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钢结构模块建筑发展趋势的研究

日期:2014年12月11日 08:10
钢结构模块建筑的工业化、产业化水平及质量水平较传统建筑均得到很大提高。作者认为,钢结构体系模块化建筑的发展方向应该是一次到位和菜单式的“全模块”模式,也将是本世纪我国建筑业工业化中较为先进的建筑结构体系。
  
  一、背景分析
  
  1.我国建筑结构体系发展概况
  
  建筑工业化是我国基本建设长期以来重大的国策,早在1956年国务院就颁布了《关于加强和发展建筑工业的决定》,指明了“建筑工业化是建筑业的发展方向”,“大力开展建筑结构和配件的标准化工作”,“积极实行工业化、机械化施工”。20世纪六七十年代标准化的住宅体系就大量采用了模数化的钢筋混凝土预制构件,同时应用于工业厂房钢筋混凝土预制构件也相继应用于工程实践,并研发了预制装配框架结构体系,20世纪80年代开发了内浇外砌混合结构体系和钢筋混凝土异形柱框架结构体系,并在北京、天津等地兴建了数百万平方米该结构体系的居住型建筑。上述建筑结构体系对我国基本建设的发展起到了推进作用,并积累了工程经验,上世纪末我国正式提出住宅产业化概念,为本世纪建筑结构体系的发展打下了基础。
  
  为保障国民经济的可持续发展,原建设部在本世纪初制定了“关于在大中城市在2~3年内消除黏土砖及黏土制品和积极推广钢结构住宅”的重大政策,又于2002年发布了《钢结构住宅产业化技术导则》。很多地方省市相继编制了《钢结构住宅设计规程》,2009年中国工程建设标准化协会标准(CECS)《钢结构住宅设计规范》颁布实施,为设计应用提供了充分的设计依据,并在山东、上海、天津、武汉及内蒙古等省市兴建了逾千万平方米钢结构住宅建筑。
  
  2.国内外住宅产业化的发展进程(1)国外住宅产业化发展进程。国外发达国家的住宅产业化基本上经历了3个阶段。20世纪50~60年代是住宅产业化形成的初期,千赢娱乐手机登录;20世纪70~80年代是住宅产业化的发展期,重点是提高住宅的质量和性能;20世纪90年代后,是住宅产业化发展的成熟期,重点转向节能、降低住宅的物耗和对环境的负荷、资源的循环利用,倡导绿色、生态、可持续发展。目前,在发达国家的住宅建设中,工厂化住宅已经占据相当的市场份额:日本达到20%~25%,美国为31%,瑞典在60%以上。而就目前看来,住宅模块化的发展方向应该是一次到位和菜单式的“全模块”模式。(2)国内住宅产业化发展进程。早在1994年国家“九五”科技计划“国家2000年城乡小康型住宅科技产业示范工程”中系统化地制定了中国住宅产业化科技工作的框架,从而使住宅产业化在科技和示范工程的层面上得以确定和实施,标志着住宅产业化的进程步入一个新的发展阶段;1999年,国务院明确指出“满足人民群众日益增长的住房需求,加快住宅建设从粗放型向集约型转变,推进住宅产业现代化,提高住宅质量”,原建设部成立了住宅产业化促进中心。随着我国国民经济和住宅产业的发展,人民生活水平有了很大的提高,但目前我国住宅生产与经营方式还比较传统和相对落后,我国每年竣工房屋面积大约在20亿平方米左右,现有建筑存量400亿平方米,建筑能耗每年达到了1.2万亿度电和4.1亿吨标准煤,加上建材生产过程中的能耗,约占全社会能耗的46.7%,房屋建筑大量的能耗迫使人们重新审视住宅建设的生产方式和增长方式,特别是国家提出发展节能省地型住宅的目标后,加快促进住宅产业化已经刻不容缓。(3)住宅产业化发展水平评估依据。具体体现在以下六个方面:
  
  一是新型的、工业化的建筑结构体系的应用程度。目前的以钢结构、钢混结构等为主的新型建筑结构体系,使得住宅朝着安全、环保、节能和绿色生态方向发展。但是目前在我国很多建筑工程,尤其是广大的农村建房还是以手工砌筑的方式进行,难以控制住房建设的安全质量和功能质量。
  
  二是住宅产品的开发、生产和供应。住宅产品开发、生产和供应的标准化、系列化、通用化是实现住宅产业化的重要标志,设计人员可从中选择适当产品进行住宅设计。瑞典新建住宅中,通用部品占80%左右,日本用了20年的时间推行住宅部品,现在住宅的各个部分都有通用部品,对无特殊要求的住宅,只要将通用部品组合起来即可。
  
  三是墙体材料和建筑节能。许多工业发达国家新型建筑材料的比重一般占60%~90%。我国住宅单位面积的采暖能耗,符合《民用建筑热工设计规范》要求的约为发达国家的3~4倍;符合《民用建筑节能设计标准》要求的约为发达国家1.5~2.2倍,而发达国家的采暖期比我国长,居室温度也比我国高。
  
  四是现场施工的技术。经济发达国家目前已基本做到分工种、专业来进行施工,即从设计到制作逐步形成独立行业。在经营方面,既可定购、选购,也可租赁与提供技术指导和现场培训,机械租赁业也较发达,同时提供维修服务。此外,现场运输、挖掘、运垃圾、现场清理、建筑物拆除等均可委托专业公司完成。
  
  五是人均竣工面积。人均竣工面积是反映生产、施工的综合性指标。德国和日本在80~100平方米之间,法国、美国在40~80平方米之间(这些国家木结构和轻钢结构独立式住宅所占比重较大,劳动生产率较高)。日本人均年竣工建筑面积一般在100平方米左右,但人均住宅竣工面积却达到110~120平方米。我国人均竣工建筑面积仅在28平方米左右。
  
  六是环境保护和资源节约和“可持续发展”。可持续发展是指保护地球环境和节约资源,住宅产业的发展将为改善环境作出贡献。住宅产业可持续发展问题已引起世界各国的重视。
  
  2012年,住房和城乡建设部住宅产业化促进中心、内蒙古住房和城乡建设厅、中国建筑金属结构协会等单位在内蒙古包头市召开“高层钢结构住宅产业化技术现场交流会”,就浙江杭萧钢构股份有限公司在“万郡·大都城”项目中采用钢结构集成技术的经验进行了交流,此举体现了国家对建筑节能、提高建筑抗震性能的重视和关注。
  
  二、模块建筑体系概述1.模块建筑的概念内涵(1)模块建筑概念。模块建筑是指在住宅构件工业化生产的基础上,采用模块化组装的方式来建造的住宅,是在工厂制造,再运输至项目现场进行安装的。模块建筑是由一系列形状为正方体、长方体及多边形体经组合叠加形成的建筑,其中每个模块,都具有自身完善的、设定的分项建筑功能,它可以是仅有门窗的空旷单元,也可以是厨房单元、卫生间单元、楼梯单元、阳台单元等,经在平面上和竖向上组合形成建筑师要求的总体完备的建筑功能,一经安装完毕,即可投入使用。(2)模块建筑的4个涵义。住宅建筑的标准化;住宅建筑的工业化;住宅生产、经营的一体化;住宅协作服务的社会化。
  
  本文所述模块建筑主要为钢结构体系,模块工厂化整体预制现场装配,相比于上世纪苏联、东欧等国家建筑企业采用梁、柱、板等构件在工厂预制、工地装配的建筑,其工业化、产业化水平及质量水平均得到更大提高。
  
  2.模块建筑的优势与推进难点
  
  (1)模块建筑的优势。
  
  第一,可持续性生态优势。可持续性是模块化住宅与传统建筑方式相比最明显的优势之一。建造过程中的集中生产也使得建造能耗低于传统手工方式,工业化生产改变了混凝土构件的养护方式,实现养护用水的循环使用;工厂化集中生产的方式,降低了建筑主材的损耗;装配化施工的方式,降低了建筑辅材的损耗;现场装配施工相较传统的施工方式,极大程度地减少了建筑垃圾的产生、建筑污水的排放、建筑噪音的干扰、有害气体及粉尘的排放。
  
  第二,节能优势。模块建筑设计采用合理的窗墙比例,围护结构采用高质量的保温隔热复合墙板,隔绝了热桥,比现有同类钢筋混凝土建筑结构的能耗得到了较大幅度的降低。由于复合墙板具有较高的密度,热惰性指标高,隔热、隔声性能也好,其节能指标达到三步节能65%以上的要求,并向四步节能要求发展。同时,模块建筑可以组合成各种建筑平面和立面形式,美观大方,为人类居住、办公等提供了十分舒适的人文环境。
  
  第三,抗震性能的优势。钢结构模块住宅建筑结构一般采用钢框架或钢框架——支撑结构体系。对于超高层建筑,则采用消能减震支撑结构体系,钢结构承载力高,延性好,且连接节点可靠,即使在大地震作用下,也可达到经一般维修仍可继续使用的性能目标,其抗震性能远高于现浇或装配式钢筋混凝土结构,确保了人们的生命和财产的安全。
  
  第四,防渗漏以及隔声等建筑物理性能的优势。由于采用了高质量的复合墙板并具有较好的延性性能,能很好地适应总体结构因各种不同荷载作用产生的变形,确保外墙不开裂;对于接缝处,除采用密封胶封闭外,在里侧设置诱导水孔,以使接缝处可能发生的渗水诱导至水孔泄出,确保围护结构的水密性要求,卫生间采用隔水性能良好的柔性材料,杜绝了渗漏现象,营造了舒适干净的卫生间。
  
  第五,施工效率及施工质量的优势。由于模块建筑95%以上的工作在工厂完成,不受季节或环境的影响,且模块元素的制作和组装都在生产流水线上完成,机械化程度高、效率高,在工地采用机械吊装,安装速度快。根据英国、美国相关经验,一幢1万平方米的高层钢结构住宅建筑楼在现场仅需1台吊车和10余个工人4个月内即能完成安装;而普通现浇钢筋混凝土结构的施工周期一般要在1年半以上,即使采用梁、柱、板构件装配式建筑或大板楼建筑等也需要1年以上。相比之下,钢结构模块建筑的施工速度比上述两种施工方法分别提高了两倍到3倍,由此可见,施工效率的提高是前所未有的。
  
  此外,模块单元均在工厂建造,包括钢材加工、焊接框架、组装墙板和电气水暖设备都在工厂车间生产流水线上进行,精密程度高,并进行有效的质量检控,因此,模块建筑的施工质量远高于普通现场露天施工的建筑工程。
  
  第六,节约材料及降低成本的优势。钢结构模块建筑标准化程度高,减少了材料的消耗,边角料在车间易回收再利用,可避免普通现浇钢筋混凝土建筑现场施工的浪费现象。同时考虑了工业废料的利用,如发电厂的粉煤灰,废弃的聚苯乙烯材料等经过加工制成各种墙板构件的部品,可以达到节约材料的目的。
  
  钢结构模块建筑虽然用钢量略高于普通钢筋混凝土建筑,机械施工费用也较高,但结构重量轻,降低了地基处理费用,且可回收的材料应用较多,减少了原材料的浪费,特别是缩短了施工周期,减少了现场施工人员,降低了施工成本,资金回笼速度快。经综合对比,其建造成本可与普通钢筋混凝土建筑结构持平,是经济合理的。
  
  (2)钢结构模块化住宅建筑的推进难点。目前,我国模块化建筑推进并不理想,钢结构模块化住宅也是如此。影响模块化住宅推广的主要原因有5点:
  
  一是建造模块的预制工厂投资太大,运输、安装需要大型设备,建筑的单方面造价也较贵。
  
  二是建筑形式。我国现在新开发的房屋建筑主要是高层建筑,在高层建筑的建设过程中,承重体系的计算非常重要,用模块化的形式去生产,面临不少困难。美国、日本的房屋大部分是独立住宅,与高层建筑相比,独立住宅用工业化的形式生产更有利。
  
  三是劳动力成本。我国的建筑行业是劳动密集型的产业,吸纳了大量的剩余劳动力,劳动力成本便宜。住宅工业化生产与农民工现场生产相比,在生产成本上没有优势,这是影响住宅产业化的一个重要障碍。
  
  四是运输成本和技术的问题。如何把在工厂生产的住宅运送到施工现场,也是一个必须面对的问题。笔者认为,影响我国住宅产业化快速发展的重要原因是我国的工业化水平总体上较低。
  
  三、模块建筑结构技术的基本要求
  
  近年来,在天津市相关主管部门的领导和组织下,由天津市建筑设计院、天津大学等单位联合组成钢结构组合技术研究课题组,研究开发适合中国的钢结构模块建筑体系是该科研工作的一部分。
  
  课题组详细分析了美国、英国、澳大利亚、中东地区模块建筑结构体系,结合我国抗震设计以及绿色建筑设计等相关要求,提出了不同高度的模块建筑体系以及相关技术措施。
  
  1.建筑专业
  
  (1)合理的模块尺寸。由于模块单元在运输、吊装以及安装施工过程中结构安全的需要,经综合分析,其最大尺寸宽度不宜大于4.2米,长度不宜超过12米,高度可为3.0米、3.3米、3.6米、3.9米、4.2米、4.5米,不宜超过6.0米。最小宽度可为1.2米、1.5米、1.8米。在建筑设计时,开间和进深大小不受限制,利用模块拼接即可。
  
  (2)建筑模数。模块单元的模数原则上应遵守国家标准《建筑模数协调统一标准》(GBJ 2)。对于特殊形体的建筑物可采用非模数化的尺寸。基本模数为1000毫米。水平扩大模数基数可为3米、6米、12米、15米、30米、60米。竖向扩大模数基数为3米、6米。分模数基数为1/10米、1/5米、1/2米。
  
  (3)竖向层高的确定。模块单元竖向组合时有两种情况:
  
  一是直接叠放,建筑层高即为模块单元高度。
  
  二是采用有垫块连接件时,则建筑层高应取模块单元高度和垫块连接件的高度之和。建筑层高控制在3.0米或3.2米。(4)模块单元划分有4种情况:
  
  一是全封闭式模块单元,即空间框架单元的顶板、底部以及四面侧墙都已完成,其内部装修已完成(灶具、洁具等已安装,其安装方式可为散件安装或整体式厨房和整体式卫生间)。“全封闭式模块单元”在多层建筑中可全部采用,在高层和超高层建筑中可大部分应用,是工厂制作中的主流形式模块单元。
  
  二是基本封闭模块单元,即空间钢框架单元的顶板、底板、内墙板、外墙板已基本全组装完毕,仅在框架柱连接范围局部构件明露,以便于工地安装时框架柱的上下连接施工,节点连接完成后再完善局部墙体的拼接。
  
  三是半封闭模块单元,即内外墙板等有部分尚未组装,其中有的是因安装重要构件需要、有的是因建筑功能需要某些侧面无墙、有的是因为与其他模块单元拼接合用隔墙等。
  
  四是开敞式钢框架模块组合单元。此类单元在某些工程中特定应用,可解决某些复杂的空间组合配合连接应用。所谓开敞式钢框架模块组合单元,即空间钢框架单元4个侧面和顶板、底板均不安装,采用工厂内制作时将2 3层钢框架模块单元竖向组合成整体单元,也可根据建筑功能,将横向2-3个进深钢结构模块单元横向组合成整体单元。
  
  将上述开敞式钢框架模块单元运至工地现场安装,与主体结构通过预埋件和连系梁连接形成整体框架,再安装围护结构等,可大量减少焊接作业量,且节点连接质量可靠。
  
  2.设备专业
  
  1)水平向各种管线尽量布置在模块单元的顶棚内或底板内,竖向管线可布置在模块单元的周边墙体内。
  
  2)各种水平和竖向管线的汇集应合理,宜在模块单元上部和下部设置统一的出入接口,以便于与相邻单元的连接。
  
  3)对于主管道、主管线应设置管道井,管道井可设置在某一模块单元内,其连接出入口应方便与其它模块单元的连接,必要时应进行预装配连接。
  
  4)模块单元的管线,应采取防水、防腐和防撞击的防护措施。
  
  5)设备立管需要穿过模块单元顶板、底板时,应预先定位开孔,孔径应考虑安装误差,封口应满足防火、防水和隔声的有关要求。
  
  6)配电系统应利用组合后的钢结构进行总等电位连接。
  
  7)防雷接地应与交流工作接地、安全保护接地共用模块单元和其它钢构件为自然接地体,此时应按规定位置将上部结构与基础钢筋连系焊接,达不到接地电阻要求时应另外引出接地极。
  
  8)模块单元房屋供电的外线接口宜采用专用的插口,并符合该插口所规定的额定电流。
  
  3.结构专业
  
  1.一般要求。当层数在4层及以上时,一般应设置专门的抗侧力构件,可选择在山墙、部分隔墙、楼(电)梯间等部位的模块单元设置竖向桁架。桁架形式一般可为八字形、V字形、单斜撑形以方便开设门窗等需要。该模块单元一般称为非标准单元,其余则为标准单元。框架柱的截面尺寸宜同墙厚,一般不宜突出内墙面,可以突出外墙结构面。模块单元应注意单元组装、单元运输和吊装施工过程的安全性和可行性,并应验算结构的刚度、强度、抗裂性是否满足规范要求,确保模块单元成品不发生损坏。
  
  2.根据结构力学构造特征对模块单元的划分
  
  第一,主模块单元。在结构上除了承受自重荷载作用外(包括恒荷载和活荷载),尚应承受上部模块单元体系之荷载。在风荷载和地震作用下,尚应承受部分侧向作用。因此一般模块单元四个框架柱和上下各四个框架梁需要较大的刚度和强度,而且梁柱节点必须形成刚接,部分主模块单元当承受较大的侧向力时,需具备较大的侧向刚度,可采用设置普通支撑、偏心支撑、消能支撑或设置消能器等方式,其中普通支撑主要提高侧向刚度。偏心支撑尚能提供部分消耗地震能量,后两种主要是消耗地震能量,达到减震的效果,并提高一部分刚度。其形式概述如下:
  
  一是普通支撑。普通支撑一般在模块单元的长向侧面内呈八字形或V字形布置;在模块单元的短向侧面内,由一斜杆或由两十字交叉的斜杆构成的支撑。
  
  二是偏心支撑。在模块单元的长向侧面,上框架梁和下框架梁之间设有由两斜杆构成的支撑,所述两斜杆呈八字形或V字形布置,支撑与框架梁和框架柱中心线交点应偏离,该偏离段即为钢梁消耗能段,其原理为通过该段钢梁的剪切变形消耗能量。对于人形支撑,梁耗能段设置在下框架梁。对于V字形支撑,梁耗能段设置在上框架梁,耗能段长度一般可取1000毫米,其腹板应设置加劲板。
  
  在模块单元的短向侧面内,所述上框架梁和下框架梁之间设有一斜杆,称为单斜杆支撑。如在门窗洞口,则应设计成门架支撑。
  
  一般来讲,对于单斜杆支撑,可以在下框架梁设计耗能段;对于门架支撑可以在上框架梁设置耗能段,耗能段长度的距离宜小于800毫米,其腹板均应设计加劲板。
  
  第二,次模块单元。在模块单元进行组合时,部分可采用次模块单元填塞,还有部分现有建筑中结构楼面上设置功能性模块,也可采用此模块单元。次模块单元结构一般仅承受自重,以及承受本身在地震中产生的惯性力,并将上述两种力传递至主模块单元,因此次模块单元的抗侧刚度和强度远小于主模块单元,故在次模块单元中,除了模块底部框架梁与框架柱宜作刚接,模块单元顶部因荷载较轻,因此,上部框架梁与框架柱可以做成铰接。
  
  四、结论与展望
  
  钢结构模块化建筑产品在其生命周期内能源利用效率较高,产品在使用期结束拆卸时依然有大量的材料及部品可回收再利用,而不至于产生大量的建筑垃圾,钢结构模块化的生产方式使建筑的建设过程和最终产品更加环保,资源利用更加合理。
  
  我国基本建设规模大,每年开工项目的面积已达到五亿平方米以上,节约资源保护环境,提倡建筑工程的工业化和住宅产业化是我国工程建设的基本国策。集成模块建筑是一种绿色建筑结构体系,在倡导绿色建筑、绿色设计以及绿色施工的同时对建筑体系、结构体系、建筑设备、钢结构围护以及工厂化生产与施工安装也是一次新的产业升级,它的出现必将在我国建筑领域的发展中结出丰富的硕果。
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