混凝土建筑模塊化體系設計研究應用
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摘要:近年來隨著住宅產業化的不斷推進，裝配式建筑的體系不斷改進，以我國香港某8層福利服務綜合大樓為背景，對混凝土模塊化建筑體系的設計和應用進行探索，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造，實現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用提供了借鑒意義。
1概述
隨著工業化體系不斷的發展，模塊化的概念不斷被提出，已逐步應用到各個領域，如電子產品和汽車均使用模塊化的設計理念，即將整個產品拆分為多個單一功能的構件，通過后期組裝形成一個具有完備的使用功能的產品。其中建筑模塊化應運而生，將整個建筑根據結構和功能拆分為多個單體，每個單體通過可靠的構造連接，目前市場上主要分為混凝土模塊化建筑和鋼結構模塊化建筑［1］。鋼結構模塊化建筑:疫情期間武漢“兩山”醫院采用的為鋼結構模塊化，各箱體之間的受力構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］。現場無混凝土澆筑，施工速度特別快，但由于是箱體本身受力，鋼結構模塊化建筑使用高度不宜超過100m。混凝土模塊化建筑:目前市場上應用較少，技術難度較大，在實際使用中，一般作為框架結構、剪力墻結構或框架剪力墻結構中的填充，承擔建筑的主要使用功能，模塊本身不參與結構整體受力，故建筑高度不受限制，箱體之間通過現澆連接，施工速度較快［3］。本文主要以我國香港某福利綜合服務大樓為例，針對混凝土模塊化體系的設計與應用展開研究。
2工程概況
本工程位于香港第29區粉嶺公路旁(歐意花園對面)，為1座8F福利服務綜合大樓，建筑面積約4萬m2，框架剪力墻結構，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，模塊總數量1764個。半預制樓板每層63件，共7層，共計441件，重量約731t;樓梯每層14件，共7層，總數98件，重量約375t;垃圾槽每層1件，共7層，總數7件，重量約26t。框架剪力墻為現場澆筑，混凝土模塊在工廠生產，并經過精裝修運至現場組裝，整體裝配率可達80%以上(見圖1)。
3整體設計思路
3．1模塊設計標準化
本項目功能是為老人提供一個合適居住環境，標準化程度高，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為衛生間和入戶部分，為整個模塊化建筑最復雜的部分，需要考慮管線洞口的預留、樓板的降板、與建筑承重部分的連接，設計之初考慮到后期平面圖紙會給生產和施工人員帶來識圖困難，故采用BIM技術，進行三維建模，如圖3所示，可輔助生產和施工人員識圖，清晰的表達出各個模塊空間構造關系;另一方面，可對平面圖進行二次校核，進行六個模塊的預拼裝，避免實際生產安裝過程中出現尺寸和位置偏差。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系的12個模塊，還有結構本身的梁和剪力墻。
3．2模塊的相關節點
本項目單個模塊不參與結構受力，通過模塊預留凹槽等形式搭接在剪力墻和梁上，部分節點處需要后期現澆混凝土。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留了一定的冗余，防止因構件尺寸生產偏差導致無法安裝的結果。如圖5b)所示，相鄰模塊間留有200mm的現澆層，通過模塊本身的墻體充當剪力墻現澆時的模塊，考慮到實際澆筑時混凝土的脹模效應，在模塊的墻體中預埋對拉螺栓，起到加固作用，滿足一定的強度、剛度和穩定性，達到快速施工，節約材料的效果。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→安放現澆梁鋼筋籠→澆筑混凝土→養護→安裝上層模塊，如圖6b)所示，連接構造與圖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構件的軟接觸。
3．3模塊化建筑設計注意事項
模塊化建筑的設計有著構件復雜性、相互關聯性、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:主體結構為框架剪力墻結構，模塊的設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雜性，尤其是模塊棱角處的預留凹槽尺寸處理，需要兼顧模塊相互之間的安裝和與主體結構的連接。2)內部構造:6個模塊單獨組成的一個房間具有成套的生活設施，在衛生間部位就需要對降板進行周全考慮，不僅需要考慮自身構造的防水性，還需要考慮模塊自身底部構造是否能準確的與頂部構造相連接。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、車間的生產方便、構件運輸的難易，將單個房間的復雜部位單獨作為一個模塊，如MIC1和MIC2，在設計階段進行機電管線和水管的預鋪設，預留孔洞，盡量避免不規則表面和后期現場開洞的情況。4)準確性:單個模塊的安裝精度要求高，生產成本大，在設計階段需要詳細的考慮到建筑、結構、機電、暖通、給排水等專業的互相匹配性，避免因細節錯誤導致后期無法安裝或安裝后無法進行下一步工序的問題。
4模塊化建筑優勢
混凝土模塊化建筑作為新興建筑，近年來逐漸進入公眾視野，主要有如下優勢:1)速度快:工廠內部流水作業，自動化、機械化程度高;水電管線、裝修一體化，現場組裝完成即可交付使用;現場施工量少，施工進度受天氣影響較小。2)質量優:自動化流水生產線，變高空立體作業為平面作業，更易控制質量;工廠制造，交付前層層檢查，整改更方便，質量有保證。3)綠色環保:工廠內部生產，建筑材料回收率高;現場施工對環境干擾更小;模塊建筑拆除過程損壞小，可實現再利用，周轉使用率高。4)經濟優勢:現場施工時間短，人工及管理成本低;建造速度快，縮短投資回報周期。
5結語
本文從混凝土模塊化建筑的發展、具體應用、連接形式、設計注意事項、優勢等多個方面進行闡述，通過利用BIM技術進行混凝土模塊化建筑的設計和深化，相比于傳統二維繪制，提升了繪圖效率、豐富信息表達、提升了模型的可用性，為混凝土模塊化建筑的設計研究與應用提供借鑒。
參考文獻:
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［3］張瑩瑩，張宏．基于BIM的輕型結構房屋系統模塊化設計研究［J］．建筑技術，2019，50(5):566-569．
［4］張遠平，夏志偉，唐可，等．建筑設計視角下的大型醫療設備發展趨勢［J］．中國醫院建筑與裝備，2020，21(5):86-89．
作者：丁磊 單位：安徽海龍建筑工業有限公司
