曾常阳
来实建筑系统（上海）有限公司广州分公司 广东广州 510000
摘要：模块建筑具有适用性广泛、建造工期短、建筑物寿命长、环保效果好、性价比高等特点，已成为建筑工程行业的重点研究对象。本文从具体工程项目出发，首先对模块建筑体系进行简单分析，然后详细介绍模块建筑结构的具体布置，并利用ETABS与YJK两种计算程序分析模块建筑结构的抗震性，最后论述一些实际的加强策略。
关键词：模块建筑；结构设计；预制集成建筑模块；核心筒；抗震性
利用模块体系建造建筑物，就如同搭积木一般，多个部分按照流程进行架设，从功能与效果上来说，其并不只是建筑行业的革新，也是大众生活方式的改变。对模块建筑结构设计进行研究分析，无论是对于建筑企业而言，还是对于单个从业人士而言都具有一定必要性。
1.工程概况
本文以某城市小区为具体项目，对其中一栋高楼采用模块建筑体系进行建造，建筑面积为1.21万m3，，分为地下与地上两部分，地下为剪力墙结构，地上为模块-钢筋混凝土核心筒结构体系，同时该地区的建筑物抗震设防烈度为7度、场地类别为Ⅱ类、地基基础为甲级。现采用威信模块设计与建造该项目的建筑体系。
2.模块建筑体系的初步分析
本项目的模块建筑体系由核心筒与多个预制集成建筑模块构成，其中核心筒具有一定的抗侧力，且二者通过可靠性非常强的连接件相连。下面从核心筒、预制集成建筑模块、施工流程、优点三方面对模块建筑体系进行分析。
2.1 预制集成建筑模块
预制集成建筑模块不在施工现场组成，其直接在工程车间以流水线的方式制作完成，是三维空间下的只承担自身重力的承重单元，具体的组成部分包括钢密柱墙体、混凝土楼顶（楼板与吊顶）、内部装置品等，且模块与模块之间依靠连接件相连。在进行预制集成建筑模块制作过程中，由于预制集成模块具有非常严格的精度要求，因此在具体制作过程中不仅要有经验丰富的制作工人与理论、技能高深的专业技工，还要遵循一定的生产流程及严格的质量控制规范，确保所有模块的工业性与标准性[1]。
2.2 核心筒
核心筒位于建筑工程的中央部分，贯通于建筑物全高，是模块建筑体系最重要的部分之一，主要发挥抗侧力作用，抵御可能会存在或发生的各种水平力，如地震、风力。在建设过程中应确保其具有良好的整体性，并满足一定的要求，如墙肢要对称均匀布置、简体墙的水平与竖向配筋不宜少于两排等。同时实践与理论证明，钢筋混凝土核心筒抗侧力要大于钢铁架。
2.3 建造流程
模块建筑建造可分为两大部分，现场施工与预制集成建筑模块生产，在实际的建造过程中，这两部分可同时进行。其中现场施工又可依据建造先后分为核心筒施工、预制集成建筑模块吊装、现场拼接。
2.4 模块建筑体系的优点
第一，建筑内部的厨房与卫生能被统一化设计与生产，同时能够极大简化操作性相对较难的现场施工，使工程精度保持在较高水平，同时工程更易被有效管理。
第二，无论是核心筒与预制集成建筑模块之间，还是模块与模块之间，都是以构件相连，正如上述所说，所使用的构建皆可靠性十足，这很大程度上确保着模块建筑体系的受力性与稳定性，这是以传统方式建造而成的建筑物所不能企及的。
第三，建筑物体系中不属于核心筒的部分都可被设计为方便运输的各种形状的预制集成建筑模块，而且能够在施工现场被快速安装好。
第四，在预制集成建筑模块吊装过程中，仅仅需要少量技术人员就可基本完成，且技术人员团队或小组与模块一一对应，这样不仅减少人工成本，提高工程效益，还简化施工沟通模式，确保建筑工程被保质保量的完成。
3.模块建筑结构的具体布置
本工程采用模块-核心筒结构体系，下面对具体的布置方式详加论述。
3.1 模块
模块采用钢密柱体系，主要承担自身纵向重力，基本不发挥抵御地震及风向横向水平力的作用。在对模板进行划分时，任意性相对来说较大，主要应满足制作、运输、吊运、安装的相关要求，在权衡之后，一般可将其设计在5m×12m范围之内。
3.2 核心筒
核心筒既承载自身重力，又承担水平力，所以核心筒又被称为抗侧力核心筒。在计算核心筒时，要依据两端铰接模型考虑钢柱。本工程中的核心筒材料为钢筋混凝土，由双筒构成，并在外墙与内墙之间加设钢骨柱，以承担竖向延展力。经过一番系统计算，可将核心筒外墙设为400mm，内墙设为200mm，并选取合适的混凝土型号，如C40。
图1 核心筒布置
3.3 整体工程的建设方式
模块与核心筒以连接件相连，并释放竖向位移，同时仅传递水平剪力与拉伸力。依据分块弹性楼板与分块刚性楼板分别计算有关工程参数，通常情况下，依据分块刚性楼板计算层间位移，并依据分块弹性楼板计算其他相关参数。
4.模块建筑结构抗地震性分析
此分析采用的方式是结构空间有限元，利用的软件为ETABS和YJK，对照规范为《建筑抗震设计规范》及其他有关标准，通过对结构动力、反应谱、弹性时程的分析与计算，得出本工程是否符合抗震要求。具体的分析过程为：
结构动力特性分析首先要确定不同振型，包括X平动、y平动、扭转，然后将不同振型编号，并利用ETABS与YJK分别分析扭转振型与平动振型之间的周期比。结果如表1所示。
（2）反应谱方法分析的是结构变形、基底剪力等是否符合要求，可采用组合为CQC，通过ETABS与YJK两款软件计算得出地震作用下及风荷载作用下的最大层间位移角、基底剪力、剪重比。
（3）弹性时程分析中，首先要将三组地震波加速度记录输入软件中，地震波类型可为1条人工波、2条地震波，然后得出各个波冲击下X与Y两个方向的最大层间位移角与基底剪力，并同《建筑抗震设计规范》对比。地震记录频谱特性与场地特性相一致，振型反应谱与时程波在地震影响系数曲线上具有统计意义上的相符性，且弹性时程分析中各楼层的剪力平均值与反应谱结果比较接近，如表2[2]。这个弹性时程分析会产生3组时程曲线，在计算结构地震作用效应时，应取曲线结果包络值与振型分解反应谱法计算结果中的较大值。
依据上述过程分析本工程的抗地震性，分析得到楼层剪力、周期比、有效质量系数、层间位移角、层间位移、剪重比等基本符合规范要求，且通过2个程序计算而来的结果基本不存在差异，因此模块建筑结构具有良好的抗震性.
5.模块建筑结构重点部位的加强策略
5.1 加强核心筒对水平力的抵抗水平
上述已经提到核心筒承担重力及水平力，为加强钢筋混凝土核心筒抵抗水平，需对核心筒进行性能优化，但应先预设性能目标，性能目标如表3所示。为实现以下目标，并考虑到全部水平力都由核心筒承担，核心筒墙肢需对抗较强拉力，所以在设计中采用型钢以抵抗水平拉力[3]。
5.2 采用包络设计
模块钢密柱采用包络设计，包络设计说的是两端铰接与一端固结一端铰接模型。当以一端固结一端作为工程模型时，按框架部分计算最大楼层地震剪力并取它的1.5倍，然后与20%的结构底部地震剪力对比，取二者中的最小值，依据此数值调整钢密柱框架部分的地震剪力与弯矩。
5.3 优化重点部位与构件的抗震性
上述已经提到模块与模块之间、模块与核心筒之间以连接件相连，在设计过程中要采用抗震性能化方式优化其抗震性，并依据地震反应谱、时程计算结果的包络值进行设计，使整体模块建筑结构达到小型地震弹性、中型地震弹性、大型地震不屈服的抗震性，以满足预设目标[4]。
5.4 采用多种方式加强不同种模块楼板的性能
首先，可适当增加模块楼板水平连接钢板及层间连接钢板的数量，在模块楼板水平连接处采用加劲肋增强槽钢，同时在钢筋构造时在其上附加双层通长抗拉。其次，在楼层局部凹进部位增加楼板，并在两模块连接处附加双层通长抗拉构造以增强钢筋。最后，以双层双向配筋的方式构造内外核心筒之间的模块楼板，同时应关注此类楼板的配筋率。
6.结语
经过以上分析，可得出本工程采用的结构体系科学、结构布置合理、抗震措施有效、计算结果符合标准与规范，在采用有关加强措施之后，抗震性能与预设目标相符，整体结构具有较优的承载力与变形力。
参考文献：
[1]张百振. 多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与研究[J]. 科技创新与应用，2018，250（30）： 99-100.
[2]丁阳，邓恩峰，宗亮，et al. 模块化钢结构建筑连接节点研究进展[J]. 建筑结构学报，2019，40（03）：37-44.
[3]秦士颖. 建筑抗震设计课程模块化教学方法探索[J]. 中国教育技术装备，2018，438（12）：78-80.
[4]周全，季翔，柴庆霖. 模块化设计在装配式钢结构住宅中的应用研究[J]. 建筑与文化，2018，No.169（04）：66-67.
论文作者:曾常阳
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第23期
论文发表时间:2019/7/19
标签：模块论文; 建筑论文; 核心论文; 楼板论文; 剪力论文; 抗震性论文; 体系论文; 《建筑模拟》2019年第23期论文;