轻型模块化钢结构组合体系在第十届中国花卉博览会酒店项目中的设计与应用

程 熙, 刘桂然

(上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概况

项目坐落于上海市崇明东平特色小镇,为第十届中国花卉博览会(简称花博会)配套项目。本项目总建筑面积为19003m2,建筑高度为17.95m,地上1～3层,无地下室,建筑效果图如图1所示。项目分两期进行建设,一期工程为宴会厅与抵达大厅,供花博会期间作为会议接待中心使用,为永久性建筑;二期工程为客房、大堂、早餐厅、后勤配套、设备机房等。二期工程在2021年花博会期间,可以提供300间客房,并设置大堂等酒店相关的配套功能,为临时性建筑。

图1 建筑效果图

本项目临时建筑结构设计基准期为50年,结构设计使用年限为5年,建筑结构安全等级为二级,抗震设防类别为标准设防类。工程抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第二组[1-2],基本风压按临时建筑考虑取0.4kN/m2[3]。

二期客房区位于整个地块的一侧,如图2中虚线红框范围,由若干建筑组团构成,各建筑组团间由走道连接。客房区地上2层,2层层高均为3.5m,顶部采用坡屋顶的形式。二期工程为临时建筑,项目建设周期短,结合酒店客房区域存在典型的标准化与模块化的特征,本项目客房区域采用了轻型模块钢结构组合房屋的结构体系。此方案可同时满足建设方会后需要快速整体拆除及运输,箱体异地循环利用的需求。

图2 建筑功能分区图

2 模块单元划分及选型

为实现结构单体的规则性以利于模块化,将客房组团划分为7个结构单体(客房翼一、客房翼二A～C、客房翼三A～C),各结构单体之间通过走道模块相连,结构单体划分示意图如图3所示。区别于传统建筑,模块化建筑在结构设计之前,需要进行合理的模块单元划分。模块单元的划分以规则、符合运输及吊装需要为原则[4]。对于建筑使用功能不同的空间,划分为不同的模块,如电梯模块、楼梯模块、标准客房模块、走道模块等。

图3 结构单体划分示意图

客房标准间由两侧的客房和中部的走道组成,走道靠近客房一侧布置有若干管井,如图4所示。

图4 客房标准间平面图

针对典型的标准客房平面,前期进行了三种模块拆分方案的比选,如表1所示。经综合考虑施工周期、后续拆除搬运及异地使用可能性等方面的因素,最终采用拆分方案一作为本项目客房标准间平面的拆分方案。

图5展示了客房翼一的拆分方案,典型单体拆分为客房模块(A、B、C、D)、楼梯模块(E、G)、电梯模块(K)、布草间模块(L)、设备用房模块(H、M)以及坡屋顶模块(P),模块外其余部分钢框架采用现场施工。钢结构材料强度为Q235B,框架柱主要采用了截面宽度为150～200mm的方钢管(□150×150×8×8、□200×150×8×8),框架梁主要采用了截面高度为200～300mm的窄翼缘热轧H型钢(HN200×100、HN300×150)。客房楼板采用纤维增强盖板,次龙骨采用C型钢檩条(C160×70×20×3),间距为600mm,檩条上铺设4mm厚热镀锌钢板,其上为15mm厚水泥纤维板。

图5 客房翼一建筑图及模块平面拆分图

3 轻型模块化钢结构设计关键问题

客房区结构单体采用叠箱-钢框架混合结构体系,客房标准间采用集装箱模块,走道及坡屋顶等钢结构构件采用现场拼装。与常规钢结构体系相比,除了满足单体整体计算指标要求和构件承载力之外,在设计过程中有一些关键问题需要考虑。

3.1 基础设计

客房区域采用天然地基,基础持力层选择②3层砂质粉土,地基承载力特征值不小于80kPa[5]。但由于原先场地内存在鱼塘、暗浜等情况,局部场地土需先进行换填处理,使处理后的地基承载力满足天然地基设计要求。

为解决上部柱网变动对基础施工的制约,采用了筏板基础,增加了施工便易性,同时具有较好的基础整体性。对应上部钢柱处设置混凝土柱墩,上部模块柱脚通过节点板与混凝土柱墩连接,按照铰接柱脚进行设计,具体见图6。模块化建筑单元运输方便,可整体迁移,拆除时移除柱脚螺栓即可。

图6 底层模块框柱连接示意图

3.2 施工水平误差引起的荷载偏心处理

设计中需要额外考虑每层模块箱体定位和加工中的水平误差引起的荷载偏心作用,偏心距可转换为施加于每个楼层的名义水平力,名义水平力取作用于每个模块垂直荷载的1%,施加于单体楼层处四个角点上,并与风荷载同时考虑[6-7]。

3.3 连接节点及计算模型的设计处理

因模块单元之间连接方式与常规钢框架结构差异较大,对于连接节点力学性能[8-9]及建模方式的简化方法[10-11]国内已有一些研究,证明了在整体结构计算中将节点进行铰接简化是一种合理的处理方式。本项目参考以上研究结果,对模块箱体按照六面体杆系进行建模,单个模块由结构柱、底框钢梁、顶框钢梁及次梁构成,典型客房计算模型如图7所示。

图7 典型客房计算模型图

客房中轻型楼板采用纤维增强硅酸钙板,设计中不考虑楼板面内外刚度,将楼板厚度设置为零进行模拟。水平箱体之间,通过在钢梁上翼缘或钢柱侧面设置连接钢片实现箱体的水平连接,在模型中采用连系杆单元模拟连接钢片,连系杆与相邻箱体构件采用铰接连接。钢片及其连接焊缝根据模型中连系杆的受力情况进行设计。上模块柱底与下模块柱顶采用类似《轻型模块化钢结构组合房屋技术标准》(JGJ/T 466—2019)[6]中模块预应力连接节点方式铰接(图8),仅传递轴力和剪力。该方式无需在钢梁上设置螺栓,可避免在精装修模块楼板或墙面上设置手孔,施工效率较高。连接件通过设置抗剪键用以抵抗箱体层间剪力,通过在钢柱内设置钢棒并将钢棒顶部螺帽拧紧实现上下箱体层间的紧固。顶层柱顶不设置盖板,后期拆除时,松开顶部螺帽即可实现快速拆卸。现场拼装的钢框架部分与模块间根据结构受力需求并结合施工安装便利采用刚接或铰接连接,且箱体钢柱上预留相应的节点加劲板。

图8 上下层模块框柱连接示意图

经计算,典型单体的主要结构自振特性如表2所示。结构在第1、2阶振型均为平动,第3阶振型为扭转,结构扭转周期比(Tt/T1)满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[2]限值0.9,说明结构体系的布置较为合理。

表2 结构自振特性

地震作用下结构的层间位移角最大值为1/726,风荷载下结构层间位移角最大值为1/2 206,均小于1/250,符合规范限值要求,单体整体侧向变形较小,结构具有良好的抗侧刚度。结构由地震组合控制,图9展示了结构整体在地震作用下的变形情况。构件应力比均在1.0以下,绝大部分在0.8以内,如图10所示。

图9 地震作用下结构变形图/mm

图10 钢构件应力比

4 综合效益评价

本项目于2020年10月完成全部施工图设计,同期开展场地基础施工及集装箱部分的工厂深化及加工,于2021年2月完成全部箱体吊装及现场钢结构拼装工作,于2021年5月完成整体管线安装、室内精装及室外景观等工作。施工阶段及建成后现场照片如图11所示。

图11 现场照片

轻型模块化钢结构采用标准模块化设计,工厂预制加工,极大缩短了箱体制作的时间。相比常规钢框架结构10～15d建设一层的速度,模块化钢结构采用机械化吊装的方式,现场拼装快速,地上整体钢结构施工周期约为20d。作为花博会期间配套使用的临时建筑,在活动结束后,可以快速拆除及运输,且在后期可异地使用,对建设方而言具有较大的经济效益。

5 结语

本项目的结构选型中,综合考虑建设周期短、建筑结构可标准化与模块化的特点,以及建设方后续箱体循环利用的可能性,采用了轻型模块化钢结构组合体系。通过在设计前期加强对模块拆分及选型的方案研究,以及对基础选型、模块化结构连接节点处理及合理的计算分析,成功应用了该模块化结构体系,为该结构体系在类似项目中的推广提供了可靠的工程经验。