混凝土模块化高层住宅建筑结构设计与分析

李红芳，黄 卓，王志鹏，易 剑

（奥意建筑工程设计有限公司 深圳 518031）

0 引言

近年来随着建筑工业化的快速推进，装配式建筑技术体系不断取得改进与创新，模块化集成建造（Modular Integrated Construction，MiC）技术已被应用于幼儿园、学校及各类应急、抢险救灾、防疫设施工程，使得模块化集成建筑成为了装配式建筑的重要发展方向之一［1-3］。MiC 是将建筑各功能区域划分为多个标准的模块单元，各模块单元集建筑、结构、机电、装饰装修等要素于一体在工厂生产并运到现场进行拼装的模块化集成建造技术，区别于传统装配式建筑中仅局部构件在工厂生产，MiC 可实现90%以上施工作业在工厂完成，现场只需进行模块单元的吊装、拼接连接等工作［4-5］。由于目前国内模块化集成建筑发展处于起步阶段，应用项目以多层或临时建筑为主，缺乏在高层永久性建筑中的应用案例和经验。

有鉴于此，为了推动模块化集成建筑的发展，拓展模块化集成建筑的应用范围尤其是在高层建筑中的应用，有必要将模块化集成建筑与常规建筑结构体系进行结合并创新，探寻新的模块化技术体系。本文以国内首个高度近100 m采用混凝土模块化集成建筑的高层住宅为例，通过介绍其结构特点、模块设计及抗震性能设计方法，以期对突破模块化集成建筑局限于低多层结构的应用瓶颈，及拓展模块化集成建筑在高层建筑中的应用范围提供参考。

1 工程概况

本工程项目位于深圳市龙华区，含5栋高层住宅，总建筑面积216 075 m2。项目北侧为3 座塔楼，地上28层，3层地下室，主屋面结构高度为99.55 m；南侧为2 座塔楼，地上29 层，2 层地下室，主屋面结构高度为98.95 m。5 栋塔楼标准层布置相同，层高均为3.0 m，一层为架空层，项目建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

项目设计使用年限为50年，丙类建筑，抗震设防烈度7 度（0.10g），地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。基本风压0.75 kN/m2，建筑结构安全等级为二级。项目5 栋塔楼均采用混凝土集成模块-现浇剪力墙结构体系，属于A级高度的高层建筑［6］。根据《超限高层建筑工程抗震设防审查技术要点》（建质〔2015〕67号）［7］，本工程存在扭转不规则、凹凸不规则、尺寸突变等不规则项，需进行抗震专项设计。

2 模块设计

区别于一般剪力墙结构，模块设计是本工程项目设计重点内容。本项目混凝土集成模块设计为非承重单元，由建筑围护结构、剪力墙（柱）或梁侧模壳、预制叠合板及装饰装修层组成，剖面图及三维示意如图2所示。由于其模壳仅作为现浇承重结构的模板，不影响主体剪力墙、梁的尺寸，承重结构仍为全现浇剪力墙。

图2 混凝土模块示意Fig.2 Schematic Diagram of Concrete Module

2.1 模块布置

综合考虑结构安全、建筑性能以及混凝土模块生产运输与吊装施工等因素，模块均布置在标准层户内空间，如图3 所示，核心筒内楼梯采用预制，其余部位结构采用铝模全现浇。

图3 标准层模块布置Fig.3 Standard Layer Layout of Modules

2.2 模块连接

模块与现浇结构之间的连接是模块化设计的关键点，其中涉及与主体结构现浇剪力墙、梁、板的连接。对于外墙剪力墙，其内侧由30 mm 厚度模壳与现浇交界面通过桁架筋及水洗粗糙面连接，外侧铝模现浇施工，模块隔墙外侧伸出胡子筋与现浇剪力墙进行构造拉结连接、设柔性材料减小刚度影响，如图4⒜所示。对于内部剪力墙，其两侧由30 mm 厚度模壳，一侧留桁架筋、另一侧设加强肋与模壳对拉连接，预制模壳与现浇交界面均做水洗粗糙面，模块隔墙外侧伸出胡子筋与现浇剪力墙进行构造拉结连接、设柔性材料减小刚度影响，如图4⒝所示。对于模块顶板的连接，参考相关装配式规范要求，采用叠合板现浇层附加连接钢筋［8-9］，保证节点处的连接强度，如图4⒞所示。模块底板与楼板间通过带状坐浆层，保证安装精度及楼面平整度，如图4⒟所示。

图4 模块连接节点Fig.4 Connection Nodes of Modules

2.3 模块对结构刚度的影响

项目采用混凝土集成模块-现浇剪力墙结构体系，主体承重结构为全现浇。由于模块自带模壳作为现浇结构的模板，最后与结构成为一体，其对结构有一定的约束作用，有必要分析及考虑其对结构刚度的影响。建立两个模型，模型1 剪力墙厚度取现浇层厚度200 mm+模壳厚度（外墙单侧模壳30 mm，内墙双层模壳60 mm）、周期折减系数取0.9；模型2 剪力墙厚度取现浇层厚度200 mm、模壳自重按线荷载附加在现浇剪力墙上、周期折减系数取0.9，计算结果如表1所示。

表1 不同剪力墙厚度模型结果Tab.1 Results of Different Shear Wall Thickness Models

对比模型结果，两者基底剪力基本相同，第一振型周期相差3%，位移角最大相差6.8%，判断模壳对结构刚度影响增加约为6.8%，此外，模块自带的构造陶粒混凝土隔墙对刚度影响较小，综合考虑模壳及隔墙对结构刚度增加比例在10%以内，因此结构计算及设计时剪力墙厚度取现浇厚度200 mm、周期折减系数0.9×0.9=0.81（取0.8），模块重量作为荷载附加在现浇结构构件上。

3 结构抗震性能分析

基于上述模块对结构的影响，本文通过建立现浇剪力墙结构模型进行抗震性能设计分析，并考虑模块荷载，其中模壳及隔墙荷载按线荷载输入，模块顶、底板按楼板面荷载输入，并取周期折减系数为0.8 来考虑模块对结构刚度的影响。

采用YJK 和Midas两种软件对塔楼结构进行小震下反应谱分析，计算结果如表2 所示。二者计算结果接近，各指标均满足性能目标及规范要求，表明结构计算模型可靠。

表2 反应谱分析结果对比Tab.2 Comparison of Response Spectrum Analysis Results

此外，由于混凝土模块的存在，结构质量偏重，地震作用会偏大。为满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，了解结构从小震作用下的弹性状态逐步随着地震作用的增大而进入弹塑性状态，采用SAUSAGE 软件对其进行弹塑性时程分析，选取2组双向天然波和1组人工波。

在各条地震波作用下塔楼结构基地剪力与小震反应谱对比结果如表3 所示，在地震动以X向为主方向作用时，结构最大基底剪力为79 006.7 kN，是小震反应谱结果的5.79 倍；在地震动以Y 向为主方向作用时，结构最大基底剪力为78 298.6 kN，达到小震反应谱结果的6.39倍。

表3 大震及小震作用下基底剪力比较Tab.3 Comparison of Base Shear Forces under Large and Small Earthquakes

结构最大层间位移角如表4 所示，在3 组地震波分别作用下，以X为主方向的结构最大弹塑性层间位移角为1/175，以Y为主方向的结构最大弹塑性层间位移角为1/188，均满足《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［10］要求的小于1/120 的限值；结构的X向最大顶点位移为0.289 m，Y向最大顶点位移为0.347 m。计算结果表明，结构满足文献［10］“大震不倒”的要求。

表4 大震作用下最大层间位移角Tab.4 Maximum Interlayer Displacement Angle under Large Earthquake Action

剪力墙和连梁在大震作用下的损伤情况如图5所示，塔楼的剪力墙在罕遇地震作用下无损伤～轻微损伤，大部分连梁为中度～重度损伤，连梁能在地震作用下发挥耗能作用，剪力墙和连梁能满足罕遇地震下的性能目标。框架梁和转换构件的损伤状况如图6 所示，框架梁为轻度损伤～中度损伤，转换构件为轻微损伤，满足罕遇地震下的性能目标。

图5 剪力墙和连梁损伤Fig.5 Damage to Shear Walls and Connecting Beams

图6 框架梁和转换构件损伤Fig.6 Damage to Frame Beams and Transfer Components

4 楼板应力分析

因结构平面存在凹凸不规则的形状，同时房间内的楼板采用叠合楼板，有必要分析楼板在地震作用下的应力状态，保证楼板设计的合理性。通过对楼板进行偶遇地震作用下的应力分析，取底部2层、中间10层、中间20和屋面层最不利工况的楼板应力如图7所示，楼板在偶遇地震作用下楼板的应力大部分小于C30混凝土抗拉强度标准值2.01 MPa，部分楼板的最大值在4.0 MPa 左右。除楼板和局部竖向构件连接的个别应力集中的区域，楼板应力基本均小于混凝土抗拉强度标准值。标准层的楼板在核心筒四周及弱连接部位楼板的拉应力相对其他区域楼板拉应力较大，其应力水平基本在1～4 MPa 之间。对于上述楼板应力较大的区域适当增加板的配筋，并在核心筒及弱连接区域采用○10@150 双层双向或与此配筋量相当的配筋，保证在地震下能传递楼层作用力。

图7 各层楼板应力Fig.7 Stress of Each Floor Slab

5 弱连接楼盖分析

塔楼标准层存在一定区域为连接较弱的楼盖，并且部分弱连接区域存在模块连接，有必要对其进行楼板弱连接相关的分析和设计。

结合塔楼结构布置的特点，其为4 个单肢与中间核心筒通过走廊连接。弱连接区域示意如图8 所示，其中A-A 区域的典型楼板宽度仅为5.0 m，B-B 区域的典型楼板宽度6.3 m、C-C截面区域的典型楼板宽度8.1 m。取单肢作为独立结构并计算多遇地震作用下的层间位移为1/1 068～1/720，X向层间位移角小于1/800，Y向层间位移角略大于1/800，表明单肢独立结构基本能满足变形要求。为保证罕遇地震作用下结构不发生连续倒塌，楼板应具备足够的抗剪承载力以传递地震水平力［11］。选取全楼模型的典型楼层分析弱连接部位的楼板抗剪承载力，参考文献［10］第3.11.3条，设防地震或罕遇地震下钢筋混凝土竖向构件的受剪截面要求：Vj/（0.15fckbh0）≤1.0，并考虑以下3 种情形计算楼板的剪力：

图8 弱连接区域Fig.8 Weakly Connected Region

⑴假定不考虑各分肢剪力墙的剪力分担，各楼层的地震剪力完全由相连楼板传给核心筒，则根据各楼层地震下的剪重比和分肢质量可以得到各分肢所受的最大楼层地震剪力；

⑵楼板传递的剪力结果来源于Midas Gen 截面切割的楼板内力，采用设防地震弹性反应谱进行计算。

⑶参考深圳市《高层建筑混凝土结构技术规程：深圳市工程建设标准SJG 98—2021》［12］第3.6.2 条，地震作用下楼板剪力宜按Vj=λ ξ P计算，其中，λ为楼层减重比调整系数；P为弱连接外侧楼层地震作用；ξ为调整系数，取2.0。

计算中震弹性工况下楼板弱连接部位的抗剪承载力结果如表5 所示，弱连接部位楼板均满足受剪截面要求，设计时考虑楼板构造加强，板厚取150 mm，最小配筋取双层双向○10@150，能够保证楼板有效传递剪力。

表5 楼板弱连接部位抗剪承载力Tab.5 Shear Bearing Capacity of Weak Connection Part of Floor Slab

6 结语

本文基于国内首个高度近100 m、混凝土模块化集成高层住宅建筑，介绍了MiC 技术应用的创新：将工厂预制的混凝土集成模块与现浇剪力墙结构相结合，形成混凝土集成模块-现浇剪力墙结构体系，混凝土集成模块化的结构、机电及装饰装修在工厂一并生产预制，主体承重结构在现场全现浇。对混凝土集成模块进行了专项设计，并通过考虑模壳厚度后的模型对比计算，分析了模块对结构刚度的影响；对结构进行抗震性能以及弱连接楼盖进行了分析；结果表明本项目的结构方案可行，结构分析可靠，抗震性能满足要求，主要得到以下结论：

⑴混凝土集成模块设计为非承重构件，模块隔墙为非承重轻质隔墙，模块自带的模壳仅作为现浇结构的模板，模壳内侧进行粗糙面处理并设置与现浇模板对拉连接的钢筋；模块顶板采用叠合板连接节点。

⑵通过对比不同剪力墙厚的结构模型探讨模壳对现浇剪力墙结构刚度的影响，考虑模壳厚度的结构刚度较全现浇部分结构刚度增加约10%，结构设计时取周期折减系数为0.8 体现模壳对结构刚度的影响是合适的。

⑶大震作用下，结构最大弹塑性层间位移角为均小于文献［10］限值1/120，塔楼结构剪力墙基本无损伤，大部分连梁达到重度损伤，均达到性能目标要求。

⑷楼板应力分析表明标准层的楼板在核心筒四周及核心筒和其它各肢相连的楼板的拉应力相对其他区域楼板拉应力较大，大部分拉应力均小于混凝土抗拉强度标准值。对于楼板应力较大的区域适当增加板的配筋。

⑸针对弱连接楼盖，在设计时考虑楼板的构造加强，设置板厚为150 mm，配筋适当加强，可以满足结构承载力要求。