裝配式鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)選型及節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)分析

孟慶恩 吳玖榮2

(1 廣州市城市建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司；2 廣州大學(xué)風(fēng)工程與工程振動(dòng)研究中心)

0 引言

裝配式預(yù)制施工是指建筑構(gòu)件在工廠制造并運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝的施工過(guò)程，與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工方法相比，它具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如更快、更安全的制造、更好的質(zhì)量控制和更低的環(huán)境影響，從而在材料利用效率、減少現(xiàn)場(chǎng)廢物和改善工作環(huán)境等方面帶來(lái)可持續(xù)性優(yōu)勢(shì)。使用裝配式模塊化施工技術(shù)可以減少50%的施工時(shí)間，節(jié)省20%的成本。根據(jù)預(yù)制化裝配式程度，一般鋼結(jié)構(gòu)有三類預(yù)制結(jié)構(gòu)施工方式：一維構(gòu)件單元、二維板塊系統(tǒng)和三維實(shí)體化模型施工系統(tǒng)[1]。二維板塊系統(tǒng)和三維實(shí)體化系統(tǒng)，也稱為裝配式模塊化結(jié)構(gòu)，是最有效的預(yù)制結(jié)構(gòu)類型，因?yàn)樗试S70%至95%的建筑構(gòu)件在運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)組裝之前在工廠進(jìn)行預(yù)制。

在公寓、學(xué)校、辦公室、宿舍、酒店和醫(yī)院等具有重復(fù)單元的高層鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，首選裝配式模塊化施工方式，由于重復(fù)模塊的數(shù)量增加，裝配式模塊化施工的優(yōu)勢(shì)將最大化應(yīng)用于建筑施工中。盡管模塊化建筑在過(guò)去三十年中已廣泛應(yīng)用于低層建筑，但其在高層建筑中的應(yīng)用仍然有限[2-4]。

本文對(duì)高層鋼建筑裝配模塊化施工技術(shù)的最新成果做一些簡(jiǎn)單介紹，著重于在（i）高層鋼建筑模塊化系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀及應(yīng)用，（ii）高層建筑鋼結(jié)構(gòu)裝配模塊化系統(tǒng)選型及比較，（iii）節(jié)點(diǎn)連接的技術(shù)比較與分析。

1 我國(guó)預(yù)制裝配模塊化高層鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用狀況

裝配模塊化建筑在我國(guó)高層建筑中的應(yīng)用是由長(zhǎng)沙遠(yuǎn)大集團(tuán)的子公司遠(yuǎn)大可持續(xù)建筑（BSB）公司在過(guò)去十年中首創(chuàng)的，該公司開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的鋼結(jié)構(gòu)建筑二維板塊系統(tǒng)施工技術(shù)[5]。在這項(xiàng)技術(shù)中，超過(guò)90%的鋼結(jié)構(gòu)建筑組件（包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如樓板預(yù)制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和框架系統(tǒng)）在BSB 中心工廠制造，然后使用螺栓連接方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝。BSB 開(kāi)發(fā)的二維板塊化建筑技術(shù)已在國(guó)內(nèi)30多個(gè)試點(diǎn)和商業(yè)項(xiàng)目中進(jìn)行了測(cè)試，包括圖1所示的30 層酒店（T30 塔）和圖2 所示的57 層公寓（J57迷你天空塔）。T30 和J57 迷你天空塔[6]也是目前世界上最高的十座裝配式模塊化建筑之列。這些塔樓最顯著的特點(diǎn)是創(chuàng)造了建造速度最快的世界紀(jì)錄。T30 塔樓僅在15 天內(nèi)完工，而J57 迷你天空塔樓僅在19 天內(nèi)完工（每天三層）。

圖1 30層酒店（T30塔）

圖2 57層公寓（J57迷你天空塔）

2 預(yù)制裝配模塊化高層鋼建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

模塊化單元作為裝配模塊化建筑的主要承重構(gòu)件，模塊化高層建筑施工方式通常可分為兩種類型：二維板塊系統(tǒng)和三維實(shí)體化系統(tǒng)。二維板塊系統(tǒng)通常需要更多的現(xiàn)場(chǎng)組裝，而三維實(shí)體化系統(tǒng)則需要更多的場(chǎng)外預(yù)加工。二維板塊系統(tǒng)的裝配工作比三維實(shí)體化系統(tǒng)更復(fù)雜，因?yàn)樗枰嗟膬?nèi)部構(gòu)件精細(xì)加工。然而，二維板塊系統(tǒng)比三維實(shí)體化系統(tǒng)可提供更大的靈活性。

二維板塊系統(tǒng)施工方式目前在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到廣泛使用，尤其是用于裝配式模塊化高層建筑。BSB 率先開(kāi)發(fā)了二維板塊系統(tǒng)，采用鋼樓板預(yù)制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和鋼框架系統(tǒng)，如圖3 所示。這些鋼板通過(guò)螺栓技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)連接。圖3 顯示了其中一個(gè)示例。需要注意的是，現(xiàn)場(chǎng)組裝工作比傳統(tǒng)方法簡(jiǎn)單得多，但與三維實(shí)體化系統(tǒng)施工方式相結(jié)合時(shí)會(huì)變得更加復(fù)雜。

圖3 二維板塊系統(tǒng)施工

二維板塊系統(tǒng)和三維實(shí)體化系統(tǒng)（即混合系統(tǒng)）的組合也可用于裝配式模塊化高層鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中，以充分實(shí)現(xiàn)每個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)[7,8,9]。

3 節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)比較與分析

在裝配式模塊化高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，裝配式模塊化單元之間的連接起著非常重要的作用，因?yàn)樗鼈兇_保了整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)完整性、整體穩(wěn)定性和魯棒性。盡管焊接連接可以提供相鄰模塊之間的剛性，但現(xiàn)場(chǎng)并不首選，因?yàn)樗枰呒寄艿膭趧?dòng)力、大的工作空間和焊接后耗時(shí)的檢查。越來(lái)越多的新興連接技術(shù)已被開(kāi)發(fā)用于裝配式模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的模塊間節(jié)點(diǎn)連接方式中[10～13]。這些連接可分為三種不同類型：①使用桿件連接的模塊間連接；②使用連接節(jié)點(diǎn)的模塊間連接；③使用螺栓的模塊間連接施工方式。以下就各種主要的節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)及相應(yīng)的施工方法，進(jìn)行相互的比較與分析。

3.1使用桿件連接的模塊節(jié)點(diǎn)連接方式

這種類型的連接（見(jiàn)圖4）旨在將下部模塊的立柱垂直連接至上部模塊的立柱（即立柱間連接）。在這方面，通過(guò)使用垂直桿件在下部和上部模塊之間提供垂直支撐，而下部和上部柱之間的剪力由剪力鍵抵抗。這種類型連接的優(yōu)點(diǎn)是它可以安裝在模塊外部，從而防止對(duì)內(nèi)部飾面的任何潛在損壞。此外，這種連接技術(shù)也可以應(yīng)用于鋼管混凝土截面的柱，這是高層建筑保持相同柱尺寸所必需的。然而此種類型節(jié)點(diǎn)連接的抗彎矩能力有限，其力學(xué)性能與弱半剛性連接相似。這導(dǎo)致整個(gè)建筑的框架整體作用相對(duì)較弱，因此這種連接方式不太適用于有較多層數(shù)的高層鋼建筑系統(tǒng)中。

圖4 裝配式模塊化建筑的典型模塊間連接

為彌補(bǔ)上述不足之處，有學(xué)者提出如圖5 所示的改進(jìn)系統(tǒng)，他們建議采用帶剪切塊和預(yù)應(yīng)力筋的系桿連接，用于帶有鋼管混凝土柱的角接頭-J1 連接方式中（見(jiàn)圖4a）。在這種連接方式中，需要將帶有加強(qiáng)筋和孔的密封板焊接到場(chǎng)外模塊柱上，以容納預(yù)應(yīng)力鋼筋束和插筋穿過(guò)。在現(xiàn)場(chǎng)安裝期間，將上部模塊提升到下部模塊上方（圖5），然后將插桿和鋼筋束對(duì)齊并插入相應(yīng)的孔中。然后將剪切塊插入封閉孔中（圖5），以抵抗上部模塊下落前的剪切力。將鋼筋束拉伸至設(shè)計(jì)應(yīng)力水平后，將填充混凝土澆筑到空心鋼管柱中。采用插筋以防止混凝土壓碎，并增加連接節(jié)點(diǎn)的延性能力。

圖5 帶剪切塊和預(yù)應(yīng)力筋的節(jié)點(diǎn)連接

3.2使用連接節(jié)點(diǎn)的模塊間節(jié)點(diǎn)連接

與桿件連接的模塊節(jié)點(diǎn)連接方式不同，使用連接節(jié)點(diǎn)的模塊間節(jié)點(diǎn)連接的施工及安裝非常簡(jiǎn)單和靈活，因?yàn)檫B接節(jié)點(diǎn)可以很容易地焊接到具有不同橫截面形狀的模塊梁和柱上。目前已經(jīng)有多種此種連接類型的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，如Vectorbloc 型連接節(jié)點(diǎn)、自鎖型連接節(jié)點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)型連接節(jié)點(diǎn)和支架型連接節(jié)點(diǎn)。

Vectorbloc 型連接節(jié)點(diǎn)：Vectorblo 型連接節(jié)點(diǎn)是一種標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展的裝配式模塊化連接系統(tǒng)，旨在促進(jìn)裝配式模塊化建筑與空心鋼截面構(gòu)件的高效設(shè)計(jì)和組裝。在該種類型的連接系統(tǒng)中，裝配式模塊化建筑的水平和垂直模塊單元在其拐角處，通過(guò)角撐板和新型的鑄鋼連接節(jié)點(diǎn)連接，該連接節(jié)點(diǎn)在工廠中焊接到模塊的空心鋼截面構(gòu)件上。VectorBloc 類型連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是：它可以更快、更方便地在現(xiàn)場(chǎng)安裝梁柱和模塊構(gòu)件間的連接。VectorBloc 類型連接節(jié)點(diǎn)的基本部件是上下塊（Upper bloc and Lower bloc）、定位銷(Registration pin)、平頭螺釘(FHCS)、高強(qiáng)度內(nèi)六角螺釘(SHCS)和角撐板(Gusset plate)，如圖6所示。

圖6 VectorBloc型連接節(jié)點(diǎn)

自鎖型連接節(jié)點(diǎn)：這種自鎖型連接節(jié)點(diǎn)如圖7 所示，由于此種連接節(jié)點(diǎn)是通過(guò)摩擦自鎖機(jī)構(gòu)確保下部模塊和上部模塊之間的垂直連接，因此不需要像Vectorbloc 型連接節(jié)點(diǎn)那樣的螺栓系統(tǒng)。因此，它可以快速輕松地安裝。然而，不考慮相鄰模塊之間的橫向連接，此種類型的連接節(jié)點(diǎn)僅適用于角點(diǎn)部位的連接方式。

圖7 自鎖連接節(jié)點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)型連接節(jié)點(diǎn)：該種連接技術(shù)一般可應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的裝配式模塊化建筑如宿舍樓，如圖8 所示。此種連接中，模塊的梁和柱將在場(chǎng)外焊接到角配件上，類似于自鎖型連接節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)連接配置方式。在現(xiàn)場(chǎng)安裝期間，上部模塊被提升到下部模塊上方。然后，將旋轉(zhuǎn)連接節(jié)點(diǎn)插入下部模塊的角配件中。一旦上部模塊與下部模塊正確對(duì)齊，它們將通過(guò)旋轉(zhuǎn)連接節(jié)點(diǎn)連接。為了便于安裝，在角配件的兩側(cè)還設(shè)置了檢修孔（見(jiàn)圖8）。旋轉(zhuǎn)連接型節(jié)點(diǎn)用于垂直連接下部模塊和上部模塊構(gòu)件。

圖8 旋轉(zhuǎn)連接節(jié)點(diǎn)

支架型連接節(jié)點(diǎn)：在這種連接中，通過(guò)螺栓連接實(shí)現(xiàn)相鄰模塊構(gòu)件之間的水平連接以及下部和上部模塊構(gòu)件之間的垂直連接。如圖9 所示，立方體支架連接節(jié)點(diǎn)由鋼板組成，鋼板上有用于螺栓安裝的開(kāi)孔。

圖9 旋轉(zhuǎn)型連接節(jié)點(diǎn)

3.3使用螺栓型的模塊間連接

螺栓連接由于其快速、簡(jiǎn)單的安裝和更好的質(zhì)量控制，被認(rèn)為是單面焊接方法的替代解決方案。目前應(yīng)用于裝配式模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)連接的各種螺栓連接技術(shù)主要有以下幾種。

帶插件裝置（plugin device）的螺栓連接：圖10 說(shuō)明了帶插件裝置螺栓連接的主要示意圖。其中主要使用高強(qiáng)度螺栓系統(tǒng)來(lái)建立下部和上部模塊構(gòu)件之間的垂直連接，同時(shí)采用一種插件裝置來(lái)建立相鄰模塊之間的水平連接。樓面梁和天花板梁也將通過(guò)場(chǎng)外焊接蓋板和中間板（Cover plate）進(jìn)行加固，以防止樓面梁在螺栓拉力作用下發(fā)生局部屈曲。插件裝置具有四個(gè)方形管，用于與裝配式模塊化建筑內(nèi)部接頭的四個(gè)相鄰模塊間進(jìn)行水平連接。

圖10 帶插件裝置的螺栓連接節(jié)點(diǎn)

帶焊接蓋板的螺栓連接：在這種連接中，焊接蓋板（Cover plate）作為角撐板，如圖11 所示。十字形角撐板（Gusset plate）用于通過(guò)螺栓與垂直和水平連接模塊。為了為螺栓安裝創(chuàng)造空間，將通過(guò)切割柱側(cè)壁來(lái)創(chuàng)建檢修孔。為了將角撐板與模塊柱栓接，如圖11 所示，還將柱蓋板焊接到上部柱的底部和下部柱的頂部，該焊接在工廠完成。在現(xiàn)場(chǎng)安裝期間，先將角撐板插入兩個(gè)下部模塊之間的間隙中。然后將兩個(gè)上部模塊提升到角撐板上。一旦上部和下部模塊正確對(duì)齊，它們將通過(guò)檢修孔與垂直和水平螺栓連接到角撐板上。最后，現(xiàn)場(chǎng)將蓋板焊接到立柱上，以替換切割部分。

圖11 帶焊接蓋板的螺栓連接節(jié)點(diǎn)

帶連接板的螺栓連接：這種類型的連接用于裝配式模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的周邊連接中。連接方式如圖12 所示，外部連接板（Connection plate）用于通過(guò)普通螺栓和盲螺栓系統(tǒng)連接垂直和水平模塊構(gòu)件。由于盲螺栓可以從空心截面的外部安裝，因此將在連接到空心截面柱的區(qū)域使用盲螺栓。相反，普通螺栓將用于連接C 形梁的區(qū)域。

圖12 帶連接板的螺栓連接節(jié)點(diǎn)

帶延伸端板的螺栓連接：在這種節(jié)點(diǎn)連接方式中，延伸端板將在場(chǎng)外焊接到各模塊構(gòu)件的柱端。然后使用螺栓技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)連接該組件。對(duì)于裝配預(yù)制式高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，已經(jīng)提出了不同類型的螺栓端板連接。如圖13a 所示，多層鋼結(jié)構(gòu)建筑的柱和梁采用螺栓端板連接。在這種情況下，梁需要在工廠內(nèi)與垂直連接板和柱基焊接。圖13b和圖13c分別顯示了相鄰模塊構(gòu)件中的柱之間帶延伸端板的螺栓連接。聯(lián)鎖銷（Locating pin）和水平連接板P2（見(jiàn)圖13c）連接，以提高其抗剪剛度和抗剪性，聯(lián)鎖銷也用于對(duì)齊目的。使用聯(lián)鎖銷系統(tǒng)的目的，也是為了提高多層裝配式模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體受力性能。

圖13 帶延伸端板的螺栓連接節(jié)點(diǎn)

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的常規(guī)施工方法相比，裝配式模塊化施工在節(jié)省施工時(shí)間、降低成本以及更重要的是對(duì)減輕環(huán)境影響方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。裝配式模塊化施工方法所具有的這些優(yōu)點(diǎn)非常適合于鋼結(jié)構(gòu)高層建筑的模塊化施工，從而可以塑造建筑行業(yè)的未來(lái)。本文介紹了裝配式模塊化技術(shù)的相關(guān)進(jìn)展，重點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)選型和節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)的比較與分析方面。盡管裝配式模塊化施工方法已日益廣泛應(yīng)用于低層建筑，但其在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)用仍然有限。通過(guò)解決與上述問(wèn)題相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)，裝配式模塊化施工技術(shù)可以用于建造更高，更快，施工造價(jià)更低的建筑施工方法中。