研究背景
研究背景
模块化建筑是指以一个或多个建筑单元作为预制模块，在工厂预制好，运至施工现场安装的一种建筑形式。 每个预制模块都是一个设施齐全的房间单元，配有所有管道系统，包括供暖、供水、污水处理和照明。 目前，模块化建筑已广泛应用于住宅、商业建筑、医院、学校、酒店等各种建筑类型。 低层和多层模块化建筑一般采用叠装箱式自承式、嵌入式模块和模块框架结构体系，高层模块化建筑则采用叠式箱式剪力墙（或核心筒）结构体系。
在国际上，特别是在新加坡，模块化建筑被赋予了新的含义，称为PPVC（预制预制体积建筑）建筑。 其核心含义包括：一是工厂预制的箱体结构； 二、安装前完成管道布置及室内外施工。 装饰; 三是采用模块化建造方式。 图1是典型的PPVC施工现场。
图1 PPVC模块现场吊装照片
研究内容
研究内容
1 个 PPVC 模块单元
模块化单元是将传统房屋划分为单间或某些三维建筑空间，并在工厂预制并安装模块化单元地板、天花板、墙体的建筑单元。 也适用于卫生间、电梯、厨房、卫生间等一些特殊服务单位。与混凝土结构相比，钢结构具有较高的强重比，更适合模块化建筑的建造模式； 混凝土结构因其良好的抗压强度而常被用作高层模块化建筑的承重系统。 PPVC模块单元按材质和结构可分为以下几种。
1.1 按材质分
1）轻钢结构模块。
轻钢结构模块是指以轻钢龙骨或轻钢框架为模块，配备轻质围护材料（墙体、地板、屋顶）的箱式房屋。 其组成及构建流程如图2所示。
图2 轻钢结构模块施工流程
2）钢结构-混凝土组合模块。
钢结构-混凝土组合模块是指采用钢结构骨架（梁、柱、支撑等）体系，配以混凝土墙板、楼板、屋面板的箱式房屋。 其组成及施工方法如图3所示。
图3 钢结构-混凝土组合模块施工方法
3）钢筋混凝土模块。
钢筋混凝土模块是指预制的钢筋混凝土箱式房屋。 其组成及施工方法如图4所示。
图4 钢筋混凝土模块施工方法
1.2 按结构分
根据结构荷载的传递形式，模块化结构单元可分为三种类型。
1）角柱支撑模块单元：通常采用热轧钢构件作为结构骨架。 荷载主要通过边梁和边柱传递，而竖向龙骨和填充墙不承受荷载，如图5所示。与墙体承重模块相比，角柱支撑突破了墙体的限制。 多个模块单元可以形成更大的开放空间。 角柱支撑模块化钢结构受力路径清晰，模块规格多样，空间布局灵活。 用户认可度较高，通过增加支撑等有效的侧向力抵抗系统，可应用于多层、高层建筑。 目前，轻钢龙骨或钢结构模块主要采用此类模块单元。
图5 角柱支撑模块单元
2）连续支撑模块单元：构件通常采用冷弯薄壁型钢制成。 临时（表面）支撑仅用于运输和吊装。 荷载主要由长边墙承受，如图6所示。为了保证结构竖向力传递的连续性，长边墙应垂直排列并贯穿整个高度。 连续支撑的模块化建筑通常由许多小房间组成，不适合大开间建筑。 钢筋混凝土或钢-混凝土模块大多采用这种类型的模块单元。
图6 连续支撑模块单元示意图
3）消能减震模块单元：此类模块单元主要在墙面上安装消能减震横向抗力构件，使其具有消能减震和抗震双重功能。抗侧向力，如图7所示。
图7 耗能减震模块单元示意图
2 PPVC结构体系
模块化房屋应采用合理的结构体系，保证运输、安装和使用过程中的强度和刚度。 同时，结构连接和节点结构应易于安装。 轻型模块化钢结构活动板房可采用叠装箱式结构体系、嵌入式模块结构体系、叠装箱式抗侧力结构（框架、核心筒、剪力墙等）混合体系。
2.1 堆叠箱体结构系统
对于3层及以下的PPVC建筑，特别是临时建筑，一般采用叠层箱式结构体系，如图8所示。这种结构施工简单，只需要将模块的角部连接牢固即可。 有时也可用连杆将上下模块牢固连接。
a——叠层箱体结构； b——箱体1之间连杆的固定连接； c——箱体2之间连杆的固定连接。
图8 叠式箱体结构体系及其连接固定
2.2 嵌入式模块化结构系统
对于多层建筑，特别是位于高强度区域时，一般采用独立的框架支撑结构来承受水平和竖向荷载，而模块化单元只承受自身荷载，并通过连接件将荷载传递给框架支撑系统。节点，如图9所示。这种结构体系力传递简单，不需要考虑相邻模块之间的荷载传递，但不经济。
a——嵌入式结构； b——项目示例。
图9 嵌入式模块化结构系统
2.3 叠式箱体-抗侧力结构混合系统
对于多层和高层PPVC建筑，应采用堆叠箱体和抗侧力结构的混合系统。 叠式箱架支撑结构体系一般用于多层模块化建筑； 高层模块化建筑多采用叠置箱剪力墙或叠置箱芯结构体系。 常规结构设计中，水平抗侧力系统与竖向承重系统耦合在一起，导致构件在地震作用下内力随层数变化。 这使得结构的抗震设计繁琐，构件截面众多，预制构件成本较高，严重制约了结构的设计。 装配式建筑的应用与推广。 通过合理设计叠箱结构与横向受力系统的连接，将竖向承重系统与横向受力系统分开。 因此，叠装箱体模块主要承受竖向荷载，可实现模块单元的标准化设计，有利于建筑的工业化、产品化； 框架、剪力墙、核心筒等承受水平荷载，按抗震要求设计。 叠式箱侧电阻结构混合系统示意图如图10所示。
a—堆垛箱框系统； b——叠箱-剪力墙（芯管）系统。
图10 叠箱与防侧结构混合系统示意图
3PPVC结构设计
3.1 模块结构设计
3.1.1 低多层堆叠箱体结构
对于三层及以下的PPVC建筑，由于水平荷载较小，可由模块单元之间的连接节点来承受； 设计时主要考虑竖向荷载，一般采用叠箱结构。 计算模型如图11a所示。 当建筑物位于高强度区域（8度及以上）或层数较多（4至8层）时，也可采用加固叠箱结构，但模块化单元具有能源-应采用消耗性减震和抗侧向力。 计算模型如图11b所示。
a——叠层箱体结构； b——加强型叠箱结构。
图11 叠层箱体结构计算模型示意图
3.1.2 高层叠箱分相结构抵抗侧向力
对于高层建筑来说，随着水平荷载的增大，仅在模块单元上设置的抗侧构件已经不能满足要求。 因此，在高层模块化建筑中，结构竖向承重系统与水平侧向受力系统分离的设计思路是解决模块化建筑推广应用问题的关键。 基于这一思路，采用模块的叠箱结构作为主要竖向受力体系，以大侧向刚度的框架支撑、剪力墙和核心筒结构作为主要抗侧力体系，从而形成了叠箱-抗侧向力相分离结构体系的计算模型如图12所示。
图12 叠式箱侧抗力结构计算模型示意图
3.2 连接节点设计
模块化建筑主体结构的连接可分为三种类型：模块单元内部构件之间的连接、相邻模块单元之间的结构连接、模块单元与抗侧力结构之间的连接。
3.2.1 模块单元内的连接节点
对于模块化建筑来说，建造过程可分为工厂预制和现场组装两个阶段。 不同阶段，节点设计的侧重点不同。 在保证安全的前提下，主要考虑工厂预制阶段模块单元的内部节点，以利于批量生产，降低成本； 而现场组装阶段组装的模块单元之间的节点则需要方便现场安装并消除安装错误。 对于钢结构模块，模块单元内部的梁柱节点根据截面类型采用不同的连接形式：
1）采用实腹板薄柔截面模块单元，梁柱节点一般采用焊接，主梁与柱间节点采用刚性连接，次梁与主梁可铰接。
2）采用冷弯薄壁型材的模块化单元，结构部件采用自攻螺钉、钉子或电阻点焊连接。
对于箱角节点、立式构件连接节点等受力较大的部位，可采用热轧型钢对节点进行加固，或制作专用连接件完成连接，保证必要的强度和刚度，模块化单元角配件节点如图 13 所示。
图13 模块单元角配节点示意图
3.2.2 模块单元之间的连接节点
模块单元之间的连接节点可分为模块之间的水平连接和垂直连接。 模块单元之间的连接节点是结构力传递的关键部分，应强度高、可靠、便于施工、安装和检验。
模块之间的连接方式应采用角接，其连接应保证可靠的抗剪、抗压和拉拔承载能力。 模块之间的连接应采用螺栓连接，以便于现场施工。 连接节点应采用摩擦型高强螺栓，连接节点的结构措施应保证节点有一定的位置调整余量，以消除多高层建筑中模块堆放造成的安装误差累积。 模块间常用的螺栓连接节点形式如图14所示。
a——螺栓连接； b——带剪键的螺栓连接； c——螺栓套筒连接。
图14 模块间常用的螺栓连接节点形式
3.2.3 模块单元与抗侧力结构的连接节点
抗侧力结构与模块之间的水平连接应采用连接件和模块角件连接，节点连接应考虑水平力的传递。 理想情况下，该节点仅传递水平力而不传递垂直力。 因此，节点应设计为可滑动连接节点，即节点由带滑轮的框架柱节点域加强段和专用节点板组成。 节点结构如图15所示。
图15 模块单元与反侧结构滑动连接节点示意图
3.2.4 混凝土模块单元之间的连接
香港的模块化集成建筑（MiC）将模板、轻质隔墙、基板和复合板（预制层）等非受力构件集成为一体，并在工厂内制成一个盒子； 通过工厂预制，可实现水电、装修一体化，可大大缩短工期，提高施工效率； 混凝土立体箱模在工厂生产，现场安装，通过现场浇筑剪力墙、连梁，达到相当于现浇的力学性能； 适用于宿舍、酒店、住宅等住宅项目。 主要承重、抗侧剪力墙、连梁等构件均采用现场浇筑。 MiC模块单元的顶板相当于混凝土组合楼板的“预制底板”，可作为后浇混凝土组合层的模板； 模块安装最后，薄壳板仅作为剪力墙和顶梁的浇注模板，不参与结构受力； 主要承重、抗侧剪力墙、连梁等构件现场浇筑，如图16所示。
a—MiC房间模块； b—MiC-走廊模块； c——混凝土模块化建筑的组装过程。
图16 香港混凝土模块化施工技术
3.3 整体稳定性检查
模块化建筑的整体稳定性和完整性通常用专业术语“坚固性”来描述。 其定义是：建筑物的某一构件或部分损坏后，剩余结构应有足够的承载能力来承受荷载，而不造成与原因不成比例的损坏。
模块化建筑与常规建筑的区别在于，模块化单元本身强度很高，但模块之间现有的连接节点较弱，节点外的其余位置缺乏有效的约束。 负载仅通过下部模块的墙壁或刚性角件向下传递。 如果局部损坏导致荷载传导路径失效，墙体应按如下方式设计，以确保结构坚固性： 1) 水平以深梁或隔板形式跨越损坏区域； 2）由相邻模块支撑，以墙体张力的形式跨越受损区域。 第二种方法是指设计模块之间的连接时除了考虑垂直连接外，还应注意水平连接。 作用机理如图17所示。制造商可以通过提供水平连接细节来满足“坚固性”安全的结构要求。 典型的连接节点如图18所示。此外，模块之间的间隙宽度应满足误差和校正要求。
a——拆除墙板； b——模块的悬臂梁效应。
图17 满足模块化建筑“稳健性”的策略
a——立面； b——角平面。
图18 典型模块单元角节点
4PPVC建筑特点
PPVC模块化建筑的主要优点可概括为以下几个方面：
1）施工时间短。 一般来说，与同体积的常规建筑相比，模块化建筑的施工时间可缩短50%~60%，安装也更容易（包括连接部分）。 模块化建造方式可以加快工程进程，使工程提前竣工，业主的投资也能提前得到回报，从而产生巨大的经济效益。
2）质量容易保证。 模块化建筑是按照工厂质量控制系统和标准生产的。 在工厂预制条件下，模块内部尺寸、开孔尺寸和位置的精度可以保持在较高水平，制造误差更容易控制在允许范围内。 特别是对于特别复杂的设备和装置，或者对精度和清洁度有特殊要求的精密仪器。 与受限的现场环境相比，受控的工厂环境显然更适合装配工作。
3）施工环境良好、安全可控。 与传统的施工作业相比，高效的工厂化生产可以显着减少资源浪费和环境破坏。 在一些小城市，当空置场地干扰周围环境或场地位置导致现场施工成本较高时，模块化建筑系统可以提供更好的解决方案。 模块化建筑比传统建筑现场安装所需的建筑、装修工人更少，现场施工管理也更加严格有序。 事实证明，模块化施工比传统施工方法更安全。
4）适应性和扩展性强。 对于模块化建筑，添加或移除模块单元既快速又简单，最大限度地减少对周围建筑的影响。 在满足原有建筑承载力的前提下，模块化建筑系统非常适合顶部扩建。 当业主或社会需求发生变化时，模块化建筑可以轻松拆除并在新地点重新组装，从而可以快速、经济地形成新建筑。
5）易于标准化施工。 模块化建筑使用标准化组件、连接节点和装配固定装置，简化并减少对专业设计的依赖。 同时，重复生产线将带来规模经济。 在大型项目中，模块化房间单元的标准化、重复性生产可以产生非常可观的经济效益。
5PPVC结构设计
模块式钢结构建筑是由模块式轻钢结构住宅发展而来。 从全球范围来看，模块化轻钢结构房屋目前应用最为广泛，适用于住宅、商业、医院、学校、酒店、军工、应急等应用。 、临时设施等建筑类型，如图19所示。在我国，模块化钢结构建筑已成为研究和应用的热点。 一些发达国家已出台相关国家标准和技术规范并成功应用于工程中。 以英国为例，模块化钢结构建筑主要应用于教育机构、酒店、商业办公楼、写字楼、住宅、学生宿舍、零售商店和医疗机构等。 其中，教育机构占42%，酒店、商业、办公楼占42%。 建筑物占26%，住宅和学生宿舍占20%，零售商店和医疗机构占5%，其他占6%。
a—火神山医院； b——雷神山医院； c—深圳市第三医院急诊院区； d—雄安市民服务中心临时办公区； e—天津静海子牙上林花园； f—香港科技园项目； g——某部队快速营房建设； h—深圳市梨园外国语小学深南校区； i—中建科技海洋绿色人居体系。
图19 模块化钢结构建筑应用
国内模块化组合房屋协会标准和行业标准颁布后，特别是在COVID-19疫情的特殊时期，在以下应用领域得到了迅速推广和应用。
1）快速抗疫建设应急项目的大规模应用，社会效益显着，如图20所示。
据不完全统计，全国地级市新建方舱医院400多家，县级以上城市新建集中隔离点2000多个。 按每个项目1000套模块化房屋、平均每间18平方米计算，疫情防控期间，全国新建抗疫应急项目轻钢结构模块化房屋面积达到5000万平方米，工程量约2000亿。 大部分在几天或一个月内建成并投入使用，为抗击疫情做出了突出贡献，取得了显着的社会效益。
a—案例1：石家庄市集中隔离点施工现场（面积约500亩，3000套房）； b—案例2：位于落马洲10,000个床位的社区隔离设施的中环香港援助紧急医院及方舱医院（设有1,000个床位的紧急医院及方舱医院）； c-案例3：深圳模块化5000人隔离酒店项目（6层模块化钢结构翼楼，面积10万平方米）。
图20 轻钢结构模块化房屋抗疫应急应用案例
2）施工现场临时设施可回收利用。 2018年5月，深圳市住房和城乡建设局发布《深圳市建筑工程安全文明施工标准》（深建标[2018]1号），规定建议给予办公区和生活区优先采用模块化集装箱房屋，根据场地条件进行组合。 功能用房应满足现场办公和生活的需要。
沿海地区经常遭受强台风的侵袭。 2至3层模块化叠装箱式结构的抗风能力和环境舒适度远远优于传统的临时板房。 而且，它们可以回收利用，降低了总成本。 因此，它们得到了迅速的推广和应用。 。 据不完全统计，深圳约有2500个建筑工地，90%以上采用轻钢结构模块化房屋作为办公、居住等临时设施。 如图21所示，每个工地使用厢房50间，房间1000间。 m2估算，仅深圳就有超过200万平方米的可回收轻质钢结构模块化临时设施建筑。 模块化集装箱房屋设计使用寿命为15年。 按单个项目建设工期3年计算，可用于5个项目。 根据实际工程计算，远期成本较传统板房降低近50%。 同时，现场工作生活条件显着改善，施工现场精神文明建设和环境保护得到提升，抵御台风、暴雨等自然灾害的能力大幅提高，使其适合复制和推广。
图21 典型轻钢结构模块化临时设施建筑
3）公共设施标准化案例。 近年来，标准化微型消防站出现在深圳街头巷尾。 每个消防站均为2层模块化钢结构建筑，占地面积100平方米。 如图22所示，可按照“移动模块化消防执勤保障装备”进行集中采购和建设，创新性地提出了公共设施建设模式，在国内处于首创。 预计“十四五”期间，广东省将建设微型消防站3.1万个，其中深圳近500个。
图22 标准化微型消防站
6问题与展望
模块化建筑是目前建设速度最快、工业化一体化程度最高、废物排放量最低的建筑技术。 已应用于低层、多层办公楼、临时设施、方舱医院等。 按材料可分为钢结构和混凝土模块化结构。 目前，PPVC建筑的发展主要存在以下问题：
1）PPVC的施工成本较高，限制了其使用范围。
模块化建筑技术虽然先进，但在国内主要应用于应急工程。 主要原因是模块化建筑具有双墙、双层、多梁、多柱、薄弱节点的特点，增加了建筑成本50%以上，无法大规模使用。 推广应用。
2）缺乏高性能多高层钢模块建筑系统。
钢模块建筑多梁、多柱、弱节点的特点导致钢模块建筑的侧向刚度较弱。 堆叠式箱体模块结构只能建造三层以下的建筑。 多层、高层模块化结构需与抗侧力结构配合使用。 但是，会增加成本。 研究和开发新的便于现场组装的连接节点，以增强模块化结构的框架功能，通过附加约束增强模块构件之间的协同性，以实现全部或部分组合功能，考虑墙板对侧向刚度的贡献，以及考虑减震、隔震技术的应用等是提高钢模块建筑结构性能、降低成本、实现高性能、低成本的多高层钢模块建筑的重要方向。
3）缺乏适应国情的全装配式混凝土模块化建筑体系。
对于住宅建筑来说，混凝土模块更适合。 目前香港推广的MiC系统本质上是三维模板结构，利用三维模板为预装修提供空间，同时也作为混凝土浇筑的模板。 但主体结构现场施工，湿作业量大，混凝土用量大。 成本高的问题。 新加坡混凝土PPVC技术克服了香港混凝土MiC技术的缺点，进一步实现了主体结构的全预制装配，具有施工速度快、质量好、成本低等优点。 新加坡混凝土PPVC技术国内应用需要解决国内适用性问题。 由于新加坡是非地震区，全国都进行了抗震设防，因此需要重点解决混凝土PPVC模块化技术的抗震性能和设计方法问题，形成适合国情的设计和设计。 成套的施工及验收技术和标准。
4）缺乏成套的模块化建筑智能建造技术。
目前，模块化建筑物的应用主要是低层和多层建筑。 高层钢模块化建筑和混凝土模块化建筑的设计，生产，安装和质量检查仍处于起步阶段。 迫切需要进行以下相关研究：研究应考虑多层地震强化和具有防风性，安全性和舒适性的高层模块化建筑系统和设计方法； 模块化整合技术和模块化高性能组件的研究和开发，这些组件整合结构，外壳，装饰和设备管道； 研究模块化集成建筑安装技术和模块关键节点连接技术，开发精确安装设备以及用于模块化集成建筑物的智能控制系统； 用于模块化集成建筑物的完整质量检查技术的研究和开发以及工程应用程序演示的实施。
综上所述
结论
具有独特的优势，完全预制的模块化建筑（PPVC）适合在各种建筑物中使用，例如公寓，企业钢结构误差，医院，学校，酒店等钢结构误差，并具有广泛的发展前景。
1）对于模块化建筑物，将垂直负载系统和横向耐力系统分开的设计思想是模块化建筑物工业发展的关键。 基于这个想法，堆叠的框结构是主要的垂直负载系统，使垂直负载组件独立于结构层的数量，从而使模块化产品标准化并为工业化和工业化奠定了易于标准化的结构层。建造; 框架支撑具有较大的横向刚度结构，例如剪切壁或核心管作为主要的侧向抵抗系统，并根据结构的地震要求进行设计。
2）应与连接器和模块角碎片连接抗侧力系统和模块之间的水平连接。 连接节点只能传输水平力，而不是垂直力。 使用滑动连接节点是理想的选择。
3）模块化单元的内部组件之间的连接，相邻模块之间的连接以及模块化单元与横向强力系统之间的连接是模块化建筑结构设计的关键。
4）模块化单元的内部组件之间的连接必须满足盒子在运输，吊装和使用过程中的强度，刚度和负载转移要求； 圆柱和主梁之间的节点是刚性连接，主梁和次要梁之间的连接可阐明。
5）模块之间的连接应采用彼此连接的角碎片的结构，并且节点连接应确保可靠的剪切电阻，压缩电阻和拉出负载能力。 垂直载荷可以在上部和下箱之间传递，并且可以在同一地板上的盒子之间传递水平力，以提高结构的稳健性。
关于作者
Hou Zhaoxin博士，国家工程调查和设计硕士高级工程师，中国米金公司建筑领域的首席技术专家，科学技术委员会成员，国家钢结构工程技术研究中心的首席工程师，同时担任中国钢铁结构协会专家副局长，国际标准化组织ISO TC 167注册专家，MCC建筑研究所首席科学家（沉遍）有限公司，有限公司，汤吉大学兼职教授，编辑委员会成员“钢结构（中文和英语）等。他从事建筑结构工程的科学研究，设计，建筑，测试和咨询已有40年了，并参加了2008年奥运会项目，离岸岛珊瑚礁项目，香港Zhuhai-Macao桥以及新加坡环球影城，新加坡会议和展览中心，度假胜地世界圣线，新加坡等。它已经参加了数十个主要的工程和技术创新项目，参加了更多的汇编。 20个国家标准，行业标准和ISO标准，获得了2个国家科学技术进步奖，1个国家技术发明奖，并培训了30名硕士和博士后学生。 它在高强度螺栓连接，金属封装系统，大型钢结构设计和构造以及建筑物和基础设施安全的领域中开发了研究特征和技术专长。
工程学博士学博士是高级工程师（高中教学），一流的注册结构工程师和国家自愿性产品认证检查员。 Hou Zhaoxin的工作室主任，国家工程调查和设计硕士，MCC建筑研究所有限公司的预制钢结构建筑创新团队负责中国钢铁结构协会，深圳高中水平人才，深圳预制建筑专家，深圳科学技术专家，深圳认证监督专家，深圳建筑业协会专家，北京钢铁钢铁钢铁厂的第七届结构性专业委员会成员结构行业协会专家，深圳大学工业学员的博士生指导，专业的土木工程和水库专业学生，以及南方科学技术大学的行业导师。
主要从事钢结构住宅，模块化建筑物，建筑物包络系统，预制基础坑支撑和其他预制建筑的科学研究，开发和设计咨询工作。 主持并参加了30个各种科学研究项目，包括9个国家级项目和11个省和部长级项目； 发表了60多篇学术论文，其中包括26篇SCI/EI索引论文； 并获得了96项授权专利，包括28项发明专利。 和3份PCT专利； 获得了1个省和部长级的建设方法和软件版权； 编辑并参与了与预制建筑有关的30个技术标准的汇编，包括2个国家标准，3个行业标准，9个本地标准和集团标准11项； 共同编辑的2份专着。 8科学和技术成就已达到国际高级或领先的国际水平； 赢得了Anhui省科学与技术进步奖，中国专利奖卓越奖，中国钢铁结构协会科学与技术奖的一等奖以及中国Minmetals Corporation Corporation Corporation Patent Patent Pranent Pranent Award的二等奖。 他获得了10多个科学和技术奖，包括MCC科学技术奖特别奖，并培训了6名研究生。
