基于模块化建筑的抗震设计探讨

王献涛

（驻马店职业技术学院， 河南 驻马店 463000）

0 引言

近年来国内城市化建设的推动有效促进了国内工程建设领域的快速发展，但由于房屋建设的快速增长，带来的一系列问题也逐步明显，如能量消耗大、环境污染严重的等问题，并不断引起政府和民众的重视。据统计当前国内城镇化已经超过了50%，工程建设中大量工程的兴建，传统钢筋砼结构形式建筑占到整体的90%以上[1-2]。传统建筑形式极大程度消耗了劳动力、能源和资源，随着能源的短缺，传统建筑建设将不断受到束缚。

装配式模块建筑的主要构件可以通过工程批量生产，并运用现代结构设计软件实现结构的承载力、抗震性能等方面的研究。同时，由于模块化建筑建设具有生产劳动力较少、专业工种较少、建设周期较短和建设成本低等特点，对整体工程的质量控制方面也相对比较容易，可以达到现代工程建设的工业化的需要[2-4]。模块化建筑的建设整个生产流程在工厂进行，现场仅仅需要对构件进行吊装和拼接，极大程度减短了工期，也有效降低了污染和能耗。

1 模块化结构形式

模块化结构指的是通过模块化思维完成工程的设计与建设，通过建筑模块的拆分，并通过工厂批量生产预制、运输现场“搭积木”形式拼装来完成建设。此外，模块化结构也可以和其它现浇结构构成，如部分预制、部分现浇体系。模块化结构之中的每个模块都是结构的基本组成单元，具体模块可以是柱、墙等单体，也可以是单独的房间。

1.1 装配式模块建筑

装配式通结构体系主要由钢筋砼框架模块构成，具体形式包括框架、剪力墙、框剪等形式。对于装配式模块建筑，其主要承重构件和抗震构件可以选用现浇形式，对于梁构件、板构件、隔墙构件、楼梯构件和阳台构件等通常选取装配式结构体系或叠合结构体系。该形式建筑在结构抗震方面整体性能较好，同时也可以确保装配式结构的预制率较高。对于装配式构件安装节点处的连接方式，通常选取构造筋与受力筋焊接或机械连接的方式完成连接，同时通过后浇筑的方式能够起到对节点保护和加固的作用。

1.2 集装箱模块建筑

通常集装箱模块结构是把集装箱作为主要模块构建成房屋，其最小单元为集装箱与附属构件，如主体集装箱、维护结构、阳台、楼梯等。该结构具有拼装简单、装配灵活、运输便捷、环境效应小等优点，但对于耐久性和层数较高的建筑中，该形式模块建筑使用较少。

1.3 钢结构、砼结构模块建筑

钢结构和砼结构模块建筑与传统结构形式相似，不同之处在于主要构件部分通过预制构件组成。比如钢结构模块建筑结构，主要承重体系运用钢预制构件，墙体选用轻质夹心彩钢板等复合材料，钢结构模块建筑具有轻质、高强、运输便捷、安装技术熟练等特点。此外钢结构模块在抗震性能方面具有良好的弹塑性变形性能和承载性能。但钢结构模块在防腐性能、防护和节能等方面均比较差，往往整体工程造价也较高。

对于钢筋砼模块式结构主要承重体系通过钢筋砼预制完成，墙构件选用轻质复合材料维护，其主要构件均在工厂完成加工和生产，运输到工程现场拼装即可完成。钢筋砼模块作为真个建筑结构的组成部分，其预制率能够超过90%，各层装配式的吊装为主要现场安装过程，通常可以在1～2天完成1层，对于普通钢筋砼结构从支模到拆模至少需要14天，模块钢筋砼的引入有效减少了施工周期。同时，钢筋砼模块建筑在耐久性、防撞、防火等方面要优于钢结构模块建筑。但其自身自重大等，造成高度和抗震性能方面受到限制。

2 模块化建筑结构体系结构抗震设计

2.1 结构模型的设计

模块结构的设计主要流程包括构件库建立、模块结构模型建立、模型优化分析、深化设计、施工出图等。模块化建筑主体通过模块组合拼装构成，不同的组合构造设计会对其抗震性能和承载性能造成较大影响。对于不同的模块体系，可以把其基本单元看做“积木”，通过不同搭建形式和搭接处理来保证其整体的抗震性能，为此，对于同一项目，本节采用了三种不同的组合方式，并运用PKPM构件了三种模型，并通过模型分析和计算来分析不同模块形式对结构整体抗震性能的影响。具体研究模块的搭建形式包括水平交错形、竖向交错形和交互交错形三种。PKPM通过PMCAD建模，并运用SATWE分析三种不同形式的抗震性能。

2.2 结构抗震性能分析

（1）结构地震周期分析

通过对三种不同布置形式的模块建筑的结构计算结果分析可以发现，其周期比、位移比、层间位移角等参数相差较大，同时构件的截面大小也相差较大。三种模型的周期差值计算公式如下：

通过计算差值可以看出，不同的模块的搭配形式周期差值相差较大，其中水平交错和竖向交错布置均要比对其布置的周期要小，对比发现双向交错组合形式和对齐组合形式之间的差值达到2.2%的差异，由此可见，采取组合布置的方式可以有效降低对结构自振周期的影响。此外，交叉布置会改善结构的刚度不均匀状况，进而增大结构的扭转周期。由此可见，通过交错布置可以有效改善结构的扭转周期和平动周期的比值，进而降低结构的扭转效应。

（2）结构楼层刚度分析

模块结构采取不同的布置形式对结构楼层的刚度也存在一定的影响，不同布置形式对模块结构的水平两个方向的影响见。通过对比可以发现，沿水平 X方向刚度影响较小，各区县基本保持一致。交错布置模块结构的层间刚度较大，与普通布置X方向相差为3500KN/mm，Y方向相差为15000KN/mm，通过结构变形可以发现，多层结构的剪切变形也会随着刚度的增大而减小。

（3）楼层位移

采取不同的模块布置形式会造成结构沿X方向和Y方向的层位移的不同，各不同布置条件下楼层位移曲线见下图1所示。通过图1可知，采取交错布置与普通布置形式之间楼层位移相差2%左右，可见，高层模块结构的楼层位移受到地震力弯剪作用的影响，造成结构的层间位移不均匀，通过科学布置可以有效降低层间位移的不均匀。

图1 层间位移变化曲线图

（4）结构层间位移角的变化

在双向地震力作用下，不同结构形式的模块结构沿双向的层间位移角变化不同。通过计算结果能够发现，不同的荷载作用下的层间位移角的变化幅度在1%以内，可以看出采取不同的组合形式对层间位移角影响较小。

3 办公楼模块化建筑的抗震分析

3.1 工程概况

某办公楼模块建筑，结构形式为装配式模块结构。该办公楼为某造纸厂企业办公楼，建设目的是为了提供员工消费娱乐、厂区办公、休息、会议等场所，该结构位于某市开发区，建筑的整体高度设计为40.2m，层数为10层，地下层数为2层。该办公楼结构采用底框结构形式，底部1层和2层均为商业使用，该办公楼的总体设计效果图见下图2所示。

图2 模块化框架办公楼建筑效果图

3.2 模型的建立

根据模块化结构的建筑设计方案，本工程采用PKPM-PC软件建立装配式模型，并对其进行结构计算和抗震分析，同时该项目还使用到了SAP2000软件对结构的抗震进行校核。该结构1层和2层为传统现浇钢筋砼框架结构，3层以上采用模块化结构形式，通过结构不同布置形式的抗震性能对比可知，运用等效双柱结构形式会极大程度的影响模块结构的力学性能，根据国内外研究成果，采取双层梁结构形式可以降低模块形式建筑对结构抗震性能的影响，所以，该办公楼选取中柱分别建模的计算方式。此外，因为钢结构与砼结构柱网布置与模块化结构存在一定差异，该结构模型建立过程中取消了2层的转换梁的设计。

3.3 设计结果分析

通过办公楼模块建筑结构的SATWE和SAP2000对多遇地震下结构的弹性线时程分析可知，模块化办公楼结构的楼层位移存在中间楼层变形较大的问题，同时其层间位移角也存在中部较大的问题。相比传统结构形式来说，薄弱层主要出现在中间楼层，因此对于中间楼层部分，可以采取增大构件截面、采取交错布置等方式来保证结构的抗震性能达到现行模块结构设计规范的要求。

对于罕遇地震条件下的SATWE和SAP2000的弹塑性时程分析可知，模块化装配式办公楼的层间位移和层位移均较弹性阶段增加5倍左右，但整体的变化趋势基本一致。此外可以从地震作用下结构的弹塑性变形分析发现，模块结构的塑性铰形成均能满足当前抗震设计的基本理念要求，即“强节点，弱构件”和“强柱弱梁”，展现了该办公楼建筑在模块化抗震设计方面具有经济性和适用性。

4 结论

建筑工程的工业化极大程度推动了模块化结构形式的快速发展，本文通过对模块化建筑结构体系的基本理念和结构形式的介绍，并探讨了抗震设计过程中的方案优化过程，通过对比指出了不同布置形式对模块化建筑承载力和抗震性能的影响。同时，本文还借助某造纸厂模块化框架模块办公楼体系的实际案例，对其结构设计模型的建立和抗震设计影响因素进行了分析，并指出了该模块化结构设计的结构抗震方案，展现了模块化结构在现代工程建设中的适用性。

[1]《建筑业“十二五”发展规划》.住房和城乡建设部，2011.8.18.

[2]丁成章.工业 4.0实现住宅产业化[J].中国房地产.2015(14).

[3]张季超，吴会军，周观根等.绿色低碳节能关键技术的创新与实践[M].北京：科学出版社，2014.07.

[4]薛莎莎.模块化思想在现代住宅设计中的运用[D].北京建筑大学，2013.