝型完成防火密封结构设计，保证耐火时间不低于1.5小时。
结构钢主动、被动双重防腐设计。
钢结构建筑中的钢材腐蚀严重影响结构的耐久性和安全性。
该项目采用主动和被动双重防腐技术，即涂层保护层防腐和阴极保护系统防腐。
其中，主动防腐设计通过合金牺牲阳极向钢结构提供阴极电流。阳极金属随着流出电流逐渐消耗，达到防腐效果。
通过测试，对柱脚进行等电位测试，电压明显下降。
新的施工图行政审批制度。
新结构体系无法通过传统行政审批程序审批，因此箱架组合体系结构设计分析、模块化单元结构性能实验、钢结构装配式房屋新技术体系论证会、“框架结构单元箱体体系”专家论证举行了会议。其他多项新技术示范评审已完成，规划、人防、消防、房屋建设等行政审批全部完成。
创新技术尚无相关标准，可通过技术论证开辟审批绿色通道。
新系统检验验收专用技术。
目前，大多数模块化建筑仅用于临时建筑。对于永久性模块化建筑，亟待建立验收制度和验收标准。
本项目由于采用了新系统，需要一套相应的实际检查验收计划，以确保新系统的合规性，并为新系统的具体实施提供有效的标准。
为此，制定了钢结构预埋箱架组合结构体系检验验收专项方案，重新划分检验批次，并制定了实用验收标准。经过专家论证会，在该项目中得到成功应用。后续将成为钢结构模块化建筑系统验收的标准参考。
05
持续创新探索助力行业进步
这一新型钢结构模块化结构体系是公司在新型建筑工业化领域的又一重要探索和实践。
目前，在钢结构模块化建筑方面，公司自主研发并形成三大体系：承插式叠箱式结构体系、嵌入式箱架组合结构体系、叠箱式打包带式结构体系，并且均已在工程应用中得到实现。
同时，基于“4S-11生产体系”，引进智能机器人，建设自主研发的钢结构模块建筑产品生产线，建成湖南省首家钢结构模块建筑工厂——“金林嘉”智能工厂成立，迈出了钢结构装配式建筑的第一步。前沿的发展和实践为湖南建筑业在新型建筑工业化领域的发展和进步提供了典范。
▲中祥金林佳公司
