钢结构模块化施工及其在中国建筑业中的应用

引言

模块化建筑是建筑业数十年来存在的各种预制技术的提升，并且是将此类技术集成到一个更全面的解决方案中的平台。因施工速度快、现场工作量小，模块化施工逐渐成为现代建筑业中较为流行的施工方法。钢材已在模块化结构中被广泛应用，易于安装，轻便且适合拆卸。随着中国钢铁工业持续快速的发展，钢材在模块化施工等现代建筑技术的应用，将会给国内外带来巨大效益。

图1给出了与其他类型建筑相比模块化施工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和施工时间

预制模块结构具有如下特点：

1）建筑的预制组件包括楼梯、电梯竖井、立面、走廊等。

2）模块构件在可控制质量的生产设施中进行批量生产。一个构件单元的长度、宽度和高度可以因项目而异，同时也受到现场运输、吊装和搬运等因素的限制。

3）现场施工的劳动力要求低，这使得施工建造从以劳动力为导向的操作转变为以工序为导向的制造和装配过程，从而使建筑工地减少拥堵和污染。

4）模块可以拆卸，便于重复利用或重新定位。预制模块的可重复利用性极大地影响了模块化建筑的寿命周期能耗。

5）模块化建造使施工时间缩短了50%以上，这确保了项目客户更早地获得收益。

6）施工过程不易受到恶劣天气的影响。

模块化钢结构建筑

Little Hero Building

2010年6月在澳大利亚墨尔本完工的低层公寓“小英雄”是一个典型的模块化建筑(图2)。该建筑由58个单层钢框架模块和5个双层模块组成。建筑位于墨尔本CBD(中央商务区)，施工入口非常狭窄，8个模块化的楼层在8天内完成组装，展示了模块化建设的许多优势。它是澳大利亚最早的多层模块化建筑之一。

图2 Little Hero Building

La Trobe Tower

这是一个位于墨尔本CBD的44层住宅公寓(图3)，高133m，是目前世界上最高的模块化建筑之一。该项目2016年底竣工，历时19个月，整个工期全部选择夜间施工，降低了对周边地区的干扰。该项目使用了钢预制模块，作为混凝土填充墙的主要结构框架。墙体的钢筋连接在一些预制模块上，在现场组装完成后，填充混凝土。

图3 La Trobe Tower

Student Housing Building

这座25层的公寓楼仅用了27周的时间完成了现场施工。Lawson等表明，对于传统的现场密集型项目可以节省50%的现场施工时间，还可以大幅度减少建筑垃圾。因此，模块化技术不仅省时，而且更环保。

One9 Apartment Building

这是一座10层的模块化建筑，建在澳大利亚墨尔本的内郊区，由34个公寓组成，旨在提高能源效率和居住舒适性(图4)。场地受到附近大型购物中心的限制，地上的模块化楼层在5天内组装完成。该项目展现了可持续建造的特点，获得了Green Star Australia的6星评级。模块化建筑在这个项目中已经多方面证实了它的价值。

图4 One9 Apartment Building

Post Katrina Housing

2005年卡特里娜飓风灾难后出现了巨大的住房需求，人们对改进以前使用的“联邦应急管理局拖车”进行了广泛的研究，并开始建设模块化临时住房。Marianne Cusato研发了这类模块化住宅，因此被命名为“卡特里娜小屋”。它的安装面积为27.8m^2。此后这一方案得到了改进，纳入了20种不同的小屋模型，为未来的扩建提供了更持久的住房解决方案。

中国钢结构模块化建设

钢模块建筑项目

模块化建筑已经在中国庞大的建筑市场中占据重要的地位。同时，中国的模块化建筑广泛应用于海外工程，如英国、美国、澳大利亚、许多非洲国家和亚洲周边国家。CIMC（南通中集）是中国领先的模块化制造和出口企业之一，在全球范围内拥有4家工厂。他们最新的一个项目于2019年初完成，是英国纽卡斯尔的一个学生宿舍项目，采用789个模块建造了6个4~9层的学生宿舍(图5)。这项工程若采用传统的建筑技术需要3年多的时间完成，但采用模块化技术，耗时约2年，节省了超过30%的时间成本。

图5 英国纽卡斯尔学生宿舍

中国模块化建筑公司XCube于2016年在中国云南建造的一家豪华酒店。在这个项目中，8个模块的安装仅需要一周的现场工作，因为所有的模块几乎100%完成了全部装修和调试。

图6 酒店的模块化组装

中国钢结构产业

钢作为一种材料在开发有效的模块化解决方案中是非常必要的。在这方面，拥有强大的钢铁工业是一项巨大的优势，特别是考虑到运输和税收方面的财政节省以及其他优势。如图7所示中国的钢铁产量在过去10年中快速增长。

图7 2010—2019年中国钢铁产量

在全球范围内，中国是领先者，如图8所示2018年中国对全球钢铁产量的贡献率为49%，近一半的钢铁产品用于建筑业。因此，强大的钢铁行业可以很好地推动预制模块化建筑行业的发展。

图8 钢铁主要生产商和使用行业

钢模块建筑的结构体系

模块化建筑的结构体系主要有两种类型，根据其承载和传递荷载的方式有：

承重模块体系——这些模块的围墙结构具有足够的刚度和连续性，能将重量传递给下面的模块并最终传递到基础上(图9a)。墙体采用钢支撑加固，有助于防止在临时情况下的变形，如在工厂内移动和搬运、装卸卡车、运输及现场吊装和搬运。这种结构体系在低层建筑中是可行的。

角支撑模块系统——模块中的角柱承担地面荷载并将其转移到下面的柱子上(图9b)。只要结构连接设计合理，该系统也能抵抗水平荷载，如地震作用和风荷载，因此非常适用于多层建筑。

图9 两类模块化结构体系

结束语

模块化建设为设计师、建设者和开发人员提供了一种在短时间内实现具有挑战性的项目的方法。修正的角支撑体系为设计者提供了空间布置的灵活性。模块的整体几何形状、刚度和重量需满足吊装、运输和组装标准，以适用于任何预制或模块化结构。在实现这一过程中，钢材作为材料在生产通用的结构部件中起着至关重要的作用。

中国强大的钢铁产业可使其在国内和国际模块化行业中占据主导地位。当地市场上原材料和钢铁产品的供应可以有效地降低能耗，并提高建筑系统的可持续性。这些因素可以很好地支持当前中国模块化行业的上升趋势。

总体而言，模块化技术已使现代建筑发生了显著变化，从试图使现场活动更安全，更有效地制造高效的异地制造(OSM)，原型制造和组装系统开始。这种用于制造和组装设计(DfMA)的概念通过创建性能更好的模块化系统，使建筑业快速发展，该系统将更快地实现项目，并为建筑商和投资者带来更高的利润率。

在技术工人正在作为一种资源减少并且劳动力老化的情况下，对预制件和模块化技术进行投资将是一个非常谨慎的决定，尤其是对于在世界各地如南亚和东亚地区建造业一直是劳动力的建筑商而言。通过以工厂为导向的流程以及最低的现场成本，建筑商还将受益于各种规模经济。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加注重质量的施工实践和更安全的工作环境。

全文下载链接

1.http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgSE20010802（注册登录免费获取）

2.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG

3.http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202002004?db=STMJTEMP

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