钢结构模块化建筑技术在城市应急管理项目中的应用

赵宝军，姚 杰，黄明洋

（中建海龙科技有限公司 深圳 518000）

0 引言

建筑工业化是我国建筑业发展的重要方向，符合我国发展绿色建筑的要求，其主要标志有建筑设计标准化、构配件生产工厂化、施工机械化以及组织管理科学化。近年来，模块化建筑凭借其优异的设计理念和突出的便捷性，作为一种新型的建筑形式，得到了国内外建筑行业的广泛关注［1］。在全球新冠肺炎疫情的严峻形式下，越来越多人逐渐意识到模块化建筑方案的集成和快速优势［2］。尤其是在武汉火神山和雷神山成功实施案例中，集中建造了临时的防疫医院，在短短的数天内完成了几万m2的医院建筑，模块化建筑在其快速建设中发挥出了关键性作用，满足了现场建筑快速组建要求，全国各地开始逐步推广采用了模块化集成建筑方案以应对当下疫情防控［3-5］。将此类具有绿色节能、高品质、高建造效率等一系列显著的技术优势的多层钢结构模块化建筑推广应用于学校教育设施建设、应急防疫类医院等的快速建造有着巨大的社会效益［6］。

通过对装配式钢结构模块化建筑的设计、加工制造、运输与安装一体化进行了研究，探索了装配式钢结构模块化建筑技术在深圳某防疫隔离项目的应用方式。该项目大大缩短了现场施工周期，减少了劳动力需求，降低了工程成本，促进了建筑工业化的发展和验证了其模块化集成建筑在城市应急管理应用的技术可行性，为应对当下日趋严峻的防疫隔离要求提供了一个良好的示范作用。

1 模块化建筑

1.1 模块化建筑的概念

MiC（Modular integrated Construction）组装合成建造法，也叫模块化集成建筑，是由若干功能模块化单元构建组成的一种建筑形式，所有模块既是1个结构单元又是1 个空间功能单元，能实现不依赖外部支撑而独立存在；可根据不同功能需求，划分成不同功能空间，配置不同办公、生活、辅助设施以适应建筑设计方案要求，组合形态多变，实现功能与造型多样化。按照所用的结构材料分类，MiC 体系主要有钢结构MiC、混凝土MiC 以及铝合金MiC 等［6］。在项目实践中，钢结构MiC 更加适用于公共建筑，包括酒店、公寓、学校等。混凝土MiC 更加适用于住宅产品，特别是剪力墙体系。铝合金MiC 常用于文旅建筑或园林小品等［7-8］。

MiC 模块化建筑和传统建筑的区别可概括为“四提四降”，“四提”是提高建筑品质、提高施工的进度、提高科技含量、提高建筑集成；“四降”是降低劳动用工、降低现场施工、降低安全风险、降低环境污染［9］。模块化建筑其技术核心在于利用模块化的设计理念和工厂化生产方式，将原本需要在项目现场实施的工程内容尽可能实现工厂预制，运输到现场之后，通过快速有效的连接方式组合完成整栋建筑［10-12］。

1.2 钢结构模块化建筑的意义

随着社会的发展进步，装配式建筑及其优势正日益受到广泛的关注。钢结构MiC 作为一种新型的建造体系，在建造效率、全寿命周期经济性以及可持续发展等方面表现出了巨大的潜力。与传统建筑相比，具有以下优势：

⑴经济性和效率性高：采用钢结构模块化技术建造房屋，相较于传统建筑的支模及浇筑混凝土，模块化集成建筑的设计制造理念可以减少设计师和工程师的成本，流水线量产化制造技术和速度都远胜于传统建造工艺［13］。

⑵抗震性能优越：模块化集成建筑在设计之初就将各类性能要求严格把关，作业施工基本在预制工厂内完成，其建造的模块化构件整体性能在发生地质灾害时能够保持良好的稳定性，其抗震能力远高于一般的建筑［14-15］。

⑶施工绿色可持续性：模块化建筑高度集成化制造管理，很大程度上降低建筑生产活动产生的建筑垃圾、粉尘、噪音、光等污染［16］，再加上模块化建筑使用的多为绿色建材和通用钢结构配件，使用完后的相关建材和配件等也大多数可以进行回收利用，极大地减少了资源的浪费，体现了建筑绿色化生产和环保可持续性理念，具备了低碳绿色节能化的特点。

⑷应急性强：对于一些突发疫情的地区，可以做到在最短的时间内完成防疫应急设施的建设，在使用周期结束后，相关单元可拆卸运送至其它地方，组装成新的应急设施［17-18］，具备特定应急性。

2 深圳某防疫隔离项目钢结构模块化建筑一体化技术研究

针对装配式钢结构体系建筑在包含设计、制造、运输与安装的建造全过程的技术协同需求，研究和优化建造全过程中设计、制造、运输与安装4个主要阶段为主的一体化原则和各阶段之间的技术对接方案。模数化、标准化、信息化是基础，以此保证全专业设计的协调、不同专业相关部品的一体化及高效连接和安装协调、不同参与方的信息协同，从而最大限度地保证装配式钢结构体系建筑的集成效率、精度和质量［19-20］。

为了应对日趋严峻的疫情隔离需求，深圳某防疫隔离项目建设规模24 万m2，包含6 栋7 层的隔离酒店，4 栋18 层的隔离酒店，服务人员宿舍、应急基本医疗用房、食堂、物资库和工作站等配套设施。政府要求在2 个月时间内完成700 间防疫隔离用房，该项目时间紧任务重，采用传统建筑施工方式显然无法达到要求。根据已建立的模块化建筑一体化技术成果，全部采用钢结构MiC，将其成功运用在该项目中，展现出了不可比拟的建造优势和应急价值，并取得了良好的示范效果（见图1）。

图1 深圳某防疫隔离项目（防疫隔离酒店）Fig.1 A Quarantine Project in Shenzhenl（Epidemic Prevention and Quarantine Hotel）

2.1 钢结构模块化建筑标准化与装配式设计

通过对以往模块化建筑的设计进行归纳总结制定出一套通用的设计流程，形成全专业一体化、装修一体化设计联动协同模式，并依据模块受力特点，将设计过程系统化、模式化。项目设计阶段，首先按照标准化设计，确定模块尺寸、模块的类型化、系列化，按照模块化设计原则，将整个建筑分为不同功能的标准模块，包括隔离房间模块、走廊模块、楼梯模块、屋顶模块等（见图2）。其模块组合方式遵照“少规格，多组合”原则，体现建筑构成的多样性和丰富性，充分考虑快速接驳、快速施工要求，实现了整个建筑的模块化拆分。

图2 项目设计图Fig.2 Project Design Drawings （m）

模块单元间连接节点设计，应简单、便捷、易操作、节省时间，其连接方式采用专门用于低多层的可拆卸螺杆连接体系。该体系传力路径明确，加工安装简便，已广泛成功应用于不同类型的钢结构MiC（见图3）。

图3 可拆卸螺杆连接体系Fig.3 Detachable Screw Connection System

2.2 钢结构模块化单元一体化制造

在项目实施过程中，700 个隔离房间模块及300余功能模块的生产周期约30 d。钢结构模块化单元制造工艺流程如下（见图4）。

图4 钢结构MiC产品生产制造流程示意图Fig.4 Schematic Diagram of the Manufacturing Process of MiC Products with Steel Structure

⑴钢材送检：首先，对进场的钢材进行抽样送检，确保使用的钢材性能符合设计、建造标准，从源头上对原材料做好品控把关，杜绝因使用不合格产品导致的返工和安全事故。

⑵钢材预处理：质检合格后的钢材属于胚料，不能直接用于工程中。需要对其进行相关预处理、开料完成基本的毛边形状尺寸等的规整，为下一步工作做好基础。

⑶钢部件制作：根据设计图纸以及相关力学计算，采用数控机床或机械臂将各尺寸钢材按照设计要求，加工成各零部件。

⑷框架总装：在预制化工厂内使用制作好的钢部件将半成品的框架按照设计图纸组装成主体框架，批量化生产，生产工厂车间整体有条不紊，整洁有序。

⑸打砂喷漆：打砂能把工件表面的锈皮等一切污物清除，并在工件表面建立起十分重要的基础图式，通过调换不同粒度的磨料，达到不同程度的粗糙度，大大提高工件与涂料的结合力，使粘接件粘接更牢固。

⑹钢结构质检：结构检测合格是确保钢件能顺利出厂的必要条件，通常来说需要进行质检的内容主要有3个部分，分别为原材料检测、螺栓检测和钢结构挠度检测［21］。其中，原材料检测主要包括钢板、圆钢的拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、硬度等韧性和塑性测试等。

⑺绑扎楼板钢筋、落混凝土：钢结构房屋的楼板主要有在压型钢板上现浇混凝土形成的组合楼板、非组合楼板、装配整体式钢筋混凝土楼板以及装配式楼板等，砼楼板可有效提高钢结构房屋的抗侧移刚度，提高建筑的整体性，减小由于其它外因造成的颤动，改善办公生活的整体舒适性［22-23］。

⑻轻钢龙骨及防火板安装：施工工艺流程主要有：弹线分档➝做地枕带（设计有要求时）➝固定沿顶、沿地龙骨➝固定边框龙骨➝安装竖向龙骨➝安装门、窗框➝安装附加龙骨➝安装支撑龙骨➝检查龙骨安装➝电气铺管安附墙设备➝安装一面罩面板➝填充隔声防火材料➝安装另一面罩面板➝接缝及护角处理➝质量检验［24］。

⑼整体卫生间安装：所有部件全部在工厂内生产，现场进行装配，有利于实现住宅产业化，建筑工业化。

⑽吊顶龙骨安装及预埋机电管线：装配式住宅机电的关键技术就是做好预制结构体内管线的预留预埋。设计人员需在设计阶段精确定位设备管线并与土建构件一起生成BIM 模型提供给预制构件厂，进行精确定位的预留预埋，进行管线优化布置。

⑾天花、墙面、地面装饰：天花快装利用专门开发的金属边龙骨加中间点支撑的方法安装吊顶大板，安装快捷。墙面快装系统可以分为两种形式：自立型墙体及贴面墙体系。作为装配式内装的组成部分，地面装饰系统遵循干法施工的要求。

⑿装饰装修质检：国家推行装配式建筑是指建筑和装饰装修采用装配式方式实施的一体化，和传统湿作业，装配式装修强调的是干法施工、成品化安装。装配式装修相关的标准和技术规范相继的出台，极大地促进了装配式建筑的发展和完善。

⒀打包出货：模块化箱房建筑一般都是整套的，有的是打包成散件运输到现场，近距离采用整箱运输，远距离一般采用散件多次运输，但是需要现场组装。

2.3 钢结构箱式模块运输与安装

在运输方面，模块化建筑结构体系，模块经过工厂设计拼装，通过高强度螺栓对梁、柱、节点进行了稳固，稳定性好。可折叠打包成一个标准集装箱尺寸大小运输模块，可满足民用集装箱平板车公路运输，能有效提高空间利用率及节约运输成本［25］。适应叉装、吊装、抓举等多种装卸方式，并可堆码贮存，具备装卸搬运适应性。

模块单元在工厂预制完成后运输至进场，采用起重设备，将模块单元按顺序吊装至指定位置，通过快速连接节点连接模块和模块间管线，并完成接口接缝处理，实现搭积木式的房屋建造（见图5）。对于几何形状和刚度双向对称的模块单元，其吊点宜设置在模块单元的楼面钢梁上；对于几何形状和刚度均不对称的模块单元，为减小吊装过程中模块单元的变形量，吊装时可根据变形情况增加临时加固设施。箱体模块之间连接方式采用专门用于低多层的可拆卸螺杆连接体系，箱体主体结构水平箱体通过左右连接件进行连接，上下箱体通过限位器及上下连接件连接。

图5 钢结构箱式模块运输与安装Fig.5 Steel Structure Box Type Module Transportation and Installation

3 关于模块化集成建筑的一种新型城市应急管理建筑方案

结合本项目的实施以及钢结构MiC 其他类似项目的经验，提出一种符合“平战结合”原则的新型城市应急管理建筑方案。以深圳某防疫隔离项目（防疫隔离酒店）项目为例，现有的酒店后期可转换为大学的学生宿舍。暖通专业可根据箱体构造独立性，设置独立分体空调及卫生间独立排风，均可在工厂完成安装随箱体运输安装，减少大量施工现场安装工作量。独立箱体均可采用自然排烟措施，不影响整栋建筑消防系统。

针对电气专业，设计时在MiC 客房门口朝向走廊处设置单独的强弱电箱，客房内照明、插座、空调与网络、可视对讲、电话、电视等智能化端口均从此强弱电箱引至，门口上方预留金属管连接外部电源及网络，使得每个MiC 箱体成为一个独立的配电小单元，为学校、酒店、公寓等建筑的一字形和回字形，外走廊形摆放组合提供了可能。如深圳某防疫隔离项目，由回字形组合成隔离酒店，后期改装成宿舍时，仅需在门口处加装电表即可实现单独计费的要求；卫生间内的排气扇只需接通开关就可实现由防疫时的集中控制改成就地控制。网络设置可直接在前端通过电脑操作，集中管理。由此达到平战结合、快速改造的特点。遇到新冠疫情等突发情况，钢结构MiC 可以在短时间内实现功能装换，具体包括：

⑴场地变换，从防疫隔离酒店等人流密集区域可以运输到预留发展用地等人口稀少区域，便于集中管理。

⑵ 经过简单改造可以实现暖通的空气压力梯度，从屋顶新风到楼梯间到走廊到客房的正压梯度。客房预留的新风管道都可以改造成为集中排风井道，满足防疫要求。

⑶配电箱、弱电箱均朝向走廊，便于连接以及加装智能化管控系统，迅速实现科技防疫要求。

⑷模块化的走廊、楼梯、屋盖可以配合不同的应急管理需求，组成不同规模体量的建筑单体。既能实现快速灵活建造，又节约成本。按照我们在珠海某宿舍楼多次搬迁的测算，每次异地安置的建安成本约为初始成本的15%。

4 结语

伴随着经济发展，城市规模越来越大，在面对疫情灾情时候需要更多品质高，效率快，成本低的应急建筑。在国家大力提倡建筑工业化以及实施可持续发展的背景下，此次疫情中钢结构MiC 一体化技术在深圳某防疫隔离项目应用产生的社会、经济效益，将有助于我国装配式建筑、模块化建筑推向新的高潮，也为今后此类应急医院、抢险项目的设计施工提供一定的借鉴作用。

在国家大力倡导和发展装配式建筑的形势下，钢结构MiC 凭借其工业化程度确保工业化品质，具有高度工厂化和极高装配率等突出优势，其采用的模块化建造方式代表着建筑工业化、绿色施工和循环经济的发展方向。同时易于拆卸安装的连接体系，遵照“平战结合”原则，模块化建造技术规模化应用示范项目给城市应急管理提供了一种全新的建筑解决方案，颇具推广价值。