預制裝配整體式模塊化結構施工技術研究*

張季超，沈冬兒，張 巖，陳澤宇，彭海婷

(1.廣州大學土木工程學院，廣東 廣州 510006； 2.鄭州大學土木工程學院，鄭州 河南 450001)

0 引言

建筑業的發展從單純地解決人們的住房需求問題上升到滿足人們對生活質量的追求，改善居住環境。但是當前國內絕大部分建筑采用的是傳統粗放型的建造生產方式，一方面浪費大量資源，嚴重破壞生態環境；另一方面，不能保證建筑的施工質量，導致建筑安全事故頻頻發生。因此，加快建筑業轉型，實行建筑工業化勢在必行[1]。

工業化建造模式將大部分或者全部的構配件生產由施工現場轉為工廠車間或現場預制車間生產，將手工制作方式轉為以機械化生產，將施工現場的濕作業主導轉為以機械式吊裝與拼裝等干作業為主[2]。模塊化結構將建筑物的各個子系統，包括結構骨架、圍護組件、功能部件等集成為一個個建筑模塊，如圖1所示，建筑模塊在工廠內完成制造，運輸到現場用裝配化方式構筑組裝而成的房屋系統，是目前裝配率最高的結構形式之一，是建筑工業化的高端模式。相比傳統建造模式，模塊化施工有利于提高生產力、改善施工安全和工程質量，有利于提高建筑綜合品質和性能，有利于減少用工、縮短工期、減少資源能源消耗、減少建筑垃圾和揚塵。

圖1 建筑模塊組成

1 預制裝配整體式模塊化結構施工工藝

預制裝配整體式模塊化結構施工過程主要分成預制和裝配兩大部分。第1階段是工廠內預制，預制構件的生產、預制墻板和樓板的澆筑養護，建筑模塊的拼裝連接都是在預制工廠內完成。第2階段是現場裝配，建筑模塊通過專門的運輸車輛運送到施工現場，然后根據施工方案將建筑模塊吊裝至設計位置，通過節點處的連接和后澆混凝土將結構連成整體[3]。這種新型的模塊化施工方式與同等規模的傳統建造方式相比可以有效縮短整個建設周期，而且施工過程綠色環保[2]。

預制裝配整體式模塊化結構總體施工工藝流程如圖2所示，大致分為建筑模塊制作、運輸儲存、吊裝、安裝和現澆構件連接5個施工過程。

圖2 預制裝配整體式模塊化結構總體施工工藝流程

經過可靠的連接和節點整體現澆，預制裝配整體式模塊化結構形成之后的受力情況，作用效應與傳統建筑相差不大。預制裝配整體式模塊化結構的創新說到底其實是對傳統施工建造方法的創新，模塊化建筑具有與傳統建筑不同的獨特施工方法。因此，模塊化建筑在建造之前需對其施工過程進行模擬分析，以便對模塊化施工過程有整體的把握。

對預制裝配整體式模塊化結構而言，工廠內建筑模塊的預制生產一般遵循設計圖和生產線進行，工廠化生產能實現設計標準化、生產規范化、運輸物流化，對建造質量和安全有保障。吊裝和連接是預制裝配整體式模塊化結構現場工地施工的兩個重要施工步驟，建筑模塊的吊裝和連接施工過程表現出了諸多力學問題及技術問題，有一定的難度，歸納為以下5個問題。

1)建筑模塊的吊點布置及起吊角度計算。

2)建筑模塊臨時支撐的布置方法。

3)建筑模塊吊裝安全穩定性計算。

4)施工過程的模擬計算方法。

5)拆除臨時支撐對結構安全的影響。

2 建筑模塊的吊點布置及起吊角度計算

2.1 吊點的選擇及布置原則

決定預制裝配整體式模塊化結構的吊裝方案時，建筑模塊吊點數量的選擇和位置分布是首先要考慮的問題。吊點的數量選擇和位置布局要保證建筑模塊在起吊過程中變形盡可能小，以防建筑模塊中的構件發生形變，無法準確安裝到設計位置上[4]。建筑模塊在起吊過程中還需要考慮其在空中的姿態以及構件受力。一般來說，吊點布置時考慮的總原則如下。

1)起吊時，吊點一般設置在物體的重心位置或重心之上，但建筑模塊的重心位置難以確定，因此，建筑模塊的吊點一般設置在柱上端，吊點在建筑模塊重心之上，在起吊過程中不會出現頭重腳輕而發生傾覆，保證建筑模塊的穩定與平衡。

2)建筑模塊相鄰吊點之間的距離不能過小。吊點間距過小會使得相鄰吊點之間的梁兩端支座處變形過大，導致建筑模塊節點安裝時無法就位。通常來說，建筑模塊的吊點間距與柱距一致。

3)建筑模塊的吊點布局應盡可能使建筑模塊的所有構件應力分布比較均勻，變形較小。

目前，建筑模塊吊裝施工常用的方法是根據建筑模塊的柱分布設置吊點，吊點一般設置在建筑模塊的框架柱上端，通常不設置在建筑模塊的框架梁和樓板上。吊鉤與活動的榫頭連接，榫頭與建筑模塊柱上端的榫眼扣接，確保吊鉤與建筑模塊連接牢固。

2.2 起吊角度范圍選取原則

對于預制裝配整體式模塊化結構施工中的建筑模塊吊裝，起吊高度的不同會給吊裝中的建筑模塊帶來不同的結果[5](本文所提及的起吊高度均指的是最高吊鉤至建筑模塊柱上端的豎直距離)。

1)若起吊高度過高，吊索與水平面的夾角較大，能較好發揮吊索的索力，但是吊索的長度過大會導致建筑模塊在起吊過程中容易發生大幅度的擺動，對建筑模塊本身以及整個施工區域的安全可能造成威脅。而且起吊高度會受到起吊機升高極限的限制，起吊高度過大無法確保頂層的建筑模塊能夠安放在正確的設計位置上。

2)若起吊高度過低，吊索與水平面夾角過小，當夾角<45°時，吊索索力在水平方向的分力比豎直方向的分力大，建筑模塊的頂梁受到較大的壓力，容易發生彎曲變形，甚至發生破壞。因此起吊高度不能過低，吊索與水平面的夾角不應小于45°；當起吊角度<45°時，應對建筑模塊的構件進行強度驗算。

3)若起吊高度合適時，吊索索力和建筑模塊的應力分布較均勻，大小適中，建筑模塊在起吊過程中的整體穩定性較好。

綜上所述，起吊高度的改變，同時也是起吊角度的改變，這種改變影響建筑模塊構件的應力與吊索索力的大小，選擇合適的起吊高度可以平衡建筑模塊的應力與吊索索力的變化。起吊高度的選擇原則就是在起吊機升高極限以內，確定起吊高度或起吊角度的合理范圍，使得建筑模塊的應力和吊索索力相對較小并分布均勻。這種合理范圍的確定，通常是根據相關吊裝規范以及工程經驗來確定的。按JGJ276—2012《建筑施工起重吊裝工程安全技術規范》規定[6]：吊索與所吊構件間的水平夾角必須大于45°。根據計算研究和工程經驗，建筑模塊的吊索與水平線的夾角宜為50°。

3 建筑模塊臨時支撐的布置方法

作為預制裝配整體式模塊化結構的基本單元，建筑模塊在出廠時已有基本的結構雛形，但梁柱截面較小，建筑模塊整體的剛度也比較小。若建筑模塊在運輸、吊裝過程中受到外力較大，容易變形過大，因此在結構成型之前，需要在建筑模塊構件間布置臨時支撐。預制裝配整體式模塊化結構的臨時支撐體系類型選擇和布置方案選擇是十分重要的，合理的臨時支撐布置方案不僅在一定程度上加快工程施工進度以及減少施工費用，更重要的是合理布置臨時支撐是確保結構安全成型的保障。臨時支撐的布置需要考慮以下兩點。

1)在結構成型前，保證建筑模塊在連接前不產生過大內力和位移，能準確定位在設計位置上。

2)在結構成型后，臨時支撐要方便拆除，拆撐過程易于控制。拆除過程要使建筑模塊的構件在彈性范圍內緩慢調整，逐漸趨近設計狀態。

在起吊過程中，建筑模塊在柱端起吊的方式使得建筑模塊柱子的上端受力較大，但是與柱相連的頂梁截面較小，而且柱子跨度較小，因此建筑模塊的柱子上端以及頂梁受到應力較大，底板框架梁受力較小。為了平衡建筑模塊上下平面的受力，在建筑模塊的每一個相鄰柱之間設置交叉的臨時支撐，支撐點位于柱端。臨時支撐與柱端的連接板用螺栓連接，方便施工結束后拆除臨時支撐。

4 建筑模塊吊裝安全穩定性計算

建筑模塊在整體起吊階段主要是以建筑模塊的自身結構質量為主。為保證起吊安全，一般在起吊質量的基礎上乘以豎向動力系數。建筑模塊豎向動力系數主要指建筑模塊吊裝過程中所產生的動力加速度。參照GB50755—2012《鋼結構工程施工規范》，提升過程中豎向動力系數取1.4[7]。

出于施工安全的考慮，建筑模塊需在6級以下風力進行起吊作業，此時建筑模塊的受力需考慮結構自重、起吊工具的質量以及少量的操作人員荷載。在實際起吊施工中，風力可以根據天氣預報進行預測并可根據建筑模塊上安裝的風速儀即時確定。當風力達到6級以上時，建筑模塊應停止提升，并做好防護措施。從偏安全考慮設計計算時，建筑模塊起吊計算的風荷載按施工期間可能出現的最大風速考慮，即6級強風，風速為10.8～13.8m/s，相當于39～49km/h，風壓為72.9～119Pa。

建筑模塊在有無6級強風作用下吊裝的構件應力值如表1所示，從中可看出在分析建筑模塊起吊受力時，需考慮風荷載對建筑模塊的影響，同時建議建筑模塊在風力6級及以上時停止吊裝作業。

表1 有無6級強風荷載時建筑模塊起吊的應力結果對比

5 施工過程的模擬計算方法

預制裝配整體式模塊化結構從工廠預制到施工結束是結構逐步“成長”的過程。隨著施工進度的推進，建筑模塊逐個安裝連接，結構的整體剛度、荷載、邊界條件和材料的性能都在不斷地發生變化，構件的最大應力和變形可能會出現在某一施工階段，因此需要關注預制裝配整體式模塊化結構在施工過程中應力和位移的發展，了解結構發生最大應力與變形的位置，明確結構體系在施工期間存在的受力狀態，為正確的施工提供理論指導[8]。

在預制裝配整體式模塊化結構施工過程中，結構的時變性貫穿整個施工過程。對預制裝配整體式模塊化結構進行施工過程的模擬計算和施工過程分析，主要考慮以下6個因素的時變性。

1)結構幾何形體時變。

2)結構剛度時變。

3)結構邊界條件時變。

4)結構材料性能時變。

5)結構荷載時變。

6)施工誤差累積。

6 拆除臨時支撐對結構安全的影響

為了更好地保護建筑模塊，預制工廠會在建筑模塊中安裝臨時支撐，保證建筑模塊在運輸和吊裝階段不受破壞[9]。模塊化結構在建造過程中，建筑模塊仍存在臨時支撐結構，臨時支撐的拆除過程會改變結構模型邊界條件，從而影響結構內力和變形。

本文結合某10層預制裝配整體式模塊化綜合辦公樓工程，利用精確施工模擬方法，模擬模塊化結構拆撐過程。設置4種拆撐方案如下。

1)方案1 第1層建筑模塊在安裝和澆筑樓板后，拆除該層的臨時斜撐，再進行下一施工層施工，簡稱“建一拆一”。

2)方案2 第1層建筑模塊的臨時斜撐在第3層施工結束后拆除，簡稱“建三拆一”。

3)方案3 第1層建筑模塊的臨時斜撐在第5層施工結束后拆除，簡稱“建五拆一”。

4)方案4 整棟樓的臨時斜撐在所有樓層施工完成后再統一拆除，簡稱“完工拆撐”。

4種拆撐方案的最大豎向位移及豎向位移差對比曲線如圖3～6所示。

圖3 4種拆撐方案的角柱最大豎向位移

圖4 4種拆撐方案的邊柱最大豎向位移

圖5 4種拆撐方案的中柱最大豎向位移

圖6 4種拆撐方案的最大豎向位移差

結果表明，方案4“完工拆撐”方案的結構豎向位移最大，方案1“建一拆一”方案的結構豎向位移差最大。說明臨時斜撐的拆除主要引起結構的豎向位移變化，這種豎向位移可以在結構施工過程中通過施工找平方法補償，因此可以在確保安全的前提下，在施工過程中拆除臨時支撐。但是臨時支撐在施工過程中可以有效地協調相鄰建筑模塊柱的豎向位移差，因此不建議過早拆除臨時支撐。綜上所述，在預制裝配整體式模塊化結構施工過程中，適宜以施工3層為1個周期拆除臨時支撐，即在施工3層結構后拆除第1層結構的臨時支撐，這樣既可以充分發揮臨時支撐的作用，在一定施工范圍內協調結構的豎向變形差，又可以及時補償臨時支撐拆除引起的結構豎向位移。

7 結語

隨著我國建筑工業化的發展，國內政策對建筑的裝配率要求越來越高，預制裝配整體式模塊化結構作為目前裝配程度最高的結構正適應了這一潮流的發展。但預制裝配整體式模塊化結構在中國剛剛起步發展，模塊化施工技術發展還未成熟，需要對其施工工藝技術規范化，充分考慮施工過程的控制因素，形成全面合理的施工技術方案。本文結合某10層預制裝配整體式模塊化綜合辦公樓項目，對施工力學的5個方面問題進行了探討，總結了建筑模塊在吊裝和連接兩個主要施工步驟上的施工技術經驗和需要注意的安全問題，期望能對預制裝配整體式模塊化結構的施工力學研究起到拋磚引玉作用，并能為預制裝配整體式模塊化結構實際施工提供理論參考。