模块化钢结构建筑发展优势浅析

模块化钢结构建筑发展优势浅析

李景龙 1. 陈志娟 2

1. 上海极丹德工程技术有限公司青岛分公司 山东 青岛 266520

2.青岛武船麦克德莫特海洋工程有限公司 山东 青岛266520

摘要：随着国家“一带一路”倡议实施的不断深入，以及中国在基建领域的迅猛发展，越来越多的工程公司参与到各种国际钢结构工程项目之中，承接各种类型的钢结构项目。同时伴随着国际项目经验的逐步累积，模块化建造技术应运而生。模块化建造体系包含了结构设计体系、模块单元类型分类体系、子模块间连接体系等。所谓模块化建造，是指将模块在设计过程中进行功能性分类，子模块的工厂流水预制、子模块的现场安装。模块化施工具有大量减少人工成本、降低总造价、缩短施工工期的诸多优点[1]。但在模块化工厂集成化过程中，对结构加工及精度控制有着较高的要求，需要严格控制加工精度和结构偏差，确保现场安装精度。

关键词：模块化构造；钢结构建筑；制造工艺；

引言

模块化钢结构建筑设计是一种新型的钢结构设计体系，具有工厂化程度高、施工周期短、质量可靠、现场施工工作量小，绿色环保等特点。这种结构体系是将建筑划分为若干个钢结构模块单元，模块单元在工厂进行加工制作，同时将设备安装、管线和内装修等一并整合完成。工厂内制作完成的箱型模块运输到现场后吊装到位，进行箱体节点连接和拼缝处理、箱体间管线贯通、外立面装饰等工作[2]。

1模块化的基本概念

模块化指针对一个复杂体系，将其逐层划分为若干子模块的过程；每个子模块具有不同的功能和属性，可以反映其核心特点，作用主要是分割、组织和整合，而且每个部分都有特定的子功能；所有子模块按某种逻辑顺序组合成一个整体并实现整个系统的全部功能。模块化的特点包括：1．符合国家推广的装配式生产工艺发展趋势。2．具有自重轻的优点，其自重约为传统钢筋混凝土结构的1/3。3．从生产到组装，整个过程绿色环保，每个子模块均可整体拆卸。4．有效的缩短了现场施工周期，仅为传统建造方式的40%左右。5．通过对于不同子模块的优化设计，子模块可以通过海运和陆地运输完成海外项目在国内生产和国外组装的联合生产模式。6．对于不同建筑外墙材料具有较强的融合适应性，包括大理石、玻璃幕墙和铝板等等。7．工厂预制可以实现流水线生产，既环保又具有较强的经济实用性。8．建筑应用类型广，可定制设计建造，广泛应用于各种类型的建筑类型，例如工业厂房，办公楼，化工厂，露天矿山机械开采，公寓式酒店，宿舍等永久性建筑[3]。

2模块化钢结构建筑的优势

2.1保证质量

在模块化钢结构的建筑施工当中，模块化钢结构建筑中的子模块都是在工厂流水线预制完成的。从生产环境的对比来看，工厂的生产环境更加优越，有利于子模块生产的质量控制。同时，工厂质量控制体系的建立和实施，有利于产品质量的监管，防止质量事故的出现。因此，模块化钢结构建筑的质量更加可靠，出现由于人为失误或者气候影响而产生的质量问题的可能性更小。

2.2安全环保

工厂流水线的生产，方便了生产过程中的安全体系的建立和实施，对于安全生产的有效控制。同时，由于大部分工作在工厂内可控环境的完成，也减少了项目施工场地的扬尘，空气和水的污染以及若干无损检测产生的辐射污染等等，最大化的减少了项目全程对于环境的污染。

2.3节约资源

由于采用了流水线生产的模式，生产材料的集约化管理和统筹利用效率会更高，有利于生产资源的节约；此外，模块化钢结构建筑还具有便于拆卸的优点，也方便了未来资源的回收利用。

3模块化构造设计

3.1模块化结构构造

钢结构模块化设计可以充分考虑子模块的运输限制条件和现场安装的特殊要求。通过采用合理的工厂集成化制造方案，辅之以科学的吊装安装方式，以及适当高效的子模块连接方案，可以保证模块化的高效预制以及现场组装的高精度控制。另外，通过国际流行的设计软件，例如TeklaStructure，PDMS，CAD等等三维设计软件结合ABAQUS、ANSYS、MSC等有限元分析软件，为模块化设计提供了强有力的技术支持，为模块化制造创造了有利的条件[4]。通过合理的子模块分类结合合理的组装方案，有效地保证了工厂加工、跨海运输、现场安装的高效性和经济性。

3.2子模块的连接可分为以下几大类，子模块内部的连接、子模块之间的连接、模块整体与外部结构的连接[5]。本文主要讨论的子模块质检的连接。模块化钢结构最关键的部位便是其节点，也就是子模块的连接部分，其是实现模块整体连接与稳定的保障，节点需要满足安全可靠、传力明确、构造合理、耐久性好、便于施工安装和检测等要求；

4模块化钢结构加工控制

4.1胎架的设置

胎架作为主要承力构件，对于保证预制精度，预防焊接变形十分重要，设置时应保证具备足够的强度和稳定性，避免结构预制过程中产生失稳，造成安全事故。采取胎架及加固工装措施，有利于控制焊接变形，保证加工尺寸的精度控制。胎架通常由H型钢框架及防变形工件组合焊接而成，H型钢需有足够的强度和稳定性，采用截面400mm以上的型钢。

4.2焊接工艺控制

焊接工艺和焊接顺序对于焊接变形的控制影响很大，焊缝尺寸大小直接关系到热输入的大小；焊接坡口的设计决定了工件两侧受热输入影响的程度是否有较大的差别从而导致工件的变形；焊接工艺的制定，焊前预热、调整焊接顺序、焊后热处理等方法可以有效的控制焊接变形。尤其是对于高强钢，焊前预热可以有效的防止焊道裂纹的产生。为减少焊接残余应力及母材淬硬倾向，防止冷裂纹产生，焊前预热通常可以采用电加热或火焰加热。火焰加热的缺点主要是不易控制预热温度和预热均匀度，加热范围应覆盖焊缝两侧各100mm以上。电加热可以有效的控制预热区域和温度，确保预热的均匀性。加热时必须用测温笔在离焊缝中心50mm的地方测温。焊缝若沿构件截面分布不对称，会导致该构件焊接时产生弯曲变形，通常需要合理的安排焊接顺序，或者局部增加临时加强结构来控制焊接变形。

5未来钢结构模块化建筑的发展前景

钢结构建筑行业作为基础产业，其发展程度将影响一个国家的经济发展程度。随者科技发展突飞猛进，建筑领域也会引入更多的先进技术和理念，以促进钢结构建筑的现代化发展。模块化建筑凭借其绿色环保,质量精良、并行作业,施工高效、人力物力,优化配置、方便拆卸、灵活组合等技术优势，已经成为了未来钢结构建筑发展的主要方向之一。通过借鉴国外先进的设计生产技术与项目管理理念，促进我国钢结构建筑模块化的发展，是未来提升生产力和竞争力的有效途径。

结束语

本文分析了钢结构建筑模块化设计和施工的优势，其通过实现工厂化生产、现场精细装配、方便维护维修的模块化设计和建造思路，提升项目整体的质量水平和经济效能。通过实现钢结构模块工厂集成化制作，能够有效地缩短制作周期，制作过程中的精度控制是提高现场安装效率的关键因素，而通过制作过程中装配、焊接、测量等过程控制，可进一步保证现场安装精度。结合钢结构建筑模块化设计和施工在各个环节的优势，不仅仅可以促进我国在国际市场国际项目的竞争力，而且可以带动相关上下游产业的跨越式发展。

参考文献

[1]姜金泉.模块化海工码头系船桩制造工艺研究[J].建筑施工,2021,43(07):1364-1366.

[2]刘朋.一种大型海工栈桥的码头试验方法[J].船海工程,2020,49(04):57-59+65.

[3]王天然.集装箱码头智能信息管理系统模块化建设[J].集装箱化,2019,30(07):14-17.

[4]孙小路,张启庚,张大鹏.海工辅助船码头带缆受力计算[J].广东造船,2018,37(03):28-30+55.

[5]章明峰,邵波.基于人对人模块化的集装箱码头设备维修安全管理[J].集装箱化,2018,29(03):8-10.