柱承重模块化钢结构建筑模块间连接节点研究进展

摘要： 模块化钢结构建筑拥有标准化和工业化程度高、建造速度快等突出优势，现已成为建筑工业化发展的重要方向。模块间快速可靠的连接节点是充分发挥模块化建筑优势和保证结构整体性的关键。以施工现场难以快速拼接、多模块间连接操作困难、模块连接与墙板存在冲突三个主要技术难题为导向，归纳国内外柱承重模块化钢结构建筑模块间连接节点的研究现状，探讨国内外已有研究中提出的多种模块间连接节点形式难以支撑模块化钢结构建筑应用与推广的原因。针对目前模块间连接节点存在的问题，分析模块间连接节点被广泛适用的重要特征，建议在进行模块间连接节点设计时充分考虑模块化建筑多场景的使用需求，指出模块间连接节点的发展趋势，为柱承重模块化钢结构建筑的推广和应用提供参考。

关键词： 模块间连接节点；快速连接；建筑使用；研究进展；发展趋势

Abstract： Modular steel building has the advantages of high standardization，high industrialization and fast construction. It is popular in building industrialization. The quick and reliable connection between modules plays an essential role in modular steel building to ensure the integrity of structure. In this paper，the development of inter-module connection is summarized and three main technical problems are discussed，rapid assembly modules in the construction site，the connection between multiple modules，and conflict between module connection with wallboard. Although there are various inter-module connections，they are not widely applied in real constructions. Aiming at the existing problems of inter-module connections，the critical characteristics of widely used inter-module connections are analyzed. It is suggested to fully consider the multi-scenario use requirements of building use and multi-module combination. The development trend of connections between modules is pointed out，which provides a reference for the popularization and application of column-supported modular steel buildings.

Keywords： inter-module connection；quick connection；building use；research progress；development trend

在日益提高的绿色环保要求和劳动力逐年递减的现实国情下，我国建筑工业化发展迎来了黄金机遇期。2020年8月28日，住建部等九部门联合发布了《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》，指明中国建筑工业化发展的具体方向和措施：加强系统化集成设计，推广装配式建筑体系，大力发展钢结构建筑，推广设计、采购、生产、施工一体化模式。模块化钢结构建筑因具有节省工期、环境友好、适合模数化生产建造等优势 ^[1] ，符合国家相关政策的要求，将极大地推进绿色建造与建筑工业化的发展，为建筑产业带来新机遇。

模块化钢结构建筑是指将一个房间单元作为预制构件单位，在工厂预制后再运到工地安装的建筑形式 ^[2] 。预制模块可为带有采暖、上下水道及照明等所有管网装修完备的房间单元。图1~2所示为典型的模块化建筑施工现场与成品。

图1 施工现场

Fig.1 Construction site

图2 模块化建筑成品

Fig.2 Modular building product

模块化钢结构建筑旨在提供一种建造快速、绿色节能、使用舒适、设计简单的高效建造方式。但针对模块间连接节点的现有研究仍存在诸多不足，严重阻碍了模块化钢结构建筑的发展应用。本文旨在通过论述国内外模块间连接节点的研究进展，分析已有连接节点形式难以被推广应用的原因，给出该领域未来的研究趋势与展望，研究成果可为模块化钢结构建筑的发展和应用提供一定的参考。

1 模块化钢结构建筑的发展与应用概况

1.1 发展过程

20世纪50年代，欧美一些国家为解决“二战”以后出现的房荒问题，掀起了建筑工业化的高潮，主要表现在包括模块化钢结构建筑在内的预制装配化钢结构体系的广泛应用，美国出现了大量的移动房屋生产商和模块化房屋生产商，英国开始应用具有特定建筑功能的模块，例如卫生间单元、电梯单元等。20世纪60年代至今，装配式钢结构建筑在欧美、日本等地区的建筑市场已占据绝对优势 ^[3] 。西方发达国家的经济实力和先进技术为模块化钢结构建筑的蓬勃发展奠定了基础。相比于国外已有一定规模的模块化钢结构建筑市场，我国模块化钢结构建筑的发展还处在起步阶段。

1.2 工程应用

模块化钢结构建筑的应用主要集中于欧美及日本等地区，其中欧美地区的模块化钢结构建筑多采用轻型钢结构模块。目前英国采用预制装配化技术的新建建筑中，40%为模块化钢结构建筑，由于不考虑地震作用，模块化钢结构建筑得以广泛地应用于多、高层建筑中 ^[4] 。美国的模块化钢结构建筑能够很好地满足不同用户的个性化需求，且施工质量与制造精度更高，因此在住宅领域受到了极大的欢迎 ^[5] 。日本每天都有接近两百幢模块化钢结构建筑从工厂的流水线上被制造出来 ^[6] 。丹麦健全且强制执行的模数标准助推了模块化钢结构建筑的发展，且已有多项模块化钢结构建筑工程实例 ^[7] 。德国拥有多家以模块化住宅为主营业务的生产商。相比于模块化钢结构建筑在发达国家的蓬勃发展，国内模块化钢结构建筑则主要以集装箱改建的1~3层建筑为主，且只有少量示范工程，尚没有大规模推广应用。图3为我国首个大型模块化建筑应用示范项目——镇江港南路公租房，该项目采用模块-核心筒体系，单个模块最宽达4.5m，最长达8m。

图3 模块化公租房

Fig.3 Modular public rental apartment

2 柱承重模块化钢结构建筑模块间连接节点的研究现状

模块化钢结构建筑根据其结构形式及受力特点主要可以分为墙承重及柱承重两种形式 ^[8] ，如图4所示。其中，柱承重式的主要受力体系为钢框架体系，墙体不作为主要受力构件。柱承重模块化钢结构建筑的传力路径明确，模块规格多样，空间布置灵活，用户接受度高，通过添加支撑等有效抗侧力体系，可适用于多、高层建筑 ^[9] 。上述众多优点使得柱承重模块化钢结构建筑成为了国内外最受欢迎的预制装配式结构体系之一，是一种具有广阔发展前景的新型工业化建筑。

图4 墙承重和柱承重模块化钢结构建筑

Fig.4 Wall-supported and column-supported modular steel buildings

模块化建筑结构是由多个模块单元拼接而成的整体结构，其自身的结构特点与传统建筑结构有很大不同 ^[10] ，模块化建筑结构的整体受力性能取决于模块本身的力学性能和模块间的变形协调。模块化建筑的连接包括模块内连接和模块间连接 ^[11] 。模块内连接是指将模块梁、柱在工厂内刚性焊接为三维模块，模块间连接是指工厂预制的模块在施工现场的拼接组合，模块间的可靠连接是保证模块化建筑结构整体性的关键 ^[12] 。

柱承重模块化建筑钢结构模块间连接节点与传统建筑钢结构梁、柱连接节点在构造上存在很大差别，传统建筑钢结构中梁、柱是“一柱多梁”式，其中梁为单层内的梁，而模块化建筑钢结构中模块间为“多柱多梁”式，其中柱包括上下层柱，梁包括上下层梁，如图5所示。由于模块间连接节点的特殊构造，模块间连接主要存在如图6所示的技术难题。

图5 节点形式对比

Fig.5 Comparison of connection types

图6 吊装模块建造模块化建筑

Fig.6 Hoisting module to build a modular building

（1）施工现场难以快速拼接问题

模块化建筑追求的是快速建造，在施工现场需要采用大量焊接、构造复杂以及对安装误差敏感的节点构造，无法做到模块间的高效拼接。

（2）多模块间连接操作困难问题

上下8个模块间须满足竖向、水平横向与水平纵向3个方向的连接，连接难度大，施工要求高。

（3）模块拼接与墙板冲突问题

模块化建筑采用的是现场拼接全装修房间单元的建造方式，在模块间连接时常常会出现因存在墙板而缺少施工空间但又不能破坏墙板的矛盾。

针对上述问题，国内外学者提出了旋转件式 ^[13] 、自锁式 ^[17] 、预应力式 ^[52] 等节点连接形式，并通过试验、数值模拟、理论推导等研究方法分析了其受力性能和适用性，主要研究成果如表1~3所示，表中所列节点构造可用于但不只局限于解决上述问题。  

3 现有模块间连接节点存在的问题及分析

已有研究在解决施工现场难以快速拼接、多模块间连接操作困难、模块拼接与墙板冲突这三个主要技术难题时，未能很好地平衡施工现场高效拼接与模块间连接节点受力性能良好的冲突，部分节点构造忽视了建筑使用要求和多模块组合的便利性，在模块间连接节点对结构整体受力性能影响方面同样研究不足。现从主要影响模块间连接节点实际应用的现场拼接、节点受力性能、建筑使用要求、模块组合和模块间连接节点对结构整体受力性能影响五方面因素以现有节点形式进行概述。

3.1 现场拼接效率较低

影响模块间拼接效率的主要因素有：节点构造复杂、施工现场焊接工作量大、对安装误差敏感等。ANNAN等 ^[29-31] 、MILLS等 ^[32] 提出的组合式模块间连接节点构造较为复杂，且需要大量的现场焊接与混凝土现浇工作，不利于提升建筑装配率与节约工期。CHEN等 ^[24-25] 、公鹏 ^[26] 提出的插件-螺栓式模块间连接节点无需现场焊接与浇筑混凝土，装配率高，但安装较为困难。刘明扬等 ^[27] 提出的焊接内套筒式模块间连接节点现场焊接作业较多，且需将内套筒准确插入模块柱内，对安装误差敏感。上述模块间连接节点形式尚无法充分发挥模块化钢结构建筑快速建造的价值。

3.2 节点抗弯刚度不足

模块间连接节点抗弯刚度不足导致模块化建筑无法向多、高层建筑及抗震设防区域发展。对于集装箱建筑，箱体的强度、刚度均较好，但离散箱体的可靠连接是最重要的。集装箱体间通常采用连接件连接或垫块焊接，由于该类节点刚度较小，SAWYERS ^[54] 提出在进行结构计算时将集装箱连接节点视为铰接节点，此节点不能应用于抗震设防区域。LAWSON等 ^[55] 提出的单螺栓连接与冯超 ^[22] 提出的拉索卡扣式连接节点连接偏弱，设计计算时同样作为铰接处理。LACEY等 ^[11] 综述了现有模块间螺栓连接节点的设计方法与简化模型，指出了现有理论模型存在的局限性，即按照传统钢结构的设计方法会忽略模块间相邻柱对节点受力性能的影响。相较于模块间柱-柱连接方式 ^[13,52] ，梁-梁连接方式 ^[37-39] 上下模块柱仅相互接触，水平荷载F作用下柱间拉力无法直接传递，难以满足模块化建筑向多、高层建筑发展的需求，如图7所示，模块间连接用拉压、剪切和转动弹簧表示。

图7 连接位置受力对比

Fig.7 Force comparison of connection position

3.3 未充分考虑建筑使用要求

建筑的使用需求是多样化的，而目前已提出的模块间连接节点构造中基本都采用方钢管柱，在多高层建筑中由于柱轴力较大，继续采用方钢管柱可能会造成墙角露柱而影响美观与使用，且模块间连接不紧凑会带来隔音差、防水难等问题。LACEY等 ^[40] 、GUNAWARDENA ^[41] 、刘学春等 ^[42] 、向沛国 ^[43] 、叶景荣 ^[44] 提出的盖板式模块间连接节点要求模块内梁、柱节点与模块间连接节点有一定的施工距离，且连接板外露占据空间较大，影响室内装修。CHEN等 ^[24-25] 、ANNAN等 ^[29-31] 、DENG等 ^[35] 、LEE等 ^[37] 提出的连接节点需完成模块的连接后才能安装墙板等建筑功能构件，在实施中具有一定的局限性。DOH等 ^[18] 、CHEN等 ^[19] 提出的模块间铸钢件式连接节点会造成模块间存在的较大间隙，可能会导致隔音防水困难、模块化钢结构建筑抗火性能差的问题。

异形柱具有抗弯、抗扭刚度大的优势，且不外露墙体，用在模块化建筑中还可增大连接面，因此模块间采用异形柱-柱连接是一种可考虑的选择，如图8所示。

图8 柱-柱连接形式对比

Fig.8 Comparison of the column-to-column connections

3.4 多模块组合困难

实现模块间竖向与水平向的连接是建造模块化建筑的前提，以“模块间连接坐标系”来具体说明，如图9所示。DENG等 ^[46-48] 、LEE等 ^[49] 提出的连接节点因需要在柱侧壁开洞为安装高强螺栓提供施工空间，所以该种连接方式最多只能进行竖向和水平纵向或横向的上下4模块连接，上下8模块连接时则缺少施工空间。柱端旋转件式 ^[13-14] 、柱端自锁连接 式 ^[17] 与柱端拉索-卡扣式 ^[22] 连接节点很好地解决了上下层模块间快速连接的问题，但在水平连接上受力较弱。SANCHES等 ^[50] 、王永瑞等 ^[51] 、CHEN等 ^[52] 提出的柱内拉杆式连接施工较为复杂，且不能很好地实现模块间水平向连接。上述节点形式均无法保证模块间三方向的连接。

图9 模块间连接坐标系

Fig.9 Connection coordinate system between modules

3.5 忽略节点对结构整体受力性能的影响

模块间连接节点的不同处理方式对结构设计结果有较大影响。ANNAN等 ^[29,56] 将模块间连接节点简化为铰接节点进行计算，利用加拿大抗震规范设计了一个4层模块化钢结构建筑工程，所得的结构强度储备及易损性结果是偏于不保守的。在ANNAN等研究的基础上，FATHIEH等 ^[57] 采用增量动态分析方法进一步分析了该工程，结果表明采用节点刚接或节点铰接所得到的结构内力分布及层间位移均有较大差异，实际节点性能为半刚性节点的性能。曲可鑫 ^[58] 将4层模块化钢结构公寓的模块间连接节点分别采用铰接模拟和刚接模拟，结果均能满足相关建筑规范要求。LI等 ^[59-60] 研究发现将实际性能为半刚性的模块间连接节点简化为铰接节点或刚接节点进行结构设计时，均可能导致柱的计算长度系数偏小，从而高估模块柱的稳定承载力。在进行模块化建筑结构设计时，可将模块间半刚性节点用半刚性弹簧代替进而考虑节点对结构整体受力性能的影响，如图10所示。

图10 考虑节点刚度的模块化结构

Fig.10 Modular structure considering connection stiffness

LUO等 ^[61] 的研究表明模块间连接节点刚度对整体结构的抗连续倒塌性影响较大，当节点刚度偏弱时，会增大模块化建筑快速坍塌的风险。LAWSON等 ^[62] 指出模块间构件的相互连接可进一步增强整体结构的鲁棒性。SHARAFI等 ^[53] 指出通过将各构件相互连接可有效避免发生意外拆卸和连接节点处的应力集中现象。如图11a）所示，分开的模块柱承受轴压失稳的临界力较小，且发生侧移后产生的P-?效应对其影响较大，因此通过柱中约束可使独立模块柱形成组合模块柱，利用组合柱共同参与协调变形及受力，但在方钢管模块柱外包钢板来形成组合柱的做法会破坏墙板，如图11b）所示，而采用盖板-螺栓连接L形柱是一种解决此问题的方式，如图11c）所示。

图11 考虑柱协同受力

Fig.11 Considering the interaction of columns

模块间“错位连接”虽然增加了连接节点数量，但更充分利用了模块单元本身的强度及刚度，且连接后的整体受力性更强，因此也可作为一种模块间连接施工方式，如图12所示。

图12 模块间“水平向错位连接”平面布置

Fig.12 Layout plan of “horizontal staggered connection” between modules

综上所述，目前缺少能够在实际工程中被广泛应用的模块化钢结构建筑模块间连接节点构造，其主要原因在于现有研究局限于解决现场拼接、节点受力性能、建筑使用、模块组合和结构整体受力的某一或部分方面，而真正实现模块化钢结构建筑的推广应用则需要综合考虑上述所有特征，即满足现场高效拼接、节点受力性能良好、结构服务建筑、模块多功能组合和结构整体受力的“五位一体化”高性能节点要求。只有满足以上“五位一体化”重要特征的模块化建筑钢结构连接构造才能被广泛应用。

4 研究趋势与展望

根据绿色建造与建筑工业化发展需求，有关模块化钢结构建筑模块间连接节点的下列方面应被重点关注。

4.1 模块间快速可靠的连接

实现模块化建筑快速建造的重要特征是钢结构模块制作工厂化，模块运至工地现场安装时不再进行焊接或尽量减少现场焊接，连接方式主要采用高强螺栓连接。相比于模块梁-梁连接，采用模块柱-柱连接方式传力更加直接。对于抗震设防区域的模块间连接更要满足“强节点”的设计要求，利于形成抗弯框架。模块间自锁连接非常适合现场快速拼接模块单元，但目前只能做到上下层模块间的连接，若能确保在竖向模块间自锁连接的同时完成水平向模块间的连接，则模块间自锁连接方式可更好地发挥其优势。模块间连接作为模块化钢结构建筑设计的关键部分，需满足多模块快速连接施工、强度高、构造合理、传力可靠和便于检测的要求，且应适应一定程度上的模块施工组装公差。

4.2 模块连接后的结构整体受力性能

模块化建筑由多个模块叠合拼接而成，其整体性与抗连续倒塌性相对较差。因此，应着重考虑模块化建筑结构的整体受力。对于提高模块化建筑结构的整体受力性能，不一定只在模块角部连接节点处考虑，鉴于隔震与消能装置同样具备工厂预制、现场装配的特点，模块化钢结构建筑可通过设置隔震或消能模块来减轻地震作用，设置薄弱可更换模块可改变地震作用时模块化建筑的破坏模式，以便达到设计破坏的目的，地震后更换破坏模块即可。在加强易损伤模块设计的同时，要考虑模块间的强度比，否则会对模块间连接节点受力产生不利影响。

4.3 柱承重模块化建筑钢结构连接节点的设计方法

模块化建筑钢结构中的模块间连接节点与传统建筑钢结构中的梁、柱连接节点在构造形式、受力方式与传力路径上均有很大差别，因此传统建筑钢结构梁、柱连接的力学模型与设计方法将不再适用于模块化建筑钢结构连接节点，而现阶段对于模块间连接节点的研究成果远不足以支撑柱承重模块化钢结构建筑的实际应用与推广。因此，有必要对模块间连接节点的力学性能进行系统研究，提出相应的简化分析模型以及在整体结构设计中能够使用的等效设计方法，为模块间连接节点的推广应用给出构造要求与设计指导。

4.4 模块化建筑结构一体化设计

模块化建筑采用现场拼接全装修模块单元的建造方式，因此要扭转目前在模块化建筑研究领域普遍存在的重结构连接与受力、轻建筑使用与美观的做法，需重视建筑层面的结构设计。模块连接不影响内装、水电与外围护系统，模块间连接紧凑可以更好地处理隔音与防水问题，模块内结构构件不外露，充分体现了以建筑功能为核心、以结构布置为基础、以工业化围护和内装为支撑才能真正实现推广模块化钢结构建筑的目标。

4.5 模块化建筑钢结构连接节点的防火问题

钢是良好的热导体且模块间连接不紧凑带来的缝隙利于传热，这些都对模块化建筑钢结构连接节点抗火十分不利。模块间连接节点处受火会导致节点承载力和刚度降低，可能造成叠合模块松散垮塌，因此，解决模块化建筑钢结构连接节点抗火难题是推广使用模块化钢结构建筑的关键之一。对于钢结构抗火通常采用涂防火涂料来解决，但对于模块化钢结构建筑而言，在模块运输和吊装拼接过程中防火涂料易脱落，且模块间连接节点处难以涂刷和补涂。增强日常防火措施，考虑设置隔火模块或隔火层对模块化建筑整体结构抗火有利，另外从材料角度出发，使用满足要求的复合材料来建造模块化建筑也是一种解决方式。

4.6 墙体、楼板系统参与模块化建筑的连接

目前对于模块化建筑墙体和楼板的系统研究较少。模块化建筑中的楼板可以作为保证建筑结构整体性的水平抗侧构件，但现有研究与设计对于模块楼板的水平连接重视程度明显不足。对于住宅类模块化建筑，还应关注模块楼板的舒适度。钢板的抗侧力很强，应用于模块化建筑的墙体中可以更充分地发挥模块墙体的抗侧力。

4.7 面向全生命周期的高性能模块化钢结构建筑

符合现场高效拼接、节点受力性能良好、结构服务建筑、模块可多功能组合、结构整体受力的模块间高性能连接特征，逐步建立完善的覆盖设计、生产、施工和使用维护全过程的高性能模块化钢结构建筑体系，才能更好地实现模块化钢结构建筑的应用价值。

5 结  论

连接快速、受力可靠的模块间连接节点是充分发挥模块化建筑优势和保证结构整体性的关键。现有研究在解决施工现场难以快速拼接、多模块间连接操作困难、模块拼接与墙板存在冲突等难题时，部分节点构造不能同时满足模块间节点快速拼接与良好受力的要求，未充分考虑建筑使用和多模块组合的多场景使用需求，在模块间连接节点对结构整体受力性能影响方面研究较少。为了模块化钢结构建筑的推广使用，需重视模块化建筑结构一体化设计，解决模块间连接节点的防火难题，考虑让墙板系统参与模块间的连接，逐步实现建造面向全生命周期的高性能模块化钢结构建筑。

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