模块建筑结构设计实践

文/中国建筑设计研究院有限公司国住人居工程顾问有限公司 刘长松

新城控股集团股份有限公司 蓝缪辉

中国建筑设计研究院有限公司国住人居工程顾问有限公司 王海波 任乐明 武晓敏 杨春林

1 工程概况

江苏省连云港市某住宅小区位于赣榆区，本项目其中1栋住宅楼采用模块建筑体系建造，建筑面积约0.98万m2。地上结构采用模块-钢筋混凝土核心筒结构体系，地下室采用剪力墙结构体系。本地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，地基基础设计等级甲级。建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果

2 模块建筑体系

2.1 模块建筑体系概述

本项目采用威信模块（module）建筑体系进行设计与建造。模块建筑体系是指由抗侧力核心筒与多个预制集成建筑模块在施工现场组合而成的建筑体系。该体系中的核心筒是模块建筑体系的抗侧力核心，承担建筑地震及风荷载作用下的全部水平荷载；预制集成建筑模块是由钢密柱墙体、混凝土楼板及吊顶、内装部品等在工厂共同组成的预制三维空间承重结构单元，只承担自身重力荷载。核心筒与预制集成建筑模块之间及模块与模块之间通过可靠度非常高的连接件连接，能有效保证模块建筑体系整体受力性能，且模块建筑体系在设计时，将建筑物非核心筒部分划分成若干个尺寸适宜运输的任意形状预制集成建筑模块，建筑平面和立面设计基本不受模块划分限制，是一种装配率较高的建筑体系。

2.2 预制集成建筑模块工厂化加工

模块建筑体系中预制集成建筑模块是根据标准化生产流程和严格的质量控制体系，在专业技术人员的指导下，由熟练工人在模块组装工厂车间流水生产线上制作完成，制作加工精度高，是一种较彻底的工业化、标准化建造技术产品。由于预制集成建筑模块技术的使用，其厨房、卫生间可标准化定级生产，管线系统高度标准化，室内精装修甚至清洁均可在工厂完成，现场只需完成模块吊装、连接、外墙装饰及市政绿化施工，施工精度与质量管理水平远高于我国目前的现场作业。

2.3 模块建筑体系现场施工建造

模块建筑体系现场施工建造与工厂预制集成建筑模块加工生产可同步进行，现场先施工抗侧力核心筒部分，待核心筒部分施工完成后进行预制集成建筑模块的吊装与现场拼接工作，施工建造流程如图2所示。

由于模块建筑建造技术的运用，模块从起吊到安装仅需少量技术工作人员，且每个模块安装由同一批技术人员完成，模块建造施工现场所需工人数量较传统施工大幅减少，施工建造质量更加稳定可靠。

3 结构体系与构件布置

3.1 结构体系

1）特殊性 本项目采用的是一种新型结构体系：模块-核心筒混合结构。模块与核心筒布置如图3所示。模块采用钢密柱体系，主要承担自身竖向荷载，承担风荷载及地震产生的水平作用很少；核心筒为钢筋混凝土结构，按承担全部水平作用考虑，并承担自重。模块划分较为灵活，每个模块大小控制在5m×12m范围内，可满足工厂制作、运输、吊装的要求。

2）设计基本假定 计算核心筒时钢柱按两端铰接模型考虑，核心筒承担全部水平荷载，模块只承担自身竖向荷载。按照分块弹性楼板和分块刚性楼板分别进行计算，其中层间位移按楼板分块刚性计算（见图4），其余参数按弹性楼板计算。模块与核心筒之间通过连接件相连，释放一端竖向位移，只传递水平剪力和拉压力。

图2 模块建筑现场施工建造流程

图3 模块-核心筒结构平面布置

图4 分块刚性楼板计算

3.2 抗侧力核心筒布置

本项目抗侧力筒体采用钢筋混凝土结构（见图5），整体平面布置采用双筒布置。核心筒外墙内设置钢骨柱，承担竖向拉力。核心筒外墙厚400mm，内墙厚200mm，均采用C40混凝土。整体结构计算模型如图6所示。

4 结构地震反应分析

结构计算分析分别采用结构空间有限元分析与设计软件ETABS（C16.1.0版）和YJK（V1.8.2.1）。

4.1 结构动力特性

分析中包括足够的振型，使建筑物质量参与系数均大于90%，计算得到的前3阶模态振动周期如表1所示。扭转为主的第一振型周期与平动为主的第一振型周期之比：ETABS计算结果为0.779，YJK计算结果为0.786，基本满足规范要求。

4.2 反应谱计算结果

振型反应谱方法采用CQC组合，结构在多遇地震下位移、基底剪力如表2所示，由表2可知结构变形、基底剪力等均可满足要求。

4.3 弹性时程计算结果

分别采用3组地震加速度记录作为弹性时程分析的地震波输入，包括2条天然波TR1，TR2和1条人工波RG1，地震记录的频谱特性与场地特性一致，地震地面主分量峰值加速度采用35cm/s2，主、次向峰值加速度比值为1∶0.85，时程波与振型反应谱法所用的地震影响系数曲线在统计意义上相符（即平均地震影响系数在对应于结构主要周期点上相差不大于20%）。

每条基底剪力均大于反应谱法的65%，3组时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016版）第5.1.2条的规定。弹性时程分析的各楼层剪力平均值和反应谱结果比较接近（见表3）。结构地震作用效应取3条时程曲线计算结果包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

图5 钢筋混凝土核心筒布置

图6 整体结构计算模型

表1 结构动力特性

5 结构重点部位与关键构件设计理念及加强措施

5.1 钢筋混凝土核心筒抵抗水平地震作用和风荷载作用下产生的水平力

钢筋混凝土核心筒按性能化设计，性能设计目标如表4所示。由于核心筒承担全部水平荷载，在水平荷载作用下核心筒墙肢出现较大拉力，设计中采用型钢抵抗全部拉力。型钢布置如图7所示。

表2 结构分析计算结果

表3 反应谱与时程计算结果对比

图7 核心筒型钢布置

表4 核心筒性能设计目标

5.2 模块结构构件采取包络设计原则，关键部位与构件采取抗震性能设计

1）模块钢密柱采用两端铰接与一端固结一端铰接模型包络设计。采用一端固结一端铰接模型计算时，按结构底部总地震剪力的20%和框架部分计算最大楼层地震剪力1.5倍二者的较小值，对模块钢密柱框架部分的地震剪力与弯矩进行调整。

2）模块-钢筋混凝土核心筒连接件及模块间连接件采用抗震性能化设计方法，同时采用地震反应谱与时程计算结果的包络值设计，抗震性能设计目标为“小震弹性，中震弹性，大震不屈服”。

5.3 楼层平面不连续及局部凹进部位楼板加强措施

1）增设模块楼板水平连接钢板及层间连接钢板，模块楼板水平连接处槽钢采用加劲肋加强，并附加双层通长抗拉构造钢筋。

2）楼层平面局部凹进部位外缘增设楼板，对应模块连接处楼板附加双层通长抗拉构造钢筋加强。

3）提高双核心筒之间模块楼板构造配筋率，并采用双层双向配筋方式。

6 结语

本文运用ETABS和YJK 2种计算程序对本工程在多遇地震下的结构反应进行分析，分析结果显示：2个程序计算得到的结构各指标均相差很小，从而证明计算结果的准确性和真实性。

1）本工程采用新型结构体系，由于在结构设计中采取较合理的结构体系与布置，以及有效的抗震措施，使结构具有较好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程要求。

2）2个程序的计算结果与变化规律基本一致，楼层剪力、层间位移、层间位移角、周期比、剪重比、有效质量系数等均满足规范要求。

3）模块间、模块与核心筒之间连接件等关键连接节点及模块钢柱等关键构件，通过采取建筑抗震性能化及包络设计的设计方法，满足预期设计目标。

上述计算及设计措施表明：结构设计基本合理，具有合适的承载能力和变形能力，可满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计要求。