结构模块化深入建筑领域设想

结构模块化深入建筑领域设想

白丽楠沈冰

中国港湾工程有限责任公司北京100027

摘要：结构模块的使用在建筑领域有着广泛的应用前景。与普通建筑相比，结构模块的优势非常明显，例如自重轻、材质刚性均匀、应力计算准确、制造简单，成本低廉、运输安装迅速等。由于结构模块的主要建造材料为钢材，工厂可以利用精干的施工小组、科学现场生产施工工艺，严格的质量流程控制，实现模块流水线生产。即能节省大量建造工时，又可以避免多余场地占用，从而实现利润和质量最大化的目的。

关键字：结构模块；钢材；建造

高耸的尖塔、十字拱、飞券、修长的立柱表达着哥特建筑的宏大。假山池沼、亭台楼阁、竹子花木诉说着园林艺术的细腻。身在钢筋混凝土城市中的人们，对建筑有着多样的猜想。

一、结构模块化的优势和限制

结构模块化建筑是对自然环境影响最小的一种结构之一，在各行各业已被广泛采用，特别是在建筑和工业领域的应用更是多种多样。钢结构模块化结构的优势很多，集中在以下几个方面。

1.施工占用面积小，对施工地周边的环境影响很少。钢结构模块先在工厂建造完成，然后运输到目的地，将各个模块组装连接完成。无需大面积铺开施工场地，对周边自然和社会环境影响低。非常适合于经济发达地区的炼化厂，发电厂，食品加工厂等。

2.现场施工周期短，生产效率高，具有良好的装配性，能够实现工厂快速投产。各个结构模块仅需要运达现场后与地基固定，并通过管线连接，简单施工和试运行后就可进行投产工作。

3.对于海外项目而言，能够大量的降低人工成本和采购成本。由于结构模块是成品，运达海外目的地后直接安装，无需再大量采购其他原材料。另外，由于现场施工工作量下降，对人力的投入也将大大降低。

4.模块的易修性和可替换性。在发生严重的设备故障、管线老化或变更工艺的情况下，仅需要将故障模块替换掉即可，其他的工艺模块不影响使用。

5.用于施工条件恶劣的地区的临建设施。例如临时供配电系统，水处理系统以及营地建筑利用结构模块快速搭建，在此区域配合现场施工有着广泛的市场。

结构模块的运输方式相对复杂。大型结构模块项目一般都建于海岸和内河码头附近。利用船舶运输模块，再通过特种车辆，诸如，轴线车或集装箱平板车，送达陆上目的地。因此，在陆上建造之前就要优先考虑以后的装船运输和安装程序方案。这个过程需要有很强的海运技术要求以及充分的技术论证。一般而言，根据结构模块的外形尺寸、重量、船舶的性能参数来决定海上运输的方法。结构模块运至安装现场后，也需要根据其前期的安装方案，通过螺栓或焊接的方式即刻开始组装工作。

二、结构模块的应用领域

目前结构模块常用的领域很多，在工业领域以电气模块，海工，造船，住宅，矿山，石油炼化等行业最为常见，这些行业模块在国内的建造技术最为成熟。

1.电气模块（E-HOUSE）

EHOUSE是一个集约化的、模块化的电气解决方案，是一个装置在预制的、紧凑的、可拖运的、特殊化定制的、具有正压和空调外壳内的集成系统。在多样的环境条件下为顾客提供不间断的送电、监控和操作。由于其预制化、快速安装、可靠的优势，当项目面临施工场地偏远，安装调试过程中缺少零部件，采购不便；设备供应商繁杂，接口复杂，交货易延迟，导致现场待工、停滞；受当地法律影响，无足够合格的施工人员聘用等不利条件时，EHOUSE作为集电气、设备和工程设计服务于一身的门到门工程解决方案，能给客户在带来诸多的潜在和实用价值。

2.炼化模块

炼化工厂中的常用设备一般有：储罐、反应器、塔器、加热炉、机泵设备、工艺管线、换热设备、钢结构等。其中钢结构框架作为支撑和扶持塔容的主要装置部件，不仅作为设备框架，也是固定工艺管线、电气、仪表、容器的设施。对于设备框架的模块化建造，是实现效率和经营效益双丰收的最佳建造方式。

以Chevron公司的Wheatston天然气炼化厂项目为例，模块化建造的设备框架比传统散件建造方式。除了建造安全、建造质量、建造安全上容易控制外，模块化比散件分片安装缩短了一个月工期，脚手架的费用和模块化建造费用是传统散件建造费用的一半；其他综合人工费和机械台班费也更低。

3.集装箱房模块

模块化营地是具有建设周期短、对生态影响小、不需要出让土地的住宿、餐饮、办公、休闲等设施。集成化的模块房间具备通风、采暖、保温、采光、自备能源等优点；其服务功能和设备设施相当于实体酒店、娱乐中心和体育中心的设计标准。它可以根据用户的需要设定各个模块（群）的功能，自行添减功能；可以自行解决能源供应，根据需要安放任意建筑于场地内，其可凸显工作、住宿、运动、休闲等功能，。

集装箱房是模块化营地的主要代表。它一般在厂内制造，拖运到现场后再组装，现场组装简便，对周边环境的需求性和影响性都较小，是国际公认的低碳环保建筑模式。其具有易移动性，由此能够灵活搭配多种形态，并且也不侵占用地指标，适用于季节性经营的现场和营地。它对于山地、滨海、农村环境都非常合适，同沙漠、草原的亲和度相对较低。集装箱房从造价上来看与木质房屋、野营帐篷相近，但其安全性、保密性更高，个性化较大的风格特色更显其价值优势。

移动式集装箱房集装箱全部构件采用标准化预制生产，不仅易于安装、拆卸，同时通过个性化增加、减少、改变门、窗、隔板的位置提升了集装箱的布局和房屋的功能多样性。在使用上，因为集装箱是组装拼接的空间，所以移动起来比较方便，这样如果需要搬迁就显得非常的容易，可以拆成若干个箱子来进行运输，无需把内部的家具设施搬出来，在环保方面优势也非常明显，它可以循环使用，所以在投资和环保方面都值得肯定。

三、结构模块的设计

在对结构模块的设计过程中，主要结构梁、立柱、斜撑，采用的主要材料应为Q345D，而次要梁或小梁等其他结构材料多为Q235B，吊点和特殊位置的结构材质需要经计算后确定。根据结构模块的具体要求，在组合模块时，模块次梁间距不应大于规范的最低要求;在模块单元中，为保证其抗震能力，立柱截面要大，交汇于立柱处的梁截面要较小，立柱截面要大，是一种强柱弱梁体系，根据模块设计荷载条件下对构件强度与刚度的要求，模块单元梁、柱、斜撑的选择均应满足标准要求。

考虑到梁、柱、斜撑之间的节点设计，具体做法是采用焊接和螺栓拉杆相结合的连接方式，保证首层结构框架连接节点的强度与刚度，加强抗震、防灾能力。该结构形式较为合理，施工难度叫其他方式易于施工，由于使用组合连接节点，有效保证连接处节点的刚度和强度，满足刚性节点的施工要求。

在结构模块单元之间的拼接时，由于模块单元的连接较为简单，且不同规格的模块连接方式有所不同，通常采用该模块施工单位提供的专用节点形式。一般来说，专用节点连接形式都采用螺栓拉杆连接方式，确保了模块间角部连接节点的强度与刚度。这些节点连接结构具有形式简单、实用，连接性强、稳固、便于施工等特点，普遍使用于模块单元的结构组装工作中。

四、结构模块的建造

建造部在收到设计部门下发的加设图纸后，建造部将组织本部工程师对所有图纸和料单进行核对，对图中涉及的尺寸和节点查漏补缺，并且对施工中可能出现的问题进行讨论，例如由于施工空间不足导致的吊机无法伸展或质量人员无法目测到的检验盲点。

开工前，建造工程师根据图纸再做一遍料单，根据料单到库房和料场检查相关物料是否到位，是否配套，以减少由于材料问题导致的待工或窝工。

参照规范或规格书的精度控制程序，在生产过程中严格控制每个生产工序的精度，根据ITP的要求，在生产流程中设立检验停止点，保证过程控制完全符合规格书和规范要求。针对结构中栏杆、托架、格栅、踢脚板直梯等，应清楚其采用的防腐（涂装）工艺，及时进行钻流锌孔，镀锌等作业。

管线预制过程中需参照生产计划执行，确保各类管线尺寸、外观和焊接质量。管线预制过程中从下料阶段就应做好识别标识，标识应为永久标识，等管线焊接完成后就会进行单管挂牌，确保管线材料追踪及时有效。

管线在压力试验及热处理之前，由设计部门牵头组织，整理出管线水压清单及热处理清单，将相同系统，相同压力等级及同一温度的管线统一放置在规定的区域。并在压力试验和热处理前再次现场检查，确认无误。

总组施工完成后，开展模块机械完工工作，主要目的是检查并确认所有结构构件系统等均按照图纸施工并满足客户图纸、规格书及相应规范标准要求。为后续的电气仪表联调程序提供支持。

五、利用结构模块化建筑凸出企业文化

目前结构模块化对于大部分国内建筑企业而言还属于比较陌生的领域，设想一下可以从简单的模块开始，由简入繁，从打造有本企业文化的集装箱箱房营地（或其他形式的营地箱房）切入结构模块市场。温馨的工作生活环境不仅美观、实用和安全，而且还多了一份营造的情境。把企业文化彰显在营地设计中，这不只是对一个企业底蕴的考验，也是对建筑行业的一场考验。

参考文献

[1]庞李安.现代钢结构建筑的设计[J].科技创新与应用,2016(05):247.

[2]朱翔,陈雅北.现代钢结构在建筑设计中的表现探讨[J].科技创新与应用,2012(11):216.

[3]陈鹏.多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析[J].中国房地产业,2018(03):179-180