钢结构模块建筑的实践与探索 ——以北京亦庄 N20 蓝领公寓项目为例

模块化建筑特别是以三维立体空间模块单元组合而成的模块化建筑属于建筑技术的舶来品。由于现代工业的发展，建筑行业的工业化也随之跟进。在美洲、欧洲、亚洲等经济较为发达的国家陆续出现了一批模块化建筑的案例。伴随我国国民经济的高速发展，近期，特别是21世纪10年代之后，一批模块化建筑项目案例如雨后春笋一般出现。目前以国内规模最大、产品化程度最高、抗震设防要求最高的北京亦庄 N20 蓝领公寓项目为例，阐述在项目实践过程之中的一些思考。

模块化建筑概述

1.1 模块化建筑应用场景分析

模块化建筑的应用场景相比于传统的钢结构与混凝土建筑而言应用广度较为有限。以合理性为前提的场景分析来看，针对具有快速建造、常规建设资源匮乏、有拆除重建要求、异地配置建筑资源、建造场地条件受限这五个方面是模块化建筑主要应用场景。从上述应用场景来看，主要是由模块化建筑的技术属性与特征决定的。

1.1.1 快速建造的应用场景

模块化建筑能够实现快速建造的根本原因在于一体化的高度集成以及工业化加工制造这两个方面。常规建造方式，无论是现浇钢筋混凝土框架体系、剪力墙体系，还是钢结构的框架体系或框筒体系等，由于集成化程度的原因，必须要遵循依次建造的串联方式，即先主体结构、再二次结构、最后内装机电安装的顺序。前一项的施工是后一项时候的前提与载体，无法绕开。举例而言，假定一栋建筑如果按照常规串联模式建造，土方与地基基础施工时间1个月，地下室施工时间1个月，地上主体结构施工2个月，围护墙内隔墙施工2个月，内装与机电施工时间2个月，考虑上下楼层之间的施工穿插可以有一些时间的重叠，这样从土方开挖到竣工交付总时间在6个月左右。采用模块化的建造方式，土方与地基基础施工时间依旧1个月，地下室施工时间依旧1个月，但在土方开挖与地下室施工的同时，模块加工工厂即开始模块的加工制造，充分利用土方与地下室的2个月时间，完成地上全部模块的加工制造，出正负零之后随即开始模块的吊装安装工作，安装时间0.5个月，机电管线接驳与收尾工作预计0.5个月，即采用模块化建筑方式，同样一栋建筑只需要3个月时间，仅相当于传统串联施工方式的50%，节省了近一半的建设时间，实现了快速建造的目标，如图1所示。

图 1 常规建造与模块化建造时间对比图

1.1.2 建设资源匮乏的应用场景

建造资源匮乏的应用场景通常出现在地理位置比较偏远；高海拔地区，气候恶劣地区，海洋小岛地区等。上述这些一般是由于地理、海拔、环境、气候等因素导致了常规建设的资源，诸如建筑机械设备、建筑材料、建设工人，即所谓人机材的这些资源匮乏或稀缺。强行按照传统建造模式进行资源配置将导致不经济与工期的延长。

1.1.3 要求拆除或异地重建的应用场景

有反复拆装要求的应用场景适合于采用模块化建筑的这种模式。模块化的装配程度较高，结构的连接节点与机电管线系统的接口均为装配方式。这种建造与连接方式天然满足了拆除与异地重新组装建设的要求。现有模块化建造技术可以实现在 20 年之内，反复拆装 6 次的要求，单次拆装损耗率不超过 5%。

1.1.4 建筑资源重新分配的应用场景

建筑资源重新分配的应用场景，从本质上来说是由于全球经济发展不均衡、建筑行业的饱和式发展与用工成本逐渐增高所导致的。这种应用场景，模块单元的运输走向一般从劳动力较为密集且用工成本较低，具备工业化生产条件的地区向经济较为发达，用工成本居高不下，常规建造成本较高的国家与地区进行流转。市场经济的指挥棒会自觉地指挥项目决策者选择这种新型的建造方式进行建造。

1.1.5 现场建造条件受限的应用场景

建造条件受限的应用场景之下应用模块化建造体现的也比较充分。比较典型的案例是在我国现阶段所开展的大量的老旧小区改造工作过程之中，由于老旧小区场地较为局促，且旧改建筑与周边建筑相互贴临，常规建造施工模式对于周边存在噪声、废水、废弃物等环境影响。采用模块化一体集成的建造模式较好地解决了场地问题与环境影响问题，得到了社会层面的广泛认可。

1.2 我国模块化建筑技术标准概述

我国国内的模块化建筑技术标准体系建设做了大量的基础性工作。技术标准与参考图集的颁布实施，为模块化建筑的推广应用做了相关的技术支撑。但在大量工作之外，还应实事求是看到，截至目前我国国内尚未发布国家标准等级的模块化建筑技术标准规范，相信在不久的将来，伴随全新的国标模块化建筑技术标准的发布实施，我国的模块化建筑发展将迎来更为广阔的发展前景。通过不同标准之间的相互比较，相同的技术选项之中，不同标准给出了不同的解释与要求，从相互比较来看，大部分的内容是相互协同的，但是也有部分条文的要求存在一定程度的区别。在标准执行过程之中，还需要大胆思考谨慎选择。

1.3 低层、多层与高层建筑对模块化建筑结构体系选择建议

模块化建筑的建筑高度目前有朝向更高发展的趋势。对于低层特别是三层（含）以下的建筑在采用模块化的建造方式时，应优先选用纯叠箱的方案，这种方案可以将模块化快速建造、一体化集成的优势充分发挥。同时也应客观地看到，首层层高在某些设计条件下，需要抬高超出了模块单元的高度要求，因此在这些部位可以采用在竖向方向上钢结构框架与叠箱模块体系组合的结构方案。从建筑风貌以及屋顶防水与节能的考虑，经常会出现坡屋面的情况，可以将坡屋面作为三角形的屋面模块与下部的钢结构模块进行叠合。出于建筑造型的考虑，会存在一些体块的凸凹，这类建筑的表达在结构体系方面可以采用带有凹凸造型的低层模块体系结构方案。

多层建筑在应用模块化建筑时，特别是10层以下的情况，目前考虑在满足结构计算的同时，最大程度地优化经济性指标。应优先选用在楼电梯间等区域采用钢框架或钢框架支撑体系，这样整体结构体系形成了由框架/框架支撑体系与模块箱体组合而成的结构体系。

对于大于10层的高层建筑而言，一般情况采用类似于传统高层建筑结构的框筒体系较为常见，即中部布置混凝土核心筒体，围绕核心筒体布置钢结构模块。此类高层模块体系由于底部模块需要承托上部层数众多的模块重量，导致底部模块的构件尺度势必相对较粗壮，甚至有可能会在模块单元角柱之中灌注混凝土以提高柱的受压承载能力，大量的模块叠合，导致了底部、中部、上部需要进行模块的不同类型划分，这同时导致了模块标准化程度的大幅度降低。另一个更需要面对的问题是，大量模块单元的叠合，在实际现场施工安装时，安装公差所累积的偏差在中上部将形成非常大的绝度偏差量，总偏移量无法满足箱体与筒体的连接要求。

这种类型的高层模块建筑，基于目前的思考，更推荐采用巨型钢结构框架与钢筋混凝土组成的框筒体系。在巨型框架之中填充标准化程度较高的模块单元形成子结构，类似于“抽屉式”的模块填充方式。相比于纯叠箱的体系解决了结构受力的问题，同样也解决了大量叠合箱体的施工安装公差累积的问题。同样，没有一种结构的体系的解决方案是完美的。巨型框架体系与筒体组合的体系，还需解决巨型框架梁与柱同模块单元子结构相互结合性的问题、巨型框架的层高不统一问题、巨型框架的外围护体系的问题。

北京亦庄 N20 蓝领公寓项目的实践与探索

2.1 项目概述

北京亦庄N20蓝领公寓项目（以下简称为N20项目）是作为2021年市政府统筹部署安排的7个“平疫结合”保障性租赁住房之一，如图2所示。N20项目按照抢险救灾应急项目建设，建成后可提供1810个标准隔离间（每间使用面积约28㎡）；疫情后作为人才公寓面向经开区产业技术人员提供住房保障。项目建设地点位于北京经济技术开发区路南区瑞合东二路与融兴街交叉口东北侧。占地面积3.35万㎡，容积率2.7，总高度33米，总建设规模12万㎡。工程采用EPC模式，合同工期为288个日历日。设计方案图，如图3所示。

图 2 总平面图

图 3 N20项目设计方案图

2.2 应用场景分析与技术体系比选

N20项目属于有快速建造要求的应用场景类型。方案设计开始阶段，重点考虑的是对于众多建造方式的遴选与比对，可供选的结构体系包括：现浇钢筋混凝土框架结构、现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构、装配整体式框架结构、装配整体式剪力墙结构、装配整体式框架 -现浇剪力墙结构、钢结构框架结构、钢结构框架-支撑结构、钢结构纯模块结构、模块-钢框架混合结构等。由于现浇钢筋混凝土框架结构、现浇钢筋混凝土框架 -剪力墙结构工程建设周期长，又是冬季施工，且跨春节，无法满足项目对工期的要求；装配整体式框架结构、装配整体式剪力墙结构、装配整体式框架-现浇剪力墙结构可缩短施工周期，但经市场调查，预制构件的供应无法满足本项目短时间大量构件的供应要求；钢结构框架结构、钢结构框架-支撑结构施工速度快，结构主体封顶较钢筋混凝土结构体系提前，但考虑到围护、内装与机电安装，仍无法满足总工期的要求；钢结构纯模块结构，集建筑、机电、内装于一体，大部分工作可在工厂完成，仅预留部分接口现场安装，施工速度快，可满足总工期的要求，但纯模块结构的最大层数和适用高度都满足不了本项目的要求；模块-钢框架组合结构体系具备钢结构纯模块结构的优点，同时适用层数和最大高度满足本项目的需求。结构本项目的特点，经多方案比选后，本项目优选采用模块 - 钢框架组合结构体系，具体筛选过程，详见表 1。

表 1 结构方案筛选比较

2.3 钢结构模块化建筑结构设计方案

图 4 模块结构平面布置图（左）与竖向布置图（右）

图 5 模块单元展示示意

模块单元的平面和竖向布置，首层层高4.2米，标准模块的高度一般控制在3.6米内，以满足运输的要求，所以首层未采用模块叠合，按框架设计。二~九层层高均为3.3米，且功能房间为标准客房，便于采用标准的模块化设计，同时满足工期要求。标准模块尺寸（长×宽×高）为10.15×3.58×3.3，每个标准模块内包含走廊、客房和阳台，如图4所示。模块单元示意如图5所示。整体模块结构体系，如图6所示。

图 6 整体结构体系

N20项目的结构节点连接构造是本项目连接的关键，具体做法如图7所示。

 图 7 模块节点连接基本构造

N20项目整体结构体系模块单元之间的结构节点连接计算假定考虑如下：模块单元竖向上下之间采用柱底铰接方式；模块单元之间采用水平连接刚性杆两端铰接方式。模块单元内部均采用焊接方式连接，连接类型为刚接，模块单元之间，上下模块之间竖向压力通过模块单元角柱传递，上下模块之间的拉力与水平剪力通过摩擦型高强螺栓连接传递；模块之间水平剪力由高强螺栓与节点连接板传递。模块与框架支撑之间的弯矩与竖向力相互不传递，水平剪力由连接板与螺栓构成的连接节点，由模块传递给框架支撑体。模块单元之间连接的计算假定，如图8所示。

图 8 模块单元之间连接的计算假定

N20项目的一些典型实景，如图9所示。

图 9 N20项目实景

现阶段模块化建筑实践与探索过程之中的问题与思考

3.1 机电管线接口与机电一体化的问题

在模块化建筑的实践与探索的过程之中，更多是聚焦于模块化结构的方案与连接构造，存在一定程度的“重结构、轻机电”的问题。模块化建筑的建造方式决定了现场吊装安装后主要做两方面的工作：一是涉及结构受力的结构节点连接，另一个是机电管线的接口及接驳。关于模块化建筑结构的连接技术研究与开发相对而言更充分，行业关注度也较高。另一部分工作内容，即适配于模块化技术体系的机电管线接口接驳技术依然是最传统的实施方式。行业中少有高效、快速，甚至是快拆快装式的接口技术推出。这与模块化建筑的市场相对小众有关系，但无论是模块化的技术，还是常规建筑，对于机电系统安装而言，技术的进步幅度与速度都略显滞后。适配模块化建筑的机电接口技术的特征应是：一是满足管线安装质量与使用安全前提下的快速连接；二是需要具备快速安装连接以及快速拆卸的功能；三是重点应针对强电与桥架、给排水管线的管线接口技术进行研发。

3.2 更高效的节点连接方案的问题

国内的钢结构模块化结构节点连接的技术解决方案主流做法是采用螺栓连接的方案，同时少部分也有采用焊接或与预应力钢结构技术相结合的节点连接做法。现有的节点连接方案尚需进一步提高其节点连接的简便性与高效性。采用螺栓连接的方案重点要关注的是拴孔对位的问题。栓孔对位应聚焦工厂加工制造环节的加工公差与现场施工安装环节的安装公差问题，工厂与现场均存在正负公差累计的问题，负负公差与正正公差的累积如果没有做到相互间的公差协调，最后的栓孔对位势必会存在穿孔障碍的问题，必须引起重视。对于创新结构节点连接研发方面，应秉承复杂问题简单化的原则。目前的结构节点连接构造相对复杂，应考虑从连接介质或连接材料方面着手，开发更具创新性的连接构造与连接方法。如采用钕铁硼等新型高强永磁体材料的磁吸型节点连接方案，可以作为拓展与开放思路的尝试。