多層鋼結構模塊建筑結構設計探討

韓子剛 甘肅省輕紡工業(yè)設計院有限責任公司

1 前言

一直以來，鋼結構設計都在建筑設計當中占據著關鍵地位。相比于傳統(tǒng)的砌體結構以及混凝土結構來說，鋼結構建筑的安全性和穩(wěn)定性更強，對生態(tài)破壞較少。同時，模塊建筑具有施工質量精良、建造時間短、建造成本低以及綠色環(huán)保等特點，因此研究多層鋼結構模塊建筑結構設計具有重要意義。

2 模塊建筑概述

模塊建筑是近年來新興的建筑結構體系，指的是先在工廠當中制作每一個房間，然后再將制作好的模塊運輸到施工現場并利用有效的方式進行組裝，使之成為一個建筑整體。模塊建筑結構體系主要包括全模塊建筑結構體系、模塊單元與板體結構組合體系、巨型框架模塊建筑結構體系、模塊單元與剪力墻與核心筒混合結構體系、模塊單元與傳統(tǒng)框架結構混合體系這幾種類型。

3 多層鋼結構模塊建筑結構設計

甘肅省地震烈度較高，氣候條件相對較差，建造多層鋼結構模塊建筑比較符合實際需要，因此本文將以甘肅省某工程項目為例，簡要分析多層鋼結構模塊建筑結構設計。

3.1 工程概況

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

3.2 合理選擇結構體系

在進行多層鋼結構模塊建筑的施工過程中，首先需要在工廠當中制作鋼結構模塊，然后再將制作好的模塊單元運輸到施工現場，所以需要合理把控鋼結構模塊的尺寸，將模塊的尺寸控制在國家規(guī)定范圍內。在綜合考慮國家規(guī)定以及吊裝需求之后發(fā)現需要將模塊單元的高度控制在4.2m以內，寬度控制在2.5m～3.5m這個范圍內。在選擇結構體系時，不僅需要考慮鋼結構模塊的尺寸還需要考慮到建筑的功能需求。比如說，甘肅省蘭州市這個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構模塊混合的結構體系，也就是在一層以及二層和三層的局部應用鋼框架結構，剩下的部分應用鋼結構模塊。

3.3 合理劃分模塊單元

和傳統(tǒng)建筑相似，在進行模塊建筑設計時需要先完成建筑設計然后再開展結構設計，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行結構設計之前劃分模塊單元。在劃分模塊單元時需要遵循一定的原則，首先要確保模塊單元的對稱，要讓模塊單元符合運輸要求和吊裝需求；其次要分開放置不同功能的房間，即不要在同一個模塊當中放置不同功能的房間；此外，如果樓梯、廚房等模塊具有獨立功能，可將這些模塊放置在同一個模塊單元當中。

3.4 明確模塊單元的類型

鋼框架結構是多層鋼結構模塊單元的主體，按照結構需求可將模塊單元分為角部加強模塊單元、普通模塊單元、支撐模塊單元以及中柱模塊單元等類型。角部加強模塊單元處于模塊建筑的角部，能夠增強建筑角部的承受力；普通模塊單元比較適用于空間大的區(qū)域，主要由地板梁、次梁等結構組成；支撐模塊單元是在模塊單元當中設計支撐，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)點設計

3.5.1 模塊單元間的連接節(jié)點

本工程主要利用角件構造進行連接件設計，在施工過程中不需要過多的使用焊接施工。角件構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、螺母以及上下旋轉件共同構成的。連接板能夠將上模塊單元和下模塊單元的角件連接起來，中部矩形臺能夠承受水平方向的剪力，凹槽能夠將連接件的旋轉部分固定起來。上旋轉件起著帶動下旋轉件旋轉的作用；下旋轉件需要承受豎直方向的剪力和拉力。

3.5.2 模塊單元和基礎以及鋼框架的連接

在基礎上安裝一個特殊的角件并利用連接件就可以將模塊單元和基礎連接起來，但是這個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就需要采用傳統(tǒng)的焊接方式。

3.6 結構構件設計

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)點是隔板貫通節(jié)點，這種節(jié)點安裝起來比較簡單。模塊單元當中的梁柱使用的都是矩形鋼管，同時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。和模塊柱連接起來的梁截面寬度在150mm左右。在連接梁柱和模塊柱時需要保證梁柱的齊平，以為模塊建筑施工提供方便。

4 結語

多層鋼結構模塊建筑在現代建筑當中占的比例越來越高，建造這種類型的建筑不僅可以提高建筑質量、縮短建造時間，還符合綠色建筑的要求，應該大力推廣該建筑，并優(yōu)化結構設計，增強建筑的安全性和實用性，促進建筑行業(yè)的發(fā)展。