模块化钢结构建筑集成一体化建造关键技术*

温小勇，李春田，陈 洋，周永安，廖选茂，张鑫鑫

(1.中建科工集团有限公司，广东 深圳 518054；2.中集模块化建筑投资有限公司，广东 江门 529000)

0 引言

模块化建筑是一种建筑体系，具有高度的预制化比例，在提高工程质量、缩短工期、节约人力物力、保护环境等多方面有显著优势[1]，但限于不同市场要求和发展规模，以既有集装箱翻新改造的模块化建筑居多。近些年国内一些企业在模块化钢结构建筑领域投入研发力量，开拓市场需求，虽符合建筑工业化以及绿色建筑的发展要求，但由于市场等因素影响，目前应用于中低端的临建设施居多。

通过对模块化钢结构建筑的设计、制造、运输、安装一体化技术进行研究，形成一体化设计技术、制造工艺、快速高效安装方案，以及集成创新应用拓展，从而推动模块化建筑项目的市场应用，大大缩短现场施工周期，减少人工需求，降低工程造价；同时提高制造精度和质量，提高房屋使用体验，进而促进建筑领域技术进步和产业转型，实现成本最小化、质量最优化、效益最大化。

1 概述

1.1 模块化建筑的概念

模块化建筑，又称空间体系的模块式装配化建筑[2]，是由若干功能模块化单元构建组成的一种建筑形式，所有模块既是1个结构单元又是1个空间功能单元，能实现不依赖外部支撑而独立存在；可根据不同功能需求，划分成不同功能空间，配置不同办公、生活、辅助设施以适应建筑设计方案要求，组合形态多变，实现功能与造型多样化。

1.2 钢结构模块化建筑的意义

因为建筑业体制改革的不断深入以及建筑规模的持续扩大，建筑业发展较快，技术基础显著增强。但从整体看，劳动生产率提高不大，质量问题较多，整体技术进步缓慢[3]。在国家大力倡导和发展装配式建筑的形势下，模块化钢结构建筑作为装配式建筑的高端产品，具有高度工厂化和极高装配率等突出优势，代表着建筑工业化、绿色施工和循环经济的发展理念，符合国家政策导向与现实需求，将成为我国今后建筑领域重点发展的方向之一。另外，国内钢铁产能日益过剩，提高钢结构在建筑结构中的比例成为必然[4]。

2 研究内容分析

2.1 模块化钢结构建筑一体化设计

钢结构模块化建筑通过多阶段、多专业一体化协同完成。在建筑结构模块化基础上加入机电、设备、装修等一体化设计工作，做到每个建筑模块单元内部建筑设备设施齐全，设备管线布置合理。设计时完成模块的系列化、标准化，设计出符合结构快速连接的节点和管线快速连接的方式，并使模块的收口、接缝处理尽量简单，易于操作。

2.2 模块化钢结构建筑一体化工业制造

模块化结构体系是将整个房间作为单个空间模块单元在工厂进行预制，并可对该模块单元的内部空间进行布置与装修。为了保障模块单元、部品部件的高品质和施工效率，需要最大限度将机电、设备、装饰装修等工作由施工现场转移至工厂车间，通过完善而严格的车间质量管理体系、统一的工艺流程标准、流水式生产线，减少人员投入，提高生产效率，实现一体化工业制造。

2.3 模块化钢结构建筑现场高效连接及质量控制

模块化钢结构建筑体系的施工现场拼装特点是采用搭积木的方式。因此，模块间连接应充分考虑现场施工可操作性与设备连接安装的便利性。其连接方式应简单、便捷、易操作、节省时间，并应严格控制各工序要点以保证施工质量。钢结构模块化施工技术更加注重小生态环境的建设，实现平行施工，有效减少现场施工量，从而缩短整个项目的建设周期[5]。

2.4 模块化钢结构建筑的集成创新应用及推广

模块化钢结构建筑可以通过结合不同的功能模块进行集成应用，满足不同环境、不同建筑使用功能上的各种需求。因此，集成创新性研究应用领域可以更好地推动模块化钢结构建筑的发展，使其适用于更多场景，满足不同市场需求。

3 建造关键技术

3.1 三维模块的标准化与组合设计

工业化的建造方式推进了建筑产业链的健康发展，解决这些问题的关键在于如何对项目的全过程进行标准化设计，并促使其实现产品标准化与规范化[6]。

3.1.1确定模块尺寸

箱式模块的外轮廓尺寸主要由建筑模数、运输限制及建造功能决定。

1)建筑模数

建筑设计中，一般使用基本模数或作为基本模数整倍数的扩大模数作为建筑模数。在使用英制的国家，如美国、英国、加拿大等，基本模数为4英寸(101.6mm)。我国采用的基本建筑模数M=100mm。

2)运输限制

模块尺寸与运输条件息息相关，从工厂到现场，除可能需要海运外，还需要经过陆运，之间要经过多重高速闸口和桥梁。针对不同项目的具体路线，需要对整个运输路径的所有关口进行实勘测量后，最终确定标准模块的尺寸。涉及超限运输的，需要得到相关部门审批，尺寸越大对道路拆改的风险越大，费用也越高。因此，根据公路运输大件分级标准(见表1)，再结合建筑物的功能使用需求，尺寸应尽量控制在一级标准以内，特殊情况也不要超过二级标准要求。

表1 大件运输分级标准

同时，也要避免箱体做得过小，造成因为钢结构的梁柱较多和拼接较多而增加不必要的成本。

3.1.2模块的类型化、系列化、标准化设计思路

为了提高工业化程度，实现工厂流水线加工，标准化设计必不可少。要实现模块标准化，首先要将建筑类型化、系列化。如模块化办公空间可分成小开间办公、开敞办公、交通核门厅、卫生间等几种功能空间类型；模块化住宅可分成客厅、玄关、卧室、卫生间、楼梯间、厨房等功能空间类型；模块化商业可分为商铺空间、共享空间、交通空间、辅助空间等功能空间类型。然后再对每种类型进行标准化设计。标准化设计以种类尽量少、尺寸尽量统一为原则。所以会出现1个模块包含多个功能空间和多个模块组成1个功能空间的情况。

3.1.3模块组合方式

箱式模块建筑设计应在模数协调的基础上遵循少规格、多组合的设计原则，并宜体现建筑构成的多样性和丰富性。宜采用的模块组合方式如表2所示。

表2 箱式模块建筑的组合方式

3.2 模块单元间连接节点设计

装配式建筑只是简单将建筑构件模块化，而模块建筑是三维空间模块的装配，模块建筑连接节点交接处存在明显的“八柱十六梁”特征[7]。

研究表明，模块间连接应充分考虑现场施工可操作性与设备连接安装便利性。其连接方式应简单、便捷、易操作、节省时间。一般情况下，均考虑采用比较成熟的高强螺栓紧固结构。实践中几种有代表性的连接节点形式如下。

1)延伸钢柱端板+连接板+高强螺栓[8]

通过延伸钢柱端板，利用外延部分与连接板和高强螺栓构成连接体系，实现上下、左右模块的连接，具体展现形式如图1～4所示。

图1 四模块连接节点

图2 平台与建筑模块连接节点

图3 三模块连接节点

图4 双模块连接节点

2)槽钢梁+连接板+高强螺栓

采用方钢管柱、槽钢梁的截面形式，槽钢开口朝向箱式模块内部，根据需要，梁、柱可采用热轧型钢或冷弯型钢。8根边梁和4个角柱在工厂焊接形成预制箱式模块后，在现场通过边梁进行螺栓连接，拼装成整体结构。单个箱式模块内梁、柱采用焊接连接；相邻箱式模块间均采用螺栓连接。竖向相邻箱式模块间连接节点如图5所示，水平相邻箱式模块间连接节点如图6所示。

图5 竖向连接节点示意

图6 水平连接节点示意

3)角件+定位销+连接板+高强螺栓

包括上连接角件、下连接角件、用于连接上层建筑模块和下层建筑模块的连接板、定位销以及螺栓和螺母。其中，上连接件用于与上层建筑模块的底角件固定连接；下连接件用于与下层建筑模块的顶角件固定连接；连接板位于上连接件和下连接件之间，并延伸至底角件和顶角件之间；用于对底角件和顶角件进行限位的定位销依次穿过底角件、连接板和顶角件；螺栓依次穿过上连接角件、连接板和下连接角件，在下连接件内与相适配的螺母连接，如图7所示。

图7 上下模块连接节点

3.3 一体化工业制造技术

以模数化便于运输的钢结构模块体系为基础，将整个房间作为单个空间模块单元在工厂进行预制，根据不同建筑功能需求最大限度将维护体系、设备、管线、装修、家具等整合，通过工厂生产线上流水化制作组装，实现建筑模块的一体化制造。工厂化加工既可以有效地控制建筑的质量和品质，又可以实现批量生产，缩短工期[9]。

3.3.1模块单元制作工艺流程

模块单元的制作工艺流程如下：钢材冲压→焊接工艺评定→钢结构部装→钢结构总装→打砂→油漆→钢结构调运到装修场地→箱体找平→防火涂料涂装→2层CFC地板安装→顶层2层石膏板安装→墙面龙骨安装→隐蔽工程(消防、空调、水电等布管布线、保温棉等)安装→隐蔽工程测试(消防打压、水电、空调等线路测试等)→墙面1层石膏板安装→墙面装饰板安装→天花吊顶→灯具及面板安装→地面安装(地毯)→通电测试→交付验收。

3.3.2质量控制要点

模块结构制作前，应进行模块单元详图设计，根据设计文件、制作详图的要求以及制作厂的条件，编制制作工艺书。制作工艺书应包括：施工中所依据的标准，制作厂的质量保证体系，成品质量保证和为保证成品达到规定要求而制订的措施，采用的加工、焊接设备和工艺装备，焊工和检查人员的资质证明，各类检查项目表格和生产进度计算表。

1)钢结构总装及焊接 ①总装台底座每天开工前打1次水平并调平，要求整个底架水平偏差在1mm以内；②端框及中间框总装时用30mm或60mm的标准吊锤对所有的角柱或立柱端面和侧面2个方向进行垂直度测量，要求偏差在5mm内；③底架装配时重点检查底架、端框或中间框接驳部位的平整度，要求在3mm内；④在总装水平台上检查整根顶、底侧梁的直线度，要求在5mm内，顶板不允许超过角件；⑤全检胎位 针对箱体的总体尺寸进行检验，形成《总装尺寸报表》。

2)钢结构模块预拼装 采用专业的预拼装软件系统进行，将钢结构分段构件控制点的实测三维坐标，在计算机中模拟拼装形成分段构件的轮廓模型，与深化设计的理论模型拟合比对，检查分析加工拼装精度，得到所需修改的调整信息。经过必要校正、修改与模拟拼装，直至满足精度要求。

3)打砂(二次打砂) 整箱打砂主要针对焊缝区域，对于打砂难以到达的隐蔽区域或打砂可能会导致严重变形的薄板焊道，与技术或监理沟通后可进行砂轮机打磨处理，但必须经过质检员确认。

4)钢结构油漆 油漆施工前质检员用手摇温湿度计、露点盘、红外测温仪测量出环境湿度、露点及母材温度，确认湿度≤85%，母材温度高于露点超过3℃方能进行油漆施工；油漆烘干后，对油漆质量进行再次检查，用油漆膜厚测厚仪对油漆厚度进行检查，确保箱顶外面膜厚≥90μm，除箱顶外面膜厚≥50μm， 形成《油漆检查记录表》。

5)箱体调平 使用红外线水平仪测量箱底8个角件的水平度，其水平度应该<5mm，不合格的需要返修。

6)防火涂料滚刷 表面预处理合格，经自检和质检员确认后进行下道工序；现场操作人员随身携带测厚针检测喷涂厚度，直到符合规定要求的厚度要求，方可停止喷涂，防止涂层厚薄不均。

7)地板(CFC)安装 地板铺设后，按图纸设计要求调整板缝，板缝间距为2～3mm；在地板放线定位位置，用小型钻床、手电钻等工具进行钻孔、扩孔等(扩孔时必须使用限位器)；扩孔好后开始在地板进行锁钉，锁钉时钉头凹进地板2mm，不允许有松动；地板、螺钉要锁紧；安装时两板之间高低不能大于1mm；螺丝与板边缘的间距应为15mm，板角为50mm；地板钉锁好后进行地面检查，2m靠尺内允许偏差4mm，对不平的进行修补。

8)轻钢安装(墙体) 横轻钢安装间距不能大于600mm，竖轻钢间距不能大于400mm；轻钢端部必须固定(具体排放轻钢距离根据设计要求所定)；待各轻钢面之间调整排放好，进行轻钢锁定并锁紧；门洞周边轻钢位置要应加入加强板进行加固。

9)岩棉安装 按实际尺寸排布安放岩棉。岩棉安放后留下缝隙进行处理，钢结构和轻钢的立柱内侧应塞至饱满(岩棉安装时要穿专用的防护服，戴好头罩，确保安全)。

10)石膏板安装 ①石膏板锁钉应从板的中部向板的4边固定；②石膏板在锁钉时，螺丝与板边缘间距应为15mm，板角打钉螺丝与板边缘为50 mm，周边锁钉钉距不能大于200mm，中间部分锁钉间距不能大于300mm(具体按图纸设计要求)；③螺丝在安装时钉头应埋入石膏板内1mm，安装时不能损坏纸面；④安装双层石膏板时，内外2层石膏板应错缝排列，接缝不应落在同1根龙骨上；⑤卫生间如安装防水石膏板应竖向铺设，长边接缝应落在竖向龙骨上；⑥石膏板墙面与天花之间安装收边时，缝隙不能过大，留缝3mm以内；⑦如有造型的地方，造型的底板应把侧板收住。

11)墙面装饰板采用工业化预制板材加次龙骨、卡扣的方式安装 使用电动曲线锯或开孔器进行水电位置开孔；使用壁纸刀清理墙板侧边开槽；按照设计图纸排版要求进行涂装板安装；先从阳角位置、门边、窗边开始安装，相交处是在阴角位置；用软布擦拭表面，注意有无胶打到外面的情况，并清理干净。

12)电气安装及测试 按电气布置图纸与施工现场结合，确定线路的路径走向，要求线路必须横平竖直。线路在敷设前必须用管卡、扎带及固定座固定。暗线敷设必须配管，尽量使用弯头、三通等转弯、分支管件。能接锁扣的必须接锁扣，线管弯头处尽量冷弯。

强电线路和弱电线路必须各自穿管，净空间隔50mm以上，电气管路与热水管、煤气管不得走同一根管槽内，吊顶敷设管线应用管卡、线卡固定可靠；质量在3kg以上的大型灯具安装应先在顶板上安装后置埋件，然后将灯具固定在后置埋件上，严禁直接安装在轻钢龙骨、石膏板上；孤立轻钢要求与钢结构接地。

13)给水系统安装及测试 所有排水口须加存水弯，并预留好一定的斜度，坡度为2%～5%，保证水流畅通。所有给水管均高位或埋地暗装，局部应在装修时考虑暗藏，埋地分支管应采用分水器。冷、热水管若有交叉时，热水管上冷水管下。给水管(冷、热水)高位安装时，均贴板底安装，过梁处贴梁底安装；给水管过轻钢套橡胶圈保护，再进行角阀连接；安装完毕后进行给水打压测试，室内给水管道的水压试验必须符合设计要求。当设计未注明时，各种材质的给水管道系统试验压力均为工作压力的1.5倍，但不得小于0.6MPa。

14)排水系统安装及测试 先按图纸要求，进行排水管孔位定位，根据不同孔径尺寸要求选用对应开孔器，排水管道不得穿越生活饮用水池部位的上方，不得布置在遇水会引起燃烧、爆炸的原料、产品和设备上面。排水横管不得布置在食堂、饮食业厨房的主副食操作、烹调和备餐的上方；隐蔽或埋地的排水管道在隐蔽前做灌水试验，其灌水高度应不低于底层卫生器具的上边缘或底层地面高度。

3.4 箱式模块安装技术

模块单元在工厂预制完成后运输至进场，采用起重设备，将模块单元按顺序吊装至指定位置，通过快速连接节点连接模块和模块间管线，并完成接口接缝处理，实现搭积木式的房屋建造。安装工艺流程如下：施工准备→基础及预埋件复测→箱式模块安装→节点连接固定→主体偏差复核→接口及接缝处理→现场装配后处理。

1)箱体起吊 对于几何形状和刚度双向对称的模块单元，其吊点宜设置在模块单元的楼面钢梁上；对于几何形状和刚度均不对称的模块单元，为减小吊装过程中模块单元的变形量，吊装时可根据变形情况增加临时加固设施[10]。每个模块通常通过4点进行提升，尺寸较大时可使用吊具梁，使三维模块在吊装时垂直受力，更好保护箱体结构。起吊时，确保模块不倾斜，4个底角件应同时落下，其中至少2根钢丝绳配备葫芦(用来调整箱体平衡)。

2)箱体连接 ①当模块之间通过高强螺栓连接时，应采用扭力扳手确保紧固力符合设计要求，狭小空间可采用紧固螺栓的工具(倍增器)，长度300～400mm。②采用延伸钢柱端板+连接板+高强螺栓连接节点时，可在钢结构上下连接处建筑天花开洞，经过多专业协调及BIM建模，避开龙骨，开洞尺寸为600mm×600mm，解决连接操作空间问题。

3.5 集成创新应用技术

本项目研究开发的海洋绿色人居系统，着重集成光伏建筑一体化、海水淡化、污水处理、雨水回收、中水回用等系统，实现自主供电、自主供水、环保排污，解决海岛居民生活供水和供电的两大关键问题。

在已实施的某应急医院中以模块化钢结构建筑为基础，由3个模块组成1个单元病房，集成整体卫浴和优化了医疗专项的功能病房，起到环境的卫生洁净、负压效果等特殊要求，实现模块化钢结构建筑的可持续发展和抗疫应急应用。

除以上海洋环境、医疗环境的集成应用，为了使模块化钢结构建筑适用更多场景和环境，根据建筑特征可集成不同创新技术于模块单元，按需自由组合，形成强大的拓展适应能力。如目前已应用于绿色建筑中的节能环保技术，包括：高效保温隔热外墙体系，高效门窗系统与构造技术，热桥阻断构造技术，遮阳系统，房屋呼吸系统，绿色屋面系统，屋面雨水系统，小区智能化系统，天棚采暖制冷系统，太阳能系统，地源热泵系统，热电冷联产系统，变风量空调系统，浮筑楼盘技术，中水利用系统，排水噪音处理系统，中央除尘系统，食物垃圾处理系统，可以有效减少能量消耗，更好地保温、隔热、排水。

4 结语

与传统建筑相比，模块化建筑采用工厂预制生产方式，不受气候条件、环境条件限制，可以24h作业，能大大缩短建设周期，只需要传统建筑的1/3甚至更少。采取高度集成化、标准化、流水线式的先进制造模式，其90%以上的工作在工厂完成，包括结构、建筑、水电、设备安装、装饰装修、固定家具等，而现场工作则是少量的基础施工以及模块结构之间、设备管线之间的连接。在可持续发展的道路上，这种工厂流水线式一体化生产方式，与传统建筑相比，在环保、高效、安全、可靠、经济性方面的优势已愈加明显。

模块化建筑是一种新兴的理念，目的在于建造房屋能像搭积木一样简单快捷；同时，结合钢结构在预制率和抗震性能方面拥有的先天优势，使得模块化钢结构建筑更加容易适应市场需求，也符合国家对绿色、环保、生态方面的战略要求，适用于宿舍、酒店、公寓、办公、医院、学校、商场等建筑，特别适用于公寓、酒店室内装修标准化高的建筑，以及在抗震救灾中的快速搭建。随着我国供给侧结构性改革不断深入推进，在解决钢结构产能过剩以及因环保要求降低水泥产量的新形势下，促进各高校、企业、科研院所积极的合作与交流，加强对模块化钢结构体系建筑设计、制造、运输、安装以及集成应用等各环节的深入研究，从理论层面向实践方向的转变，在产业化的进程中显得愈加具有现实意义和价值。