模塊化鋼結構建筑集成一體化建造關鍵技術*

溫小勇，李春田，陳 洋，周永安，廖選茂，張鑫鑫

(1.中建科工集團有限公司，廣東 深圳 518054；2.中集模塊化建筑投資有限公司，廣東 江門 529000)

0 引言

模塊化建筑是一種建筑體系，具有高度的預制化比例，在提高工程質量、縮短工期、節約人力物力、保護環境等多方面有顯著優勢[1]，但限于不同市場要求和發展規模，以既有集裝箱翻新改造的模塊化建筑居多。近些年國內一些企業在模塊化鋼結構建筑領域投入研發力量，開拓市場需求，雖符合建筑工業化以及綠色建筑的發展要求，但由于市場等因素影響，目前應用于中低端的臨建設施居多。

通過對模塊化鋼結構建筑的設計、制造、運輸、安裝一體化技術進行研究，形成一體化設計技術、制造工藝、快速高效安裝方案，以及集成創新應用拓展，從而推動模塊化建筑項目的市場應用，大大縮短現場施工周期，減少人工需求，降低工程造價；同時提高制造精度和質量，提高房屋使用體驗，進而促進建筑領域技術進步和產業轉型，實現成本最小化、質量最優化、效益最大化。

1 概述

1.1 模塊化建筑的概念

模塊化建筑，又稱空間體系的模塊式裝配化建筑[2]，是由若干功能模塊化單元構建組成的一種建筑形式，所有模塊既是1個結構單元又是1個空間功能單元，能實現不依賴外部支撐而獨立存在；可根據不同功能需求，劃分成不同功能空間，配置不同辦公、生活、輔助設施以適應建筑設計方案要求，組合形態多變，實現功能與造型多樣化。

1.2 鋼結構模塊化建筑的意義

因為建筑業體制改革的不斷深入以及建筑規模的持續擴大，建筑業發展較快，技術基礎顯著增強。但從整體看，勞動生產率提高不大，質量問題較多，整體技術進步緩慢[3]。在國家大力倡導和發展裝配式建筑的形勢下，模塊化鋼結構建筑作為裝配式建筑的高端產品，具有高度工廠化和極高裝配率等突出優勢，代表著建筑工業化、綠色施工和循環經濟的發展理念，符合國家政策導向與現實需求，將成為我國今后建筑領域重點發展的方向之一。另外，國內鋼鐵產能日益過剩，提高鋼結構在建筑結構中的比例成為必然[4]。

2 研究內容分析

2.1 模塊化鋼結構建筑一體化設計

鋼結構模塊化建筑通過多階段、多專業一體化協同完成。在建筑結構模塊化基礎上加入機電、設備、裝修等一體化設計工作，做到每個建筑模塊單元內部建筑設備設施齊全，設備管線布置合理。設計時完成模塊的系列化、標準化，設計出符合結構快速連接的節點和管線快速連接的方式，并使模塊的收口、接縫處理盡量簡單，易于操作。

2.2 模塊化鋼結構建筑一體化工業制造

模塊化結構體系是將整個房間作為單個空間模塊單元在工廠進行預制，并可對該模塊單元的內部空間進行布置與裝修。為了保障模塊單元、部品部件的高品質和施工效率，需要最大限度將機電、設備、裝飾裝修等工作由施工現場轉移至工廠車間，通過完善而嚴格的車間質量管理體系、統一的工藝流程標準、流水式生產線，減少人員投入，提高生產效率，實現一體化工業制造。

2.3 模塊化鋼結構建筑現場高效連接及質量控制

模塊化鋼結構建筑體系的施工現場拼裝特點是采用搭積木的方式。因此，模塊間連接應充分考慮現場施工可操作性與設備連接安裝的便利性。其連接方式應簡單、便捷、易操作、節省時間，并應嚴格控制各工序要點以保證施工質量。鋼結構模塊化施工技術更加注重小生態環境的建設，實現平行施工，有效減少現場施工量，從而縮短整個項目的建設周期[5]。

2.4 模塊化鋼結構建筑的集成創新應用及推廣

模塊化鋼結構建筑可以通過結合不同的功能模塊進行集成應用，滿足不同環境、不同建筑使用功能上的各種需求。因此，集成創新性研究應用領域可以更好地推動模塊化鋼結構建筑的發展，使其適用于更多場景，滿足不同市場需求。

3 建造關鍵技術

3.1 三維模塊的標準化與組合設計

工業化的建造方式推進了建筑產業鏈的健康發展，解決這些問題的關鍵在于如何對項目的全過程進行標準化設計，并促使其實現產品標準化與規范化[6]。

3.1.1確定模塊尺寸

箱式模塊的外輪廓尺寸主要由建筑模數、運輸限制及建造功能決定。

1)建筑模數

建筑設計中，一般使用基本模數或作為基本模數整倍數的擴大模數作為建筑模數。在使用英制的國家，如美國、英國、加拿大等，基本模數為4英寸(101.6mm)。我國采用的基本建筑模數M=100mm。

2)運輸限制

模塊尺寸與運輸條件息息相關，從工廠到現場，除可能需要海運外，還需要經過陸運，之間要經過多重高速閘口和橋梁。針對不同項目的具體路線，需要對整個運輸路徑的所有關口進行實勘測量后，最終確定標準模塊的尺寸。涉及超限運輸的，需要得到相關部門審批，尺寸越大對道路拆改的風險越大，費用也越高。因此，根據公路運輸大件分級標準(見表1)，再結合建筑物的功能使用需求，尺寸應盡量控制在一級標準以內，特殊情況也不要超過二級標準要求。

表1 大件運輸分級標準

同時，也要避免箱體做得過小，造成因為鋼結構的梁柱較多和拼接較多而增加不必要的成本。

3.1.2模塊的類型化、系列化、標準化設計思路

為了提高工業化程度，實現工廠流水線加工，標準化設計必不可少。要實現模塊標準化，首先要將建筑類型化、系列化。如模塊化辦公空間可分成小開間辦公、開敞辦公、交通核門廳、衛生間等幾種功能空間類型；模塊化住宅可分成客廳、玄關、臥室、衛生間、樓梯間、廚房等功能空間類型；模塊化商業可分為商鋪空間、共享空間、交通空間、輔助空間等功能空間類型。然后再對每種類型進行標準化設計。標準化設計以種類盡量少、尺寸盡量統一為原則。所以會出現1個模塊包含多個功能空間和多個模塊組成1個功能空間的情況。

3.1.3模塊組合方式

箱式模塊建筑設計應在模數協調的基礎上遵循少規格、多組合的設計原則，并宜體現建筑構成的多樣性和豐富性。宜采用的模塊組合方式如表2所示。

表2 箱式模塊建筑的組合方式

3.2 模塊單元間連接節點設計

裝配式建筑只是簡單將建筑構件模塊化，而模塊建筑是三維空間模塊的裝配，模塊建筑連接節點交接處存在明顯的“八柱十六梁”特征[7]。

研究表明，模塊間連接應充分考慮現場施工可操作性與設備連接安裝便利性。其連接方式應簡單、便捷、易操作、節省時間。一般情況下，均考慮采用比較成熟的高強螺栓緊固結構。實踐中幾種有代表性的連接節點形式如下。

1)延伸鋼柱端板+連接板+高強螺栓[8]

通過延伸鋼柱端板，利用外延部分與連接板和高強螺栓構成連接體系，實現上下、左右模塊的連接，具體展現形式如圖1～4所示。

圖1 四模塊連接節點

圖2 平臺與建筑模塊連接節點

圖3 三模塊連接節點

圖4 雙模塊連接節點

2)槽鋼梁+連接板+高強螺栓

采用方鋼管柱、槽鋼梁的截面形式，槽鋼開口朝向箱式模塊內部，根據需要，梁、柱可采用熱軋型鋼或冷彎型鋼。8根邊梁和4個角柱在工廠焊接形成預制箱式模塊后，在現場通過邊梁進行螺栓連接，拼裝成整體結構。單個箱式模塊內梁、柱采用焊接連接；相鄰箱式模塊間均采用螺栓連接。豎向相鄰箱式模塊間連接節點如圖5所示，水平相鄰箱式模塊間連接節點如圖6所示。

圖5 豎向連接節點示意

圖6 水平連接節點示意

3)角件+定位銷+連接板+高強螺栓

包括上連接角件、下連接角件、用于連接上層建筑模塊和下層建筑模塊的連接板、定位銷以及螺栓和螺母。其中，上連接件用于與上層建筑模塊的底角件固定連接；下連接件用于與下層建筑模塊的頂角件固定連接；連接板位于上連接件和下連接件之間，并延伸至底角件和頂角件之間；用于對底角件和頂角件進行限位的定位銷依次穿過底角件、連接板和頂角件；螺栓依次穿過上連接角件、連接板和下連接角件，在下連接件內與相適配的螺母連接，如圖7所示。

圖7 上下模塊連接節點

3.3 一體化工業制造技術

以模數化便于運輸的鋼結構模塊體系為基礎，將整個房間作為單個空間模塊單元在工廠進行預制，根據不同建筑功能需求最大限度將維護體系、設備、管線、裝修、家具等整合，通過工廠生產線上流水化制作組裝，實現建筑模塊的一體化制造。工廠化加工既可以有效地控制建筑的質量和品質，又可以實現批量生產，縮短工期[9]。

3.3.1模塊單元制作工藝流程

模塊單元的制作工藝流程如下：鋼材沖壓→焊接工藝評定→鋼結構部裝→鋼結構總裝→打砂→油漆→鋼結構調運到裝修場地→箱體找平→防火涂料涂裝→2層CFC地板安裝→頂層2層石膏板安裝→墻面龍骨安裝→隱蔽工程(消防、空調、水電等布管布線、保溫棉等)安裝→隱蔽工程測試(消防打壓、水電、空調等線路測試等)→墻面1層石膏板安裝→墻面裝飾板安裝→天花吊頂→燈具及面板安裝→地面安裝(地毯)→通電測試→交付驗收。

3.3.2質量控制要點

模塊結構制作前，應進行模塊單元詳圖設計，根據設計文件、制作詳圖的要求以及制作廠的條件，編制制作工藝書。制作工藝書應包括：施工中所依據的標準，制作廠的質量保證體系，成品質量保證和為保證成品達到規定要求而制訂的措施，采用的加工、焊接設備和工藝裝備，焊工和檢查人員的資質證明，各類檢查項目表格和生產進度計算表。

1)鋼結構總裝及焊接 ①總裝臺底座每天開工前打1次水平并調平，要求整個底架水平偏差在1mm以內；②端框及中間框總裝時用30mm或60mm的標準吊錘對所有的角柱或立柱端面和側面2個方向進行垂直度測量，要求偏差在5mm內；③底架裝配時重點檢查底架、端框或中間框接駁部位的平整度，要求在3mm內；④在總裝水平臺上檢查整根頂、底側梁的直線度，要求在5mm內，頂板不允許超過角件；⑤全檢胎位 針對箱體的總體尺寸進行檢驗，形成《總裝尺寸報表》。

2)鋼結構模塊預拼裝 采用專業的預拼裝軟件系統進行，將鋼結構分段構件控制點的實測三維坐標，在計算機中模擬拼裝形成分段構件的輪廓模型，與深化設計的理論模型擬合比對，檢查分析加工拼裝精度，得到所需修改的調整信息。經過必要校正、修改與模擬拼裝，直至滿足精度要求。

3)打砂(二次打砂) 整箱打砂主要針對焊縫區域，對于打砂難以到達的隱蔽區域或打砂可能會導致嚴重變形的薄板焊道，與技術或監理溝通后可進行砂輪機打磨處理，但必須經過質檢員確認。

4)鋼結構油漆 油漆施工前質檢員用手搖溫濕度計、露點盤、紅外測溫儀測量出環境濕度、露點及母材溫度，確認濕度≤85%，母材溫度高于露點超過3℃方能進行油漆施工；油漆烘干后，對油漆質量進行再次檢查，用油漆膜厚測厚儀對油漆厚度進行檢查，確保箱頂外面膜厚≥90μm，除箱頂外面膜厚≥50μm， 形成《油漆檢查記錄表》。

5)箱體調平 使用紅外線水平儀測量箱底8個角件的水平度，其水平度應該<5mm，不合格的需要返修。

6)防火涂料滾刷 表面預處理合格，經自檢和質檢員確認后進行下道工序；現場操作人員隨身攜帶測厚針檢測噴涂厚度，直到符合規定要求的厚度要求，方可停止噴涂，防止涂層厚薄不均。

7)地板(CFC)安裝 地板鋪設后，按圖紙設計要求調整板縫，板縫間距為2～3mm；在地板放線定位位置，用小型鉆床、手電鉆等工具進行鉆孔、擴孔等(擴孔時必須使用限位器)；擴孔好后開始在地板進行鎖釘，鎖釘時釘頭凹進地板2mm，不允許有松動；地板、螺釘要鎖緊；安裝時兩板之間高低不能大于1mm；螺絲與板邊緣的間距應為15mm，板角為50mm；地板釘鎖好后進行地面檢查，2m靠尺內允許偏差4mm，對不平的進行修補。

8)輕鋼安裝(墻體) 橫輕鋼安裝間距不能大于600mm，豎輕鋼間距不能大于400mm；輕鋼端部必須固定(具體排放輕鋼距離根據設計要求所定)；待各輕鋼面之間調整排放好，進行輕鋼鎖定并鎖緊；門洞周邊輕鋼位置要應加入加強板進行加固。

9)巖棉安裝 按實際尺寸排布安放巖棉。巖棉安放后留下縫隙進行處理，鋼結構和輕鋼的立柱內側應塞至飽滿(巖棉安裝時要穿專用的防護服，戴好頭罩，確保安全)。

10)石膏板安裝 ①石膏板鎖釘應從板的中部向板的4邊固定；②石膏板在鎖釘時，螺絲與板邊緣間距應為15mm，板角打釘螺絲與板邊緣為50 mm，周邊鎖釘釘距不能大于200mm，中間部分鎖釘間距不能大于300mm(具體按圖紙設計要求)；③螺絲在安裝時釘頭應埋入石膏板內1mm，安裝時不能損壞紙面；④安裝雙層石膏板時，內外2層石膏板應錯縫排列，接縫不應落在同1根龍骨上；⑤衛生間如安裝防水石膏板應豎向鋪設，長邊接縫應落在豎向龍骨上；⑥石膏板墻面與天花之間安裝收邊時，縫隙不能過大，留縫3mm以內；⑦如有造型的地方，造型的底板應把側板收住。

11)墻面裝飾板采用工業化預制板材加次龍骨、卡扣的方式安裝 使用電動曲線鋸或開孔器進行水電位置開孔；使用壁紙刀清理墻板側邊開槽；按照設計圖紙排版要求進行涂裝板安裝；先從陽角位置、門邊、窗邊開始安裝，相交處是在陰角位置；用軟布擦拭表面，注意有無膠打到外面的情況，并清理干凈。

12)電氣安裝及測試 按電氣布置圖紙與施工現場結合，確定線路的路徑走向，要求線路必須橫平豎直。線路在敷設前必須用管卡、扎帶及固定座固定。暗線敷設必須配管，盡量使用彎頭、三通等轉彎、分支管件。能接鎖扣的必須接鎖扣，線管彎頭處盡量冷彎。

強電線路和弱電線路必須各自穿管，凈空間隔50mm以上，電氣管路與熱水管、煤氣管不得走同一根管槽內，吊頂敷設管線應用管卡、線卡固定可靠；質量在3kg以上的大型燈具安裝應先在頂板上安裝后置埋件，然后將燈具固定在后置埋件上，嚴禁直接安裝在輕鋼龍骨、石膏板上；孤立輕鋼要求與鋼結構接地。

13)給水系統安裝及測試 所有排水口須加存水彎，并預留好一定的斜度，坡度為2%～5%，保證水流暢通。所有給水管均高位或埋地暗裝，局部應在裝修時考慮暗藏，埋地分支管應采用分水器。冷、熱水管若有交叉時，熱水管上冷水管下。給水管(冷、熱水)高位安裝時，均貼板底安裝，過梁處貼梁底安裝；給水管過輕鋼套橡膠圈保護，再進行角閥連接；安裝完畢后進行給水打壓測試，室內給水管道的水壓試驗必須符合設計要求。當設計未注明時，各種材質的給水管道系統試驗壓力均為工作壓力的1.5倍，但不得小于0.6MPa。

14)排水系統安裝及測試 先按圖紙要求，進行排水管孔位定位，根據不同孔徑尺寸要求選用對應開孔器，排水管道不得穿越生活飲用水池部位的上方，不得布置在遇水會引起燃燒、爆炸的原料、產品和設備上面。排水橫管不得布置在食堂、飲食業廚房的主副食操作、烹調和備餐的上方；隱蔽或埋地的排水管道在隱蔽前做灌水試驗，其灌水高度應不低于底層衛生器具的上邊緣或底層地面高度。

3.4 箱式模塊安裝技術

模塊單元在工廠預制完成后運輸至進場，采用起重設備，將模塊單元按順序吊裝至指定位置，通過快速連接節點連接模塊和模塊間管線，并完成接口接縫處理，實現搭積木式的房屋建造。安裝工藝流程如下：施工準備→基礎及預埋件復測→箱式模塊安裝→節點連接固定→主體偏差復核→接口及接縫處理→現場裝配后處理。

1)箱體起吊 對于幾何形狀和剛度雙向對稱的模塊單元，其吊點宜設置在模塊單元的樓面鋼梁上；對于幾何形狀和剛度均不對稱的模塊單元，為減小吊裝過程中模塊單元的變形量，吊裝時可根據變形情況增加臨時加固設施[10]。每個模塊通常通過4點進行提升，尺寸較大時可使用吊具梁，使三維模塊在吊裝時垂直受力，更好保護箱體結構。起吊時，確保模塊不傾斜，4個底角件應同時落下，其中至少2根鋼絲繩配備葫蘆(用來調整箱體平衡)。

2)箱體連接 ①當模塊之間通過高強螺栓連接時，應采用扭力扳手確保緊固力符合設計要求，狹小空間可采用緊固螺栓的工具(倍增器)，長度300～400mm。②采用延伸鋼柱端板+連接板+高強螺栓連接節點時，可在鋼結構上下連接處建筑天花開洞，經過多專業協調及BIM建模，避開龍骨，開洞尺寸為600mm×600mm，解決連接操作空間問題。

3.5 集成創新應用技術

本項目研究開發的海洋綠色人居系統，著重集成光伏建筑一體化、海水淡化、污水處理、雨水回收、中水回用等系統，實現自主供電、自主供水、環保排污，解決海島居民生活供水和供電的兩大關鍵問題。

在已實施的某應急醫院中以模塊化鋼結構建筑為基礎，由3個模塊組成1個單元病房，集成整體衛浴和優化了醫療專項的功能病房，起到環境的衛生潔凈、負壓效果等特殊要求，實現模塊化鋼結構建筑的可持續發展和抗疫應急應用。

除以上海洋環境、醫療環境的集成應用，為了使模塊化鋼結構建筑適用更多場景和環境，根據建筑特征可集成不同創新技術于模塊單元，按需自由組合，形成強大的拓展適應能力。如目前已應用于綠色建筑中的節能環保技術，包括：高效保溫隔熱外墻體系，高效門窗系統與構造技術，熱橋阻斷構造技術，遮陽系統，房屋呼吸系統，綠色屋面系統，屋面雨水系統，小區智能化系統，天棚采暖制冷系統，太陽能系統，地源熱泵系統，熱電冷聯產系統，變風量空調系統，浮筑樓盤技術，中水利用系統，排水噪音處理系統，中央除塵系統，食物垃圾處理系統，可以有效減少能量消耗，更好地保溫、隔熱、排水。

4 結語

與傳統建筑相比，模塊化建筑采用工廠預制生產方式，不受氣候條件、環境條件限制，可以24h作業，能大大縮短建設周期，只需要傳統建筑的1/3甚至更少。采取高度集成化、標準化、流水線式的先進制造模式，其90%以上的工作在工廠完成，包括結構、建筑、水電、設備安裝、裝飾裝修、固定家具等，而現場工作則是少量的基礎施工以及模塊結構之間、設備管線之間的連接。在可持續發展的道路上，這種工廠流水線式一體化生產方式，與傳統建筑相比，在環保、高效、安全、可靠、經濟性方面的優勢已愈加明顯。

模塊化建筑是一種新興的理念，目的在于建造房屋能像搭積木一樣簡單快捷；同時，結合鋼結構在預制率和抗震性能方面擁有的先天優勢，使得模塊化鋼結構建筑更加容易適應市場需求，也符合國家對綠色、環保、生態方面的戰略要求，適用于宿舍、酒店、公寓、辦公、醫院、學校、商場等建筑，特別適用于公寓、酒店室內裝修標準化高的建筑，以及在抗震救災中的快速搭建。隨著我國供給側結構性改革不斷深入推進，在解決鋼結構產能過剩以及因環保要求降低水泥產量的新形勢下，促進各高校、企業、科研院所積極的合作與交流，加強對模塊化鋼結構體系建筑設計、制造、運輸、安裝以及集成應用等各環節的深入研究，從理論層面向實踐方向的轉變，在產業化的進程中顯得愈加具有現實意義和價值。