装配式模块化建筑与模块节点研究进展

转载自建筑钢结构进展期刊《装配式模块化建筑与模块节点研究进展》黄馨仪1，舒展1，李征

摘要： 与传统建筑相比，模块化建筑因其建设快速高效、品质卓越、施工过程安全、施工时间可预测、资源浪费少和促进环境可持续性发展等优点而受到推广。模块化建筑往往涉及到多种结构体系和建筑材料，其中，钢制构件在模块化建筑中应用最为广泛。综述了装配式模块化建筑与模块节点的最新研究进展。首先，介绍了装配式模块化建筑的分类、材料和结构形式，讨论了不同类型模块化建筑的结构性能。此外，由于模块化建筑的结构性能高度依赖于模块的节点连接，对现有模块化节点，特别是钢结构模块间和模块内部的节点形式进行了系统的梳理。最后，阐述了模块化建筑发展面临的主要挑战和未来发展前景。从国内外研究进展可见，模块化建筑充分满足了当前建筑结构工业化的需要。为促进我国下一阶段模块化建设的发展和应用提供了重要的参考。

关键词： 装配式模块；模块化建筑；钢结构体系；集装箱建筑；连接节点

1 研究背景

1.1 国内外研究进展

不同于传统建筑施工方式，模块化建筑是在工厂内制造模块单元，再将其运输至施工现场，从而组装成完整建筑的一种施工形式［1-2］。模块化建筑起源于1967 年，迄今为止，模块化建筑已在公寓、酒店、学校、医院、写字楼等不同类型的建筑中广泛应用［3-5］。

我国模块化建筑发展较慢，目前工程实践主要采用钢结构、钢-木混合结构和钢-混凝土混合结构等形式。对于以上结构形式，钢制构件均为其灵魂核心。我国钢制模块的最主要使用形式为钢结构集装箱结构形式，主要应用于低层建筑［6］。其中包括集装箱运输业相关的辅助设施，如货运公司调度室；工程建设有关的建筑设施，如工地工人宿舍；以及临时性居所或机构辅助性建筑等［7-8］。

对于钢结构集装箱模块的结构性能，丁阳等［9］对集装箱结构模块中波纹钢板剪力墙的抗震性能进行了一定的研究。YU 等［10］研究了集装箱结构模块中波纹钢板的侧壁刚度对结构整体刚度的贡献。查晓雄等［11-12］对集装箱改造而成的轻钢活动房的薄壁构件和结构性能进行了计算，并对集装箱的箱体刚度进行了试验分析，为其相关规程制订提供了理论依据。此外，一些学者研究了模块化建筑结构在风、火灾等荷载条件下的动力冲击及滞回性能［13-17］，同时对模块化结构中的节点连接进行了设计和分析［16，18-20］。

相比国内而言，模块化建筑在美国、英国、日本、瑞典、芬兰等国家的应用较早，近年来在澳大利亚、德国、荷兰等国家也受到了更多的关注［3，21-23］。一部分原因是这些国家的劳动力存在短缺，而在模块化单元施工中，50%以上的工序都在工厂制造完成，对现场劳动力需求少［24］。同时，国外模块化建筑的工程运用也不限于低层建筑。如英国建造的17 层学生公寓是欧洲最高的自承重模块化建筑［25］；纽约布鲁克林大西洋广场的32 层B2塔曾是世界上最高的框架支承模块化建筑［26］；鹿特丹的Linea Nova 建筑是混合式模块化建筑的典型工程案例，其建筑材料随高度变化，底部4 层由混凝土建造，上部16层使用钢材和木材建造而成［27］。此外，一些学者还对模块化结构在风、冲击、地震等荷载条件下的循环行为及性能进行了研究［28-33］。

1.2 模块化建筑的优势

模块化建筑具备诸多优势，包括建设快速高效、品质卓越、施工过程安全、施工时间可预测、资源浪费少和促进环境可持续性发展等［34］。其中促进环境可持续性发展和建设快速高效两大优势尤为突出。

首先，在促进环境可持续性发展方面，已有研究表明，建筑建设过程在资源消耗、废物产生和温室气体排放等方面对环境产生了重大影响。建筑垃圾是世界各大城市固体垃圾的主要来源，占垃圾填埋总量的10%~30%［35］。而在中国，模块化住宅建筑施工过程相比传统施工方式节省了87% 的木模板和70% 的水的使用，建筑垃圾减少了30%，总能耗降低了20.49%［36］。同时，钢结构模块和木结构模块中的结构构件可在其使用寿命结束后进行拆卸，并在新建筑中重新使用，其材料再利用有很大的潜力［37］。

其次，模块化建筑的建造时间通常比传统的现场施工缩短50%~60%［34，38］。伦敦的17 层模块化学生公寓，从现场施工开始，整个开发过程耗时22 个月，比传统施工时间缩短了12 个月［25］。133 m 高、44 层的La Trobe 塔是澳大利亚最高的模块化建筑，与传统方法相比，该建筑的完工速度提升了30%，提前8 个月完成［39］。同时，面对医院、灾后住房等需要快速建造、立即启用的建筑类型，模块化建筑既能及时提供临时住所满足紧急救灾需求，也能缩短提供永久住房所需的时间［40］。例如，英国布拉德福特皇家医院使用模块化建筑方法修建，以满足不断增长的床位需求，仅6 个月就建造完成［41］。此次在抗击全球新型冠状病毒疫情中，武汉雷神山医院采用集装箱装配式模块化建筑在短时间内建成［42］。

2 模块化建筑分类及结构形式

模块化建筑往往涉及到多种结构体系和建筑材料，并通过规模生产重复性的单元达到经济性目的［28，41］。模块化建筑按主要建筑材料分为钢结构模块、预制混凝土模块和木结构模块［43］。其中，钢结构模块的使用范围最广。钢结构模块进一步划分为钢模块、轻钢结构模块和集装箱模块［44］。

钢结构模块根据荷载传递机制的不同，可分为自承重模块和框架支承模块，如图1 所示。自承重模块建筑的高度通常限制在4~8 层，其承受的荷载主要通过模块的侧壁传递，因此侧壁墙体的抗压强度为结构设计中的关键参数。而使用框架支承模块可进一步提升建筑物的高度，其承受的荷载通过边梁传递到角柱上，此时侧壁不是主要承重构件，角柱的抗压能力成为结构设计中的关键参数［6］。在这两种系统中，模块结构除了承受竖向荷载，墙壁的支承和隔膜作用还为其提供了抵抗水平荷载的能力，但对于超过6 层楼高的建筑则需要一个单独的支撑系统［4］。因此在很多情况下，高层模块化建筑使用混凝土核心筒等作为主要的横向承载系统，模块的框架只用于承担竖向荷载。此时，预制模块直接或间接与核心连接，将横向荷载传递到核心［2］。

3 模块化结构建造材料

3.1 结构构件材料选取

每种建筑材料都有其自身的优点和局限性。而多种

材料和结构的组合为不同建筑结构的设计提供了更多的可能性，特别是具有混合用途的商业和住宅建筑［26］。

材料的选择对起重机的吊装能力和施工的能耗要求有重要的影响［35，37］。同时，由于可能需要长时间和长距离的运输，模块构件的重量应尽可能轻。相比混凝土结构而言，木材和钢材结构较轻，更适合用于模块化建筑。而混凝土结构凭借其良好的抗压强度经常被用作高层模块化建筑的承重系统［45］。

木材是建造模块化建筑的理想材料，胶合层压木材和交叉层压木材等材料能提供很好的装配式结构性能。芬兰的Puukuokka 公寓大楼和奥地利的生命周期塔是典型的木结构模块建筑［46-48］。瑞典的HAUSAMMANN等［49］提出由实木板材制成的空心箱形木结构可用于模块化建筑。与传统木制面板结构相比，由于实木构件之间的胶合接缝，构件表现出更强的刚性和更好的隔热性，其荷载能力和破坏也能被更好地预测。同时，使用木结构模块能有效减少在建造与拆除的过程中对环境的影响与破坏［50］。

3.2 混合式模块化结构

为充分利用上述材料各自的优点，模块化建筑常选用混合结构［51］，其中最常见的是钢-混凝土混合结构［26］（图2a））、钢-木混合结构［52］（图2b））和木-混凝土结构［53］（图2c））。

3.2.1 钢-混凝土混合结构

由钢构件与混凝土组合而成的钢-混凝土组合柱，在建筑中得到了广泛的应用。相比传统混凝土结构而言，其具有截面小、强度重量比高、固有延性、韧性和耐火性好、负荷能力强等优点，承受横向荷载时也具有较高的刚度。另外，研究发现施加预应力可显著改善低含钢率预制混凝土包裹核心钢组合柱的滞回性能，从而提高组合柱的极限荷载和耗能能力［29］。

另外，一种采用预制钢筋笼系统加固的高强混凝土柱［54］（图2d））与钢筋混凝土构件具有相似的性能，减少了传统钢筋混凝土施工中切割、弯曲和绑扎钢筋的操作工序转而使用激光精确切割，使施工作业更便捷高效。目前，钢-混凝土混合结构的实际应用较多，常使用

图2 混合式模块化结构

现浇混凝土作为核心抵抗横向荷载。但其需要在现场进行浇筑，未能实现结构完全在工厂预制。

3.2.2 钢-木混合结构

钢-木混合结构的主要应用形式为钢框架结构、钢-木复合地板和以钢-木结构为主要材料的剪力墙结构。LOSS 等［51］提出钢-木复合地板和剪力墙结构（图2e）），沿建筑两个主要方向放置钢框架，在钢梁上放置木板组成网格结构，结构的横向稳定性通过钢支撑和交叉层压木板（CLT）制成的剪力墙共同提供。这种混合结构形式结合了钢材高度工业化的施工技术和交叉层压木板重量轻、平面内稳定的优点，将钢构件和CLT 板在现场外预制，再运至现场快速连接。研究表明，这种混合结构具有良好的非弹性变形能力。

钢-木混合结构形式质量轻、抗震性能好，同时使得完全在工厂预制的高度工业化模块化建筑成为可能。但对于木材和木材之间、木材和钢构件之间以及钢构件和钢框架之间的有效连接还未得到充分的研究。

3.2.3 木-混凝土混合结构

木-混凝土混合结构具有预制的经济优势，同时混凝土板在使用寿命结束时也可重复再利用，有很好的开发潜力［55］。LUKASZEWSKA 等［53］的分析表明一种完全预制的木-混凝土复合地板（图2c）），结合了混凝土高抗压性和木材高抗弯、抗拉性的优点，通过连接混凝土板和木托梁来建造。混凝土板在场外预制，并在现场连接到木托梁上。与现浇混凝土相比，木-混凝土混合结构施工速度更快，混凝土收缩对系统的影响更小。相比于纯木结构，这种混合结构的抗震性和耐火性更好。在木-混凝土混合结构中，混凝土主要抗压，而木材抗拉和抗弯曲，由混凝土结构构件和木结构构件的连接系统传递两种材料构件的剪切力。虽然木-混凝土混合结构有一定的优点，但由于可靠抗剪切连接件的研究还很局限，这种混合结构的应用较少。

4 模块化结构连接与节点性能

竖向承重框架与模块、模块与模块、模块内部各构件之间以及模块与基础间的连接对模块化建筑承受荷载的能力至关重要［56］。模块化建筑的连接节点主要分为三种［43］：模块间连接、模块内部连接和模块与基础的连接。如图3 所示。

4.1 模块间连接

传统的模块间连接主要采用直板连接、螺栓连接和焊接等方法，通常需要一定的外部空间进行连接或焊接［19］。模块间连接包括相邻模块之间的水平连接和堆叠模块之间的垂直连接。模块间节点连接方式对模块化建筑的结构性能，如结构的抗侧刚度及受力性能影响很大［57］。典型的模块间连接节点大致包括螺栓连接、混凝土接缝连接和联锁连接三种，如图4 所示。

（1）螺栓连接。螺栓连接在实例中的应用较多，在装配过程中不需要在构件上创建开口来削弱结构构件，相比于焊接，安装时所需要的工作空间小。安装完成后，连接节点隐藏在建筑填充墙后或上、下模块楼板之间，虽安装过程节省了一定的施工空间，但必须先完成模块单元的连接工作，才能进行隔墙、楼板等建筑功能构件的施工［20］。

一些典型的螺栓连接案例包括：CHEN 等［19］提出的一种应用在钢结构中的梁-梁螺栓连接方法（图4a）），通过浇铸形插入装置与相邻模块进行水平连接，使用梁-梁高抗拉强度螺栓与上、下模块进行垂直连接。CHEN等［58］提出一种考虑转动刚度的旋转连接接头（图4b）），在上、下模块角柱处设置矩形孔，通过连接器连接。孔既可作为模块吊装和运输的固定点，也可作为旋转连接的施工空间。LAWSON 等［4］提出了一种单螺栓连接（图4c）），在柱端部焊接节点板，柱上设置施工孔，通过高强螺栓连接上、下模块。PARK 等［56］介绍了一种十字板螺栓连接节点（图4d）），在模块单元间插入十字形连接板，通过高强螺栓将相邻模块连接起来。DENG 等［59］提出一种榫形-十字板连接节点（图4e）），柱插入焊接在十字板上的榫眼中，并通过螺栓与相邻模块相连接。

（2）混凝土接缝连接。在某些情况下，现浇混凝土也被用于钢结构接缝处形成复合钢-混凝土连接。这种连接方式适用于钢-混凝土混合结构，模块建筑整体稳定性好，但需要在现场进行浇筑。

典型的混凝土接缝连接案例包括：CHEN 等［18］提出的一种预张拉组合连接（图4f））。模块每个柱端都有一个密封板，带有加劲肋和孔，用于放置预应力钢绞线或插杆。安装时将绞线或剪切棒插入下柱柱端预先设置的孔中，并将上层模块的矩形钢柱插入下层模块柱端的剪切块中。将钢绞线拉伸至设计应力水平，用连接件固定，最后将混凝土从浇注孔中浇注到模块柱中，以垂直连接上下两个模块。MILLS 等［60］提出采用空心截面作为竖向结构主体，填充灌浆和混凝土，在接缝处形成钢-混凝土复合连接（图4g））。

（3）联锁连接。模块间连接还可以通过联锁连接方式形成。这种连接类型通过构件的过盈配合或变形契合在一起，可在隔墙等建筑构件建设完成后进行连接，能满足建筑层面的模块化作业，但需要注意减少精度上的误差［60］。

例如，SHARAFI 等［61］提出了一种创新联锁系统（图4h））：为满足整合连接的特殊设计需要，将模块按特定顺序放置，再依次推动模块，使模块与相邻单元联锁。这种设计在提高安装效率和控制施工公差水平方面效果显著，同时通过提供额外的联锁节点来提高模块结构的整体完整性。

4.2 模块内部连接

模块内部连接通常是指一个模块内部各构件的连接细节，包括柱与梁的连接、梁与板的连接以及不同材料构件之间的连接等。模块内部大部分构件的连接方式与传统建筑相似，少数不同于传统建筑的模块内部连接节点

图4 模块间连接节点

如图5 所示。

BATHON 等［62］提出一种应用于木-混凝土混合模块结构中的HBV 剪切型接头（图5a）），用以连接木梁和混凝土板，可用于地板、墙体和屋顶等构件。研究表明这种结构能有效抵抗飓风等强风荷载，同时避免了现场浇筑混凝土成本高、时间长、徐变大的缺点，为住宅和商业用途的建筑提供了一种低成本的防飓风设计方法［3］。ANNAN 等［63］研究了将次梁直接焊接到主梁上的钢模块框架（图5b）），与传统钢结构相比，这种连接方法允许更大角度的旋转。LEE 等［64］提出了一种刚性梁柱节点螺栓连接（图5c）），采用高强度螺栓在现场紧固，无柱截面损失，设置了L 形、T 形和十字形的连接装置以适应不同模块需求。ASIZ 等［65］以一个24 层建筑为例进行分析，表明高层结构中交叉层压板楼板通过锚钉等螺纹紧固件与钢框架连接（图5d）），可加强CLT 板在受横向地震力和风荷载情况下的有效隔膜作用，其刚度和强度接近于钢筋混凝土板。

4.3 模块与基础的连接

位于高水平荷载地区的模块化建筑，如果未与适当的地基相连接，容易发生倾覆和滑动［43］。模块化建筑的地基可由现浇或预制混凝土底座、钻孔混凝土桩、螺旋钢桩等组成。PARK 等［56］在钢管混凝土构件内嵌连接研究的基础上，开发了一种嵌入式柱连接，如图6 所示。柱外周与地基凹槽处的焊接端板焊接在一起与砂浆相连。这种连接方式充分利用了柱的强度，提供了良好的延性以承受由极端横向荷载导致的非弹性变形需求。通过试验研究和数值模拟发现，柱深埋是影响节点承载力的关键因素。

5 模块化结构构件搬运与安装

在模块化建筑施工过程中，模块将从工厂运输至施工现场，再由起重机吊升至指定的工作面进行组装。因此模块通常设计有提升点，以便利用起重机吊起。提升点的数量和位置根据挠度标准来确定，以防止组件在施工过程中的开裂与损坏［43］。研究表明，损伤（开裂）主要由吊装作业引起，而裂缝主要在道路运输中产生［66］。同时，模块单元在升降操作过程中，所提升位置易存在局部受力集中现象，需加强提升位置处的构件与相邻构件间的连接。通常这些位置可采用热轧型钢，而其他地方多采用轻钢构件［23，67］。

安装是模块化建筑建设过程中的关键环节。施工现场需要具有相应吊装能力的起重设备，以及足够用于接收和存放模块的空间［4］。

6 模块化结构面临的挑战

虽然模块化建筑具有建设快速、施工过程安全、资源浪费少和促进环境可持续性发展等优点，但其发展还是会受到一些主观与客观因素的限制，其中具有普遍性的问题包括：缺乏技术引导、初始成本高、培训者和投资者少、交通运输受限及连接节点研发不够完善等。

6.1 缺乏设计指引

研究表明，模块化结构设计的合理性对整个项目有较大的影响［68］。其中前期规划设计阶段的决策可决定80% 的建筑运营成本。但另一方面，模块化建筑的建设方法与传统建设方法有所不同。例如，模块运输和现场装配过程中所产生的短期荷载可能会对结构构件产生一定的影响［1］；模块化建筑所需的基础设施也与传统施工方法不同［69］。目前，许多设计体系是在非模块化建筑背景下发展起来的。现有的模块化设计方法很大程度上基于传统建筑施工设计，并不能很好地适用于预制装配式模块化建筑。

近年来，设计者和学者们试图为模块化结构提供设计指导，现有文献中的设计指导如表1 所示。MURRAY-PARKES 等［1］撰写了模块化结构设计指南。由LAWSON 等［4］编著的模块化结构设计手册旨在为建筑和工程专业人士提供指导。由于编著时间较早，其概念和理论不够详细系统，且没有得到及时的更新。但它收集了关于钢、混凝土和木材模块的理论信息和实际案例，并探索了各种建筑类型和设计策略。

虽然上述著作可以作为设计指导，但模块化建筑仍然缺乏必要的设计规范。因此，为更好地发展模块化建筑，应建立适用于模块化建筑的设计准则。

6.2 初始成本高

初始成本高是大规模建造模块化建筑的最主要障碍。开发者需要大量的启动资金来建造可制造零部件和模块的工厂，以及采购机器和相关材料［71］。针对中国模块化建筑市场的一项调查表明，预制装配式房屋的成本比传统建筑高26%~72%［72］。

然而JAILLON 等［73］指出，在不少发达国家，虽然模块化建筑的初始成本较高，但施工时间的缩短和现场劳动力的减少可大幅度降低人工成本以抵消可观的初始成本。同时，由于施工时间的缩短，特别是对于可提前投入使用、降低贷款利息费用的商业建筑来说，能更大程度地降低后期成本［34］。此外，技术的改进和模块的批量制作可以节省材料、运输和劳动力的成本［69］。而在国内，由于施工人力成本不断攀升、对施工质量的严格把控以及对装配化结构需求的提升，这些因素将使模块化建筑结构优势更为明显。因此对模块化建筑施工方法实行标准化操作，以降低初始成本从而达到利益最大化将有很大发展空间。

6.3 缺乏投资者和熟练劳动力

由于制造模块化构件的工厂初始成本高，普通民众更倾向于使用传统建筑［34］，使得模块化建筑项目缺少制造商和金融机构的资助［74］。目前，预制构件和模块化概念接受度还不够高，企业缺乏创新和变革的动力。

另一方面，具有相关经验的专家和工人的缺乏也阻碍了模块化建筑的快速发展［75］。由于模块化建筑和传统建筑形式不同，许多从事建筑业的设计者和工人缺少与之相关的经验和技能。在整个项目期间，建设者需要在各协作方之间高效沟通和有效协调，以确保所需的材料和模块有序到达指定位置并及时展开下一步的工作，以确保按时交付项目。然而，目前建筑行业的沟通和协调还不够及时准确［71］。

为解决上述问题，首先应通过加深树立模块化建筑在普通民众心中质量良好观念，来进一步推广模块化建筑的建设理念；其次，对相关从业者进行技术培训，提高施工过程中多方的组织协调能力来实现模块化建筑的进一步发展。同时，可将BIM 技术与当前模块化建筑设计方法相结合，实现信息在设计与生产施工之间的完整传递，进一步加强上下游企业和各专业部门间的信息沟通协调［76］。

6.4 交通运输困难

在模块化建筑施工过程中，模块需运输至施工现场进行组装，因此交通运输是模块化建筑施工中的重要环节。目前的主要运输方式为道路运输和海上运输。道路运输情况的考量包含各种因素，例如车辆类型、环境条件和道路适用性等［77］。模块单元的大小在一定程度上取决于运输的经济性。同时，运输路线和运输方式限制了大型模块的重量和尺寸，若运输过程过于复杂，成本将提高［78］。目前能运输的最大模块尺寸为12 m×4.2 m［22］。SALAMA 等［79］对混合结构的研究表明，混合式模块结构在尺寸的设置上更灵活，更易于运输。

6.5 缺乏可靠连接系统

模块间的连接性能很大程度上影响了模块化建筑的结构整体稳定性和强度。本文在第4 章对许多新型连接系统进行了总结，发现目前没有特定的连接器适合于多种模块化单元组件。同时，对于模块外部的安装通常需要使用移动工作平台完成，这使得它们难以在高层建筑中实现。因此，可靠性高、适用性广且能在高层中合理运用的模块连接节点还有待进一步研究。

7 研究趋势与展望

目前，模块化建筑已受到工程界和学术界的广泛关注。在对现有模块化建筑结构相关研究进行归纳总结后发现，国内外学者对模块化建筑的可行性已作了大量研究，但对模块化结构构件的材料性能、模块间的节点连接以及搬运和安装过程中力学性能的研究还相对匮乏，滞后于实际工程中日趋增长的需求。难以满足模块化结构建筑在高层建筑及抗震设防区域的应用。展望模块化建筑相关研究趋势，可包括以下几方面：

（1）规范化与标准化。传统的建筑规范和已有的模块化建筑设计准则，在现有的国内外模块化建筑工程中已有了一定的应用。但由于编著时间较早，概念和理论不够详细系统，且没有得到及时的更新，已不能满足现有的装配式模块化建筑需求，亟需通过更详尽的研究建立

适用于模块化建筑的设计准则与设计规范。

（2）专业化和通用化。国内外针对装配式模块化建筑的结构和节点已开展了大量的研究，并在实际应用中表现出良好的性能。但其连接形式缺乏普遍性，难以适用于不同的材料和结构设计，更难以在高层建筑中进行安装。因此亟需通过试验和研究，设计出适用于多种建筑材料和建筑结构形式的、便于在高层建筑结构中安装的专业化和通用化有效连接件。

（3）系统化和快捷化。目前，交通运输路线和运输方式限制了大型模块的重量和尺寸，且对运输过程的经济性有较大的影响。研究表明，混合式模块结构在尺寸的设置上更灵活，更易于运输。因此，需要对结构模块部件和单元的运输和调配进行更为系统的统筹和规划，亟需开发尺寸设置灵活的模块，便于适应各种运输方式和运输条件。

（4）智能化和自动化。模块化建筑投入生产后，其基本建筑模块单元难以根据现场的建设情况进行改动。而现有研究在模块单元的修改、拆卸和再利用方面基本处于空白状态，严重制约了装配式模块化建筑在高层建筑中的应用。因此模块化后期的结构改动和自动化拆卸方面仍有很大的研究空间。

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来源：结构工程