混凝土建筑模塊化體系設(shè)計研究應(yīng)用

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摘要:近年來隨著住宅產(chǎn)業(yè)化的不斷推進(jìn)，裝配式建筑的體系不斷改進(jìn)，以我國香港某8層福利服務(wù)綜合大樓為背景，對混凝土模塊化建筑體系的設(shè)計和應(yīng)用進(jìn)行探索，針對混凝土模塊之間的連接、混凝土模塊與框架梁和剪力墻的連接，提出一種新式連接構(gòu)造，實現(xiàn)了混凝土模塊化之間的可靠連接，為模塊化建筑的推廣與應(yīng)用提供了借鑒意義。

關(guān)鍵詞:模塊化建筑，體系設(shè)計，連接節(jié)點

1概述

隨著工業(yè)化體系不斷的發(fā)展，模塊化的概念不斷被提出，已逐步應(yīng)用到各個領(lǐng)域，如電子產(chǎn)品和汽車均使用模塊化的設(shè)計理念，即將整個產(chǎn)品拆分為多個單一功能的構(gòu)件，通過后期組裝形成一個具有完備的使用功能的產(chǎn)品。其中建筑模塊化應(yīng)運而生，將整個建筑根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能拆分為多個單體，每個單體通過可靠的構(gòu)造連接，目前市場上主要分為混凝土模塊化建筑和鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑［1］。鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑:疫情期間武漢“兩山”醫(yī)院采用的為鋼結(jié)構(gòu)模塊化，各箱體之間的受力構(gòu)件組成一個整體受力體系，箱體之間通過螺栓連接、拉桿連接、連接板焊接［2］?，F(xiàn)場無混凝土澆筑，施工速度特別快，但由于是箱體本身受力，鋼結(jié)構(gòu)模塊化建筑使用高度不宜超過100m?；炷聊K化建筑:目前市場上應(yīng)用較少，技術(shù)難度較大，在實際使用中，一般作為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)或框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的填充，承擔(dān)建筑的主要使用功能，模塊本身不參與結(jié)構(gòu)整體受力，故建筑高度不受限制，箱體之間通過現(xiàn)澆連接，施工速度較快［3］。本文主要以我國香港某福利綜合服務(wù)大樓為例，針對混凝土模塊化體系的設(shè)計與應(yīng)用展開研究。

2工程概況

本工程位于香港第29區(qū)粉嶺公路旁(歐意花園對面)，為1座8F福利服務(wù)綜合大樓，建筑面積約4萬m2，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，采用混凝土MIC;每層42個單位，每個單位分6個模塊，每層共252個模塊，共7層，模塊總數(shù)量1764個。半預(yù)制樓板每層63件，共7層，共計441件，重量約731t;樓梯每層14件，共7層，總數(shù)98件，重量約375t;垃圾槽每層1件，共7層，總數(shù)7件，重量約26t。框架剪力墻為現(xiàn)場澆筑，混凝土模塊在工廠生產(chǎn)，并經(jīng)過精裝修運至現(xiàn)場組裝，整體裝配率可達(dá)80%以上(見圖1)。

3整體設(shè)計思路

3．1模塊設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化

本項目功能是為老人提供一個合適居住環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，將每一個單獨的居室拆分為六個不同的模塊，如圖2所示(MIC為模塊化建筑的縮寫，下文全用MIC代替)，其中MIC1和MIC2為衛(wèi)生間和入戶部分，為整個模塊化建筑最復(fù)雜的部分，需要考慮管線洞口的預(yù)留、樓板的降板、與建筑承重部分的連接，設(shè)計之初考慮到后期平面圖紙會給生產(chǎn)和施工人員帶來識圖困難，故采用BIM技術(shù)，進(jìn)行三維建模，如圖3所示，可輔助生產(chǎn)和施工人員識圖，清晰的表達(dá)出各個模塊空間構(gòu)造關(guān)系;另一方面，可對平面圖進(jìn)行二次校核，進(jìn)行六個模塊的預(yù)拼裝，避免實際生產(chǎn)安裝過程中出現(xiàn)尺寸和位置偏差。如圖4所示，為圖1的三維視圖，圖中不僅包含了相互成鏡像關(guān)系的12個模塊，還有結(jié)構(gòu)本身的梁和剪力墻。

3．2模塊的相關(guān)節(jié)點

本項目單個模塊不參與結(jié)構(gòu)受力，通過模塊預(yù)留凹槽等形式搭接在剪力墻和梁上，部分節(jié)點處需要后期現(xiàn)澆混凝土。模塊的水平向連接:如圖5所示，為模塊的水平連接節(jié)點，模塊之間留有20mm的拼接縫，縫隙處通過填充無收縮砂漿+PE棒+柔性密封膠的方式實現(xiàn)防水連接，實際施工過程中，模塊之間為軟接觸，該連接方式給施工預(yù)留了一定的冗余，防止因構(gòu)件尺寸生產(chǎn)偏差導(dǎo)致無法安裝的結(jié)果。如圖5b)所示，相鄰模塊間留有200mm的現(xiàn)澆層，通過模塊本身的墻體充當(dāng)剪力墻現(xiàn)澆時的模塊，考慮到實際澆筑時混凝土的脹模效應(yīng)，在模塊的墻體中預(yù)埋對拉螺栓，起到加固作用，滿足一定的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，達(dá)到快速施工，節(jié)約材料的效果。模塊的豎向連接:模塊的豎向連接如圖6所示，分別是與梁的連接和與剪力墻的連接，如圖6a)所示，搭接處填充50mm×200mm×10mm的墊片，做到軟接觸，施工時應(yīng)安裝下層模塊→下層模塊縫隙灌注無收縮砂漿→梁底放置20mm可壓縮泡沫→安放現(xiàn)澆梁鋼筋籠→澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)→安裝上層模塊，如圖6b)所示，連接構(gòu)造與圖6a)類似，模塊通過自身的凹槽搭接在剪力墻牛腿上，縫隙處填充無收縮砂漿，搭接處通過填充可壓縮泡沫和墊片的形式實現(xiàn)構(gòu)件的軟接觸。

3．3模塊化建筑設(shè)計注意事項

模塊化建筑的設(shè)計有著構(gòu)件復(fù)雜性、相互關(guān)聯(lián)性、精確度高等要求，以本項目為例，主要存在以下注意事項:1)連接部位:主體結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，模塊的設(shè)計需要避開梁和剪力墻的位置，在一定程度上提高了模塊的復(fù)雜性，尤其是模塊棱角處的預(yù)留凹槽尺寸處理，需要兼顧模塊相互之間的安裝和與主體結(jié)構(gòu)的連接。2)內(nèi)部構(gòu)造:6個模塊單獨組成的一個房間具有成套的生活設(shè)施，在衛(wèi)生間部位就需要對降板進(jìn)行周全考慮，不僅需要考慮自身構(gòu)造的防水性，還需要考慮模塊自身底部構(gòu)造是否能準(zhǔn)確的與頂部構(gòu)造相連接。3)方便加工:本項目在深化階段，通過對單個房間的合理拆分，并考慮后期模具的制作難度、模具的共用性、車間的生產(chǎn)方便、構(gòu)件運輸?shù)碾y易，將單個房間的復(fù)雜部位單獨作為一個模塊，如MIC1和MIC2，在設(shè)計階段進(jìn)行機(jī)電管線和水管的預(yù)鋪設(shè)，預(yù)留孔洞，盡量避免不規(guī)則表面和后期現(xiàn)場開洞的情況。4)準(zhǔn)確性:單個模塊的安裝精度要求高，生產(chǎn)成本大，在設(shè)計階段需要詳細(xì)的考慮到建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、暖通、給排水等專業(yè)的互相匹配性，避免因細(xì)節(jié)錯誤導(dǎo)致后期無法安裝或安裝后無法進(jìn)行下一步工序的問題。

4模塊化建筑優(yōu)勢

混凝土模塊化建筑作為新興建筑，近年來逐漸進(jìn)入公眾視野，主要有如下優(yōu)勢:1)速度快:工廠內(nèi)部流水作業(yè)，自動化、機(jī)械化程度高;水電管線、裝修一體化，現(xiàn)場組裝完成即可交付使用;現(xiàn)場施工量少，施工進(jìn)度受天氣影響較小。2)質(zhì)量優(yōu):自動化流水生產(chǎn)線，變高空立體作業(yè)為平面作業(yè)，更易控制質(zhì)量;工廠制造，交付前層層檢查，整改更方便，質(zhì)量有保證。3)綠色環(huán)保:工廠內(nèi)部生產(chǎn)，建筑材料回收率高;現(xiàn)場施工對環(huán)境干擾更小;模塊建筑拆除過程損壞小，可實現(xiàn)再利用，周轉(zhuǎn)使用率高。4)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢:現(xiàn)場施工時間短，人工及管理成本低;建造速度快，縮短投資回報周期。

5結(jié)語

本文從混凝土模塊化建筑的發(fā)展、具體應(yīng)用、連接形式、設(shè)計注意事項、優(yōu)勢等多個方面進(jìn)行闡述，通過利用BIM技術(shù)進(jìn)行混凝土模塊化建筑的設(shè)計和深化，相比于傳統(tǒng)二維繪制，提升了繪圖效率、豐富信息表達(dá)、提升了模型的可用性，為混凝土模塊化建筑的設(shè)計研究與應(yīng)用提供借鑒。

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作者：丁磊 單位：安徽海龍建筑工業(yè)有限公司