高层钢结构模块化建筑工程应用实践

引言

模块化建筑在国外应用较早，20世纪60年代最早起源于欧美和日本等国家，到21世纪初才逐步在中国市场应用。经过多年发展，随着技术的进步及理论研究的不断完善，目前已形成不同结构类型、不同主体材料的多种模块化建筑结构体系，应用场景主要包括公寓、学校、酒店、医院等建筑，其中也包括周转型建筑。相较传统建筑，模块化建筑可称之为高阶的装配式建筑，其工业化程度高、现场施工绿色环保、建造品质更加优良，不仅符合未来建筑工业化、数字化、绿色化的发展趋势，还可有效实现建筑品质提升、空间灵活多变、满足可拆卸式等要求，能够更好地助力建筑业可持续高质量发展。近几年国内新建的永久性模块化建筑多为低、多层模块化建筑，高层钢结构模块化建筑应用较少，本文主要以深圳某在建高层钢结构模块化宿舍为案例，阐述其设计及建造关键技术。

工程概况

本项目是深圳市《2023年推动高质量发展“十大计划”》中的重点建设医疗卫生项目之一，主要功能为满足重大疫情期间应急备勤与隔离住宿的需要，建成后可为应急院区闭环管理的医务人员及工作人员提供集中隔离住宿空间。项目总建筑面积26238㎡，主要包括两栋宿舍楼及相应配套设施，整体建造均采用装配式设计及施工工艺，并满足绿色建筑二星级设计标准。其中第1栋宿舍楼地上14层，建筑高度55.15m，结构采用钢结构模块化箱体与混凝土剪力墙组合结构体系；第2栋宿舍楼地上19层，建筑高度69.2m，本单体建筑结构体系为装配整体式剪力墙体系，本文重点介绍第1栋钢结构模块化结构体系。

关键技术

3.1 标准化设计

项目整体采用标准化且高效集约的设计策略，建筑平面设计为标准化模块单元，外立面整体方正简单，便于钢结构模块化箱体现场拼接。标准房间单元的进深、高度、面宽都以标准模数来确定尺寸，从设计角度来确保后续生产与建造阶段的可实施性。立面设计将相邻两个房间合并为一个单元，使上下相邻单元模数和柱网对齐，室内空间和外立面造型相统一，最终实现整体协调、简约时尚且体现韵律感的效果。

本工程两栋主楼建筑平面布置总体相似，装配式构件均采用全预制及标准化设计，主要包括钢模块箱体、预制叠合楼承板、预制剪力墙、预制楼梯等。基于标准化的建筑空间布置模数，所有装配式构件在满足设计规范要求和经济性的基础上进行归类统一，从而实现构件从设计到深化、下料、加工、运输、安装等各个环节的标准化、精细化、数字化管控。

项目标准房间单元模块和走道区域均采用机电标准化设计方案，依托于建筑和结构标准化所创造的先决有利条件，不仅实现了机电设备、管线安装的标准化统一，同时在宿舍部分区域采用了MIMEP机电集成模块，机电标准化极大程度提升了建筑空间使用率和观感品质，也确保了装配构件的可实施性与落地性，方便后续部品部件采购、制作和安装。在钢结构模块化箱体深化设计阶段，可借助BIM类平台应用程序，通过二次软件开发优化设计流程，大幅提高工作效率。

（图 2 标准化立面设计）

（图 3 1栋宿舍布置图）

3.2 智能化生产

钢结构模块化箱体生产和安装均采用施工现场的数字孪生可视化系统与后台MES生产管理系统相协同，通过构件二维码进行全流程管理，对工厂制造以及现场安装进行实时信息采集与数据分析。本工程钢模块箱体制造选用企业自有的模块化制造工厂，有效发挥“设计-采购-施工”一体化建造模式的优势。钢结构模块化生产线采用自动化工程装备设计理念研发而成，最大程度采用高精度生产设备及一键联动控制程序。借助高精度三维激光扫描仪实现总装箱体尺寸分米级检测与零接触作业，整个钢结构模块单元箱体长宽高误差控制在0～2mm，对角线绝对值误差控制在0～5mm，相比传统制造工艺精度提高10%，为模块化建筑的品质提升提供有力保障。

（图 4 钢结构模块化智能数控生产线）

3.3 装配化施工

为实现钢模块箱体的快速吊装和精准定位，项目采用高层专用起吊架，并联合科研高校研发新型自定位加强型灌浆节点，确保了箱体与箱体间的稳固连接。依托高标准的工厂智能化装配生产线和全生命周期的智慧运维建造平台，较传统装配式剪力墙建造体系建造质量更高、工期更短、施工更安全、施工环境影响更小，项目建造工期缩短30%，现场工人减少60%，吊装次数减少70%，现场湿作业量减少60%，施工过程建筑碳排放量减少约90%。

3.4 一体化装修

标准模块房间实行全装修集成吊装，机电管线、门窗幕墙、装修内饰面和固定配套卫浴等设备均在箱体制造厂组装完成。室内全装修集成面积占比高达65%，在响应装配式建筑标准的同时，更大程度将现场施工作业移至工厂，提升建筑装修效率与品质。在外围护结构设计过程中，需结合不同城市区域环境温度影响综合考虑，最终实现建筑功能与能耗降低的双重目标。

（图 5 房间内装效果图）

总结

模块化建筑工程是一项系统工程，需做好设计、生产、运输、施工、运维等各个环节的协同配合，基于完整的产业生态才能提升工程品质与效益。目前模块化建筑较多应用于低多层建筑，针对高层模块化建筑的应用案例仍较少，依托本文研究的模块化示范工程案例可提高公众对模块化建筑的认可度，后续仍需加大对模块化建筑箱体连接技术、防水技术、保温隔热技术的研究力度，进一步提升模块化建筑工程的性能和品质。

来源：新营造

作者：中建科工集团有限公司张鑫鑫 张浩

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