新兴的模块化建筑技术

新兴的模块化建筑技术

模块化建筑是•种新兴H勺建筑构造体系，该体系是以每个房间作为•种模块单元，均在

工厂中进行预制生产，完毕后运送至现场并通过可靠的连接方式组装成建筑整体。与老式建

筑的建造方式相比，其具有可缩短工期、节省人力物力、绿色环境保护、品质精良等长处。

结合工程实例对模块化建筑的概念、研究现实状况、构造特点、设计规定以和施工措施等多

方面内容进行询介与讨论，

一、装配式建筑与模块化建筑特性

装配式建筑是指预制的构件在工地装配而成的建筑。这种建筑的长处是建造速度快、

受气候条件制约小、节省劳动力并可提高建筑质量。

根据不一样B勺预制程度，装配式建筑的预制单元•般可分为：杆件单元、板体单元和

模块单元几种。对应建筑构造体系即为：直接装配式构造体系、预制大板构造体系与模块化

建筑构造体系。

直接装配式构造体系：构造中所有的杆件按设计尺寸切割，重要的开洞也在工厂完毕,

并以单根杆件形式运至现场，采用螺栓或自攻螺丝连接，均在现场完毕。长处是现场可进行

一定修改对工厂设备规定低可用集装箱运送，经济合用于体型复杂U勺建筑，缺陷是现场劳动

量相对较大。

预制大板构造体系：构造中带骨架的墙板、屋面板和屋架均在工厂用专用模具预制成

型，井运送至现场进行组装。这种体系的长处是建造速度快，质量易于控制，自动化程度较

高，现场工作量小但相对运送费用高，现场需要提高设茎。

模块化建筑构造体系：构造以单个房间作为•种模块均在工厂进行预制，并可在工厂

对模块内部空间进行布置与装修。然后运送至现场通过吊装将模块可靠的连接为建筑整体。

模块化建筑构造体系预制化比例高，可节省人力、物力，减少工期、绿色环境保护。

据记录，预制大板构造体系的预制比例可打60%左右，而模块化建筑构造体系的预制

比例一般可达85%以上，其中完全工厂制造的模块化建筑U勺预制比例可高达95%,仅剩余

的5%工作为现场基础施工与模块安装的连接工作。

二、模块化建筑的工程实例

英国伍尔弗汉普顿学生公寓一一建筑共25层，于2023年8月竣工，共820个模块在

8个月内安装完毕，总建造耗时12个月左右，该建筑是目前已竣工H勺最高的J模块化建筑。

美国纽约布鲁克林34层住宅大楼一一建筑面积34万平方英尺，是最大的预制模块化

建筑。大厦有350套公寓，其中二分之•是中低收入人群买得起的住房。60%日勺建筑痛在工

厂里制造，估计将制造大概950钢框架模块。该建筑已于2023年3月开始动工。

三、国内外的研究现实状况

国内研究现实状况

国内对与模块化建筑构造体系的J研究还比较少，井且只有几种在低层模块化住宅的研

究。如：2023年日勺第七届中国国际住宅产业博览会，浙江泰格集成房屋有限企业展示了一

套2层欧）模块化住宅；2023年的上海国际冶金展，宝钢集团展示了一套2层的刚模块房屋,

有13个模块构成。

哈工大查晓雄专家对集装箱改造房进行理论分析与试验研究。集装箱改装房与模块化

建筑形式相似，但构造特点有较大不一样。

国外研究现实状况

国外的R.M.Lawson等人对多高层模块化建筑的构造体系和构造设计进行了有关研究,

并对模块化单元的墙板和连接节点做了有关试验和理论分析研究。

加拿大的C.D.Annan等人对带有支撑的J多层刚模块建筑日勺抗震性能做了详细研究和有

关试验。

韩国的Sung-GulHong等人对带有双层钢板的刚模块框架进行了试验研究，分析了双

层钢板对刚模块框架的抗震性能的影响。

四、建筑所用的模块类型

根据建筑模块口勺构造与功能类型，目前模块化建筑所用日勺模块可分为：墙体承重模块、

角柱支撑模块、楼梯模块和非承重模块几种。

墙体承重模块

模块包括四块墙体，由竖向立柱、水平横杆和支撑构成。楼板和天花板托梁的跨度方

向平行于模块单元的短边。除了四块外墙，也可包括非承重隔墙，用于将所围空间划分为合

适大小的房间。这种建筑类型应用于宾馆、学生宿舍和社会保障房或工人宿舍十分理想，这

些房屋•般是由大量的小房间构成。

为使建筑内部模块布局愈加灵活•，并且考虑到可通过合并多种模块单元来实现大的内

部空间设计，可对墙体承重模块的侧向墙体进行局部开孔设计，并对开孔附近设置附加边梁

或支柱进行补强。

角柱支撑模块

角部支撑模块类似于老式的热轧钢构造，在力钢管角柱中布置梁高较高的纵向边梁,

与带有轻钢承重墙的墙体模块形成明显对比。角部支撑模块日勺关键优势是模块的一种或多种

面可以完全开放，当模块并排安装在•起时可以创立大的开放式空间。这种建筑形式是学校

和医院的理想选择。

楼梯模块

楼梯模块在一种独立的预制单元中提供楼梯（•般为两跑，中间为楼梯平台）和平台，

由此通往模块构造更高的楼层。它们一般与常规公寓模块（卧室、客厅等）一起使用构成模块

化住宅公寓楼。楼梯平台和中建平台由纵向墙体所支承，并根据需要设置•定的附属钢构造。

这种构造形式一般用于完全模块化建筑。

非承重模块

非承重模块用于在非模块化建筑中提供空间预制单元构件。它们一般用于浴室、厨房

和设备室，这些设施在工厂环境下安装具有明显的长处。厨房和浴室一般在交送到现场是配

置齐全的，包括水暖、电气、配套家俱和装饰。非承重模块具有有限的构造强度，必须依托

于其他构造构件的支承，如构造钢构件过楼板构件。然而，它们需要设计承担其自重荷载和

其在进行吊装时所受的力，

五、模块化建筑构造体系

模块化建筑构造体系，按种类可分为全模块化建筑构造体系和复合模块化建筑构造体

系。

全模块化建筑构造体系

建筑前部由模块单元装配而成，合用于多层建筑房屋，一般合用层数为4〜8层。当层

数过高时，需要有独立的抗侧体系作为预考。模块间一般通过螺栓和改版进行连接，以此最

为模块化建筑的传力途径,

复合模块化建筑构造体系

为提高模块化建筑的构造与使用性能，需要将模块化建筑与其他建筑形式进行复合，

一般可包括：与老式框架复合构造体系、与板体构造复合体系、与剪力墙与关键筒复合构造

体系等。

与老式框架竟合构造体系：为满足更开放的活动空间，可考虑将模块化建筑与老式钢

构造框架进行复合，如以老式钢构造框架建造房屋的1层或1〜2层，并以此老式框架为平

台在上部进行模块安装，下部空间一般可作为零售店或停车场。此外，对于某些相对高层的J

模块建筑，也可以老式框架作为构造的外骨架，以此为依附进行模块化建筑的建造。

与板体构造复合体系：在这种建造形式中，模块堆叠成一种关键，在其周围布置预制

承重墙和楼板。模块一般可形成楼梯井，并在建筑内部提供了公共设施的中心区域。建筑物

的模块部分可以容纳大量的公共设施区域，如厨房和浴室等，而在非模块区域则可作为卧室

和客厅。从构造的角度看，除了其承重作用，模块化关键还为整个建筑物提供了稳定性。这

种布置一般被限制在4〜6层高度的楼房，是住宅应用的理想选择。

与剪力墙与关键筒复合构造体系：为使模块化建筑有更高层数的发展，需将其与剪力

墙或关键筒相结合构成复合构造体系。

六、模块化建筑设计要点

考虑模块化建筑与老式建筑构造体系的不•样之处，模块化建筑的I构造设计还需要考

虑如下几点：

模块单元的运送与密封规定

运送的基本规定包括公路装载II勺最大宽度和高度，这决定了所生产模块单元的尺寸。

在英国，一般容许的最大宽度为3.5米，但假如运送路线容许可以增长到4.3米。最大的载

物高度为4.5米，但当运送通过旧H勺桥卜或隧道时需要注意，也许需要使用更低的J拖车。

模块单元需要进行密封处理，尤其是在运送过程中。模块单元•般由较厚的干燥塑料

膜所覆盖，并在建造过程中需一直保留。并且，在模块单元之间的连接、走廊和公共设施空

间也需进行防水处理。

提高与安装受力

模块单元在升降操作过程中的受力将产生与一般状况不一样的内部应力。尤其是当所

提高位置存在局部的受力集中，需要加强相邻的构件以和它们之间的连接来抵御这些受力。

一般这些位置可采用热轧型钢，而其他地方多采用轻钢构件。

根据起重机臂架的高度，畲多种不一样的吊装技术。一般，应在模块单元的顶部进行

提高，并且需要调整吊装绳索的角度，以使水平构件的受力分量不会过大。最佳的吊点是距

模块单元两端点长度的20%左右，这样构造是最稳定的。然而，模块单元一般是从它们的I

角部进行提高，这样就需要使用一种独立的框架或一对衡量协助吊装。重型的吊装框架可与

模块单元的平面尺寸相似，这样可以免除在模块单元上产生水平力与剪力。

整体稳定性与安全性规定

对于整体稳定性和安全性的规定即构造的鲁棒性。原则上，在构造的一种构件发生故

障后，其他构造应当有足够的强度保障荷载的作用不会产生不成比例II勺持续破坏。

模块单元不一样于其他老式的建造单元，虽然单独U勺模块单元强度很高，但当它们组

装在一起时，荷载是通过模块的墙体或角柱进行传递的。考虑对这种荷载途径进行移除的也

许性，墙体的鲁棒性设计应当如下：

考虑水平跨度在一种深梁或隔墙区域内"勺破坏，对其进行移除。

相邻模块单元需提供拉力与支撑，也就是模块单元之间除了竖向，水平方向也应进行

连接。

基础规定

由于模块单元的I重量比较轻，因此模块化建筑的基础--般不会同老式建筑的基础同样

巨大。条形基础位于承重墙和剪力构件日勺下部，通过树脂锚入混凝土。基础或者地梁的水准

对于随即模块单元的安装和对齐十分重要，常常需要对基础或模块单元日勺底部进行某些调

整，且每个模块厂商均有自己的体系。一般状况下，可容许基础顶部在20亳米左右的范围

内进行变动。对于低劣口勺地基，可以采用桩基，并且模块单元的底梁可以设计为跨越各桩帽

之间。

七、模块化建筑施工技术

区别于老式建筑H勺施工措施，模块化建筑的施工是将在工厂制造好日勺模块单元通过拖

车运送至现场，然后通过吊车将其逐•吊装进行安装。结合BIM系统可通过模块化建筑的

整个安装过程日勺施工模拟对实际过程进行优化设计：

搜集有关信息，建立3D施工信息模型。需要信息包括：建筑有关信息、现场场地状

况、使用起重机状况以和所需考虑的条件限制。如：运送条件、安全性、天气状况等；

根据3D信息模型，对场地布置进行优化分析，确定场地的起重机位置、模块单元的

固定交付位置等；

通过4D模拟，对模块吊装的过程进行模拟分析，确定模块安装的最优次序和装配时

间安排，并对施工过程中也许出现的问题进行防止。参照工程实例为美国宾夕法尼亚州阿伦

敦市穆伦堡学院的5