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装配式钢结构的建筑模块化组合研究与应用丁大伟

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年3月下作者：丁大伟

[导读] 发展装配式建筑有利于国家可持续战略的实施，促进环境、资源、人类、建筑和谐发展。若要实现现代化的装配式建筑，则要打破常规，研究发展更易于集成的建筑结构体系。

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摘要：发展装配式建筑有利于国家可持续战略的实施，促进环境、资源、人类、建筑和谐发展。若要实现现代化的装配式建筑，则要打破常规，研究发展更易于集成的建筑结构体系。
关键词：装配式钢结构;建筑模块化组合;研究与应用
        引言
        装配式建筑具有对环境污染小的特点，符合我国可持续发展要求，推广装配式建筑正式提升到国家层面。随后各地不断出台装配式建筑的相关政策，装配式建筑的发展迈上了新台阶。
        1预制装配式钢结构的优点
        预制钢结构建筑与混凝土装配式建筑一样，是由工厂生产预制钢构件，然后通过相应的运输方式运到现场，采用可靠的安装方式装配而成的结构，其包括预制装配整体式钢结构、全预制装配式钢结构等。与传统现场浇筑混凝土的工艺相比，预制装配式钢结构的优点主要包括四个方面：提升施工质量、降低技术要求、降低成本、减少环境污染。（1）提升施工质量：预制装配式建筑工厂的作业环境更好，机械化程度、劳动效率更高。由于构件的定型化和标准化，预制构件比现场浇筑构件可节省较多的人工和材料,同时能够改善传统混凝土工艺墙体渗漏、开裂的通病，提升建筑的整体安全等级以及耐久度，产品的质量保证率更高。（2）降低技术要求：传统的建筑施工方式由于在露天场地，易受天气影响，对施工技术有较高的要求。而预制装配式建筑采用了在工厂预制构件，施工现场安装的形式，在提升构件质量的同时降低了技术要求（3）降低成本：相较于传统施工方式，装配式技术能够将施工速度提升30%，缩短施工周期，减少人力物力，具有明显的经济效益。构件由工厂预制，减少了施工过程中脚手架、模板的使用，节约了建筑施工成本。（4）减少环境污染：传统的建筑施工方式会产生大量噪音污染、粉尘、建筑垃圾及建筑污水。相比之下钢结构构件轻质高强、节省材料，且钢结构可以拆卸回收，其建造过程节能、节水、节地。
        2在装配式钢结构的建筑模块化组合方面
        2.1装配式钢结构在建筑空间模块方面
        第一，从功能、结构受力、构造、建造材料、成型工艺等多角度对建筑空间模块单元进行系统的划分。提出了EPS模块建筑空间模块和钢—混凝土组合结构空间模块。设计了新型建筑空间模块的构成要素、受力结构、墙面、楼板和连接构造等，形成了完整、系统的知识构架，具有切实的参考价值和实际意义。第二，在提出的新型EPS模块建筑空间模块与钢—混凝土组合结构空间模块的基础上，推导了建筑空间模块刚度计算方法。第三，基于ANSYS所建立的全尺寸空间模块有限元模型，对单跨、多跨空间模块单元进行有限元模拟，得到了相应的应力云图、位移云图、荷载-位移曲线。对比了跨度不等的单跨空间模块单元模拟结果，得到了跨度对空间模块单元刚度的影响规律。对比了等跨度，跨数不等的空间模块单元模拟结果，得到了跨数对空间模块单元刚度的影响规律。对比了单跨跨度相等，跨数不等空间模块单元模拟结果，得到了等单跨不同跨数对空间模块单元刚度的影响规律。给出了空间模块化建筑结构设计建议。
        2.2在组合模块化建筑结构体系方面
        第一，依据建筑空间组合原理，在笛卡尔坐标系中对建筑空间模块进行了组合，分析了各种空间模块组合思路。第二，提出了装配式空间模块化钢—混凝土组合结构体系和装配式钢框混凝土盒式结构体系。设计了两种新型模块化建筑结构体系的受力结构、连接构造。为模块化建筑结构设计提供参考，为模块建筑结构体系的发展起到铺垫的作用。
        2.3在建筑空间模块连接方面
        第一，研究了建筑空间模块单元连接技术，通过采取一定的构造措施与技术措施可实现隔震、减震等，有利于结构抗震、耗能的功能。第二，提出了建筑空间模块单元钢框连接和组合结构空间模块单元梁柱组合螺栓连接的技术方案，设计了两种连接技术的基本构造形式。对新型梁柱组合螺栓连接技术进行了理论计算，设计了相应节点模型并进行了验算。两种新型连接技术均采用螺栓实现建筑空间模块的连接，有效的提高了建筑空间模块单元的施工效率。

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第三，基于ANSYS所建立的全尺寸梁柱连接节点有限元模型，对三种不同截面形式芯柱的节点进行低周往复荷载模拟，得到了应力云图、滞回曲线和骨架曲线。对比模拟结果，得到新型构造节点有良好的受力能力和抗震性能，且芯柱对于节点承载力等各方面性能无明显影响。新型节点可通过减小梁柱截面尺寸在满足受力要求的前提下，避免露梁、柱的问题。
        2.4单元模块的创新组合形式
        单个单元模块不起眼，但在增加数量后，进行不同的排列组合，可以塑造多样的空间效果，这种空间灵活多变，既能满足使用者求新、求变的心理需求，也能满足不同功能的需要，提高空间使用效率，同时符合经济节能环保的原则。因此，笔者以六边形的平面布局为研究出发点，通过排列、组合、叠加等方式，推敲塑造出不同功能平面以及围合空间的单元模块组合效果。
        3装配式模块化建筑的应用范围
        近年来，物联网和区块链技术快速发展，城市生活智能化，这也对建筑行业提出了新的要求，如建筑长寿化、品质优良化、绿色低碳化、建设产业化。本文中所研究的六边形装配式单元模块及其组合方式，满足上述要求，且可应用于多个领域，如医疗、文化、经济、应急领域。
        3.1医疗领域装配式模块化
        建筑为国家疫情防控提供了一种可能性。装配式模块化建筑具有组合形式多样、地形适应性强、组装快速等优点，可在疫情爆发地快速提供临时性的建筑场所，一方面为医疗团队提供方便快捷、可灵活移动的核酸检测点和休息场所，另一方面单元体的独立性可以起到分散人群、减少交叉传染的作用，一旦检测出传染者，可及时提供单个的单元体隔离病患，避免传染他人。
        3.2文化领域
        对于展览建筑而言，预制装配式建筑意味着可以拆卸和重新组装，可变性强。可以根据需要围合成一个大型空间用于人员聚集交流的场所，也可以根据不同的宣传主题定制不同的组合形式，提升宣传效果。另一方面将其布置于广场、社区等公共场所，可让文化宣传更贴近群众的日常，丰富人们的精神世界。
        3.3经济领域
        装配式模块化建筑对企业的发展有着巨大的推动力。企业发展离不开商业化的宣传，线下宣传作为企业宣传的重要手段，装配式单元模块化建筑可根据企业需求定制，用于发布会、线下体验、音乐节等活动。
        3.4应急领域
        对于地震、洪水、龙卷风等自然灾害，人们会因此丧失生活家园。装配式模块化建筑可以为受灾群众提供临时的保障性居住场所，以及联络室、心理咨询室、室内活动室等精神文化场所，在保障受灾群众的物质基础上，提供精神抚慰。
        结束语
        近年来，预制装配建筑在我国的应用和推广愈发广泛，运用钢结构制成的单元模块具有高效便利、经济节能的优点，符合我国可持续发展的社会理念。以火神山、雷神山医院为例，人们对临时性空间场所需求的增加，将会促使其运用越来越广泛。基于装配式钢结构技术，通过对六边形单元模块组合排列的研究，形成更多丰富的建筑空间，以此满足不同使用需求，为社会创造更多效益。
参考文献
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