模塊化裝配式建筑發展現狀與未來展望

劉 倩，楊淑娟，郁有升，于德湖

(青島理工大學 土木工程學院，青島 266525)

模塊化裝配式建筑作為一種新型的工業化建筑形式，一方面，具有低耗能、低污染、施工便捷等優勢，可以解決傳統建筑存在的問題；另一方面，工業化建筑模式可以保證模塊的質量及精度，加快施工進程，節約工期，節約成本[1]。同時一定程度上解決我國的勞動力短缺問題，推進建筑產業中的勞動力供需平衡。為加大裝配式發展的支持力度，我國發布了一系列相關政策，大力發展鋼結構和裝配式建筑，積極推廣綠色建筑和建材，加快標準化建設，推動產業結構調整升級。

1 模塊化建筑簡介

模塊化建筑(Prefabricated Prefinished Volumetric Construction，簡稱PPVC)是指將建筑按一定功能劃分為數個模塊單元。模塊單元在工廠預制裝配柱、板、墻體、門窗、內部設備及管線，裝配完成后運輸至施工現場完成模塊間的堆疊與安裝。模塊化建筑作為一種可實現提升效益和快速施工的新型結構體系成為國內外研究的熱點。目前，應用范圍局限于酒店、學生宿舍、住宅等小空間建筑。

1.1 模塊單元類型

裝配式模塊單元可以根據建筑功能、結構受力特點、模塊材料及模塊成型工藝等進行類型劃分，如表1所示。

表1 模塊單元劃分

目前常用的承重空間模塊為墻體(剪力墻)承重以及柱(角柱)承重空間模塊。

剪力墻承重空間模塊：連續支撐或四面圍墻模塊，豎向荷載通過樓板傳至墻體，再由墻體傳給下層結構，最終傳給基礎，如圖1所示。

圖1 墻體承重模塊

角柱承重空間模塊：四面開放式或點支撐模塊，豎向荷載通過樓板傳至梁，梁傳至柱，柱傳至下層結構，最終傳給基礎[2]，如圖2所示。

圖2 柱承重模塊

1.2 模塊單元連接

模塊化單元連接施工方式可分為干式連接、濕式連接及預應力連接3種。干式連接指相鄰模塊梁間、柱間或者單元邊角處通過螺栓、焊接或者鍵槽凸鍵連接。濕式連接指相鄰模塊間通過后澆混凝土墻板或者后澆混凝土樓板帶的連接。預應力連接指在模塊單元間角柱的位置通過螺桿施加預應力使得上下相鄰模塊單元連接。

1.3 模塊建筑體系

模塊單元通過連接組成整體結構，按照整體結構形式，可分為全模塊結構體系和復合模塊結構體系[3]。

全模塊結構體系由模塊單元疊放組合構成承重結構，每個模塊單元均為承重的空間結構，即模塊單元既具有受力作用又具有使用功能。該體系建筑物外部造型缺乏多樣化，且節點連接構造不易處理，內部空間使用不夠靈活。但預制裝配率高，工業化程度高。例如加拿大“住宅67號”，所有建筑模塊均為承重結構。

復合模塊結構體系主要包括模塊結構與框架結構復合結構、模塊結構與核心筒復合結構。這種體系的受力功能主要由框架結構和核心筒結構承擔，模塊單元承擔使用功能及部分傳力功能。建筑中采用復合模塊結構可以使得建筑結構選型更加靈活，更合理地進行內部空間布置以及建筑外部空間造型，提升建筑物結構性能及使用性能。

2 國內外研究概況

2.1 國外模塊化建筑研究

國外對盒子模塊化和鋼結構模塊化的結構體系受力性能、單元和單元節點的受力性能展開了一系列研究，推動了模塊化建筑的發展，為模塊建筑體系提出了行之有效的設計及施工技術方案。加拿大ANNAN C D 等對鋼框架模塊展開一系列研究，發現鋼骨支撐體系的結構強度儲備大于規范中常規支撐體系的結構強度儲備，缺點是鋼模塊框架由于不能對短柱提供支撐，致使短柱發生彎曲破壞；且對組合式鋼結構進行設計和建模，得出鋼框架模塊的抗震性能很大程度上由模塊間豎向連接決定[4]。原蘇聯中央住宅試驗設計科研院研究了5層和7層的宿舍盒子，研究發現破壞的原因：盒子間連接處相對于盒子剛度具有較大差異。措施：沿著盒子各邊設置垂直鋼筋，減小剛度差異，從而減少水平縫產生與發展，以及減少盒子間的互相碰撞[5]。韓國首爾國立大學SUNGGUL Hong等針對鋼框架模塊結構提出一種新型的側向抗力體系——雙層薄鋼板組合框架結構，并對該鋼面板體系進行剛塑性分析以及受力試驗，建立了輕鋼框架的彎矩-曲率關系[6]。

BIM技術的興起，為模塊化建筑的成本降低、綠色環保提供了新的建設思路，國外許多學者結合BIM新技術對模塊化建筑展開研究。MOHAMMAD Kamali，DARA Chinyere，FERDOUS Wahid，MONAHAN J等對集裝箱型住宅案例進行研究，對比傳統的施工方法及特點，評估其生命周期和生命周期成本，最終得出，平均而言，模塊化建筑提供了更好的生命周期性能，例如建筑物的能源性能等[7-10]。ALADDIN Alwisy將BIM技術應用到模塊化建筑中，降低了設計成本，提高了布局的精度[11]。

2.2 國內模塊化建筑研究

盒子式建筑體系是模塊化建筑中最典型、應用最廣泛的結構體系。對于該體系，清華大學肖麗等對整澆式盒子和拼裝式盒子展開了對比研究，發現拼裝盒子具有靈活性但其質量相較于整澆式盒子差，整澆式盒子造型靈活性差，滿足不了多樣性要求[12]。張惠英等采用盒式抗側力計算方法，對比研究側向力對剪力墻與盒子側墻的影響，研究得到剪力墻的剛度較大，但二者變形性能相似[13]。

鋼結構模塊化建筑體系是近些年模塊化建筑主要的研究方向，裝配式建筑是我國建筑發展的趨勢。對于該體系，蘇州大學曲媛媛將模塊化設計原理與建筑設計相結合，分析適合我國裝配式發展的模塊化建筑，探索標準化、模數化的建筑設計[14]。天津大學曲可鑫以4層的模塊化公寓建筑為例，采用靜力分析及動力時程分析，對鋼結構模塊化建筑結構體系進行研究，得出剛接節點與鉸接節點兩種結構形式的受力特征、性能薄弱點以及適用性[15]。東南大學董競瑤對農村輕型鋼結構模塊化住宅進行了研究設計，提出可行的結構形式和構造措施，并進一步探討和設計[16]。

新加坡以及加拿大的建筑不考慮抗震設防要求，故建造時需要考慮不利因素較少，有利于模塊化高層建筑的建造。但是我國以及世界大多國家都深受震害影響，結構設計時要考慮抗震設防，故模塊化間的連接要深入抗震研究及有限元模擬分析。廣州大學黃敦堅以某擬建模塊化辦公樓為例，研究隔震層位置變化對模塊化結構隔震效果的變化規律，最終得到模塊化結構的隔震設計方案[17]。萬里波等對6層剪力墻盒子結構模型進行抗震性能研究，采用擬動力試驗方案，研究得出該結構能夠滿足8度設防烈度的設防目標要求，具有較好的變形能力、延性以及消耗能力，為預制裝配式模塊化結構的未來應用提供理論數據研究及試驗參考[18]。孫超等對3層可拆裝式模塊化箱式建筑進行研究，用有限元分析了12個模塊單元，研究其在靜力以及地震作用下的內力及位移[19]。

隨著建筑行業發展，無論是國外還是國內，都將傳統建筑與BIM等新型技術融合到一起，有效地管控施工進程，提高精度，降低成本。哈爾濱工業大學李姣佼以及廣州大學黃永勝引入BIM技術，探討實際工程模塊化設計體系以及設計流程，分析模塊單元的設計，建立體量模型，實現場館數字化輸出，提高企業管理的效率[20-21]。朱江華、老浩寅、何秀鐸、趙飛等將BIM技術模塊設計以及施工管理控制相結合，對整個建筑的所有數據利用計算機系統集成以及分析，從而實現成本可視化和標準化，提高造價管理效率[22-25]。

3 國內外工程實例

加拿大魁北克1967年世界博覽會展示的“67號住宅”，是由365個結構模塊拼接搭建而成的12層建筑。所有建筑組成部分均為承重構件，即全模塊建筑結構體系[26]。日本設計師黑川紀章成名之作“中銀艙體大樓”，建于1972年，現場建構2個鋼筋混凝土的核心筒，工廠預制140個正六面艙體運至現場，將模塊附著于2個中心核心筒，建成11層和13層的2棟混凝土樓。這個建筑是日本“新陳代謝運動”的代表作之一，展現出未來主義建筑風格[27]。2008年7月在英國中部地區啟動的沃爾弗漢普25層建筑工程(圖3)，是由824個模塊構建的3座混凝土核心模塊化建筑[28]。美國2012年動工的32層住宅大樓461 Dean，是當時世界上最高的模塊化建筑，將工廠預制的960個鋼框架模塊自下而上逐層頂升就位，鋼框架與鋼模塊焊接相連。澳大利亞墨爾本的小英雄低層公寓樓(圖4)，施工現場澆筑混凝土核心筒，預制的58個單層公寓模塊連接到核心筒，所有橫向荷載將轉移到核心筒[29]。英國布里斯托爾邦德街的學生宿舍項目(圖5)，由400個臥室模塊裝配組成，共計12層，穩定性由4個鋼核心筒支撐。新加坡Clement Canopy建筑是2019年6月完工的目前世界最高的模塊化建筑，1899個模塊附著在40層高的塔樓上組成了505套豪華公寓，是新加坡第一座全混凝土預制構造的PPVC體系的建筑[30]。

圖4 低層模塊化建筑“小英雄”

圖5 模塊化學生公寓

花都匯生態公園考慮到地基承載力低、集裝箱建筑節能環保、施工快捷等因素，結合BIM技術，設計施工了由17個建筑模塊構成的2層花都匯游客中心[31]。十七屆住博會上深圳展團展示的單人精品公寓(圖6)，涵蓋了臥室、客廳、廚房、衛生間等生活必備空間，屬于整體式模塊化裝配式建筑，是模塊化裝配式進一步的探索，具有國際領先性及獨創性[32]。雄安市民服務中心企業臨時辦公室由593個12 m×4 m×3.6 m的標準模塊組成，幕墻系統、內部裝飾以及管線布置均采用標準化設計[33]。中建科技在北京建造了國內首個模塊化裝配式零耗能健康集成房屋，采用了集研究、設計、采購、加工、施工于一體的REMPC模式，施工僅用時40 d。

圖6 單人精品公寓

目前，我國的模塊化建筑發展相比于國外還比較落后，模塊化建筑在我國建筑領域還不能被國人廣泛接受，應用最多的是集裝箱式的施工現場板房、街邊報停、公廁等。對于模塊化建筑，國內也在不斷研究、探索符合我國建筑國情、相對于傳統建筑又具有優勢的新型工業化模塊建筑。

4 未來展望

4.1 技術展望

1) 模塊化建筑適于低層建筑，高度受到限制。但我國人口基數大，東部沿海城市人口密度大，建筑更傾向于高層建筑。因此，未來模塊化建筑要對模塊間連接受力進行更深的研究和設計，以更適于高層建筑。

2) 我國是地震多發區，且沿海城市較多，要考慮地震及臺風對結構的影響。隨著建筑高度的增加，風載對建筑的影響也隨之加大。因此，要保證建筑的安全穩定性，未來模塊化建筑整體結構以及模塊間連接要進行抗震、抗風的試驗研究，做好抗震、抗風的結構措施。

3) 模塊化單元在運輸過程、吊裝過程以及安裝過程都會產生誤差，難以保證模塊單元的精度。我國臨海城市風載較大，模塊單元在該類城市安裝過程中難免受到影響，降低施工精度，從而影響模塊化建筑整體的安全穩定。因此，未來模塊集成建筑要保證運輸及施工吊裝精度。

4.2 應用展望

目前模塊化建筑外形不夠多樣性，未來模塊化集成體系將應用到造型復雜、空間多樣、大跨度的高層建筑。除了應用到普通住宅、賓館、學生宿舍等建筑，還可用于以下建筑：

1) 模塊化建筑用于震后人員安置。目前我國震后通常用救災帳篷安置人員，條件比較簡陋，安全性有待提高。隨著裝配式工業化的不斷發展，模塊化建筑可以更安全、更綠色地解決災后安置問題，從而做好震后的衛生防疫，應對傳染、瘟疫等次生災害。

2) 模塊化建筑用于搭建景區賓館。通常大部分景區具有旅游淡旺季，淡季時賓館閑置，且賓館前期建造耗費時間以及占用大量土地資源。模塊化建筑可以快捷施工，且可以拆卸運輸，二次利用，節省資源，綠色施工，不會影響景區原有生態環境。

3) 模塊化建筑用于新型綠色農村的建設。我國大力發展裝配式建筑，推進綠色新型農房項目建設。PPVC體系將會更有效、快捷且工業化的推進該項目的進行。

5 結束語

本文基于國內外的文獻，簡述了模塊化建筑概念、梳理了國內外理論、技術研究以及實際工程案例，對我國未來模塊化建筑發展提出展望。我國建筑產業正處于結構調整升級階段，模塊化建筑集成技術以及相關智慧建造技術還未發展成熟，且缺乏成熟的政策理論、技術標準以及生產建筑流程，但其符合我國建筑業綠色發展的理念，模塊化建筑將得到全面推廣。政府主導的裝配式項目將成為建筑市場的切入點，例如裝配式新型農房、震后安置房、保障房以及基礎建設等。