摘要：與傳統(tǒng)建筑相比，模塊化建筑因其建設(shè)快速高效、品質(zhì)卓越、施工過程安全、施工時(shí)間可預(yù)測、資源浪費(fèi)少和促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)而受到推廣。模塊化建筑往往涉及到多種結(jié)構(gòu)體系和建筑材料，其中，鋼制構(gòu)件在模塊化建筑中應(yīng)用最為廣泛。綜述了裝配式模塊化建筑與模塊節(jié)點(diǎn)的最新研究進(jìn)展。首先，介紹了裝配式模塊化建筑的分類、材料和結(jié)構(gòu)形式，討論了不同類型模塊化建筑的結(jié)構(gòu)性能。此外，由于模塊化建筑的結(jié)構(gòu)性能高度依賴于模塊的節(jié)點(diǎn)連接，對現(xiàn)有模塊化節(jié)點(diǎn)，特別是鋼結(jié)構(gòu)模塊間和模塊內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理。最后，闡述了模塊化建筑發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)和未來發(fā)展前景。從國內(nèi)外研究進(jìn)展可見，模塊化建筑充分滿足了當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)工業(yè)化的需要。為促進(jìn)我國下一階段模塊化建設(shè)的發(fā)展和應(yīng)用提供了重要的參考。
關(guān)鍵詞： 裝配式模塊；模塊化建筑；鋼結(jié)構(gòu)體系；集裝箱建筑；連接節(jié)點(diǎn)
Abstract：Compared with traditional constructions， modular buildings have been popularized for its multiple advantages such as rapid and efficient manufacturing process， superior quality， safer construction process， better predictability， less resource wastage and promoting environmental sustainability development. Different structural systems of modular buildings are made from various building materials， in which the prefabricated steel members are commonly used. This paper reviews the latest research development of prefabricated modular buildings and modular connections. Firstly， the classifications， materials， and structural types of modular structures are presented. The structural performance of different modular buildings is discussed. In addition， as the structural performance is highly dependent on the connections， a systematic review is presented focusing on the impact of current modular connections to modular building structures， especially external and internal connections of steel structures. Finally， the main challenges and future research trends of modular constructions are discussed. It is shown that the modular buildings fully satisfy the current structural industrialization demands. This paper can be used as a reference for promoting the development and application of modular construction in the future.
Keywords：prefabricated module；modular building；steel structural system；container building；connection
1 研究背景
1.1 國內(nèi)外研究進(jìn)展
不同于傳統(tǒng)建筑施工方式，模塊化建筑是在工廠內(nèi)制造模塊單元，再將其運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，從而組裝成完整建筑的一種施工形式[1-2]。模塊化建筑起源于1967年，迄今為止，模塊化建筑已在公寓、酒店、學(xué)校、醫(yī)院、寫字樓等不同類型的建筑中廣泛應(yīng)用[3-5]。
我國模塊化建筑發(fā)展較慢，目前工程實(shí)踐主要采用鋼結(jié)構(gòu)、鋼-木混合結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)等形式。對于以上結(jié)構(gòu)形式，鋼制構(gòu)件均為其靈魂核心。我國鋼制模塊的最主要使用形式為鋼結(jié)構(gòu)集裝箱結(jié)構(gòu)形式，主要應(yīng)用于低層建筑[6]。其中包括集裝箱運(yùn)輸業(yè)相關(guān)的輔助設(shè)施，如貨運(yùn)公司調(diào)度室；工程建設(shè)有關(guān)的建筑設(shè)施，如工地工人宿舍；以及臨時(shí)性居所或機(jī)構(gòu)輔助性建筑等[7-8]。
對于鋼結(jié)構(gòu)集裝箱模塊的結(jié)構(gòu)性能，丁陽等[9]對集裝箱結(jié)構(gòu)模塊中波紋鋼板剪力墻的抗震性能進(jìn)行了一定的研究。YU等[10]研究了集裝箱結(jié)構(gòu)模塊中波紋鋼板的側(cè)壁剛度對結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)。查曉雄等[11-12]對集裝箱改造而成的輕鋼活動(dòng)房的薄壁構(gòu)件和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了計(jì)算，并對集裝箱的箱體剛度進(jìn)行了試驗(yàn)分析，為其相關(guān)規(guī)程制定提供了理論依據(jù)。此外，一些學(xué)者研究了模塊化建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)、火災(zāi)等荷載條件下的動(dòng)力沖擊及滯回性能[13-17]，同時(shí)對模塊化結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析[16,18-20]。
相比國內(nèi)而言，模塊化建筑在美國、英國、日本、瑞典、芬蘭等國家的應(yīng)用較早，近年來在澳大利亞、德國、荷蘭等國家也受到了更多的關(guān)注[3,21-23]。一部分原因是這些國家的勞動(dòng)力存在短缺，而在模塊化單元施工中，50%以上的工序都在工廠制造完成，對現(xiàn)場勞動(dòng)力需求少[24]。同時(shí)，國外模塊化建筑的工程運(yùn)用也不限于低層建筑。如英國建造的17層學(xué)生公寓是歐洲最高的自承重模塊化建筑[25]；紐約布魯克林大西洋廣場的32層B2塔曾是世界上最高的框架支承模塊化建筑[26]；鹿特丹的Linea Nova建筑是混合式模塊化建筑的典型工程案例，其建筑材料隨高度變化，底部4層由混凝土建造，上部16層使用鋼材和木材建造而成[27]。此外，一些學(xué)者還對模塊化結(jié)構(gòu)在風(fēng)、沖擊、地震等荷載條件下的循環(huán)行為及性能進(jìn)行了研究[28-33]。
1.2 模塊化建筑的優(yōu)勢
模塊化建筑具備諸多優(yōu)勢，包括建設(shè)快速高效、品質(zhì)卓越、施工過程安全、施工時(shí)間可預(yù)測、資源浪費(fèi)少和促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展等[34]。其中促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展和建設(shè)快速高效兩大優(yōu)勢尤為突出。
首先，在促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展方面，已有研究表明，建筑建設(shè)過程在資源消耗、廢物產(chǎn)生和溫室氣體排放等方面對環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。建筑垃圾是世界各大城市固體垃圾的主要來源，占垃圾填埋總量的10%~30%[35]。而在中國，模塊化住宅建筑施工過程相比傳統(tǒng)施工方式節(jié)省了87%的木模板和70%的水的使用，建筑垃圾減少了30%，總能耗降低了20.49%[36]。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)模塊和木結(jié)構(gòu)模塊中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可在其使用壽命結(jié)束后進(jìn)行拆卸，并在新建筑中重新使用，其材料再利用有很大的潛力[37]。
其次，模塊化建筑的建造時(shí)間通常比傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工縮短50%~60%[34,38]。倫敦的17層模塊化學(xué)生公寓，從現(xiàn)場施工開始，整個(gè)開發(fā)過程耗時(shí)22個(gè)月，比傳統(tǒng)施工時(shí)間縮短了12個(gè)月[25]。133m高、44層的La Trobe塔是澳大利亞最高的模塊化建筑，與傳統(tǒng)方法相比，該建筑的完工速度提升了30%，提前8個(gè)月完成[39]。同時(shí)，面對醫(yī)院、災(zāi)后住房等需要快速建造、立即啟用的建筑類型，模塊化建筑既能及時(shí)提供臨時(shí)住所滿足緊急救災(zāi)需求，也能縮短提供永久住房所需的時(shí)間[40]。例如，英國布拉德福特皇家醫(yī)院使用模塊化建筑方法修建，以滿足不斷增長的床位需求，僅6個(gè)月就建造完成[41]。此次在抗擊全球新型冠狀病毒疫情中，武漢雷神山醫(yī)院采用集裝箱裝配式模塊化建筑在短時(shí)間內(nèi)建成[42]。
2 模塊化建筑分類及結(jié)構(gòu)形式
模塊化建筑往往涉及到多種結(jié)構(gòu)體系和建筑材料，并通過規(guī)模生產(chǎn)重復(fù)性的單元達(dá)到經(jīng)濟(jì)性目的[28,41]。模塊化建筑按主要建筑材料分為鋼結(jié)構(gòu)模塊、預(yù)制混凝土模塊和木結(jié)構(gòu)模塊[43]。其中，鋼結(jié)構(gòu)模塊的使用范圍最廣。鋼結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)一步劃分為鋼模塊、輕鋼結(jié)構(gòu)模塊和集裝箱模塊[44]。
鋼結(jié)構(gòu)模塊根據(jù)荷載傳遞機(jī)制的不同，可分為自承重模塊和框架支承模塊，如圖1所示。自承重模塊建筑的高度通常限制在4~8層，其承受的荷載主要通過模塊的側(cè)壁傳遞，因此側(cè)壁墻體的抗壓強(qiáng)度為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)。而使用框架支承模塊可進(jìn)一步提升建筑物的高度，其承受的荷載通過邊梁傳遞到角柱上，此時(shí)側(cè)壁不是主要承重構(gòu)件，角柱的抗壓能力成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)[6]。在這兩種系統(tǒng)中，模塊結(jié)構(gòu)除了承受豎向荷載，墻壁的支承和隔膜作用還為其提供了抵抗水平荷載的能力，但對于超過6層樓高的建筑則需要一個(gè)單獨(dú)的支撐系統(tǒng)[4]。因此在很多情況下，高層模塊化建筑使用混凝土核心筒等作為主要的橫向承載系統(tǒng)，模塊的框架只用于承擔(dān)豎向荷載。此時(shí)，預(yù)制模塊直接或間接與核心連接，將橫向荷載傳遞到核心[2]。
圖1 模塊承重形式
Fig.1 The load-bearing forms of modules
3 模塊化結(jié)構(gòu)建造材料
3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料選取
每種建筑材料都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性。而多種材料和結(jié)構(gòu)的組合為不同建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了更多的可能性，特別是具有混合用途的商業(yè)和住宅建筑[26]。
材料的選擇對起重機(jī)的吊裝能力和施工的能耗要求有重要的影響[35,37]。同時(shí)，由于可能需要長時(shí)間和長距離的運(yùn)輸，模塊構(gòu)件的重量應(yīng)盡可能輕。相比混凝土結(jié)構(gòu)而言，木材和鋼材結(jié)構(gòu)較輕，更適合用于模塊化建筑。而混凝土結(jié)構(gòu)憑借其良好的抗壓強(qiáng)度經(jīng)常被用作高層模塊化建筑的承重系統(tǒng)[45]。
木材是建造模塊化建筑的理想材料，膠合層壓木材和交叉層壓木材等材料能提供很好的裝配式結(jié)構(gòu)性能。芬蘭的Puukuokka公寓大樓和奧地利的生命周期塔是典型的木結(jié)構(gòu)模塊建筑[46-48]。瑞典的HAUSAMMANN等[49]提出由實(shí)木板材制成的空心箱形木結(jié)構(gòu)可用于模塊化建筑。與傳統(tǒng)木制面板結(jié)構(gòu)相比，由于實(shí)木構(gòu)件之間的膠合接縫，構(gòu)件表現(xiàn)出更強(qiáng)的剛性和更好的隔熱性，其荷載能力和破壞也能被更好地預(yù)測。同時(shí)，使用木結(jié)構(gòu)模塊能有效減少在建造與拆除的過程中對環(huán)境的影響與破壞[50]。
3.2 混合式模塊化結(jié)構(gòu)
為充分利用上述材料各自的優(yōu)點(diǎn)，模塊化建筑常選用混合結(jié)構(gòu)[51]，其中最常見的是鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)[26]（圖2a））、鋼-木混合結(jié)構(gòu)[52]（圖2b））和木-混凝土結(jié)構(gòu)[53]（圖2c））。
3.2.1 鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)
由鋼構(gòu)件與混凝土組合而成的鋼-混凝土組合柱，在建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)而言，其具有截面小、強(qiáng)度重量比高、固有延性、韌性和耐火性好、負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，承受橫向荷載時(shí)也具有較高的剛度。另外，研究發(fā)現(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力可顯著改善低含鋼率預(yù)制混凝土包裹核心鋼組合柱的滯回性能，從而提高組合柱的極限荷載和耗能能力[29]。
圖2 混合式模塊化結(jié)構(gòu)
Fig.2 Hybrid modular structures
另外，一種采用預(yù)制鋼筋籠系統(tǒng)加固的高強(qiáng)混凝土柱[54]（圖2d））與鋼筋混凝土構(gòu)件具有相似的性能，減少了傳統(tǒng)鋼筋混凝土施工中切割、彎曲和綁扎鋼筋的操作工序轉(zhuǎn)而使用激光精確切割，使施工作業(yè)更便捷高效。
目前，鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用較多，常使用現(xiàn)澆混凝土作為核心抵抗橫向荷載。但其需要在現(xiàn)場進(jìn)行澆筑，未能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)完全在工廠預(yù)制。
3.2.2 鋼-木混合結(jié)構(gòu)
鋼-木混合結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用形式為鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼-木復(fù)合地板和以鋼-木結(jié)構(gòu)為主要材料的剪力墻結(jié)構(gòu)。LOSS等[51]提出鋼-木復(fù)合地板和剪力墻結(jié)構(gòu)（圖2e）），沿建筑兩個(gè)主要方向放置鋼框架，在鋼梁上放置木板組成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性通過鋼支撐和交叉層壓木板（CLT）制成的剪力墻共同提供。這種混合結(jié)構(gòu)形式結(jié)合了鋼材高度工業(yè)化的施工技術(shù)和交叉層壓木板重量輕、平面內(nèi)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，將鋼構(gòu)件和CLT板在現(xiàn)場外預(yù)制，再運(yùn)至現(xiàn)場快速連接。研究表明，這種混合結(jié)構(gòu)具有良好的非彈性變形能力。
鋼-木混合結(jié)構(gòu)形式質(zhì)量輕、抗震性能好，同時(shí)使得完全在工廠預(yù)制的高度工業(yè)化模塊化建筑成為可能。但對于木材和木材之間、木材和鋼構(gòu)件之間以及鋼構(gòu)件和鋼框架之間的有效連接還未得到充分的研究。
3.2.3 木-混凝土混合結(jié)構(gòu)
木-混凝土混合結(jié)構(gòu)具有預(yù)制的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，同時(shí)混凝土板在使用壽命結(jié)束時(shí)也可重復(fù)再利用，有很好的開發(fā)潛力[55]。LUKASZEWSKA等[53]的分析表明一種完全預(yù)制的木-混凝土復(fù)合地板（圖2c）），結(jié)合了混凝土高抗壓性和木材高抗彎、抗拉性的優(yōu)點(diǎn)，通過連接混凝土板和木托梁來建造�；炷涟逶趫鐾忸A(yù)制，并在現(xiàn)場連接到木托梁上。與現(xiàn)澆混凝土相比，木-混凝土混合結(jié)構(gòu)施工速度更快，混凝土收縮對系統(tǒng)的影響更小。相比于純木結(jié)構(gòu)，這種混合結(jié)構(gòu)的抗震性和耐火性更好。
在木-混凝土混合結(jié)構(gòu)中，混凝土主要抗壓，而木材抗拉和抗彎曲，由混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接系統(tǒng)傳遞兩種材料構(gòu)件的剪切力。雖然木-混凝土混合結(jié)構(gòu)有一定的優(yōu)點(diǎn)，但由于可靠抗剪切連接件的研究還很局限，這種混合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較少。
4 模塊化結(jié)構(gòu)連接與節(jié)點(diǎn)性能
豎向承重架與模塊、模塊與模塊、模塊內(nèi)部各構(gòu)件之間以及模塊與基礎(chǔ)間的連接對模塊化建筑承受荷載的能力至關(guān)重要[56]。模塊化建筑的連接節(jié)點(diǎn)主要分為三種[43]：模塊間連接、模塊內(nèi)部連接和模塊與基礎(chǔ)的連接。如圖3所示。
圖3 連接節(jié)點(diǎn)類型
Fig.3 Types of connections
4.1 模塊間連接
傳統(tǒng)的模塊間連接主要采用直板連接、螺栓連接和焊接等方法，通常需要一定的外部空間進(jìn)行連接或焊接[19]。模塊間連接包括相鄰模塊之間的水平連接和堆疊模塊之間的垂直連接。模塊間節(jié)點(diǎn)連接方式對模塊化建筑的結(jié)構(gòu)性能，如結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及受力性能影響很大[57]。典型的模塊間連接節(jié)點(diǎn)大致包括螺栓連接、混凝土接縫連接和聯(lián)鎖連接三種，如圖4所示。
（1）螺栓連接。螺栓連接在實(shí)例中的應(yīng)用較多，在裝配過程中不需要在構(gòu)件上創(chuàng)建開口來削弱結(jié)構(gòu)構(gòu)件，相比于焊接，安裝時(shí)所需要的工作空間小。安裝完成后，連接節(jié)點(diǎn)隱藏在建筑填充墻后或上、下模塊樓板之間，雖安裝過程節(jié)省了一定的施工空間，但必須先完成模塊單元的連接工作，才能進(jìn)行隔墻、樓板等建筑功能構(gòu)件的施工[20]。
一些典型的螺栓連接案例包括：CHEN等[19]提出的一種應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)中的梁-梁螺栓連接方法（圖4a）），通過澆鑄形插入裝置與相鄰模塊進(jìn)行水平連接，使用梁-梁高抗拉強(qiáng)度螺栓與上、下模塊進(jìn)行垂直連接。CHEN等[58]提出一種考慮轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的旋轉(zhuǎn)連接接頭（圖4b）），在上、下模塊角柱處設(shè)置矩形孔，通過連接器連接�？准瓤勺鳛槟K吊裝和運(yùn)輸?shù)墓潭c(diǎn)，也可作為旋轉(zhuǎn)連接的施工空間。LAWSON等[4]提出了一種單螺栓連接（圖4c）），在柱端部焊接節(jié)點(diǎn)板，柱上設(shè)置施工孔，通過高強(qiáng)螺栓連接上、下模塊。PARK等[56]介紹了一種十字板螺栓連接節(jié)點(diǎn)（圖4d）），在模塊單元間插入十字形連接板，通過高強(qiáng)螺栓將相鄰模塊連接起來。DENG等[59]提出一種榫形-十字板連接節(jié)點(diǎn)（圖4e）），柱插入焊接在十字板上的榫眼中，并通過螺栓與相鄰模塊相連接。
（2）混凝土接縫連接。在某些情況下，現(xiàn)澆混凝土也被用于鋼結(jié)構(gòu)接縫處形成復(fù)合鋼-混凝土連接。這種連接方式適用于鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，模塊建筑整體穩(wěn)定性好，但需要在現(xiàn)場進(jìn)行澆筑。
典型的混凝土接縫連接案例包括：CHEN等[18]提出的一種預(yù)張拉組合連接（圖4f））。模塊每個(gè)柱端都有一個(gè)密封板，帶有加勁肋和孔，用于放置預(yù)應(yīng)力鋼絞線或插桿。安裝時(shí)將絞線或剪切棒插入下柱柱端預(yù)先設(shè)置的孔中，并將上層模塊的矩形鋼柱插入下層模塊柱端的剪切塊中。將鋼絞線拉伸至設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，用連接件固定，最后將混凝土從澆注孔中澆注到模塊柱中，以垂直連接上下兩個(gè)模塊。MILLS等[60]提出采用空心截面作為豎向結(jié)構(gòu)主體，填充灌漿和混凝土，在接縫處形成鋼-混凝土復(fù)合連接（圖4g））。
圖4 模塊間連接節(jié)點(diǎn)
Fig.4 Inter-module connections
（3）聯(lián)鎖連接。模塊間連接還可以通過聯(lián)鎖連接方式形成。這種連接類型通過構(gòu)件的過盈配合或變形契合在一起，可在隔墻等建筑構(gòu)件建設(shè)完成后進(jìn)行連接，能滿足建筑層面的模塊化作業(yè)，但需要注意減少精度上的誤差[60]。
例如，SHARAFI等[61]提出了一種創(chuàng)新聯(lián)鎖系統(tǒng)（圖4h））：為滿足整合連接的特殊設(shè)計(jì)需要，將模塊按特定順序放置，再依次推動(dòng)模塊，使模塊與相鄰單元聯(lián)鎖。這種設(shè)計(jì)在提高安裝效率和控制施工公差水平方面效果顯著，同時(shí)通過提供額外的聯(lián)鎖節(jié)點(diǎn)來提高模塊結(jié)構(gòu)的整體完整性。
4.2 模塊內(nèi)部連接
模塊內(nèi)部連接通常是指一個(gè)模塊內(nèi)部各構(gòu)件的連接細(xì)節(jié)，包括柱與梁的連接、梁與板的連接以及不同材料構(gòu)件之間的連接等。模塊內(nèi)部大部分構(gòu)件的連接方式與傳統(tǒng)建筑相似，少數(shù)不同于傳統(tǒng)建筑的模塊內(nèi)部連接節(jié)點(diǎn)如圖5所示。
BATHON等[62]提出一種應(yīng)用于木-混凝土混合模塊結(jié)構(gòu)中的HBV剪切型接頭（圖5a）），用以連接木梁和混凝土板，可用于地板、墻體和屋頂?shù)葮?gòu)件。研究表明這種結(jié)構(gòu)能有效抵抗颶風(fēng)等強(qiáng)風(fēng)荷載，同時(shí)避免了現(xiàn)場澆筑混凝土成本高、時(shí)間長、徐變大的缺點(diǎn)，為住宅和商業(yè)用途的建筑提供了一種低成本的防颶風(fēng)設(shè)計(jì)方法[3]。ANNAN等[63]研究了將次梁直接焊接到主梁上的鋼模塊框架（圖5b）），與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)相比，這種連接方法允許更大角度的旋轉(zhuǎn)。LEE等[64]提出了一種剛性梁柱節(jié)點(diǎn)螺栓連接（圖5c）），采用高強(qiáng)度螺栓在現(xiàn)場緊固，無柱截面損失，設(shè)置了L形、T形和十字形的連接裝置以適應(yīng)不同模塊需求。ASIZ等[65]以一個(gè)24層建筑為例進(jìn)行分析，表明高層結(jié)構(gòu)中交叉層壓板樓板通過錨釘?shù)嚷菁y緊固件與鋼框架連接（圖5d）），可加強(qiáng)CLT板在受橫向地震力和風(fēng)荷載情況下的有效隔膜作用，其剛度和強(qiáng)度接近于鋼筋混凝土板。
圖5 模塊內(nèi)部連接節(jié)點(diǎn)
Fig.5 Intra-module connections
4.3 模塊與基礎(chǔ)的連接
位于高水平荷載地區(qū)的模塊化建筑，如果未與適當(dāng)?shù)牡鼗噙B接，容易發(fā)生傾覆和滑動(dòng)[43]。模塊化建筑的地基可由現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土底座、鉆孔混凝土樁、螺旋鋼樁等組成。
PARK等[56]在鋼管混凝土構(gòu)件內(nèi)嵌連接研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種嵌入式柱連接，如圖6所示。柱外周與地基凹槽處的焊接端板焊接在一起與砂漿相連。這種連接方式充分利用了柱的強(qiáng)度，提供了良好的延性以承受由極端橫向荷載導(dǎo)致的非彈性變形需求。通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，柱深埋是影響節(jié)點(diǎn)承載力的關(guān)鍵因素。
圖6 嵌入式柱連接
Fig.6 Embedded column connection
5 模塊化結(jié)構(gòu)構(gòu)件搬運(yùn)與安
在模塊化建筑施工過程中，模塊將從工廠運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，再由起重機(jī)吊升至指定的工作面進(jìn)行組裝。因此模塊通常設(shè)計(jì)有提升點(diǎn)，以便利用起重機(jī)吊起。提升點(diǎn)的數(shù)量和位置根據(jù)撓度標(biāo)準(zhǔn)來確定，以防止組件在施工過程中的開裂與損壞[43]。研究表明，損傷（開裂）主要由吊裝作業(yè)引起，而裂縫主要在道路運(yùn)輸中產(chǎn)生[66]。同時(shí)，模塊單元在升降操作過程中，所提升位置易存在局部受力集中現(xiàn)象，需加強(qiáng)提升位置處的構(gòu)件與相鄰構(gòu)件間的連接。通常這些位置可采用熱軋型鋼，而其他地方多采用輕鋼構(gòu)件[23,67]。
安裝是模塊化建筑建設(shè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。施工現(xiàn)場需要具有相應(yīng)吊裝能力的起重設(shè)備，以及足夠用于接收和存放模塊的空間[4]。
6 模塊化結(jié)構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)
雖然模塊化建筑具有建設(shè)快速、施工過程安全、資源浪費(fèi)少和促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，但其發(fā)展還是會受到一些主觀與客觀因素的限制，其中具有普遍性的問題包括：缺乏技術(shù)引導(dǎo)、初始成本高、培訓(xùn)者和投資者少、交通運(yùn)輸受限及連接節(jié)點(diǎn)研發(fā)不夠完善等。
6.1 缺乏設(shè)計(jì)指引
研究表明，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對整個(gè)項(xiàng)目有較大的影響[68]。其中前期規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的決策可決定80%的建筑運(yùn)營成本。但另一方面，模塊化建筑的建設(shè)方法與傳統(tǒng)建設(shè)方法有所不同。例如，模塊運(yùn)輸和現(xiàn)場裝配過程中所產(chǎn)生的短期荷載可能會對結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生一定的影響[1]；模塊化建筑所需的基礎(chǔ)設(shè)施也與傳統(tǒng)施工方法不同[69]。目前，許多設(shè)計(jì)體系是在非模塊化建筑背景下發(fā)展起來的。現(xiàn)有的模塊化設(shè)計(jì)方法很大程度上基于傳統(tǒng)建筑施工設(shè)計(jì)，并不能很好地適用于預(yù)制裝配式模塊化建筑。
近年來，設(shè)計(jì)者和學(xué)者們試圖為模塊化結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)，現(xiàn)有文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)指導(dǎo)如表1所示。MURRAY-PARKES等[1]撰寫了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南。由LAWSON等[4]編著的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊旨在為建筑和工程專業(yè)人士提供指導(dǎo)。由于編著時(shí)間較早，其概念和理論不夠詳細(xì)系統(tǒng)，且沒有得到及時(shí)的更新。但它收集了關(guān)于鋼、混凝土和木材模塊的理論信息和實(shí)際案例，并探索了各種建筑類型和設(shè)計(jì)策略。
雖然上述著作可以作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)，但模塊化建筑仍然缺乏必要的設(shè)計(jì)規(guī)范。因此，為更好地發(fā)展模塊化建筑，應(yīng)建立適用于模塊化建筑的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
6.2 初始成本高
初始成本高是大規(guī)模建造模塊化建筑的最主要障礙。開發(fā)者需要大量的啟動(dòng)資金來建造可制造零部件和模塊的工廠，以及采購機(jī)器和相關(guān)材料[71]。針對中國模塊化建筑市場的一項(xiàng)調(diào)查表明，預(yù)制裝配式房屋的成本比傳統(tǒng)建筑高26%~72%[72]。
然而JAILLON等[73]指出，在不少發(fā)達(dá)國家，雖然模塊化建筑的初始成本較高，但施工時(shí)間的縮短和現(xiàn)場勞動(dòng)力的減少可大幅度降低人工成本以抵消可觀的初始成本。同時(shí)，由于施工時(shí)間的縮短，特別是對于可提前投入使用、降低貸款利息費(fèi)用的商業(yè)建筑來說，能更大程度地降低后期成本[34]。此外，技術(shù)的改進(jìn)和模塊的批量制作可以節(jié)省材料、運(yùn)輸和勞動(dòng)力的成本[69]。而在國內(nèi)，由于施工人力成本不斷攀升、對施工質(zhì)量的嚴(yán)格把控以及對裝配化結(jié)構(gòu)需求的提升，這些因素將使模塊化建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)勢更為明顯。因此對模塊化建筑施工方法實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化操作，以降低初始成本從而達(dá)到利益最大化將有很大發(fā)展空間。
6.3 缺乏投資者和熟練勞動(dòng)力
由于制造模塊化構(gòu)件的工廠初始成本高，普通民眾更傾向于使用傳統(tǒng)建筑[34]，使得模塊化建筑項(xiàng)目缺少制造商和金融機(jī)構(gòu)的資助[74]。目前，預(yù)制構(gòu)件和模塊化概念接受度還不夠高，企業(yè)缺乏創(chuàng)新和變革的動(dòng)力。
另一方面，具有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的專家和工人的缺乏也阻礙了模塊化建筑的快速發(fā)展[75]。由于模塊化建筑和傳統(tǒng)建筑形式不同，許多從事建筑業(yè)的設(shè)計(jì)者和工人缺少與之相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和技能。在整個(gè)項(xiàng)目期間，建設(shè)者需要在各協(xié)作方之間高效溝通和有效協(xié)調(diào)，以確保所需的材料和模塊有序到達(dá)指定位置并及時(shí)展開下一步的工作，以確保按時(shí)交付項(xiàng)目。然而，目前建筑行業(yè)的溝通和協(xié)調(diào)還不夠及時(shí)準(zhǔn)確[71]。
為解決上述問題，首先應(yīng)通過加深樹立模塊化建筑在普通民眾心中質(zhì)量良好觀念，來進(jìn)一步推廣模塊化建筑的建設(shè)理念；其次，對相關(guān)從業(yè)者進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，提高施工過程中多方的組織協(xié)調(diào)能力來實(shí)現(xiàn)模塊化建筑的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，可將BIM技術(shù)與當(dāng)前模塊化建筑設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)施工之間的完整傳遞，進(jìn)一步加強(qiáng)上下游企業(yè)和各專業(yè)部門間的信息溝通協(xié)調(diào)[76]。
6.4 交通運(yùn)輸困難
在模塊化建筑施工過程中，模塊需運(yùn)輸至施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝，因此交通運(yùn)輸是模塊化建筑施工中的重要環(huán)節(jié)。目前的主要運(yùn)輸方式為道路運(yùn)輸和海上運(yùn)輸。
道路運(yùn)輸情況的考量包含各種因素，例如車輛類型、環(huán)境條件和道路適用性等[77]。模塊單元的大小在一定程度上取決于運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。同時(shí)，運(yùn)輸路線和運(yùn)輸方式限制了大型模塊的重量和尺寸，若運(yùn)輸過程過于復(fù)雜，成本將提高[78]。目前能運(yùn)輸?shù)淖畲竽K尺寸為12m×4.2m[22]。SALAMA等[79]對混合結(jié)構(gòu)的研究表明，混合式模塊結(jié)構(gòu)在尺寸的設(shè)置上更靈活，更易于運(yùn)輸。
6.5 缺乏可靠連接系統(tǒng)
模塊間的連接性能很大程度上影響了模塊化建筑的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度。本文在第4章對許多新型連接系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前沒有特定的連接器適合于多種模塊化單元組件。同時(shí)，對于模塊外部的安裝通常需要使用移動(dòng)工作平臺完成，這使得它們難以在高層建筑中實(shí)現(xiàn)。因此，可靠性高、適用性廣且能在高層中合理運(yùn)用的模塊連接節(jié)點(diǎn)還有待進(jìn)一步研究。
7 研究趨勢與展望
目前，模塊化建筑已受到工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。在對現(xiàn)有模塊化建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)研究進(jìn)行歸納總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對模塊化建筑的可行性已作了大量研究，但對模塊化結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料性能、模塊間的節(jié)點(diǎn)連接以及搬運(yùn)和安裝過程中力學(xué)性能的研究還相對匱乏，滯后于實(shí)際工程中日趨增長的需求。難以滿足模塊化結(jié)構(gòu)建筑在高層建筑及抗震設(shè)防區(qū)域的應(yīng)用。展望模塊化建筑相關(guān)研究趨勢，可包括以下幾方面：
（1）規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化。傳統(tǒng)的建筑規(guī)范和已有的模塊化建筑設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在現(xiàn)有的國內(nèi)外模塊化建筑工程中已有了一定的應(yīng)用。但由于編著時(shí)間較早，概念和理論不夠詳細(xì)系統(tǒng)，且沒有得到及時(shí)的更新，已不能滿足現(xiàn)有的裝配式模塊化建筑需求，亟需通過更詳盡的研究建立適用于模塊化建筑的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與設(shè)計(jì)規(guī)范。
（2）專業(yè)化和通用化。國內(nèi)外針對裝配式模塊化建筑的結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)已開展了大量的研究，并在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的性能。但其連接形式缺乏普遍性，難以適用于不同的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更難以在高層建筑中進(jìn)行安裝。因此亟需通過試驗(yàn)和研究，設(shè)計(jì)出適用于多種建筑材料和建筑結(jié)構(gòu)形式的、便于在高層建筑結(jié)構(gòu)中安裝的專業(yè)化和通用化有效連接件。
（3）系統(tǒng)化和快捷化。目前，交通運(yùn)輸路線和運(yùn)輸方式限制了大型模塊的重量和尺寸，且對運(yùn)輸過程的經(jīng)濟(jì)性有較大的影響。研究表明，混合式模塊結(jié)構(gòu)在尺寸的設(shè)置上更靈活，更易于運(yùn)輸。因此，需要對結(jié)構(gòu)模塊部件和單元的運(yùn)輸和調(diào)配進(jìn)行更為系統(tǒng)的統(tǒng)籌和規(guī)劃，亟需開發(fā)尺寸設(shè)置靈活的模塊，便于適應(yīng)各種運(yùn)輸方式和運(yùn)輸條件。
（4）智能化和自動(dòng)化。模塊化建筑投入生產(chǎn)后，其基本建筑模塊單元難以根據(jù)現(xiàn)場的建設(shè)情況進(jìn)行改動(dòng)。而現(xiàn)有研究在模塊單元的修改、拆卸和再利用方面基本處于空白狀態(tài)，嚴(yán)重制約了裝配式模塊化建筑在高層建筑中的應(yīng)用。因此模塊化后期的結(jié)構(gòu)改動(dòng)和自動(dòng)化拆卸方面仍有很大的研究空間。
