多層鋼結構模塊建筑結構設計探討

摘要：模塊化建筑是實現工業化的一種新興建筑結構形式。針對鋼結構的模塊-框架復合建筑結構，簡述擬建的一棟多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑的工程情況，對鄭州市某擬建公寓進行模塊尺寸和施工要求對擬建的多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑進行結構體系構建，并對其構件和節點等進行設計。在結構體系構建中，發現由于構建和節點較多，受力效果不理想。文章以多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構入手，通過分析其結構體系、構建和節點，對其結構進行設計和研究，以期為多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構設計提供參考性建議。

關鍵詞：多層，鋼結構，模塊建筑，設計

模塊建筑是一種新興的建筑體系，是以每個房間作為模塊單元，在工廠中進行預制生產，完成后運輸至現場，并通過可靠的連接方式組裝成為建筑整體。國外AnnanCD等提出了一種樓板骨架為工字梁，柱為方矩管的鋼框架式模塊，且模塊單元之間采用柱頂端板直接焊接的方式進行組裝。國內王燕等提出了一種新型的裝配式鋼結構梁柱內套筒組合螺栓連接節點。劉學春、張愛林等提出了一種模塊化裝配式斜撐節點和另一種模塊化裝配式高層鋼結構梁柱連接節點。

一、工程概況

某多層單元式白領宿舍，無地下室，地上5層，層高3m，局部6層，層高4.5m，結構主體高度16.45m，建筑面積約為4600m2。

二、結構體系與模塊單元設計

（一）結構體系的確定

從模塊尺寸、建筑功能和結構設計三方面需求出發，確定建筑的結構體系。

1、模塊尺寸：

鋼模塊單元需要在工廠內進行制作加工，制作完成后運輸至施工現場，根據國家相關道路運輸規定以及吊裝的需求，模塊單元的寬度一般為2.5～3.5m，且高度不超過4.2m。

2、建筑功能：

建筑中部設有門廳，首層和2層連通設立大開間，建筑中部和角部設有樓梯和電梯。

3、結構設計：

模塊單元不宜設置支撐，采用鋼框架體系，便于布置支撐，提高結構的抗側剛度。

綜上考慮，項目最終采用鋼模塊與鋼框架復合結構體系，即建筑中部和樓、電梯部分采用鋼框架結構，其余部分為鋼結構模塊單元。

（二）模塊單元設計

模塊單元采用鋼框架結構，由角部的4根模塊柱、底梁、頂梁以及次梁構成，外側墻體采用波紋板。模塊單元采用8550mm×3000mm×3000mm，6550mm×3000mm×3000mm，6550mm×3000mm×4100mm三種不同尺寸。此建筑共需要157個模塊單元。

三、節點設計

在針對該公寓樓的節點設計時，主要考慮地下車庫與地面建筑的節點設計和地面建筑之間的節點設計，鋼框架之間的連接節點、鋼框架與模塊單元之間的連接節點、模塊單元之間的連接節點三種情況。

（一）鋼框架之間的連接節點

考慮到地下車庫與地面建筑的節點設計，具體做法是采用特制鉚釘和螺栓拉桿連接組合連接節點的方式，保證地下車庫與地面首層鋼框架連接節點的強度與剛度，加強抗震、抗災能力。該構造形式較為合理，施工難度較大，但由于通過組合連接節點，有效保證連接節點的剛度和強度，符合剛性節點的要求。

（二）鋼框架與模塊單元之間的連接節點

在該公寓的地面建筑中，首層鋼框架部分與地下車庫鋼框架部分采取強度和剛度較大的節點，在首層鋼框架頂部，需要搭放模塊單元。在采取連接節點時，通常采取插銷連接方式，具體做法是：在進行頂部模塊連接時，采取插銷連接，對節點連接部分進行固定，在梁截面部分與模板連接處采取十字肋板焊接連接，進行節點加強工作。通過鋼框架與末班單元之間的連接節點，有效提高公寓的穩定性，防止建筑局部出現節點連接不當的問題。

（三）模塊單元之間的連接節點

在進行模塊單元之間的連接時，由于模塊單元的連接較為簡單，且不同大小的模塊連接不同，通常采用該模塊建筑公司提供的專用節點形式。一般來說，專用節點連接形式都采用插銷連接、螺栓拉桿連接等組合方式，確保了模塊間角部連接節點的強度與剛度。專用節點連接結構具有形式簡單、合理，有效性強、穩定，便于施工等優點，普遍適用于模塊單元的結構連接工作中，適用于該公寓地面六層建筑的模塊連接。

四、多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構和傳統鋼框架結構的對比

傳統的鋼框架結構是簡單的梁柱連接體系，通過簡單的連接手段將鋼框架進行節點連接，由于個體較大，導致剛度和強度都較低，穩定性較差，施工難度大，而多層鋼結構模塊與鋼框架復合結構由鋼結構模塊與鋼框架組成的一個整體，能有效分離和組合，具有形式簡單，剛度和強度都有提升，穩定性強，施工難度小，適合多種施工條件下進行施工的優點。多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構和傳統鋼框架結構最大的區別在于多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構是一種多梁多柱體系，傳統鋼框架的節點連接形式主要是鉸接，在多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構中，節點連接形式主要有插銷連接、螺栓拉桿連接及組合連接的方式。多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構在進行模塊單元節點連接時，除了對模塊單元之間進行節點連接，還會針對樓板接縫處的局部不嚴實進行處理工作，保證樓邊的穩定性，保證多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構建筑樓板的連續性。

五、結語

本文對多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構的構件、節點等進行分析研究，通過將多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構和傳統鋼框架結構進行對比，并進行了有限元計算和分析，得到以下結論：

（1）對于多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構建筑，綜合模塊尺寸和建筑要求等多方面因素，對根據模塊尺寸以及建筑功能等方面的要求，最終選定結構體系為多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構。

（2）在設計過程中，針對施工要求，對鋼結構模塊和鋼框架進行選擇，并在選擇的基礎上對構件和節點進行合理設計，為施工提供保障。

（3）通過對多層鋼結構模塊與鋼框架復合建筑結構鋼結構模型進行模擬，證明將節點優化，能有效提高其穩定性，優化方式合理。

參考文獻：

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作者簡介：姓名：張森（1985.05--），性別：男，?籍貫：遼寧省 錦州市，學歷：本科，畢業于福州大學，現有職稱：中級工程師，研究方向：結構設計。