多层钢结构模块建筑结构设计探讨

韩子刚 甘肃省轻纺工业设计院有限责任公司

1 前言

一直以来，钢结构设计都在建筑设计当中占据着关键地位。相比于传统的砌体结构以及混凝土结构来说，钢结构建筑的安全性和稳定性更强，对生态破坏较少。同时，模块建筑具有施工质量精良、建造时间短、建造成本低以及绿色环保等特点，因此研究多层钢结构模块建筑结构设计具有重要意义。

2 模块建筑概述

模块建筑是近年来新兴的建筑结构体系，指的是先在工厂当中制作每一个房间，然后再将制作好的模块运输到施工现场并利用有效的方式进行组装，使之成为一个建筑整体。模块建筑结构体系主要包括全模块建筑结构体系、模块单元与板体结构组合体系、巨型框架模块建筑结构体系、模块单元与剪力墙与核心筒混合结构体系、模块单元与传统框架结构混合体系这几种类型。

3 多层钢结构模块建筑结构设计

甘肃省地震烈度较高，气候条件相对较差，建造多层钢结构模块建筑比较符合实际需要，因此本文将以甘肃省某工程项目为例，简要分析多层钢结构模块建筑结构设计。

3.1 工程概况

该工程位于甘肃省兰州市，属于商务楼，总建筑面积为2540m2，总体结构为三层，部分结构为两层，其中首层的层高较高，约为5.5m，属于多层结构，结构底层为钢框架，上部为钢结构模块体系。

3.2 合理选择结构体系

在进行多层钢结构模块建筑的施工过程中，首先需要在工厂当中制作钢结构模块，然后再将制作好的模块单元运输到施工现场，所以需要合理把控钢结构模块的尺寸，将模块的尺寸控制在国家规定范围内。在综合考虑国家规定以及吊装需求之后发现需要将模块单元的高度控制在4.2m以内，宽度控制在2.5m～3.5m这个范围内。在选择结构体系时，不仅需要考虑钢结构模块的尺寸还需要考虑到建筑的功能需求。比如说，甘肃省兰州市这个工程要求首层具备休闲区等比较大的空间。所以可利用钢框架与钢结构模块混合的结构体系，也就是在一层以及二层和三层的局部应用钢框架结构，剩下的部分应用钢结构模块。

3.3 合理划分模块单元

和传统建筑相似，在进行模块建筑设计时需要先完成建筑设计然后再开展结构设计，但二者之间也存在一定的区别，即在模块建筑中需要在进行结构设计之前划分模块单元。在划分模块单元时需要遵循一定的原则，首先要确保模块单元的对称，要让模块单元符合运输要求和吊装需求；其次要分开放置不同功能的房间，即不要在同一个模块当中放置不同功能的房间；此外，如果楼梯、厨房等模块具有独立功能，可将这些模块放置在同一个模块单元当中。

3.4 明确模块单元的类型

钢框架结构是多层钢结构模块单元的主体，按照结构需求可将模块单元分为角部加强模块单元、普通模块单元、支撑模块单元以及中柱模块单元等类型。角部加强模块单元处于模块建筑的角部，能够增强建筑角部的承受力；普通模块单元比较适用于空间大的区域，主要由地板梁、次梁等结构组成；支撑模块单元是在模块单元当中设计支撑，比较适用于楼梯等空间；中柱模块单元就是比普通模块单元多了一根中柱。

3.5 节点设计

3.5.1 模块单元间的连接节点

本工程主要利用角件构造进行连接件设计，在施工过程中不需要过多的使用焊接施工。角件构造的形状和集装箱角部的角件相似，但是尺寸等方面不太一样。模块单元之间的连接件主要是由连接板、螺母以及上下旋转件共同构成的。连接板能够将上模块单元和下模块单元的角件连接起来，中部矩形台能够承受水平方向的剪力，凹槽能够将连接件的旋转部分固定起来。上旋转件起着带动下旋转件旋转的作用；下旋转件需要承受竖直方向的剪力和拉力。

3.5.2 模块单元和基础以及钢框架的连接

在基础上安装一个特殊的角件并利用连接件就可以将模块单元和基础连接起来，但是这个角件的高度需要比模块单元的角件低。此外，如果想将模块单元和钢框架连接起来就需要采用传统的焊接方式。

3.6 结构构件设计

该工程中主要使用Q345B钢材，首层钢框架采用的是H型钢梁以及矩形钢管柱，节点是隔板贯通节点，这种节点安装起来比较简单。模块单元当中的梁柱使用的都是矩形钢管，同时天花板的梁荷载比较小，所以模块柱和天花板梁截面的规格相同。和模块柱连接起来的梁截面宽度在150mm左右。在连接梁柱和模块柱时需要保证梁柱的齐平，以为模块建筑施工提供方便。

4 结语

多层钢结构模块建筑在现代建筑当中占的比例越来越高，建造这种类型的建筑不仅可以提高建筑质量、缩短建造时间，还符合绿色建筑的要求，应该大力推广该建筑，并优化结构设计，增强建筑的安全性和实用性，促进建筑行业的发展。