裝配式模塊化建筑研究進展★

付振海

(西藏大學工學院,西藏 拉薩 850000)

0 引言

隨著中國城鎮化進度的不斷發展,我國非常重視裝配式鋼結構的發展,提升城鄉低碳綠色建筑和工業化建筑的發展。2016年國務院《關于深入推進新型城鎮化建設的若干意見》中明確表示積極推動新型城鎮工業化、綠色化、智能化的發展。2017年國務院辦公廳《關于促進建筑業持續健康發展的意見》中指出大力發展裝配式鋼結構推動綠色智能化建造,在10年內使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%。2021年10月21日,國務院印發《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》,要求大力推動可再生能源應用,鼓勵智能光伏與綠色建筑融合創新發展,努力實現工程建設全過程的綠色建造。2022年國務院關于印發《鄉村建設行動實施方案》明確指出大力發展低碳綠色建筑充分利用可再生資源,推進城鄉建設綠色低碳轉型。

裝配式建筑根據預制程度的高低,可以分為一維桿件單元為主的裝配式體系、以二維板件單元為主的預制板件體系、以三維模塊單元為主的盒式模塊化裝配式建筑體系[1]。模塊化建筑是將尺寸合適的模塊單元在工廠預制完成后,運輸至施工現場由起重機進行吊裝,組合成建筑整體[2]。與傳統建筑相比,模塊化建筑具有建造周期短、施工過程安全、施工時間可控、資源浪費少、質量有嚴格保證、低碳循環發展、抗震性能好等優點[3],模塊化可流水線生產其預制程度可以達到90%,是世界上最先進的工業化建筑。建筑工業化是按照工業產品設計和制造方法,根據構件標準化、部品集成化、施工機械化、管理科學化在工廠加工完成,運輸到現場組合建造等方式,是現代建筑發展的必然選擇[4]。

1 模塊化建筑在工程中的應用

模塊化建筑又稱“盒子建筑”[5],最早起源于歐洲、美洲等發達國家,因其勞動力成本低和施工速度快,符合工業化生產得到大量的推廣,且在滿足居住的同時,還可以進行美觀的設計。1967年鄭東在蒙特利爾世界博覽會上展示了住宅67(見圖1(a)),不僅造型前衛,而且是最早將模塊單元引入人們的思想的。20世紀60年代,黑川紀章設計日本東京中銀艙體樓(見圖1(b)),該建筑是一座造型獨特的矩形積木形狀的模塊化結構體系。進入21世紀模塊化建筑飛速崛起,例如:英國伍爾弗漢普頓學生公寓,美國紐約布魯克林32層模塊化住宅大廈,美國布魯克林單身公寓。

近年來,隨著我國大力提倡新型材料,城鄉建設向低碳綠色轉型,因此模塊化鋼結構建筑在我國開始大力發展,在進行公寓、住宅、學校、醫院、宿舍、酒店等低多層建筑優先選擇。

模塊建筑力學性能的研究是非常重要的,主要集中在兩個方面:一類是模塊間的節點連接和構件的力學性能;另一類是模塊化框架在水平荷載作用下的抗震性能研究。其意義在于為模塊化建筑大面積推廣及為超高層建筑的研究提供理論依據。

2 模塊化鋼結構連接節點

模塊化鋼結構節點根據位置的不同可以分為模塊與模塊之間的連接和模塊與基礎之間的連接。

2.1 模塊間的連接

模塊化單元之間連接起著非常重要的作用,模塊間的連接應滿足傳遞水平、豎向荷載和偶然作用下具有足夠的拉結力來保證結構的魯棒性能的要求,它確保了整個建筑的結構完整性、整體穩定性和堅固性,此外選取不同的連接形式還應該考慮現場連接的可行性,模塊單元的頂板與底板的存在,往往使得在中間節點處模塊間的連接存在困難。模塊節點按其連接方式可以分為焊接連接、螺栓連接、自鎖式連接。

2.1.1 焊接連接

焊接連接現場施工量大,操作技術要求高,拆卸不變,不適應模塊化建筑的發展。Annan等[6]提出了一種模塊化結構的全焊接節點通過模塊柱端的蓋板將上下模塊焊接在一起,以傳遞豎向荷載。并且由于模塊角柱間施焊空間的限制,往往只能在模塊單元角柱的外側面施焊,這就導致了上、下層模塊之間可能產生相對轉動。Deng等[7-8]提出了一種螺栓-封板節點,采用柱壁開孔,通過十字節點板和高強螺栓連接,最后在開口處焊接一塊封板。進行了該節點的低周加載試驗,研究結果表明,梁柱角部焊縫易發生脆性斷裂,是半剛性節點,可傳遞地震作用引起的彎矩,在地震作用下梁可以發展全截面塑性。Chen等[9]提出了一種插銷-螺栓連接節點,將方形截面鋼管柱插入鑄頭連接件中,在現場通過對穿螺栓將相鄰模塊連接。通過試驗和有限元分析,得到了節點的靜力性能、滯回曲線、骨架曲線、延性性能、耗能能力和剛度退化規律。研究結果表明由于節點的破壞形式,在側向力作用下,上下模塊柱間出現一定縫隙,模塊間的相互作用力不能很好地傳遞。方鋼管梁柱連接焊縫是試件的薄弱部位,應力集中導致焊縫斷裂,試件發生脆性破壞。

2.1.2 螺栓連接

螺栓連接節點現場作業量小,且方便運輸、拆換,加工要求低、可靠性高壽命長,具有理想的開發前景,螺栓連接可以快速和容易的安裝可以更好地控制質量。2017年Lee等[10]提出了一種全螺栓連接體系,由穿心節點板和螺栓構成節點連接,傳遞水平和豎向荷載。通過試驗研究和有限元模擬該節點抗震性能良好在層間位移角達到0.04 rad時承載力均大于0.8Mp(Mp為節點受承載力,為172.9 kN·m),滿足(AISC 341-10—2010)美國鋼結構抗震設計規范中特殊受彎框架的抗震設防需求,可滿足剛性節點設計要求。

2.1.3 連接器連接

VectorBloc連接器是一種標準化、結構化、可擴展的連接系統,其優勢在于能夠更快、更輕松地在現場安裝梁柱連接和模塊間連接[11]。VectorBloc連接器的基本組件是上下塊、定位稍、平頭螺釘、高強度內六角螺釘和角撐板。鄭天心[12]對閉口截面自鎖式連接器進行了設計圖,通過定位棱與上方連接方筒內的定位槽匹配嚙合,來提升節點的力學性能。

2.2 模塊與基礎連接

除了上述新型的模塊化節點外,Park等[13]提出了一種模塊和基礎間的嵌入式連接(見圖2)。這種連接方式相比于傳統鑄入式具有良好的強度和延性。并進行靜力加載試驗和有限元分析。結果表明,柱埋深是影響節點承載力的關鍵參數,通過試驗和數值模擬,給出了柱腳節點最小埋深。

雖然國內外學者進行了大量的新型模塊化節點的研究,但是尚未出臺有關的模塊連接形式、結構體系分析計算等方面的規范標準,目前還需要大量模塊化節點研究來提供理論依據。

3 模塊化鋼框架結構體系

為了研究模塊化鋼框架結構抗震性能的影響,在進行框架設計和分析時,通常采用試驗研究和數值模擬方法。

3.1 模塊化鋼框架結構體系抗震性能試驗研究

Hong等[14]提出了一種雙層波紋鋼板組合的模塊化框架結構進行足尺試驗研究。試驗結果表明,鋼板增加了框架的抗側剛度并優先于框架開始屈服,有效控制了框架的嚴重損壞。Chen等[15]對預應力節點連接的模塊框架進行擬靜力加載試驗并提出了一種簡化的有限元建模方法。結果表明,該預應力連接具有較強的連接性能,具有在多遇地震下,該模塊化結構呈現彈性狀態同時保持強度的趨勢,且在罕遇地震下無強度退化現象。曹軻等[16]為了研究柱承重式模塊化框架結構的抗震性能,進行了足尺擬靜力加載試驗和簡化模型分析對比。結果表明,該框架結構具有良好的剛度、延性和承載力等,在達到層間位移角限值時節點沒有出現破壞。

目前模塊化框架結構足尺試驗研究較少成本高,但是與數值模擬相比更能真實地反映結構的破壞位置、薄弱環節及設計中遺漏的問題。

3.2 模塊化鋼框架結構體系抗震性能數值模擬

有限元分析主要是通過軟件(ABAQUS,SAP2000等)進行數值模擬。在建立精細化模型時難以準確模擬,根據其傳力機理、節點構造進行部分或全部簡化,從而準確考察結構抗震響應。Feng等[17]進行了多層組合箱型結構在多遇地震和罕遇地震作用下的模態分析和結構分析,并對四種節點的剛度和承載力進行了研究。結果顯示,目前采用的節點形式不能滿足規范要求,需要采用新的節點形式。Lacey[18]將模塊間連接的力矩-轉動和力位移行為進行簡化,并運用到整體結構模型。結果表明,模塊間連接的剛度對整體抗震性能有一定的影響,尤其是在水平荷載作用下層間位移角有明顯變化,轉動剛度影響較小。張驚宙等[19]采用有限元分析方法對柱承重式和墻承重式兩種形式的冷彎薄壁型鋼龍骨模塊進行受力特點、結構性能和用鋼量對比分析。結果表明,墻承重式模塊比柱承重式模塊用鋼量少,制作成本高,運輸不便,自重大適合低層建筑;柱承重式布局靈活、運輸方便,構件可以拆卸重復利用特點,可進行大面積推廣。王華杰等設計了7層標準戶型模塊化住宅結構(見圖3),建立有限元模型,與增加輔助立柱、橫梁和設置側向輔助拉索的方案進行對比分析,分析結果表明,增加輔助拉索可以提高結構的抗側剛度,節點剛接也可以有效提高結構的抗側移剛度,最后還給出了合理的7層模塊化住宅結構方案。

模塊化鋼框架節點和墻板對整體抗震性能影響進行了一定的研究,但對其研究較少且深度不夠。模塊化鋼結構建筑的節點構造往往比較復雜,在建立精細化模型進行有限元分析時難以準確模擬,應針對其傳力機理與簡化模型的研究,探究其整體結構的抗震性能和破壞模式。

4 模塊化建筑施工及運輸

模塊化建筑施工是將模塊單元在工廠進行制造并對模塊內部進行裝飾,然后運輸至施工現場,再由起重機吊起進行安裝拼接成建筑整體,圖4是施工流程圖。

在模塊化運輸過程中也需要進行模塊尺寸合理的規劃和設計。比如:新加坡道路運輸的最大寬度、高度和長度分別為3.4 m,4.5 m和12 m[20],澳大利亞和美國的允許寬度為3.5 m。

與傳統建筑相比,模塊化建筑具有施工度快、建造周期短、施工工藝先進、規模效益顯著、模塊質量可控、可拆卸重復利用、環境污染小、綠色節能環保等優點。根據項目案例研究,使用模塊化建筑施工可以減少50%的施工時間和節約20%的成本。

5 結論

模塊化建筑具有施工速度快、制造安全、質量可控和低碳環保等優點,得到了國內外工程師的大量關注。然而,由于缺乏堅固的結構體系和連接技術來確保模塊化建筑結構的完整性、整體穩定性和魯棒性,目前大多適用于低層建筑,對于高層建筑的構造應用非常有限。此外,缺乏相應的規范標準,限制了模塊化建筑的發展。雖然國內外對于模塊化鋼結構建筑連接節點開展了一系列的實驗研究和數值模擬,但是研究的深度不高。模塊化鋼結構節點構造比較復雜,應充分考慮荷載的傳遞和簡化模型的分析研究,同時模塊化結構還應該進行大量的整體框架試驗研究和理論分析。