装配式模块化建筑研究进展★

付振海

(西藏大学工学院,西藏 拉萨 850000)

0 引言

随着中国城镇化进度的不断发展,我国非常重视装配式钢结构的发展,提升城乡低碳绿色建筑和工业化建筑的发展。2016年国务院《关于深入推进新型城镇化建设的若干意见》中明确表示积极推动新型城镇工业化、绿色化、智能化的发展。2017年国务院办公厅《关于促进建筑业持续健康发展的意见》中指出大力发展装配式钢结构推动绿色智能化建造,在10年内使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。2021年10月21日,国务院印发《关于推动城乡建设绿色发展的意见》,要求大力推动可再生能源应用,鼓励智能光伏与绿色建筑融合创新发展,努力实现工程建设全过程的绿色建造。2022年国务院关于印发《乡村建设行动实施方案》明确指出大力发展低碳绿色建筑充分利用可再生资源,推进城乡建设绿色低碳转型。

装配式建筑根据预制程度的高低,可以分为一维杆件单元为主的装配式体系、以二维板件单元为主的预制板件体系、以三维模块单元为主的盒式模块化装配式建筑体系[1]。模块化建筑是将尺寸合适的模块单元在工厂预制完成后,运输至施工现场由起重机进行吊装,组合成建筑整体[2]。与传统建筑相比,模块化建筑具有建造周期短、施工过程安全、施工时间可控、资源浪费少、质量有严格保证、低碳循环发展、抗震性能好等优点[3],模块化可流水线生产其预制程度可以达到90%,是世界上最先进的工业化建筑。建筑工业化是按照工业产品设计和制造方法,根据构件标准化、部品集成化、施工机械化、管理科学化在工厂加工完成,运输到现场组合建造等方式,是现代建筑发展的必然选择[4]。

1 模块化建筑在工程中的应用

模块化建筑又称“盒子建筑”[5],最早起源于欧洲、美洲等发达国家,因其劳动力成本低和施工速度快,符合工业化生产得到大量的推广,且在满足居住的同时,还可以进行美观的设计。1967年郑东在蒙特利尔世界博览会上展示了住宅67(见图1(a)),不仅造型前卫,而且是最早将模块单元引入人们的思想的。20世纪60年代,黑川纪章设计日本东京中银舱体楼(见图1(b)),该建筑是一座造型独特的矩形积木形状的模块化结构体系。进入21世纪模块化建筑飞速崛起,例如:英国伍尔弗汉普顿学生公寓,美国纽约布鲁克林32层模块化住宅大厦,美国布鲁克林单身公寓。

近年来,随着我国大力提倡新型材料,城乡建设向低碳绿色转型,因此模块化钢结构建筑在我国开始大力发展,在进行公寓、住宅、学校、医院、宿舍、酒店等低多层建筑优先选择。

模块建筑力学性能的研究是非常重要的,主要集中在两个方面:一类是模块间的节点连接和构件的力学性能;另一类是模块化框架在水平荷载作用下的抗震性能研究。其意义在于为模块化建筑大面积推广及为超高层建筑的研究提供理论依据。

2 模块化钢结构连接节点

模块化钢结构节点根据位置的不同可以分为模块与模块之间的连接和模块与基础之间的连接。

2.1 模块间的连接

模块化单元之间连接起着非常重要的作用,模块间的连接应满足传递水平、竖向荷载和偶然作用下具有足够的拉结力来保证结构的鲁棒性能的要求,它确保了整个建筑的结构完整性、整体稳定性和坚固性,此外选取不同的连接形式还应该考虑现场连接的可行性,模块单元的顶板与底板的存在,往往使得在中间节点处模块间的连接存在困难。模块节点按其连接方式可以分为焊接连接、螺栓连接、自锁式连接。

2.1.1 焊接连接

焊接连接现场施工量大,操作技术要求高,拆卸不变,不适应模块化建筑的发展。Annan等[6]提出了一种模块化结构的全焊接节点通过模块柱端的盖板将上下模块焊接在一起,以传递竖向荷载。并且由于模块角柱间施焊空间的限制,往往只能在模块单元角柱的外侧面施焊,这就导致了上、下层模块之间可能产生相对转动。Deng等[7-8]提出了一种螺栓-封板节点,采用柱壁开孔,通过十字节点板和高强螺栓连接,最后在开口处焊接一块封板。进行了该节点的低周加载试验,研究结果表明,梁柱角部焊缝易发生脆性断裂,是半刚性节点,可传递地震作用引起的弯矩,在地震作用下梁可以发展全截面塑性。Chen等[9]提出了一种插销-螺栓连接节点,将方形截面钢管柱插入铸头连接件中,在现场通过对穿螺栓将相邻模块连接。通过试验和有限元分析,得到了节点的静力性能、滞回曲线、骨架曲线、延性性能、耗能能力和刚度退化规律。研究结果表明由于节点的破坏形式,在侧向力作用下,上下模块柱间出现一定缝隙,模块间的相互作用力不能很好地传递。方钢管梁柱连接焊缝是试件的薄弱部位,应力集中导致焊缝断裂,试件发生脆性破坏。

2.1.2 螺栓连接

螺栓连接节点现场作业量小,且方便运输、拆换,加工要求低、可靠性高寿命长,具有理想的开发前景,螺栓连接可以快速和容易的安装可以更好地控制质量。2017年Lee等[10]提出了一种全螺栓连接体系,由穿心节点板和螺栓构成节点连接,传递水平和竖向荷载。通过试验研究和有限元模拟该节点抗震性能良好在层间位移角达到0.04 rad时承载力均大于0.8Mp(Mp为节点受承载力,为172.9 kN·m),满足(AISC 341-10—2010)美国钢结构抗震设计规范中特殊受弯框架的抗震设防需求,可满足刚性节点设计要求。

2.1.3 连接器连接

VectorBloc连接器是一种标准化、结构化、可扩展的连接系统,其优势在于能够更快、更轻松地在现场安装梁柱连接和模块间连接[11]。VectorBloc连接器的基本组件是上下块、定位稍、平头螺钉、高强度内六角螺钉和角撑板。郑天心[12]对闭口截面自锁式连接器进行了设计图,通过定位棱与上方连接方筒内的定位槽匹配啮合,来提升节点的力学性能。

2.2 模块与基础连接

除了上述新型的模块化节点外,Park等[13]提出了一种模块和基础间的嵌入式连接(见图2)。这种连接方式相比于传统铸入式具有良好的强度和延性。并进行静力加载试验和有限元分析。结果表明,柱埋深是影响节点承载力的关键参数,通过试验和数值模拟,给出了柱脚节点最小埋深。

虽然国内外学者进行了大量的新型模块化节点的研究,但是尚未出台有关的模块连接形式、结构体系分析计算等方面的规范标准,目前还需要大量模块化节点研究来提供理论依据。

3 模块化钢框架结构体系

为了研究模块化钢框架结构抗震性能的影响,在进行框架设计和分析时,通常采用试验研究和数值模拟方法。

3.1 模块化钢框架结构体系抗震性能试验研究

Hong等[14]提出了一种双层波纹钢板组合的模块化框架结构进行足尺试验研究。试验结果表明,钢板增加了框架的抗侧刚度并优先于框架开始屈服,有效控制了框架的严重损坏。Chen等[15]对预应力节点连接的模块框架进行拟静力加载试验并提出了一种简化的有限元建模方法。结果表明,该预应力连接具有较强的连接性能,具有在多遇地震下,该模块化结构呈现弹性状态同时保持强度的趋势,且在罕遇地震下无强度退化现象。曹轲等[16]为了研究柱承重式模块化框架结构的抗震性能,进行了足尺拟静力加载试验和简化模型分析对比。结果表明,该框架结构具有良好的刚度、延性和承载力等,在达到层间位移角限值时节点没有出现破坏。

目前模块化框架结构足尺试验研究较少成本高,但是与数值模拟相比更能真实地反映结构的破坏位置、薄弱环节及设计中遗漏的问题。

3.2 模块化钢框架结构体系抗震性能数值模拟

有限元分析主要是通过软件(ABAQUS,SAP2000等)进行数值模拟。在建立精细化模型时难以准确模拟,根据其传力机理、节点构造进行部分或全部简化,从而准确考察结构抗震响应。Feng等[17]进行了多层组合箱型结构在多遇地震和罕遇地震作用下的模态分析和结构分析,并对四种节点的刚度和承载力进行了研究。结果显示,目前采用的节点形式不能满足规范要求,需要采用新的节点形式。Lacey[18]将模块间连接的力矩-转动和力位移行为进行简化,并运用到整体结构模型。结果表明,模块间连接的刚度对整体抗震性能有一定的影响,尤其是在水平荷载作用下层间位移角有明显变化,转动刚度影响较小。张惊宙等[19]采用有限元分析方法对柱承重式和墙承重式两种形式的冷弯薄壁型钢龙骨模块进行受力特点、结构性能和用钢量对比分析。结果表明,墙承重式模块比柱承重式模块用钢量少,制作成本高,运输不便,自重大适合低层建筑;柱承重式布局灵活、运输方便,构件可以拆卸重复利用特点,可进行大面积推广。王华杰等设计了7层标准户型模块化住宅结构(见图3),建立有限元模型,与增加辅助立柱、横梁和设置侧向辅助拉索的方案进行对比分析,分析结果表明,增加辅助拉索可以提高结构的抗侧刚度,节点刚接也可以有效提高结构的抗侧移刚度,最后还给出了合理的7层模块化住宅结构方案。

模块化钢框架节点和墙板对整体抗震性能影响进行了一定的研究,但对其研究较少且深度不够。模块化钢结构建筑的节点构造往往比较复杂,在建立精细化模型进行有限元分析时难以准确模拟,应针对其传力机理与简化模型的研究,探究其整体结构的抗震性能和破坏模式。

4 模块化建筑施工及运输

模块化建筑施工是将模块单元在工厂进行制造并对模块内部进行装饰,然后运输至施工现场,再由起重机吊起进行安装拼接成建筑整体,图4是施工流程图。

在模块化运输过程中也需要进行模块尺寸合理的规划和设计。比如:新加坡道路运输的最大宽度、高度和长度分别为3.4 m,4.5 m和12 m[20],澳大利亚和美国的允许宽度为3.5 m。

与传统建筑相比,模块化建筑具有施工度快、建造周期短、施工工艺先进、规模效益显著、模块质量可控、可拆卸重复利用、环境污染小、绿色节能环保等优点。根据项目案例研究,使用模块化建筑施工可以减少50%的施工时间和节约20%的成本。

5 结论

模块化建筑具有施工速度快、制造安全、质量可控和低碳环保等优点,得到了国内外工程师的大量关注。然而,由于缺乏坚固的结构体系和连接技术来确保模块化建筑结构的完整性、整体稳定性和鲁棒性,目前大多适用于低层建筑,对于高层建筑的构造应用非常有限。此外,缺乏相应的规范标准,限制了模块化建筑的发展。虽然国内外对于模块化钢结构建筑连接节点开展了一系列的实验研究和数值模拟,但是研究的深度不高。模块化钢结构节点构造比较复杂,应充分考虑荷载的传递和简化模型的分析研究,同时模块化结构还应该进行大量的整体框架试验研究和理论分析。