多层钢结构模块建筑结构设计探讨

摘要：模块化建筑是实现工业化的一种新兴建筑结构形式。针对钢结构的模块-框架复合建筑结构，简述拟建的一栋多层钢结构模块与钢框架复合建筑的工程情况，对郑州市某拟建公寓进行模块尺寸和施工要求对拟建的多层钢结构模块与钢框架复合建筑进行结构体系构建，并对其构件和节点等进行设计。在结构体系构建中，发现由于构建和节点较多，受力效果不理想。文章以多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构入手，通过分析其结构体系、构建和节点，对其结构进行设计和研究，以期为多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计提供参考性建议。

关键词：多层，钢结构，模块建筑，设计

模块建筑是一种新兴的建筑体系，是以每个房间作为模块单元，在工厂中进行预制生产，完成后运输至现场，并通过可靠的连接方式组装成为建筑整体。国外AnnanCD等提出了一种楼板骨架为工字梁，柱为方矩管的钢框架式模块，且模块单元之间采用柱顶端板直接焊接的方式进行组装。国内王燕等提出了一种新型的装配式钢结构梁柱内套筒组合螺栓连接节点。刘学春、张爱林等提出了一种模块化装配式斜撑节点和另一种模块化装配式高层钢结构梁柱连接节点。

一、工程概况

某多层单元式白领宿舍，无地下室，地上5层，层高3m，局部6层，层高4.5m，结构主体高度16.45m，建筑面积约为4600m2。

二、结构体系与模块单元设计

（一）结构体系的确定

从模块尺寸、建筑功能和结构设计三方面需求出发，确定建筑的结构体系。

1、模块尺寸：

钢模块单元需要在工厂内进行制作加工，制作完成后运输至施工现场，根据国家相关道路运输规定以及吊装的需求，模块单元的宽度一般为2.5～3.5m，且高度不超过4.2m。

2、建筑功能：

建筑中部设有门厅，首层和2层连通设立大开间，建筑中部和角部设有楼梯和电梯。

3、结构设计：

模块单元不宜设置支撑，采用钢框架体系，便于布置支撑，提高结构的抗侧刚度。

综上考虑，项目最终采用钢模块与钢框架复合结构体系，即建筑中部和楼、电梯部分采用钢框架结构，其余部分为钢结构模块单元。

（二）模块单元设计

模块单元采用钢框架结构，由角部的4根模块柱、底梁、顶梁以及次梁构成，外侧墙体采用波纹板。模块单元采用8550mm×3000mm×3000mm，6550mm×3000mm×3000mm，6550mm×3000mm×4100mm三种不同尺寸。此建筑共需要157个模块单元。

三、节点设计

在针对该公寓楼的节点设计时，主要考虑地下车库与地面建筑的节点设计和地面建筑之间的节点设计，钢框架之间的连接节点、钢框架与模块单元之间的连接节点、模块单元之间的连接节点三种情况。

（一）钢框架之间的连接节点

考虑到地下车库与地面建筑的节点设计，具体做法是采用特制铆钉和螺栓拉杆连接组合连接节点的方式，保证地下车库与地面首层钢框架连接节点的强度与刚度，加强抗震、抗灾能力。该构造形式较为合理，施工难度较大，但由于通过组合连接节点，有效保证连接节点的刚度和强度，符合刚性节点的要求。

（二）钢框架与模块单元之间的连接节点

在该公寓的地面建筑中，首层钢框架部分与地下车库钢框架部分采取强度和刚度较大的节点，在首层钢框架顶部，需要搭放模块单元。在采取连接节点时，通常采取插销连接方式，具体做法是：在进行顶部模块连接时，采取插销连接，对节点连接部分进行固定，在梁截面部分与模板连接处采取十字肋板焊接连接，进行节点加强工作。通过钢框架与末班单元之间的连接节点，有效提高公寓的稳定性，防止建筑局部出现节点连接不当的问题。

（三）模块单元之间的连接节点

在进行模块单元之间的连接时，由于模块单元的连接较为简单，且不同大小的模块连接不同，通常采用该模块建筑公司提供的专用节点形式。一般来说，专用节点连接形式都采用插销连接、螺栓拉杆连接等组合方式，确保了模块间角部连接节点的强度与刚度。专用节点连接结构具有形式简单、合理，有效性强、稳定，便于施工等优点，普遍适用于模块单元的结构连接工作中，适用于该公寓地面六层建筑的模块连接。

四、多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构和传统钢框架结构的对比

传统的钢框架结构是简单的梁柱连接体系，通过简单的连接手段将钢框架进行节点连接，由于个体较大，导致刚度和强度都较低，稳定性较差，施工难度大，而多层钢结构模块与钢框架复合结构由钢结构模块与钢框架组成的一个整体，能有效分离和组合，具有形式简单，刚度和强度都有提升，稳定性强，施工难度小，适合多种施工条件下进行施工的优点。多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构和传统钢框架结构最大的区别在于多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构是一种多梁多柱体系，传统钢框架的节点连接形式主要是铰接，在多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构中，节点连接形式主要有插销连接、螺栓拉杆连接及组合连接的方式。多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构在进行模块单元节点连接时，除了对模块单元之间进行节点连接，还会针对楼板接缝处的局部不严实进行处理工作，保证楼边的稳定性，保证多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构建筑楼板的连续性。

五、结语

本文对多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构的构件、节点等进行分析研究，通过将多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构和传统钢框架结构进行对比，并进行了有限元计算和分析，得到以下结论：

（1）对于多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构建筑，综合模块尺寸和建筑要求等多方面因素，对根据模块尺寸以及建筑功能等方面的要求，最终选定结构体系为多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构。

（2）在设计过程中，针对施工要求，对钢结构模块和钢框架进行选择，并在选择的基礎上对构件和节点进行合理设计，为施工提供保障。

（3）通过对多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构钢结构模型进行模拟，证明将节点优化，能有效提高其稳定性，优化方式合理。

参考文献：

[1]陈志华，周子栋，刘佳迪，周婷，余玉洁.多层钢结构模块建筑结构设计与分析[J].建筑结构，2019，49（16）：59-64+18.

[2]王志友.多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计探究[J].工程建设与设计，2019（13）：37-38.

[3]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（30）：93-94.

作者简介：姓名：张森（1985.05--），性别：男， 籍贯：辽宁省 锦州市，学历：本科，毕业于福州大学，现有职称：中级工程师，研究方向：结构设计。