裝配式模塊化建筑研究進(jìn)展★

付振海

(西藏大學(xué)工學(xué)院,西藏 拉薩 850000)

0 引言

隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)度的不斷發(fā)展,我國非常重視裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展,提升城鄉(xiāng)低碳綠色建筑和工業(yè)化建筑的發(fā)展。2016年國務(wù)院《關(guān)于深入推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的若干意見》中明確表示積極推動新型城鎮(zhèn)工業(yè)化、綠色化、智能化的發(fā)展。2017年國務(wù)院辦公廳《關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》中指出大力發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)推動綠色智能化建造,在10年內(nèi)使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%。2021年10月21日,國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于推動城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見》,要求大力推動可再生能源應(yīng)用,鼓勵智能光伏與綠色建筑融合創(chuàng)新發(fā)展,努力實現(xiàn)工程建設(shè)全過程的綠色建造。2022年國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《鄉(xiāng)村建設(shè)行動實施方案》明確指出大力發(fā)展低碳綠色建筑充分利用可再生資源,推進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。

裝配式建筑根據(jù)預(yù)制程度的高低,可以分為一維桿件單元為主的裝配式體系、以二維板件單元為主的預(yù)制板件體系、以三維模塊單元為主的盒式模塊化裝配式建筑體系[1]。模塊化建筑是將尺寸合適的模塊單元在工廠預(yù)制完成后,運輸至施工現(xiàn)場由起重機(jī)進(jìn)行吊裝,組合成建筑整體[2]。與傳統(tǒng)建筑相比,模塊化建筑具有建造周期短、施工過程安全、施工時間可控、資源浪費少、質(zhì)量有嚴(yán)格保證、低碳循環(huán)發(fā)展、抗震性能好等優(yōu)點[3],模塊化可流水線生產(chǎn)其預(yù)制程度可以達(dá)到90%,是世界上最先進(jìn)的工業(yè)化建筑。建筑工業(yè)化是按照工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和制造方法,根據(jù)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、部品集成化、施工機(jī)械化、管理科學(xué)化在工廠加工完成,運輸?shù)浆F(xiàn)場組合建造等方式,是現(xiàn)代建筑發(fā)展的必然選擇[4]。

1 模塊化建筑在工程中的應(yīng)用

模塊化建筑又稱“盒子建筑”[5],最早起源于歐洲、美洲等發(fā)達(dá)國家,因其勞動力成本低和施工速度快,符合工業(yè)化生產(chǎn)得到大量的推廣,且在滿足居住的同時,還可以進(jìn)行美觀的設(shè)計。1967年鄭東在蒙特利爾世界博覽會上展示了住宅67(見圖1(a)),不僅造型前衛(wèi),而且是最早將模塊單元引入人們的思想的。20世紀(jì)60年代,黑川紀(jì)章設(shè)計日本東京中銀艙體樓(見圖1(b)),該建筑是一座造型獨特的矩形積木形狀的模塊化結(jié)構(gòu)體系。進(jìn)入21世紀(jì)模塊化建筑飛速崛起,例如:英國伍爾弗漢普頓學(xué)生公寓,美國紐約布魯克林32層模塊化住宅大廈,美國布魯克林單身公寓。

近年來,隨著我國大力提倡新型材料,城鄉(xiāng)建設(shè)向低碳綠色轉(zhuǎn)型,因此模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國開始大力發(fā)展,在進(jìn)行公寓、住宅、學(xué)校、醫(yī)院、宿舍、酒店等低多層建筑優(yōu)先選擇。

模塊建筑力學(xué)性能的研究是非常重要的,主要集中在兩個方面:一類是模塊間的節(jié)點連接和構(gòu)件的力學(xué)性能;另一類是模塊化框架在水平荷載作用下的抗震性能研究。其意義在于為模塊化建筑大面積推廣及為超高層建筑的研究提供理論依據(jù)。

2 模塊化鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點

模塊化鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點根據(jù)位置的不同可以分為模塊與模塊之間的連接和模塊與基礎(chǔ)之間的連接。

2.1 模塊間的連接

模塊化單元之間連接起著非常重要的作用,模塊間的連接應(yīng)滿足傳遞水平、豎向荷載和偶然作用下具有足夠的拉結(jié)力來保證結(jié)構(gòu)的魯棒性能的要求,它確保了整個建筑的結(jié)構(gòu)完整性、整體穩(wěn)定性和堅固性,此外選取不同的連接形式還應(yīng)該考慮現(xiàn)場連接的可行性,模塊單元的頂板與底板的存在,往往使得在中間節(jié)點處模塊間的連接存在困難。模塊節(jié)點按其連接方式可以分為焊接連接、螺栓連接、自鎖式連接。

2.1.1 焊接連接

焊接連接現(xiàn)場施工量大,操作技術(shù)要求高,拆卸不變,不適應(yīng)模塊化建筑的發(fā)展。Annan等[6]提出了一種模塊化結(jié)構(gòu)的全焊接節(jié)點通過模塊柱端的蓋板將上下模塊焊接在一起,以傳遞豎向荷載。并且由于模塊角柱間施焊空間的限制,往往只能在模塊單元角柱的外側(cè)面施焊,這就導(dǎo)致了上、下層模塊之間可能產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。Deng等[7-8]提出了一種螺栓-封板節(jié)點,采用柱壁開孔,通過十字節(jié)點板和高強(qiáng)螺栓連接,最后在開口處焊接一塊封板。進(jìn)行了該節(jié)點的低周加載試驗,研究結(jié)果表明,梁柱角部焊縫易發(fā)生脆性斷裂,是半剛性節(jié)點,可傳遞地震作用引起的彎矩,在地震作用下梁可以發(fā)展全截面塑性。Chen等[9]提出了一種插銷-螺栓連接節(jié)點,將方形截面鋼管柱插入鑄頭連接件中,在現(xiàn)場通過對穿螺栓將相鄰模塊連接。通過試驗和有限元分析,得到了節(jié)點的靜力性能、滯回曲線、骨架曲線、延性性能、耗能能力和剛度退化規(guī)律。研究結(jié)果表明由于節(jié)點的破壞形式,在側(cè)向力作用下,上下模塊柱間出現(xiàn)一定縫隙,模塊間的相互作用力不能很好地傳遞。方鋼管梁柱連接焊縫是試件的薄弱部位,應(yīng)力集中導(dǎo)致焊縫斷裂,試件發(fā)生脆性破壞。

2.1.2 螺栓連接

螺栓連接節(jié)點現(xiàn)場作業(yè)量小,且方便運輸、拆換,加工要求低、可靠性高壽命長,具有理想的開發(fā)前景,螺栓連接可以快速和容易的安裝可以更好地控制質(zhì)量。2017年Lee等[10]提出了一種全螺栓連接體系,由穿心節(jié)點板和螺栓構(gòu)成節(jié)點連接,傳遞水平和豎向荷載。通過試驗研究和有限元模擬該節(jié)點抗震性能良好在層間位移角達(dá)到0.04 rad時承載力均大于0.8Mp(Mp為節(jié)點受承載力,為172.9 kN·m),滿足(AISC 341-10—2010)美國鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中特殊受彎框架的抗震設(shè)防需求,可滿足剛性節(jié)點設(shè)計要求。

2.1.3 連接器連接

VectorBloc連接器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化、可擴(kuò)展的連接系統(tǒng),其優(yōu)勢在于能夠更快、更輕松地在現(xiàn)場安裝梁柱連接和模塊間連接[11]。VectorBloc連接器的基本組件是上下塊、定位稍、平頭螺釘、高強(qiáng)度內(nèi)六角螺釘和角撐板。鄭天心[12]對閉口截面自鎖式連接器進(jìn)行了設(shè)計圖,通過定位棱與上方連接方筒內(nèi)的定位槽匹配嚙合,來提升節(jié)點的力學(xué)性能。

2.2 模塊與基礎(chǔ)連接

除了上述新型的模塊化節(jié)點外,Park等[13]提出了一種模塊和基礎(chǔ)間的嵌入式連接(見圖2)。這種連接方式相比于傳統(tǒng)鑄入式具有良好的強(qiáng)度和延性。并進(jìn)行靜力加載試驗和有限元分析。結(jié)果表明,柱埋深是影響節(jié)點承載力的關(guān)鍵參數(shù),通過試驗和數(shù)值模擬,給出了柱腳節(jié)點最小埋深。

雖然國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的新型模塊化節(jié)點的研究,但是尚未出臺有關(guān)的模塊連接形式、結(jié)構(gòu)體系分析計算等方面的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),目前還需要大量模塊化節(jié)點研究來提供理論依據(jù)。

3 模塊化鋼框架結(jié)構(gòu)體系

為了研究模塊化鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,在進(jìn)行框架設(shè)計和分析時,通常采用試驗研究和數(shù)值模擬方法。

3.1 模塊化鋼框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能試驗研究

Hong等[14]提出了一種雙層波紋鋼板組合的模塊化框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行足尺試驗研究。試驗結(jié)果表明,鋼板增加了框架的抗側(cè)剛度并優(yōu)先于框架開始屈服,有效控制了框架的嚴(yán)重?fù)p壞。Chen等[15]對預(yù)應(yīng)力節(jié)點連接的模塊框架進(jìn)行擬靜力加載試驗并提出了一種簡化的有限元建模方法。結(jié)果表明,該預(yù)應(yīng)力連接具有較強(qiáng)的連接性能,具有在多遇地震下,該模塊化結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)彈性狀態(tài)同時保持強(qiáng)度的趨勢,且在罕遇地震下無強(qiáng)度退化現(xiàn)象。曹軻等[16]為了研究柱承重式模塊化框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,進(jìn)行了足尺擬靜力加載試驗和簡化模型分析對比。結(jié)果表明,該框架結(jié)構(gòu)具有良好的剛度、延性和承載力等,在達(dá)到層間位移角限值時節(jié)點沒有出現(xiàn)破壞。

目前模塊化框架結(jié)構(gòu)足尺試驗研究較少成本高,但是與數(shù)值模擬相比更能真實地反映結(jié)構(gòu)的破壞位置、薄弱環(huán)節(jié)及設(shè)計中遺漏的問題。

3.2 模塊化鋼框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能數(shù)值模擬

有限元分析主要是通過軟件(ABAQUS,SAP2000等)進(jìn)行數(shù)值模擬。在建立精細(xì)化模型時難以準(zhǔn)確模擬,根據(jù)其傳力機(jī)理、節(jié)點構(gòu)造進(jìn)行部分或全部簡化,從而準(zhǔn)確考察結(jié)構(gòu)抗震響應(yīng)。Feng等[17]進(jìn)行了多層組合箱型結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下的模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)分析,并對四種節(jié)點的剛度和承載力進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示,目前采用的節(jié)點形式不能滿足規(guī)范要求,需要采用新的節(jié)點形式。Lacey[18]將模塊間連接的力矩-轉(zhuǎn)動和力位移行為進(jìn)行簡化,并運用到整體結(jié)構(gòu)模型。結(jié)果表明,模塊間連接的剛度對整體抗震性能有一定的影響,尤其是在水平荷載作用下層間位移角有明顯變化,轉(zhuǎn)動剛度影響較小。張驚宙等[19]采用有限元分析方法對柱承重式和墻承重式兩種形式的冷彎薄壁型鋼龍骨模塊進(jìn)行受力特點、結(jié)構(gòu)性能和用鋼量對比分析。結(jié)果表明,墻承重式模塊比柱承重式模塊用鋼量少,制作成本高,運輸不便,自重大適合低層建筑;柱承重式布局靈活、運輸方便,構(gòu)件可以拆卸重復(fù)利用特點,可進(jìn)行大面積推廣。王華杰等設(shè)計了7層標(biāo)準(zhǔn)戶型模塊化住宅結(jié)構(gòu)(見圖3),建立有限元模型,與增加輔助立柱、橫梁和設(shè)置側(cè)向輔助拉索的方案進(jìn)行對比分析,分析結(jié)果表明,增加輔助拉索可以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,節(jié)點剛接也可以有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度,最后還給出了合理的7層模塊化住宅結(jié)構(gòu)方案。

模塊化鋼框架節(jié)點和墻板對整體抗震性能影響進(jìn)行了一定的研究,但對其研究較少且深度不夠。模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)點構(gòu)造往往比較復(fù)雜,在建立精細(xì)化模型進(jìn)行有限元分析時難以準(zhǔn)確模擬,應(yīng)針對其傳力機(jī)理與簡化模型的研究,探究其整體結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞模式。

4 模塊化建筑施工及運輸

模塊化建筑施工是將模塊單元在工廠進(jìn)行制造并對模塊內(nèi)部進(jìn)行裝飾,然后運輸至施工現(xiàn)場,再由起重機(jī)吊起進(jìn)行安裝拼接成建筑整體,圖4是施工流程圖。

在模塊化運輸過程中也需要進(jìn)行模塊尺寸合理的規(guī)劃和設(shè)計。比如:新加坡道路運輸?shù)淖畲髮挾取⒏叨群烷L度分別為3.4 m,4.5 m和12 m[20],澳大利亞和美國的允許寬度為3.5 m。

與傳統(tǒng)建筑相比,模塊化建筑具有施工度快、建造周期短、施工工藝先進(jìn)、規(guī)模效益顯著、模塊質(zhì)量可控、可拆卸重復(fù)利用、環(huán)境污染小、綠色節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。根據(jù)項目案例研究,使用模塊化建筑施工可以減少50%的施工時間和節(jié)約20%的成本。

5 結(jié)論

模塊化建筑具有施工速度快、制造安全、質(zhì)量可控和低碳環(huán)保等優(yōu)點,得到了國內(nèi)外工程師的大量關(guān)注。然而,由于缺乏堅固的結(jié)構(gòu)體系和連接技術(shù)來確保模塊化建筑結(jié)構(gòu)的完整性、整體穩(wěn)定性和魯棒性,目前大多適用于低層建筑,對于高層建筑的構(gòu)造應(yīng)用非常有限。此外,缺乏相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),限制了模塊化建筑的發(fā)展。雖然國內(nèi)外對于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑連接節(jié)點開展了一系列的實驗研究和數(shù)值模擬,但是研究的深度不高。模塊化鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造比較復(fù)雜,應(yīng)充分考慮荷載的傳遞和簡化模型的分析研究,同時模塊化結(jié)構(gòu)還應(yīng)該進(jìn)行大量的整體框架試驗研究和理論分析。