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鋼結構模塊建筑發展趨勢的研究
發布日期:2014-12-23 14:43:48     來源: 中國鋼結構資訊網    
    鋼結構模塊建筑的工業化、產業化水平及質量水平較傳統建筑均得到很大提高。作者認為,鋼結構體系模塊化建筑的發展方向應該是一次到位和菜單式的“全模塊”模式,也將是本世紀我國建筑業工業化中較為先進的建筑結構體系。
  
  一、背景分析
  
  1.我國建筑結構體系發展概況
  
  建筑工業化是我國基本建設長期以來重大的國策,早在1956年國務院就頒布了《關于加強和發展建筑工業的決定》,指明了“建筑工業化是建筑業的發展方向”,“大力開展建筑結構和配件的標準化工作”,“積極實行工業化、機械化施工”。20世紀六七十年代標準化的住宅體系就大量采用了模數化的鋼筋混凝土預制構件,同時應用于工業廠房鋼筋混凝土預制構件也相繼應用于工程實踐,并研發了預制裝配框架結構體系,20世紀80年代開發了內澆外砌混合結構體系和鋼筋混凝土異形柱框架結構體系,并在北京、天津等地興建了數百萬平方米該結構體系的居住型建筑。上述建筑結構體系對我國基本建設的發展起到了推進作用,并積累了工程經驗,上世紀末我國正式提出住宅產業化概念,為本世紀建筑結構體系的發展打下了基礎。
  
  為保障國民經濟的可持續發展,原建設部在本世紀初制定了“關于在大中城市在2~3年內消除黏土磚及黏土制品和積極推廣鋼結構住宅”的重大政策,又于2002年發布了《鋼結構住宅產業化技術導則》。很多地方省市相繼編制了《鋼結構住宅設計規程》,2009年中國工程建設標準化協會標準(CECS)《鋼結構住宅設計規范》頒布實施,為設計應用提供了充分的設計依據,并在山東、上海、天津、武漢及內蒙古等省市興建了逾千萬平方米鋼結構住宅建筑。
  
  2.國內外住宅產業化的發展進程(1)國外住宅產業化發展進程。國外發達國家的住宅產業化基本上經歷了3個階段。20世紀50~60年代是住宅產業化形成的初期,重點是建立工業化生產體系;20世紀70~80年代是住宅產業化的發展期,重點是提高住宅的質量和性能;20世紀90年代后,是住宅產業化發展的成熟期,重點轉向節能、降低住宅的物耗和對環境的負荷、資源的循環利用,倡導綠色、生態、可持續發展。目前,在發達國家的住宅建設中,工廠化住宅已經占據相當的市場份額:日本達到20%~25%,美國為31%,瑞典在60%以上。而就目前看來,住宅模塊化的發展方向應該是一次到位和菜單式的“全模塊”模式。(2)國內住宅產業化發展進程。早在1994年國家“九五”科技計劃“國家2000年城鄉小康型住宅科技產業示范工程”中系統化地制定了中國住宅產業化科技工作的框架,從而使住宅產業化在科技和示范工程的層面上得以確定和實施,標志著住宅產業化的進程步入一個新的發展階段;1999年,國務院明確指出“滿足人民群眾日益增長的住房需求,加快住宅建設從粗放型向集約型轉變,推進住宅產業現代化,提高住宅質量”,原建設部成立了住宅產業化促進中心。隨著我國國民經濟和住宅產業的發展,人民生活水平有了很大的提高,但目前我國住宅生產與經營方式還比較傳統和相對落后,我國每年竣工房屋面積大約在20億平方米左右,現有建筑存量400億平方米,建筑能耗每年達到了1.2萬億度電和4.1億噸標準煤,加上建材生產過程中的能耗,約占全社會能耗的46.7%,房屋建筑大量的能耗迫使人們重新審視住宅建設的生產方式和增長方式,特別是國家提出發展節能省地型住宅的目標后,加快促進住宅產業化已經刻不容緩。(3)住宅產業化發展水平評估依據。具體體現在以下六個方面:
  
  一是新型的、工業化的建筑結構體系的應用程度。目前的以鋼結構、鋼混結構等為主的新型建筑結構體系,使得住宅朝著安全、環保、節能和綠色生態方向發展。但是目前在我國很多建筑工程,尤其是廣大的農村建房還是以手工砌筑的方式進行,難以控制住房建設的安全質量和功能質量。
  
  二是住宅產品的開發、生產和供應。住宅產品開發、生產和供應的標準化、系列化、通用化是實現住宅產業化的重要標志,設計人員可從中選擇適當產品進行住宅設計。瑞典新建住宅中,通用部品占80%左右,日本用了20年的時間推行住宅部品,現在住宅的各個部分都有通用部品,對無特殊要求的住宅,只要將通用部品組合起來即可。
  
  三是墻體材料和建筑節能。許多工業發達國家新型建筑材料的比重一般占60%~90%。我國住宅單位面積的采暖能耗,符合《民用建筑熱工設計規范》要求的約為發達國家的3~4倍;符合《民用建筑節能設計標準》要求的約為發達國家1.5~2.2倍,而發達國家的采暖期比我國長,居室溫度也比我國高。
  
  四是現場施工的技術。經濟發達國家目前已基本做到分工種、專業來進行施工,即從設計到制作逐步形成獨立行業。在經營方面,既可定購、選購,也可租賃與提供技術指導和現場培訓,機械租賃業也較發達,同時提供維修服務。此外,現場運輸、挖掘、運垃圾、現場清理、建筑物拆除等均可委托專業公司完成。
  
  五是人均竣工面積。人均竣工面積是反映生產、施工的綜合性指標。德國和日本在80~100平方米之間,法國、美國在40~80平方米之間(這些國家木結構和輕鋼結構獨立式住宅所占比重較大,勞動生產率較高)。日本人均年竣工建筑面積一般在100平方米左右,但人均住宅竣工面積卻達到110~120平方米。我國人均竣工建筑面積僅在28平方米左右。
  
  六是環境保護和資源節約和“可持續發展”。可持續發展是指保護地球環境和節約資源,住宅產業的發展將為改善環境作出貢獻。住宅產業可持續發展問題已引起世界各國的重視。
  
  2012年,住房和城鄉建設部住宅產業化促進中心、內蒙古住房和城鄉建設廳、中國建筑金屬結構協會等單位在內蒙古包頭市召開“高層鋼結構住宅產業化技術現場交流會”,就浙江杭蕭鋼構股份有限公司在“萬郡?大都城”項目中采用鋼結構集成技術的經驗進行了交流,此舉體現了國家對建筑節能、提高建筑抗震性能的重視和關注。
  
  二、模塊建筑體系概述1.模塊建筑的概念內涵(1)模塊建筑概念。模塊建筑是指在住宅構件工業化生產的基礎上,采用模塊化組裝的方式來建造的住宅,是在工廠制造,再運輸至項目現場進行安裝的。模塊建筑是由一系列形狀為正方體、長方體及多邊形體經組合疊加形成的建筑,其中每個模塊,都具有自身完善的、設定的分項建筑功能,它可以是僅有門窗的空曠單元,也可以是廚房單元、衛生間單元、樓梯單元、陽臺單元等,經在平面上和豎向上組合形成建筑師要求的總體完備的建筑功能,一經安裝完畢,即可投入使用。(2)模塊建筑的4個涵義。住宅建筑的標準化;住宅建筑的工業化;住宅生產、經營的一體化;住宅協作服務的社會化。
  
  本文所述模塊建筑主要為鋼結構體系,模塊工廠化整體預制現場裝配,相比于上世紀蘇聯、東歐等國家建筑企業采用梁、柱、板等構件在工廠預制、工地裝配的建筑,其工業化、產業化水平及質量水平均得到更大提高。
  
  2.模塊建筑的優勢與推進難點
  
  (1)模塊建筑的優勢。
  
  第一,可持續性生態優勢。可持續性是模塊化住宅與傳統建筑方式相比最明顯的優勢之一。建造過程中的集中生產也使得建造能耗低于傳統手工方式,工業化生產改變了混凝土構件的養護方式,實現養護用水的循環使用;工廠化集中生產的方式,降低了建筑主材的損耗;裝配化施工的方式,降低了建筑輔材的損耗;現場裝配施工相較傳統的施工方式,極大程度地減少了建筑垃圾的產生、建筑污水的排放、建筑噪音的干擾、有害氣體及粉塵的排放。
  
  第二,節能優勢。模塊建筑設計采用合理的窗墻比例,圍護結構采用高質量的保溫隔熱復合墻板,隔絕了熱橋,比現有同類鋼筋混凝土建筑結構的能耗得到了較大幅度的降低。由于復合墻板具有較高的密度,熱惰性指標高,隔熱、隔聲性能也好,其節能指標達到三步節能65%以上的要求,并向四步節能要求發展。同時,模塊建筑可以組合成各種建筑平面和立面形式,美觀大方,為人類居住、辦公等提供了十分舒適的人文環境。
  
  第三,抗震性能的優勢。鋼結構模塊住宅建筑結構一般采用鋼框架或鋼框架??支撐結構體系。對于超高層建筑,則采用消能減震支撐結構體系,鋼結構承載力高,延性好,且連接節點可靠,即使在大地震作用下,也可達到經一般維修仍可繼續使用的性能目標,其抗震性能遠高于現澆或裝配式鋼筋混凝土結構,確保了人們的生命和財產的安全。
  
  第四,防滲漏以及隔聲等建筑物理性能的優勢。由于采用了高質量的復合墻板并具有較好的延性性能,能很好地適應總體結構因各種不同荷載作用產生的變形,確保外墻不開裂;對于接縫處,除采用密封膠封閉外,在里側設置誘導水孔,以使接縫處可能發生的滲水誘導至水孔泄出,確保圍護結構的水密性要求,衛生間采用隔水性能良好的柔性材料,杜絕了滲漏現象,營造了舒適干凈的衛生間。
  
  第五,施工效率及施工質量的優勢。由于模塊建筑95%以上的工作在工廠完成,不受季節或環境的影響,且模塊元素的制作和組裝都在生產流水線上完成,機械化程度高、效率高,在工地采用機械吊裝,安裝速度快。根據英國、美國相關經驗,一幢1萬平方米的高層鋼結構住宅建筑樓在現場僅需1臺吊車和10余個工人4個月內即能完成安裝;而普通現澆鋼筋混凝土結構的施工周期一般要在1年半以上,即使采用梁、柱、板構件裝配式建筑或大板樓建筑等也需要1年以上。相比之下,鋼結構模塊建筑的施工速度比上述兩種施工方法分別提高了兩倍到3倍,由此可見,施工效率的提高是前所未有的。
  
  此外,模塊單元均在工廠建造,包括鋼材加工、焊接框架、組裝墻板和電氣水暖設備都在工廠車間生產流水線上進行,精密程度高,并進行有效的質量檢控,因此,模塊建筑的施工質量遠高于普通現場露天施工的建筑工程。
  
  第六,節約材料及降低成本的優勢。鋼結構模塊建筑標準化程度高,減少了材料的消耗,邊角料在車間易回收再利用,可避免普通現澆鋼筋混凝土建筑現場施工的浪費現象。同時考慮了工業廢料的利用,如發電廠的粉煤灰,廢棄的聚苯乙烯材料等經過加工制成各種墻板構件的部品,可以達到節約材料的目的。
  
  鋼結構模塊建筑雖然用鋼量略高于普通鋼筋混凝土建筑,機械施工費用也較高,但結構重量輕,降低了地基處理費用,且可回收的材料應用較多,減少了原材料的浪費,特別是縮短了施工周期,減少了現場施工人員,降低了施工成本,資金回籠速度快。經綜合對比,其建造成本可與普通鋼筋混凝土建筑結構持平,是經濟合理的。
  
  (2)鋼結構模塊化住宅建筑的推進難點。目前,我國模塊化建筑推進并不理想,鋼結構模塊化住宅也是如此。影響模塊化住宅推廣的主要原因有5點:
  
  一是建造模塊的預制工廠投資太大,運輸、安裝需要大型設備,建筑的單方面造價也較貴。
  
  二是建筑形式。我國現在新開發的房屋建筑主要是高層建筑,在高層建筑的建設過程中,承重體系的計算非常重要,用模塊化的形式去生產,面臨不少困難。美國、日本的房屋大部分是獨立住宅,與高層建筑相比,獨立住宅用工業化的形式生產更有利。
  
  三是勞動力成本。我國的建筑行業是勞動密集型的產業,吸納了大量的剩余勞動力,勞動力成本便宜。住宅工業化生產與農民工現場生產相比,在生產成本上沒有優勢,這是影響住宅產業化的一個重要障礙。
  
  四是運輸成本和技術的問題。如何把在工廠生產的住宅運送到施工現場,也是一個必須面對的問題。筆者認為,影響我國住宅產業化快速發展的重要原因是我國的工業化水平總體上較低。
  
  三、模塊建筑結構技術的基本要求
  
  近年來,在天津市相關主管部門的領導和組織下,由天津市建筑設計院、天津大學等單位聯合組成鋼結構組合技術研究課題組,研究開發適合中國的鋼結構模塊建筑體系是該科研工作的一部分。
  
  課題組詳細分析了美國、英國、澳大利亞、中東地區模塊建筑結構體系,結合我國抗震設計以及綠色建筑設計等相關要求,提出了不同高度的模塊建筑體系以及相關技術措施。
  
  1.建筑專業
  
  (1)合理的模塊尺寸。由于模塊單元在運輸、吊裝以及安裝施工過程中結構安全的需要,經綜合分析,其最大尺寸寬度不宜大于4.2米,長度不宜超過12米,高度可為3.0米、3.3米、3.6米、3.9米、4.2米、4.5米,不宜超過6.0米。最小寬度可為1.2米、1.5米、1.8米。在建筑設計時,開間和進深大小不受限制,利用模塊拼接即可。
  
  (2)建筑模數。模塊單元的模數原則上應遵守國家標準《建筑模數協調統一標準》(GBJ 2)。對于特殊形體的建筑物可采用非模數化的尺寸。基本模數為1000毫米。水平擴大模數基數可為3米、6米、12米、15米、30米、60米。豎向擴大模數基數為3米、6米。分模數基數為1/10米、1/5米、1/2米。
  
  (3)豎向層高的確定。模塊單元豎向組合時有兩種情況:
  
  一是直接疊放,建筑層高即為模塊單元高度。
  
  二是采用有墊塊連接件時,則建筑層高應取模塊單元高度和墊塊連接件的高度之和。建筑層高控制在3.0米或3.2米。(4)模塊單元劃分有4種情況:
  
  一是全封閉式模塊單元,即空間框架單元的頂板、底部以及四面側墻都已完成,其內部裝修已完成(灶具、潔具等已安裝,其安裝方式可為散件安裝或整體式廚房和整體式衛生間)。“全封閉式模塊單元”在多層建筑中可全部采用,在高層和超高層建筑中可大部分應用,是工廠制作中的主流形式模塊單元。
  
  二是基本封閉模塊單元,即空間鋼框架單元的頂板、底板、內墻板、外墻板已基本全組裝完畢,僅在框架柱連接范圍局部構件明露,以便于工地安裝時框架柱的上下連接施工,節點連接完成后再完善局部墻體的拼接。
  
  三是半封閉模塊單元,即內外墻板等有部分尚未組裝,其中有的是因安裝重要構件需要、有的是因建筑功能需要某些側面無墻、有的是因為與其他模塊單元拼接合用隔墻等。
  
  四是開敞式鋼框架模塊組合單元。此類單元在某些工程中特定應用,可解決某些復雜的空間組合配合連接應用。所謂開敞式鋼框架模塊組合單元,即空間鋼框架單元4個側面和頂板、底板均不安裝,采用工廠內制作時將2 3層鋼框架模塊單元豎向組合成整體單元,也可根據建筑功能,將橫向2-3個進深鋼結構模塊單元橫向組合成整體單元。
  
  將上述開敞式鋼框架模塊單元運至工地現場安裝,與主體結構通過預埋件和連系梁連接形成整體框架,再安裝圍護結構等,可大量減少焊接作業量,且節點連接質量可靠。
  
  2.設備專業
  
  1)水平向各種管線盡量布置在模塊單元的頂棚內或底板內,豎向管線可布置在模塊單元的周邊墻體內。
  
  2)各種水平和豎向管線的匯集應合理,宜在模塊單元上部和下部設置統一的出入接口,以便于與相鄰單元的連接。
  
  3)對于主管道、主管線應設置管道井,管道井可設置在某一模塊單元內,其連接出入口應方便與其它模塊單元的連接,必要時應進行預裝配連接。
  
  4)模塊單元的管線,應采取防水、防腐和防撞擊的防護措施。
  
  5)設備立管需要穿過模塊單元頂板、底板時,應預先定位開孔,孔徑應考慮安裝誤差,封口應滿足防火、防水和隔聲的有關要求。
  
  6)配電系統應利用組合后的鋼結構進行總等電位連接。
  
  7)防雷接地應與交流工作接地、安全保護接地共用模塊單元和其它鋼構件為自然接地體,此時應按規定位置將上部結構與基礎鋼筋連系焊接,達不到接地電阻要求時應另外引出接地極。
  
  8)模塊單元房屋供電的外線接口宜采用專用的插口,并符合該插口所規定的額定電流。
  
  3.結構專業
  
  1.一般要求。當層數在4層及以上時,一般應設置專門的抗側力構件,可選擇在山墻、部分隔墻、樓(電)梯間等部位的模塊單元設置豎向桁架。桁架形式一般可為八字形、V字形、單斜撐形以方便開設門窗等需要。該模塊單元一般稱為非標準單元,其余則為標準單元。框架柱的截面尺寸宜同墻厚,一般不宜突出內墻面,可以突出外墻結構面。模塊單元應注意單元組裝、單元運輸和吊裝施工過程的安全性和可行性,并應驗算結構的剛度、強度、抗裂性是否滿足規范要求,確保模塊單元成品不發生損壞。
  
  2.根據結構力學構造特征對模塊單元的劃分
  
  第一,主模塊單元。在結構上除了承受自重荷載作用外(包括恒荷載和活荷載),尚應承受上部模塊單元體系之荷載。在風荷載和地震作用下,尚應承受部分側向作用。因此一般模塊單元四個框架柱和上下各四個框架梁需要較大的剛度和強度,而且梁柱節點必須形成剛接,部分主模塊單元當承受較大的側向力時,需具備較大的側向剛度,可采用設置普通支撐、偏心支撐、消能支撐或設置消能器等方式,其中普通支撐主要提高側向剛度。偏心支撐尚能提供部分消耗地震能量,后兩種主要是消耗地震能量,達到減震的效果,并提高一部分剛度。其形式概述如下:
  
  一是普通支撐。普通支撐一般在模塊單元的長向側面內呈八字形或V字形布置;在模塊單元的短向側面內,由一斜桿或由兩十字交叉的斜桿構成的支撐。
  
  二是偏心支撐。在模塊單元的長向側面,上框架梁和下框架梁之間設有由兩斜桿構成的支撐,所述兩斜桿呈八字形或V字形布置,支撐與框架梁和框架柱中心線交點應偏離,該偏離段即為鋼梁消耗能段,其原理為通過該段鋼梁的剪切變形消耗能量。對于人形支撐,梁耗能段設置在下框架梁。對于V字形支撐,梁耗能段設置在上框架梁,耗能段長度一般可取1000毫米,其腹板應設置加勁板。
  
  在模塊單元的短向側面內,所述上框架梁和下框架梁之間設有一斜桿,稱為單斜桿支撐。如在門窗洞口,則應設計成門架支撐。
  
  一般來講,對于單斜桿支撐,可以在下框架梁設計耗能段;對于門架支撐可以在上框架梁設置耗能段,耗能段長度的距離宜小于800毫米,其腹板均應設計加勁板。
  
  第二,次模塊單元。在模塊單元進行組合時,部分可采用次模塊單元填塞,還有部分現有建筑中結構樓面上設置功能性模塊,也可采用此模塊單元。次模塊單元結構一般僅承受自重,以及承受本身在地震中產生的慣性力,并將上述兩種力傳遞至主模塊單元,因此次模塊單元的抗側剛度和強度遠小于主模塊單元,故在次模塊單元中,除了模塊底部框架梁與框架柱宜作剛接,模塊單元頂部因荷載較輕,因此,上部框架梁與框架柱可以做成鉸接。
  
  四、結論與展望
  
  鋼結構模塊化建筑產品在其生命周期內能源利用效率較高,產品在使用期結束拆卸時依然有大量的材料及部品可回收再利用,而不至于產生大量的建筑垃圾,鋼結構模塊化的生產方式使建筑的建設過程和最終產品更加環保,資源利用更加合理。
  
  我國基本建設規模大,每年開工項目的面積已達到五億平方米以上,節約資源保護環境,提倡建筑工程的工業化和住宅產業化是我國工程建設的基本國策。集成模塊建筑是一種綠色建筑結構體系,在倡導綠色建筑、綠色設計以及綠色施工的同時對建筑體系、結構體系、建筑設備、鋼結構圍護以及工廠化生產與施工安裝也是一次新的產業升級,它的出現必將在我國建筑領域的發展中結出豐富的碩果。
  
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