模块化结构在高层建筑中的应用.doc

模块化结构在高层建筑中的应用R Mark Lawson SCI Professor of Construction Systems, University of Surrey,UK*Ray G Ogden Professor of Architectural Technology, Oxford BrookesUniversity, UKRory Bergin Head of Sustainability , HTA Architects, UK*University of Surrey, Faculty of Engineering and Physical Sciences, Guildford, GU2 7XH(m.lawsonsurrey.ac.uk)摘要：由于建造速度和经济性，模块化结构为欧洲多层住宅建筑所广泛使用。模块化结构技术的引入，显示其可应用于的建筑形式和高度。12、17和25层高案例研究表明模块化建筑设计和施工比较适合于这些高大的建筑物。案例研究还表明，模块化的系统结构作用如何影响大楼的建筑设计理念。钢或混凝土框架的组合模块增加了结构设计机会的范围，特别是混合使用商业和住宅楼宇。在这些案例研究的基础上，可持续发展和模块化建设的经济利益显而易见。关键词：模块化；钢；住宅；高层；施工；经济引言模块化施工，包括预制房间大小、体积，通常完全在现场制造和安装作为沉重结构”，其主要优点是：1、 多个重复生产规模的经济2、 现场安装速度3、改进制造质量精度潜在的、模块化的建筑物也会拆除和再利用，从而有效地维护了它们的资产价值。目前的模块化结构的应用范围是在蜂窝式的建筑，如宾馆、学生宿舍、军事住宿、社会住房，在这里模块尺寸兼容于制造业和交通运输的要求。在目前的模块化结构，所有类型的申请正在进行审查，最近的钢结构协会出版物（Lawson, 2007），一篇论文（Lawson, Ogden etal）描述了模块、面板和钢框架的混合使用，以创造更加适应建筑形式。在钢结构中有两个通用的模块化形式，这会影响它们的应用范围和建筑的设计形式：1、 承重模块通过模块的侧壁转移负载（见图1）2、 受支持的角模块负载转移通过到角柱边梁在模块化系统的第一类，墙壁的压缩抗力（一般包裹轻钢结构C在300至600毫米间距的部分）是控制因素设计。双层结构的模块化的墙壁和地板/天花板组合增强了建筑系统中的隔音和阻燃性。在第二种类型的模块化系统中，角柱抗压试控制因素，因为这个原因，方形空心型材（SHS）的经常使用，是由于它们的高屈曲抗力。水平抵抗力，例如风荷载和强力的意外作用，成为高层建筑越来越重要的因素。运用以确保模块化组件足够稳定性的策略，作为建筑物高度的功能是：1、 隔膜板或支撑在墙壁内的模板适合46层楼2、 位于电梯和楼梯区域或在山墙底部的热轧钢板独立支撑结构适合610层楼3、 钢筋混凝土或钢核心适合更高的建筑模板是绑在一起的，它们一起行动，转移结构风荷载，并提供替代荷载路径中一个事件模块被严重破坏。对于更高的建筑，问题的抗压性和整体稳定性要求深入了解轻型钢结构C在承重墙部分的行为和模块之间相互连接的强劲表现。模块化结构在高层住宅楼模块的空间安排设计采用模块化结构并不是阻碍创造力。模块化的房间或双房间或房间和走廊模块可用于创建各种类型的公寓。这些类型可以放在一起做一些有趣的和多样的建筑形式。高层建筑的性质是这样的：模块集中围绕一个核心或稳定系统。选择的模块化系统具体特点是在早期的设计团队了解详细设计，使符合该特定系统的限制。典型的模块是3.3米（11英尺）至3.6米（14英尺）宽（内部尺寸）和6米（20英尺）到9米（30英尺）长。一个模块式25到35平方米（270刀75平方英尺）的建筑面积，并常用于单人住宿。2模块一般适合二人公寓（有一个卧室）和三个或四个模块适合全家大小公寓（一生的家园，2010）。在所有的情况下，厨房和浴室是安排靠近走廊或其他可利用空间，这样可以进行服务连接和维修相对容易。模块有承重墙，通过建设侧墙的模块应该垂直对齐，尽管高达2.5米宽的开口可以创建侧墙，但这取决于负载。对于角柱模块，墙壁都是非承重但角柱必须调整和整个建筑物的高度连接。此外中间的位子可能需要长期的模块，使柱子间的边梁跨度不是太深。高层建筑设计中的模块化结构受结构、火灾和服务要求的深深影响。从建筑布局的角度看，两个通用的平面图可被视为空间关系的模块围绕一个稳定的混凝土核心：1、 一组模块，这是从核心或从大堂旁边的核心，如图2所示。2、 一个模块走廊的安排，该模块可以从从走廊两边的核心，如图3所示。除了外部的阳台系统，可用于创建一个层的外部特征提供私人空间和建筑的兴趣。阳台可以附加在角柱的模块或可有地面支撑。模块内的不可或缺的阳台可由端壁内侧的模块提供。最佳使用的模块化结构，可实现设计的高度，从而使更加昂贵的建筑物的部分模块化形式和更开放的空间作为一个普通结构钢和混凝土框架。这需要认真考虑建筑物的结构和空间规划。高层建筑模块结构的作用模块组装结构的行为是复杂的，因为影响的公差在安装程序，多个之间相互连接的模块，并在其中的力量转移到稳定的元素，如垂直支撑和核心墙。考虑在高层建筑模块化结构设计关键因素是：1、在墙壁上的模块中，影响安装偏心率和制造公差的额外力量和瞬间（Lawson and Richards,2010）。2、由于模块组摆动稳定的二阶效应，重要的是设计角柱模块。3、力传递水平荷载的稳定系统，通常是在一个混凝土核心。4、强劲的意外行动（又称结构的完整性）模块化系统的离散角连接。在承重墙的模块化系统中，轴向负载通过直接壁转移到承重墙，同时考虑结构偏心率，从而导致额外建立起来的瞬间和突出在墙壁基础上的局部承压压力。只是建议每层（0.2英尺），最小为5毫米偏心被视为墙壁的模块设计，最大为50毫米（2英尺）(BCSA, 2007)。二层塑料板或类似的板连接到内部墙面用螺钉在不超过300毫米的间距。水泥刨花板（CPB）或定向刨花板（OSB）往往是连接到外部模块的墙壁。在生产电路板，可固定空气驱动引脚有粘关节增强，这些板抑制墙在面内的屈曲。在一个较低水平严重损坏模块的事件中，一个模块组件抵抗外加负载的能力依赖于角落的模块的发展的约束力量。在这个所谓的偶然极限状态的加载一般采取自我重量加上施加负荷的三分之一，这反映了在罕见事件中所有楼层的平均负荷。为了满足一个模块发生意外伤害的强劲性，可以建立一个简化的基础上相邻模块之间的纽带力量模型，在这个模型中模块相邻悬挂。为设计目的，建议（Lawson & Byfield, 2008）在任何约束模块之间的最小水平力为不低于30%的总负载模块，而且不小于30KN（3吨）。防火和隔音在大多数欧洲国家，超过28层楼的住宅（通常10层）需要120分钟的耐火要求，且在一些国家，喷头也是必须的。来自四个重要的模块化结构的耐火方面的表现。1、 轻钢结构墙的稳定性是一个适用于负载功能和有防火的内部模块的墙。2、 模块的负载能力受到热屏蔽效应的天花板下方模块的影响。3、 在模块间清除火灾蔓延的防火屏障（在模块间的空腔，以防止烟雾和火势蔓延）。4、 限制通过双叶墙和天花板模块结构传热。一般来说，内部的墙壁和天花板的模块由两个15毫米（0.6英寸）的石膏板层构成（至少有一层防火石膏板使用蛭石和玻璃纤维）。矿棉放置在C部分之间（也是声学的要求）。地板和天花板组合和承重轻钢墙可以达到120分钟的防火，这取决于模块外使用的衬板类型。特别是辅以外部衬板，双层墙和地板天花板模块还提供优良的耐空气声和冲击声。此外声音的减少和地板刚度振动的降低，可以通过一个薄的混凝土地面找平层放置在光地板或作为一个复合板墙壁间的跨梁或边梁。稳定的混凝土核心模块的个案研究伦敦西部的Paragon高层建筑模块，一般用来抵御只有竖向荷载包括覆层和走廊荷载，水平荷载则转移到混凝土核心。在集群的排列下，该模块直接连接到核心，这一般通过连接到板的核心。在走廊的排列下，水平荷载通过平面支撑的走廊转移并再次连接到核心。因此，距离外模块的核心是受剪切力限制，这可以通过走廊或由消防疏散目的行走通道转移。这一概念已被用于伦敦西部的Paragon的一个项目，如图4所示（Cartz, 2007），一系列的11至17层是采用承重角柱模块，该计划的L形建筑形式如图5所示。该模块还制造走廊的部分，走廊的一部分是包括在每个模块当中。因此模板两端的转角柱和走廊地板的投影是通过模块的硬边梁实现的。该项目包括600个独立学生宿舍的形式，共有827模块，114个独立工作室，44个卧室和63套关键工人公寓。这17层建筑，由413哥模块组成。模块2.8米（9英尺）至4.2米（13.5英尺）宽这是在英国的高速公路运输的最大。边梁为楼层200 x90（8x3.5）并行的法兰通道（PFC）和天花板PFC为140x70（5.5x2.7），以为设计部分开放了6米的模块跨度。构建一个或两卧室公寓需使用2个或3个模块，每个35至55平方米（375至590平方英尺）的楼面面积。该计划行式显示了许多不同的房间布局，这有可能使用角支撑模块。领奖台上模块的案例研究Bond Street, Bristol模块化结构，可结合钢或混凝土框架结构，延长其在尺寸约束的模块化系统中空间规划应用的灵活性，否则限制太多。适应模块化技术而设计的“领奖台”或平台结构，其上放置模块。在这种方式下，开放空间可以提供零售和商业用途或地下室停车场。支撑梁应对齐模块的墙壁且柱子通常安排在6至8米的格（20至26英寸）。在地下停车场或地下室中最佳的柱网是7.2米（24英寸），因为它提供了3个停车位。图6显示了在英国西部的Bristol的一个12层的混合住宅和商业建筑，其中6至10层的模块坐落在2层钢框架平台。400个卧室模块为2.7米（9英寸）外宽，约100模块结合成对，形成2个房间组成的工作室。厨房模块是3.6米（12英寸）外宽，由四个支撑钢芯提供稳定性，并在其中放置一些模块，该计划如图7所示。一个由5个房间形成的车厢所形成的双走廊可以用于消防安全的目的。稳定性是由支撑钢芯和放置在内核间的最多的5个模块所提供，这样是为了限制连接到核心的力。建筑使用一个轻量级的包覆系统，组成一个“雨屏”，在其中的熔覆自重支撑模块。在空气和天气紧密层和大多数的绝缘体提供模块内交付。高层建筑在Wolverhampton的个案研究在英国中部的Wolverhampton有一个25层模块化建设项目，对其研究可以获得施工过程的数据。它是由3块8至25层构成，总项目有824个模块。最高建筑是A座，如图8所示是它的施工期间。在这三个建筑物总楼面面积为20730平方米（223000平方英尺），这包括一个平台层。莫板的面积占79%的总楼面面积，平均模块大小为21平方米（226平方英尺），但最大的为37平方米（398平方英尺）。该项目开始于2008年7月，并于2009年8月移交于客户（59周）。在平台层之后，模块的安装开始于2008年10月，A座混凝土芯块的施工是和C、B座的模板安装同时进行的。重要的是，非现场技术的使用意味着现场活动和材料的储存远远低于传统建设，这对于项目的规划至关重要。最高的建筑A座，有各种水平设置使用悬臂式模块，以减少其外观尺寸。轻质复合用于所有建筑物，包括一个混合物绝缘粉刷层和复合板，这是直接连接到模块外部面层。3座楼的覆层总面积为10440平方米（112300平方英尺）。工程数据模块的重量从10吨至25吨，这取决于它们的楼层面积的大小，模块的自重大约是5.7千牛/平方米（120磅/平方英尺）。在C座的模块由移动吊车装置安装，而A/C座模块由混凝土核心支撑的塔式起动机安装。824个模块安装时间为32周，安装队伍共8个和2个项目经理。虽然高效率安装高达15天，但平均每天安装率为7模块，这相当于14.5个工时模块安装。从3、4个工厂经理领导40至110个工人的整个施工队伍中，非模块化组件施工超过59周的项目变化不等，据估计，相对站点密集的混凝土施工的施工周期超过50周（或在施工周期内节能45%）。据估计，为建造21平方米（225平方英尺）模块地板，通过模块化的供应商、制造和内部管理的努力，是相当于生产力的7.5人-小时每平方米建筑面积（模块0.7工时/平方英尺）。这并不考虑设计的建筑师和外部顾问的输入，而这可能会对总的努力增加约20%。在较高处的模块，约14%的重量在钢模组件，56%在混凝土楼板。在较低处的高层模块，钢重量占到模块重量的19%，钢使用从67至116公斤/平方米(14至24磅/平方英尺)的楼层面积，这是高于一般用在高层模块化系统的50至60千克/平方米（10至12 磅/平方英尺），这是因为使用在这种类型的模块化系统的混凝土地面。估计耗尽人的努力就已完成的建筑；36%在制造业，9%在运输和安装，以及55%在其它建筑建设中。在制造和建设建筑的总工作量是约16小时（1.5小时每平方英尺）没平方米楼面面积，它代表了一个估计相对站点密集建设约80%的生产率增长。运输和垃圾清除在施工期间进行了现场运输监测，在模块的安装过程中，每天约进行了6个主要运输，这除了平均6至12个运输的模块。在混凝土核心浇筑中，约6x8立方米（280立方英尺的混凝土泵车按计划浇筑该核心，它的进展速度为三天一层。安装模块中，垃圾从现场清除的速度只有每星期26立方米（210立方英尺），在后阶段达到每星期6立方米，约相当于3万吨的一般废弃物，包括下脚料和包装，这是相当于约每平方米9公斤（1.8磅每平方英尺）的量。建筑垃圾的量相当于模块面积的25千克/平方米（5.1磅/平方英尺），其中43%的垃圾回收。这占到模块地板总面积的79%，约相当于这个建筑重量的5%。相比建筑行业1013%的平均水平，浪费材料少，垃圾回收利用多。因此，模块化结构至少减少垃圾填埋70%。模块化建设可持续发展优势的总结模块化结构系统提供了一些借鉴，以提高项目的施工工艺的可持续性，且以优越性能完成建设。1、 传统的建筑工地上建筑垃圾大幅减少1015%，小于工厂环境的5%，这也为垃圾回收提供了更大的商机。2、 前往工地的运输车辆减少到了70%，大部分的运输转移到了工厂里，这里每个交付提供了比运到建筑工地更多的散装材料。3、 施工现场噪音和干扰减少3050%，这意味着，在传统的建设进程中不影响临近的建筑物。4、 建筑结构的气密性和热工性，可以远远优于工地上由于接缝产生的更小的误差，这也可以在工厂环境下实现。5、 有效利用轻质材料和减少垃圾的方法，意味着建筑材料的能耗也较少了。6、 工地和工厂的安全大大提高，据估计相对工地紧张施工，事故报告减少80%以上。模块可以在安装前附加保护屏障，或在某些情况下，提供“笼子”式保护的升降系统。模块化结构的经济效益模块化结构的生产远离施工现场，本质上是缓慢的非生产性的现场活动被更快更有效的工厂所取代。然而，工厂生产的基础设施需要更大的投资于固定的生产设施，产品的不断生产，以实现规模经济生产。模块建设的经济模型必须考虑以下因素：1、 生产设施的投资成本2、 制造和材料使用的效率收益3、 产量（经济规模）4、 现场施工的比例（与总建设成本相比）5、 运输和安装成本6、 安装速度和降低“麻烦”成本的好处7、 场地设施和管理的节省（初级）材料的使用和消耗量的降低，生产力的提高。制造设施的固定成本占总投资总额的20%。即使是在高度模块化项目中，很大比例的额外工作在现场完成。背景资料可以从最近的审计署报告Using Modern Methods of Construction to Build Homes More Quickly and Efficiently (National Audit Office, UK,2004)得到，该报告估计现场工作的比例约为完全模块化建筑成本的30%，这可能大致分为基础（4%）、服务（7%）、维护结构（13%）和整理等（6%）。然而在许多模块化项目中，现场工作的比例可高达55%见Wolverhampton case Study。模块化结构也节省了调试和“麻烦”的费用，这些可在传统建筑中高达2%。安装速度带来的经济利益可能会被认为是：1、 减少客户的利息费用2、 早期创业经营或租金收入3、 减少干扰当地或现有业务这些业务相关的利益显然受到业务规模和类型的影响，这实惠是由于减少利息费用可以达到较短的建筑周期的2-3%，审计署报告估计，使用模块化结构总的财政节约可高达5.5%。经验教训案例研究表明，模块化结构可用于高达25层楼的住宅建筑，由混凝土或钢框架的核心实现其风力作用下的稳定性。高层建筑中的模块可以集中围绕一个核心，或者可以连接到一个支撑走廊，其可以将风荷载转移到核心。设计中的承重墙或角柱应考虑由于制造和安装误差所造成的偏心影响。模块化建筑的三个案例研究表明，可以根据模块化系统的类型创建不同的平面形式。角柱模块提供了更多的房间布局的灵活性，但比全轻钢结构负荷系统有更多的制造成本。对于25层高的模块化建筑，钢材使用率从67到117kg/m2（14到24磅/平方英尺）不等的模块化系统的楼面有混凝土楼板。模块化组件大约占全部建筑成本的45%，施工期间减少了50%的相对密集建设场地，工地现场垃圾减少了70%，并且大多数制造垃圾可回收利用。结论本文表明，模块化结构可用于高层住宅楼。模块结构设计强烈受安装、制造误差以及模块间连接的影响。在模块的布局方面，三个模块有效的形成了一个两居室公寓。高层建筑中的模块可围绕一个核心，以减少模块和核心连接的力的大小。三个案例研究介绍了12、17和25层高的建筑模块，在最高的建筑中，收集了制造和施工的数据。基于模块化系统的生产效率，可持续性和经济效益改善了质量，提高了速度。从建筑上讲，模块化结构提供了一种新的建设方式，有必要理解制造和异地施工。鸣谢本文中的信息由Caledonian Building Systems, Unite Modular Solutions, Vision Modular Systems, HTA Architects and the Steel Construction Institute, UK.所提供。参考文献：Cartz J.P. and Crosby M Building High-rise Modular Homes, The Structural Engineer Vol 85no l 9 January 2007Lawson R.M. Building Design using Modules, The Steel Construction Institute P367, 2007Lawson R.M., Ogden R.G., Pedreschi R, Popo-Ola S and Grubb J, Developments inPre-fabricated Systems in Light Steel and Modular ConstructionThe Structural Engineer. Vol 83 No 6, 15 March 2005 p 28-35Lawson R M , Byfield M, Popo-Ola S , and Grubb J Robustness of Light Steel Frames andModular Construction Proc Inst Civil Engineers Structures and Buildings 161 (1) 2008 p3-16Lawson R M and Richards J, Modular Design for High-rise Buildings, Proc. Inst. Civil Engineers Structures and Buildings 163, June 2010 Issue SB3 p151-164Lifetime Homes Design Standard, Rowntree Foundation, UK, Revised 2010National Audit Office Using Modern Methods of Construction to Build Homes More Quickly and Efficiently, London UK, 2004图1：图2：图3：图4：图5：图6：图7：图8：