箱式集成模块建筑钢结构设计探讨

箱式集成模块建筑钢结构设计探讨

蒿庆锋

浙江精工钢结构集团有限公司 浙江绍兴 312000

摘要：近年来，国内外装配式建筑建造技术日趋完善，装配式建筑得以迅速发展，而代表高装配率的集成式模块建筑以其显著的综合效益，具有更大的市场空间。例如，新加坡政府推广应用的PPVC预制预装块体建造技术和香港特区提出的MIC组装合成建筑法均提供了成功的实践案例，其特点是根据“先装后嵌”理念，将现场建筑工序转移至较易控制的厂房进行，在厂房中制造独立的体积模块组件（包括装饰工程、卫生间、MEP机电暖通给排水设施等），再将完成的模块化单元，运输到现场快捷组装。其中，箱式钢结构集成模块（简称箱式模块）建筑在国内应用较为成熟，并实行了行业技术系列标准。集装箱式钢结构模块建筑产业基地已经形成产品设计、生产和安装全过程的产业链，积累了一定经验。

关键词：箱式集成模块；建筑；钢结构；设计

引言

模块化建筑由装配度高的集成箱式模块钢结构组成，钢结构模块为具有建筑使用功能的集成模块建筑单元。该建筑单元在工厂预制完成，是由钢结构主体结构、楼板、吊顶、内装部品组合而成的具有集成功能的三维空间体。钢结构模块化建筑具有快速装配、高度集成、绿色低碳的特点。集成模块采用工厂化批量生产，现场整体吊装，现场施工周期短；集成模块集保温隔热、防水防渗和隔声防火等性能于一体，全部在工厂加工，质量稳定可靠，性能品质更好；模块化建筑现场基本无扬尘和建筑垃圾，最大限度降低对环境的污染，是一种绿色可循环利用的建筑形式。

1.数据中心的模块化建造技术现状

模块单元是钢结构模块建筑体系的重要建筑部品，根据传力路径可分为柱承重模块和墙承重模块2类。为适用低层到高层的建筑需求，由模块拼装成的结构体系可归纳为：纯模块结构体系、模块-钢框架结构体系、模块-筒体结构体系、平台-模块结构体系以及框架-嵌入式模块结构体系等。对于数据中心的模块单元，各企业都力图使其覆盖所有的建筑功能，即实现设备机房的模块化、楼梯走廊等辅助单元的模块化、建筑屋面体系的模块化。但是，由于国内厂商众多，且没有统一的规范指导数据中心模块化建筑的设计，各模块化的功能单元种类繁多，缺乏可参考的合理模数，有悖于模块建筑标准化、模数化和系列化的原则，过多种类的模块单元使得数据中心项目的建造效率大为降低，也不利于数据中心模块化建造的推广。尽可能实现模块单元的标准化，是实现数据中心模块化建造的关键。

2.结构形式和基本原则

箱式模块建筑结构以箱式模块为基本单元，通常组构成3种结构体系：叠箱结构、箱-框结构和箱-框支撑结构（见下图）。通常，进行箱式模块建筑空间结构计算分析时，节点以螺栓连接的结构形式，视作铰接模型。标准规定：抗震设防烈度6~8度情况下，箱式模块建筑的最大适用高度：叠箱结构40~25m，箱框结构60~30m，箱-框-支撑结构100~50m。依据水平剪力作用下建筑结构刚度分配和协调机理，结构主体可分成箱体框架和非箱体框架两部分考虑，两部分框架及金属壁板协同受力，共同抵抗水平地震力和高风压作用。而对于采用箱-框-支撑结构体系的高层箱式模块建筑，则强调，非箱式模块的钢框架-支撑部分承担层间剪力的比例应大于60%，以保证整体结构的水平抗力和安全可靠性。

3.楼板的平面刚度问题

品字型模块排布时，结构楼板呈间隔布置，楼板不连续。在高层模块结构中，模块自身抗侧能力弱。在水平荷载作用下，不连续的楼板布置会加大模块水平力传递的难度。本文试算过未采取楼板加强措施时，楼板的水平变形较大。为直接有效传递地震作用或风荷载下的水平力，通过设置连系梁或楼板将相邻品字模块直接连接，同时设置中间通廊部位的水平支撑，将水平力传递到两端的带支撑钢框架上，提高楼板抗侧整体性。

4.运输过程中防损的主要问题及对策

对于道路运输中的数据中心模块，防损的关键是减小模块单元受到的动力荷载和加强模块单元在动力荷载下的结构承载力。为了减小模块单元的动力荷载，首先应考虑避免运输车辆行驶于路面状况糟糕的乡村道路（D、E等级），确保行驶路线为城市道路（A、B等级）及路面状况良好的乡镇道路（C等级）。其次，采用具有减振器的地面运输装备，可有效减少因地面不平度产生的振动激励对建筑典型部品引起的损伤。此外，在设备隔振领域，隔振技术的应用同样可以达到减小模块单元受到的动力荷载的效果。对于加强模块单元在动力荷载下的结构承载力，《轻钢龙骨式复合墙体》（JG/T544-2018）中对于二维墙板在运输过程中的防损保护规定如下：包装箱应牢固，避免产品在运输过程中损坏、产品在运输过程中应轻装卸、防冲击、防变形等；《钢结构模块建筑技术规程》（T/CECS507-2018）则规定：模块单元的宽度及高度宜符合大件运输的限值规定，在运输过程应固定牢固，设置垫木防止运输过程中造成损坏，必要时，应进行运输过程中强度和刚度验算，采取专门的防振措施。

5.平面立面构造

品字型模块化建筑和常规模块化建筑在平面和立面构造上存在差异，比常规模块化建筑节省空间。与常规模块化建筑采用双墙布置相比，品字型模块化建筑采用单墙布置，减小了建筑墙体的面积占用比例。在单个模块平面布置相同的条件下，品字型模块化建筑单层面积约节省5%。在净高条件基本一致的条件下，品字型模块建筑因采用单层楼板布置，层高比常规模块化建筑减小约300mm。层高的优化直接减小结构构件的用量。

6.加强设计人员的创新能力和设计理念的培养

任何一种工程的完成都离不开科学合理的设计，而科学合理的设计则离不开设计人员的智慧和付出。在智能建筑系统集成与控制的应用设计上，设计人员的设计理念对整个的系统集成与控制的发展起到积极的指导作用。但是，由于我国的国情限制，导致系统集成与控制应用的设计人员整体的设计理念都相对落后，因此，我国要加强引入国外先进的设计技术和理论知识，帮助我国的设计人员对这些先进技术与理论知识进行消化和吸收。对于引进的新型技术和设计方案，我国的设计人员不要照搬就抄，要对其中的设计核心和关键性的关节进行详细的分析与研究，真正的了解该设计方案的精髓，使其在我国的智能建筑系统集成与控制应用的设计中起到相应的积极作用。

结束语

总之，不论采用何种形式的结构体系，箱式模块建筑节点连接的安全耐久性和装拆效率至关重要，都直接影响到结构体系的可行性和实用性。特别对于高层箱式模块建筑，在不同抗震设防烈度和风压地区，其箱体结构强度、箱体之间组构强度及刚度、箱体与非箱体结构协同受力及刚度分配、抗结构连续性倒塌能力等方面，还需要通过可靠的实验数据求证空间结构计算和分析的不确定性。由此采用的加强结构和节点的构造设计，会不同程度地增加箱式模块建筑的建造成本。但是，通过研究和发展箱式模块建筑结构体系，提升标准化建造水平，加速装配式建筑产业转型，则将具有重要的现实意义。

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