多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

韓子剛 甘肅省輕紡工業(yè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司

1 前言

一直以來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都在建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中占據(jù)著關(guān)鍵地位。相比于傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性和穩(wěn)定性更強(qiáng)，對(duì)生態(tài)破壞較少。同時(shí)，模塊建筑具有施工質(zhì)量精良、建造時(shí)間短、建造成本低以及綠色環(huán)保等特點(diǎn)，因此研究多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

2 模塊建筑概述

模塊建筑是近年來(lái)新興的建筑結(jié)構(gòu)體系，指的是先在工廠當(dāng)中制作每一個(gè)房間，然后再將制作好的模塊運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)并利用有效的方式進(jìn)行組裝，使之成為一個(gè)建筑整體。模塊建筑結(jié)構(gòu)體系主要包括全模塊建筑結(jié)構(gòu)體系、模塊單元與板體結(jié)構(gòu)組合體系、巨型框架模塊建筑結(jié)構(gòu)體系、模塊單元與剪力墻與核心筒混合結(jié)構(gòu)體系、模塊單元與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)混合體系這幾種類型。

3 多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

甘肅省地震烈度較高，氣候條件相對(duì)較差，建造多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑比較符合實(shí)際需要，因此本文將以甘肅省某工程項(xiàng)目為例，簡(jiǎn)要分析多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 工程概況

該工程位于甘肅省蘭州市，屬于商務(wù)樓，總建筑面積為2540m2，總體結(jié)構(gòu)為三層，部分結(jié)構(gòu)為兩層，其中首層的層高較高，約為5.5m，屬于多層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底層為鋼框架，上部為鋼結(jié)構(gòu)模塊體系。

3.2 合理選擇結(jié)構(gòu)體系

在進(jìn)行多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑的施工過(guò)程中，首先需要在工廠當(dāng)中制作鋼結(jié)構(gòu)模塊，然后再將制作好的模塊單元運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，所以需要合理把控鋼結(jié)構(gòu)模塊的尺寸，將模塊的尺寸控制在國(guó)家規(guī)定范圍內(nèi)。在綜合考慮國(guó)家規(guī)定以及吊裝需求之后發(fā)現(xiàn)需要將模塊單元的高度控制在4.2m以內(nèi)，寬度控制在2.5m～3.5m這個(gè)范圍內(nèi)。在選擇結(jié)構(gòu)體系時(shí)，不僅需要考慮鋼結(jié)構(gòu)模塊的尺寸還需要考慮到建筑的功能需求。比如說(shuō)，甘肅省蘭州市這個(gè)工程要求首層具備休閑區(qū)等比較大的空間。所以可利用鋼框架與鋼結(jié)構(gòu)模塊混合的結(jié)構(gòu)體系，也就是在一層以及二層和三層的局部應(yīng)用鋼框架結(jié)構(gòu)，剩下的部分應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)模塊。

3.3 合理劃分模塊單元

和傳統(tǒng)建筑相似，在進(jìn)行模塊建筑設(shè)計(jì)時(shí)需要先完成建筑設(shè)計(jì)然后再開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但二者之間也存在一定的區(qū)別，即在模塊建筑中需要在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前劃分模塊單元。在劃分模塊單元時(shí)需要遵循一定的原則，首先要確保模塊單元的對(duì)稱，要讓模塊單元符合運(yùn)輸要求和吊裝需求；其次要分開(kāi)放置不同功能的房間，即不要在同一個(gè)模塊當(dāng)中放置不同功能的房間；此外，如果樓梯、廚房等模塊具有獨(dú)立功能，可將這些模塊放置在同一個(gè)模塊單元當(dāng)中。

3.4 明確模塊單元的類型

鋼框架結(jié)構(gòu)是多層鋼結(jié)構(gòu)模塊單元的主體，按照結(jié)構(gòu)需求可將模塊單元分為角部加強(qiáng)模塊單元、普通模塊單元、支撐模塊單元以及中柱模塊單元等類型。角部加強(qiáng)模塊單元處于模塊建筑的角部，能夠增強(qiáng)建筑角部的承受力；普通模塊單元比較適用于空間大的區(qū)域，主要由地板梁、次梁等結(jié)構(gòu)組成；支撐模塊單元是在模塊單元當(dāng)中設(shè)計(jì)支撐，比較適用于樓梯等空間；中柱模塊單元就是比普通模塊單元多了一根中柱。

3.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.5.1 模塊單元間的連接節(jié)點(diǎn)

本工程主要利用角件構(gòu)造進(jìn)行連接件設(shè)計(jì)，在施工過(guò)程中不需要過(guò)多的使用焊接施工。角件構(gòu)造的形狀和集裝箱角部的角件相似，但是尺寸等方面不太一樣。模塊單元之間的連接件主要是由連接板、螺母以及上下旋轉(zhuǎn)件共同構(gòu)成的。連接板能夠?qū)⑸夏K單元和下模塊單元的角件連接起來(lái)，中部矩形臺(tái)能夠承受水平方向的剪力，凹槽能夠?qū)⑦B接件的旋轉(zhuǎn)部分固定起來(lái)。上旋轉(zhuǎn)件起著帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)的作用；下旋轉(zhuǎn)件需要承受豎直方向的剪力和拉力。

3.5.2 模塊單元和基礎(chǔ)以及鋼框架的連接

在基礎(chǔ)上安裝一個(gè)特殊的角件并利用連接件就可以將模塊單元和基礎(chǔ)連接起來(lái)，但是這個(gè)角件的高度需要比模塊單元的角件低。此外，如果想將模塊單元和鋼框架連接起來(lái)就需要采用傳統(tǒng)的焊接方式。

3.6 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

該工程中主要使用Q345B鋼材，首層鋼框架采用的是H型鋼梁以及矩形鋼管柱，節(jié)點(diǎn)是隔板貫通節(jié)點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)安裝起來(lái)比較簡(jiǎn)單。模塊單元當(dāng)中的梁柱使用的都是矩形鋼管，同時(shí)天花板的梁荷載比較小，所以模塊柱和天花板梁截面的規(guī)格相同。和模塊柱連接起來(lái)的梁截面寬度在150mm左右。在連接梁柱和模塊柱時(shí)需要保證梁柱的齊平，以為模塊建筑施工提供方便。

4 結(jié)語(yǔ)

多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑在現(xiàn)代建筑當(dāng)中占的比例越來(lái)越高，建造這種類型的建筑不僅可以提高建筑質(zhì)量、縮短建造時(shí)間，還符合綠色建筑的要求，應(yīng)該大力推廣該建筑，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)建筑的安全性和實(shí)用性，促進(jìn)建筑行業(yè)的發(fā)展。