混凝土建筑模块化体系的设计研究与应用

丁 磊

(安徽海龙建筑工业有限公司，安徽 合肥 230601)

1 概述

随着工业化体系不断的发展，模块化的概念不断被提出，已逐步应用到各个领域，如电子产品和汽车均使用模块化的设计理念，即将整个产品拆分为多个单一功能的构件，通过后期组装形成一个具有完备的使用功能的产品。其中建筑模块化应运而生，将整个建筑根据结构和功能拆分为多个单体，每个单体通过可靠的构造连接，目前市场上主要分为混凝土模块化建筑和钢结构模块化建筑[1]。

钢结构模块化建筑：新冠疫情期间武汉“两山”医院采用的为钢结构模块化，各箱体之间的受力构件组成一个整体受力体系，箱体之间通过螺栓连接、拉杆连接、连接板焊接[2]。现场无混凝土浇筑，施工速度特别快，但由于是箱体本身受力，钢结构模块化建筑使用高度不宜超过100 m。

混凝土模块化建筑：目前市场上应用较少，技术难度较大，在实际使用中，一般作为框架结构、剪力墙结构或框架剪力墙结构中的填充，承担建筑的主要使用功能，模块本身不参与结构整体受力，故建筑高度不受限制，箱体之间通过现浇连接，施工速度较快[3]。

本文主要以我国香港某福利综合服务大楼为例，针对混凝土模块化体系的设计与应用展开研究。

2 工程概况

本工程位于香港第29区粉岭公路旁(欧意花园对面)，为1座8F福利服务综合大楼，建筑面积约4万m2，框架剪力墙结构，采用混凝土MIC；每层42个单位，每个单位分6个模块，每层共252个模块，共7层，模块总数量1 764个。半预制楼板每层63件，共7层，共计441件，重量约731 t；楼梯每层14件，共7层，总数98件，重量约375 t；垃圾槽每层1件，共7层，总数7件，重量约26 t。框架剪力墙为现场浇筑，混凝土模块在工厂生产，并经过精装修运至现场组装，整体装配率可达80%以上(见图1)。

3 整体设计思路

3.1 模块设计标准化

本项目功能是为老人提供一个合适居住环境，标准化程度高，将每一个单独的居室拆分为六个不同的模块，如图2所示(MIC为模块化建筑的缩写，下文全用MIC代替)，其中MIC1和MIC2为卫生间和入户部分，为整个模块化建筑最复杂的部分，需要考虑管线洞口的预留、楼板的降板、与建筑承重部分的连接，设计之初考虑到后期平面图纸会给生产和施工人员带来识图困难，故采用BIM技术，进行三维建模，如图3所示，可辅助生产和施工人员识图，清晰的表达出各个模块空间构造关系；另一方面，可对平面图进行二次校核，进行六个模块的预拼装，避免实际生产安装过程中出现尺寸和位置偏差。如图4所示，为图1的三维视图，图中不仅包含了相互成镜像关系的12个模块，还有结构本身的梁和剪力墙。

3.2 模块的相关节点

本项目单个模块不参与结构受力，通过模块预留凹槽等形式搭接在剪力墙和梁上，部分节点处需要后期现浇混凝土。

模块的水平向连接：如图5所示，为模块的水平连接节点，模块之间留有20 mm的拼接缝，缝隙处通过填充无收缩砂浆+PE棒+柔性密封胶的方式实现防水连接，实际施工过程中，模块之间为软接触，该连接方式给施工预留了一定的冗余，防止因构件尺寸生产偏差导致无法安装的结果。如图5b)所示，相邻模块间留有200 mm的现浇层，通过模块本身的墙体充当剪力墙现浇时的模块，考虑到实际浇筑时混凝土的胀模效应，在模块的墙体中预埋对拉螺栓，起到加固作用，满足一定的强度、刚度和稳定性，达到快速施工，节约材料的效果。

模块的竖向连接：模块的竖向连接如图6所示，分别是与梁的连接和与剪力墙的连接，如图6a)所示，搭接处填充50 mm×200 mm×10 mm的垫片，做到软接触，施工时应安装下层模块→下层模块缝隙灌注无收缩砂浆→梁底放置20 mm可压缩泡沫→安放现浇梁钢筋笼→浇筑混凝土→养护→安装上层模块，如图6b)所示，连接构造与图6a)类似，模块通过自身的凹槽搭接在剪力墙牛腿上，缝隙处填充无收缩砂浆，搭接处通过填充可压缩泡沫和垫片的形式实现构件的软接触。

3.3 模块化建筑设计注意事项

模块化建筑的设计有着构件复杂性、相互关联性、精确度高等要求，以本项目为例，主要存在以下注意事项：

1)连接部位：主体结构为框架剪力墙结构，模块的设计需要避开梁和剪力墙的位置，在一定程度上提高了模块的复杂性，尤其是模块棱角处的预留凹槽尺寸处理，需要兼顾模块相互之间的安装和与主体结构的连接。2)内部构造：6个模 块单独组成的一个房间具有成套的生活设施，在卫生间部位就需要对降板进行周全考虑，不仅需要考虑自身构造的防水性，还需要考虑模块自身底部构造是否能准确的与顶部构造相连接。3)方便加工：本项目在深化阶段，通过对单个房间的合理拆分，并考虑后期模具的制作难度、模具的共用性、车间的生产方便、构件运输的难易，将单个房间的复杂部位单独作为一个模块，如MIC1和MIC2，在设计阶段进行机电管线和水管的预铺设，预留孔洞，尽量避免不规则表面和后期现场开洞的情况。4)准确性：单个模块的安装精度要求高，生产成本大，在设计阶段需要详细的考虑到建筑、结构、机电、暖通、给排水等专业的互相匹配性，避免因细节错误导致后期无法安装或安装后无法进行下一步工序的问题。

4 模块化建筑优势

混凝土模块化建筑作为新兴建筑，近年来逐渐进入公众视野，主要有如下优势：1)速度快：工厂内部流水作业，自动化、机械化程度高；水电管线、装修一体化，现场组装完成即可交付使用；现场施工量少，施工进度受天气影响较小。2)质量优：自动化流水生产线，变高空立体作业为平面作业，更易控制质量；工厂制造，交付前层层检查，整改更方便，质量有保证。3)绿色环保：工厂内部生产，建筑材料回收率高；现场施工对环境干扰更小；模块建筑拆除过程损坏小，可实现再利用，周转使用率高。4)经济优势：现场施工时间短，人工及管理成本低；建造速度快，缩短投资回报周期。

5 结语

本文从混凝土模块化建筑的发展、具体应用、连接形式、设计注意事项、优势等多个方面进行阐述，通过利用BIM技术进行混凝土模块化建筑的设计和深化，相比于传统二维绘制，提升了绘图效率、丰富信息表达、提升了模型的可用性，为混凝土模块化建筑的设计研究与应用提供借鉴。