論預制裝配式模塊化結構體系與設計

譚亞偉（湖北省工業建筑集團有限公司，湖北 武漢 430073）

預制裝配式模塊化結構設計主要包含結構整體設計、模塊單元設計以及連接設計三部分[1]。三部分之間相互聯系、相互制約，模塊單元設計必須確保能夠組成結構整體，符合結構形式及布局完整；模塊單元及連接設計的合理性與否，極大程度上決定能否根據設計構想設計出滿足各種需求的建筑結構[2-5]。文章針對預制裝配式模塊化結構體系與設計展開詳細論述，對我國的裝配式結構發展具有深遠意義。

1 結構整體設計

1.1 整體設計的基本內容

結構設計必須要對其結構的具體形式進行科學選擇，然后進行建筑布局的科學劃分。通過對建筑布局的劃分能夠較為準確地確定模塊單元的具體規模及布置形式，緊接著便開始對結構整體實施設計[6]。

（1）預制裝配式模塊化結構在實際運算時，主要是依據建筑結構豎向受力情況結合框架結構、框剪結構等結構形式展開力學運算，并根據這一計算形式選擇相關系數和荷載組合形式，針對新型框架結構需采取有限元分析[7]；

（2）在進行整體設計時，需全面結合實際荷載形式對各軸線實際需要的截面積、剛度以及強度等相關指標進行預算，并通過剛度代換及以往施工經驗，得出實際的梁柱平面布置。

1.2 主要設計難點

實施整體設計時，最突出的問題是如何降低結構受力形式和特征與常規結構之間的差異，以有效確保所得結論的準確性和可靠性，從而在極大程度上確保結構的整體性和穩定性。

現階段，模塊化結構體系所產生的建筑體系均為雙層梁結構體系，其承載性能及實際受力狀況存在較大隨機性，在實施等剛度運算時，會進一步增加誤差產生的概率。

1.3 解決改善方法

為有效改善模塊化結構存在的差異性，更加科學有效地適應常規結構形式的力學特性，在對預制裝配式模塊化建筑實施結構設計時應嚴格杜絕雙層梁結構體系。

圖1(a)表示常規模塊化構造的一榀框架雙梁雙柱結構；但在預制裝配式模塊化結構設計時應用的結構形式則為單層梁設計，如圖1(b)所示；在對模塊化結構框架一榀軸線實施具體計算時應根據圖1(c)進行計算，即根據結構整體來確定軸線實際位置，而并非依據模塊單元進行判定，結合軸線部位梁柱的具體結構形式，在進行水平軸網確定時也采用同樣的方式，采用整體計算的模式。通過計算能夠看出，單層梁結構體系所產生的誤差相對較小。同理，柱子也采用相同的方法實施優化設計，盡可能減少其數量。

圖1 結構計算模型

2 節點連接設計

2.1 連接設計的基本內容

預制裝配式模塊化結構的節點連接具體包含梁柱之間的連接，柱與柱之間的連接兩種形式。

（1）實際施工中，節點連接結合模塊單元設計的差異在進行梁、柱連接時，主要分為兩種施工模式，即現場制作和工廠化制作；

（2）框架結構應用鋼結構或鋼混結構時，可直接進行焊接，根據新修訂的鋼結構施工標準，結合焊縫形式和規格，對其抗剪及抗彎性能實施驗算，強節點連接設計需簡單、方便、易實現；

（3）混凝土結構的預制裝配式模塊化建筑，通常是將預制好的模塊單元通過吊運將其安裝在預制或現澆的混凝土梁、柱上方，現階段應用的此種節點連接形式相對較為煩瑣，具體連接形式包括牛腿柱節點、整澆式節點等形式。

2.2 主要設計難點

節點連接在模塊化結構中是最為重要的環節，隨著科技的不斷進步，模塊化結構逐步被應用于高層建筑領域，因此對節點設計提出了更高的要求，其必須滿足強節點設計的力學要求，確保節點部位強度高于梁、柱其他部位。長期以來節點連接設計始終是模塊化結構設計中的技術難點，柱與柱之間的豎向連接，是同一節點位置各模塊間的連接，其結構抗震性能和實際承載性能是由該節點的連接形式決定的，所以節點連接設計是最為重要的環節。

現階段，節點連接采用的主要形式有焊接、螺栓連接、鉚接等，因焊接施工占用工期較長，且不利于后期拆除更換，而其他幾種連接方式也具有諸多局限性，容易造成豎向連接中斷，引發結構底層模塊產生集中變形。如何選擇合理的連接方式及結構模式，最大限度地確保節點連接的穩定性和可靠性，始終是節點連接設計面臨的主要難題。

2.3 解決改善方法

預制裝配式模塊化結構設計，不僅要全面結合柱節點連接方式，同時應兼顧剪力較大的情況。為有效降低螺栓受力，確保節點連接位置有足夠的剛度，可通過節點與螺栓組合加固的形式來防止節點位置連接強度不足的現狀。

預制裝配式模塊化結構連接件承擔了螺栓的大部分剪力，同時在極大程度上避免模塊單元之間的相互作用，螺栓在連接時僅承擔連接件的固定及節點位置的拉力。

3 模塊單元設計

3.1 模塊設計的基本內容

預制裝配式模塊化結構模塊單元設計必須全面結合通用化、模型化、工業化以及集成化的設計理念。實際的性能空間主要采用基本單元體，相同性能的單元體之間應能夠實現相互替代、相互通用的作用。

單元組合需要彰顯建筑結構形式的多樣化,應構成科學的結構體系；完成組合后，必須合理配置建筑資源，確保滿足實用性和系統性的標準，此外，模塊單元設計必須滿足國家相關規范文件的具體要求。

3.2 主要設計難點

現階段，模塊單元設計存在的難題在于如何通過科學方式對設計模塊單元實施合理優化，使其在有效實現自身相關要求的基礎上，將結構整體設計以及節點連接方式等各環節所確定的構件類型及具體型號呈現出來。在此基礎上對模塊單元結構實施設計，看其所具有的力學性能是否有效滿足實際需求。

3.3 解決改善方法

預制裝配式模塊化結構的模塊單元在實際設計時，將其設計為敞開式，這種形式的模塊單元通過現場拼裝能夠形成較大施工平臺，有效確保實現定型化、通用化、工業化和集成化的結構原則，并在完成主體結構、機電安裝及裝飾裝修共同設計的基礎上，有效完成空間平臺的跨越，符合結構整體設計和連接設計的共同要求。

4 預制裝配式模塊化結構設計的受力分析

4.1 基本設計參數

建立軸網平面，結構層數為3層，層高3.3m，其x向房間數量為6，間距為3900mm,y向分3跨，單跨間距4200mm。

（1）設計使用年限及基準期均為50年，場地類型為二類，基本風壓值為0.5kN/m2，樓板采用強度等級為C30的鋼筋混凝土樓板，板厚120mm，型鋼選擇Q345級鋼，抗震設防烈度為8度(0.3g)；

（2）樓板上方取恒載3.0kN/m2，活載2.0kN/m2，梁上方線荷載為60mm厚GRC內隔墻板，面荷載0.35kN/m2，線荷載1.05kN/m。

（3）按照圖2實施模塊單元平面布置，具體布置形式沿橫向布置，模塊單元上層梁為非結構梁，能夠看出軸向設置的構件有2個，在進行梁柱選擇時，柱應選擇承載性能較好的箱型柱，梁根據槽鋼凹槽朝向進行選擇。

圖2 模塊單元平面布置

4.2 梁柱尺寸確定

通過PKPM技術實施結構運算,通過具體運算能夠確定選擇梁的實際指標，采用組合截面為25b號槽鋼，柱子則采用200mm×200mm，厚度為10mm的組合截面，符合結構設計要求。具體設計驗算數據如表1～表3所示。

表1 結構整體穩定驗算

表2 樓層剪重比

表3 地震作用

綜上所述，能夠確定選取構件的具體情況，即：槽鋼采用型號為25b，組合構件數量為2個；箱型柱截面尺寸為200mm×100mm，厚度為10mm，組合構件數量為2個。

4.3 節點構造設計

按照梁柱具體規格及分析數據設計出與之相匹配的連接件，在結構中的所有節點可完全采用這一節點構造，具體安裝時為更好與建筑結構中其他構件進行連接，可對其實施適當優化[8-10]。

連接件規格確定后能夠分別得到豎向及水平軸線方向上柱與梁的截面圖形，采用文章提到的平面劃分方式，能夠對平面布置和模塊單元實施定位。連接件設計完畢后能夠得出梁柱組合截面在節點樣式影響下的具體位置，得出組合柱間距為20mm，組合梁間距為250mm，采用PKPM技術對梁柱位置實施優化和調整，全面考慮連接件規格的影響，通過對建筑結構整體承載性能、樓層剪重比以及地震作用實施進一步驗算，結果全部符合規范要求。

5 結語

本文針對模塊化結構設計中的難點展開全面探究，總結出了新型模塊結構具體的改進措施，通過建立力學分析模型得出構件具體尺寸，具體包括以下幾個方面：

（1）結構具體特征是采用敞開式模塊單元，在進行節點連接設計時選擇螺栓組合的連接方式，并且將模塊單元上層梁設計為非結構梁，使其成為單層梁結構體系；

（2）確定主要設計參數，結合結構形式及設計方式，構建結構層數為3層，層高為3.3m，x向開間組合為6mm×3.9mm，y向跨徑組合為3m×4.2m的模型，然后運用PKPM技術準確算出梁柱實際尺寸；

（3）結合梁柱具體規格及分析數據,設計出連接件的具體型號，并得出結構整體的平面布置形式，然后結合平面布置情況對PKPM模型中的梁柱位置實施優化和調整，并通過二次運算得出具體結果，其建筑結構整體承載性能、樓層剪重比以及抗震性能全部符合規范要求。