低多层混凝土模块化建造技术研究与应用

本文转载至「预制与预应力混凝土结构」，原作者：刘智龙  李进军。点击阅读原文：查看原文。转载目的在于传递更多信息，如有侵权请联系删除。

导读：本文以海外中东某大型居住区项目为研究对象，在建筑方案既定的条件下，完成了装配式混凝土PC体系向模块化混凝土MIC集成建造体系的方案转换研究、方案比选、结构验算、施工模拟与技术经济对比，为类似海外项目的模块化建造提供参考。

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项目概况

1.1 项目基本情况

本项目为海外中东地区大型综合居住社区，以住宅开发为主体，同步配套商业、教育、医疗、绿地、市政及交通服务设施，整体体量较大、功能构成完整。项目主要产品形式为低多层混凝土住宅，户型标准化程度较高，具备推行标准化、模块化建造的良好基础。本次研究选取项目中占比较大的主力户型作为分析对象，在保持原有建筑平面、立面、层高及使用功能不变的前提下，将原装配式混凝土PC体系升级为混凝土模块化MIC集成建造体系，围绕方案转换、结构验算、施工模拟与技术经济对比等方面开展系统研究。

中东地区夏季长期酷热、日照强烈，户外可施工时段有限，现场作业效率受气候条件制约较为明显。当地施工队伍以外籍劳工为主，人员管理与技能水平参差不齐，现场组织和质量管控难度较大。传统现浇施工与常规预制装配体系现场工序繁多、人工依赖度高，较难实现稳定交付与品质均一化的建设目标。基于此，本项目拟将原有预制体系升级为模块化集成建造体系，通过工厂化生产、现场整体吊装的方式，压缩现场作业量、缩短工期、提升质量稳定性，探索适应海外中东地区建设条件的低多层混凝土住宅建造新路径。

1.2 研究难点

项目的核心难点在于：建筑方案已基本定型，结构体系向模块化转换须在不改变空间布局、不明显侵占使用面积、不降低结构安全标准的前提下完成；同时，全部结构分析均依据国内混凝土模块化建筑相关规范开展理论计算与方案模拟，须保证技术路线合理、数据逻辑严谨。

为保障方案转换的合理性与可行性，本研究遵循以下基本原则：一是结构性能不降低，转换后结构验算指标不低于原体系，满足安全性与耐久性要求；二是成本与工期可控，允许造价在合理区间内适度上浮，通过工期缩短与管理提效实现综合价值最优；三是功能空间基本不变，在满足容积率等规划指标前提下，室内空间与使用功能不发生显著改变；四是模块生产与施工适应当地条件，兼顾工厂工艺、运输限界、现场吊装能力与气候环境等因素。

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低层混凝土模块化设计方案比选

2.1 模块化体系方案对比

结合项目户型特点与结构受力需求，本次研究提出三种模块化拆分方案，从施工难度、空间影响、风险可控性、落地可行性等维度进行综合比选。方案一：双墙模块体系，模块整体为封闭箱型，双侧墙板一体化成型，现场拼接简便、节点数量少、施工精度易于控制，质量稳定性高；测算表明，该方案会使室内使用面积略有减少，但可通过混合布置等方式加以弥补。方案二：单墙模块体系，室内空间影响较小，但现场拼接工序增多、节点处理复杂度提高，对施工精度与质量管控要求较高。方案三：混合模块体系，兼具前两者优点，但模块规格多样化后工厂生产与现场组织难度上升，综合成本与工期优势有所削弱。

图1 模块体系选择

综合技术可靠性、施工便捷性、空间影响程度及模拟结果，研究最终确定以方案一双墙模块体系作为基础方案，并结合混合体系思路在局部进行优化，在保证工期与质量优势的同时，尽可能控制对使用空间的影响。

2.2 模块划分设计原则

模块化单元划分遵循以下设计原则：（1）运输限制。结合项目所在地道路常规运输限界要求，模块最大宽度控制在4.5m以内，以满足陆路运输通行条件。（2）吊装适配。混凝土模块化单元自重较大，模块划分须与施工现场起重设备的额定吊装能力相匹配，单块模块重量控制在20吨以内。（3）建筑功能完整。按建筑使用功能进行模块划分，保证每个模块在工厂内可完成结构、保温、面层、管线及内装部品的一体化生产。（4）节点合理。模块之间连接节点应受力明确、施工便捷、防水可靠，兼顾结构整体性与现场安装精度。（5）标准化协调。模块规格尽量统一，减少异形件数量，为工厂化生产和规模化推广创造条件。

图2 项目单体模块化拆分模型

项目全过程采用BIM技术完成模块化设计、拆分、协同与成果输出的数字化模拟，为方案可行性提供有力支撑。依托BIM软件搭建各专业模型，开展空间分析、方案比选、面积统计与三维检查，验证模块化拆分的可行性与合理性。在方案对比阶段，BIM技术为低多层混凝土模块化研究提供了可视化分析工具，使体系转换、构件拆分、节点构造与专业协同等关键环节均可提前模拟与优化。

2.3 模块短暂工况受力验算

模块化结构除需满足整体结构正常使用极限状态设计要求外，还须针对施工吊装短暂工况进行专项受力验算。以图2所示模块1为例，建立单个混凝土模块的精细化有限元计算模型；吊点边界采用铰接约束模拟，考虑模块稳定要求，增加运输吊装工况下的临时支撑，求解吊装短暂工况下模块构件的变形响应与墙板内力分布，进而校核模块刚度与承载性能，为吊点布置、临时加固措施及运输方案提供依据。

图3 模块有限元计算模型

图4 模块有限元计算变形图

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模块建筑方案对比分析

3.1 施工方式对比

原PC方案采用预制构件与现场现浇相结合的方式完成，包含预制楼板、梁、楼梯、外墙板等构件，现场仍需进行大量拼装、支模、浇筑与养护工作，构件类型多、工序环节多，机电安装与装修需在主体结构完工后开展，整体施工链条较长。

MIC体系采用箱型模块拆分思路，整栋建筑划分为若干空间模块，在工厂内一次性完成结构、保温、面层、管线及内装部品的一体化生产，现场仅需进行基础施工、模块吊装、节点封堵和收尾工作，湿作业大幅减少，机电与装修在工厂并行完成，现场工期明显压缩。根据测算，MIC方案的混凝土用量略高于PC方案，但构件整体性更强、质量稳定性更好，全周期综合效益更优。

图5 国内项目MIC模块工厂制作现场

3.2 工期与造价测算对比

根据施工流程模拟，PC方案现场总工期相对较长，包含基础施工、各楼层结构施工、机电装修及室外工程等环节；MIC方案由于大量工序在工厂并行完成，现场以吊装与节点施工为主，工期明显缩短。经测算，MIC模式可将现场主体施工周期压缩40%左右，整体建设效率提升显著，具体如表1所示。

表1 PC项目与MIC项目的施工方式差异对比

造价方面，MIC方案因包含工厂生产、一体化装修、运输与吊装等内容，单方造价测算值高于PC方案；但由于工期缩短、现场人工减少、管理成本降低、资金周转加快，其全周期综合效益更适合大型快速开发项目。

3.3 综合优势分析

从方案比选结果看，MIC体系在本项目中具备明显优势：一是施工速度快，受高温气候影响小，与海外中东地区建设条件高度适配；二是工厂制作精度高、质量稳定性好，渗漏、开裂等质量通病风险显著降低；三是现场作业量少，对劳动力数量与技能的依赖下降，能较好适应当地炎热气候与劳工结构；四是建筑、保温、装饰、机电一体化集成，交付标准高、后期维护成本低；五是模块化建筑便于标准化、规模化推广，适合大型居住社区统一建设，尤其适用于户型较少、数量较多的项目。

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结论

本文以海外中东某大型居住区项目为研究对象，在建筑方案既定的条件下，完成了装配式混凝土PC体系向模块化混凝土MIC集成建造体系方案阶段的转换研究、方案比选、结构验算、施工模拟与技术经济对比。

低多层混凝土模块化体系在满足结构安全、使用功能、规划指标的前提下，可显著缩短工期、减少现场作业、提升建造质量与效率，能够较好适应当地高温气候与劳动力条件。本文提出的低多层混凝土模块化拆分方法、结构验算思路、节点构造原则、BIM协同路径以及方案对比逻辑，可为中东及海外类似气候地区大型居住项目的模块化建造提供参考，也可为中国混凝土模块化建筑技术走向海外提供前期研究与技术储备。后续结合本地化政策、标准、供应链与管理模式进一步优化后，模块化建造将在海外大型居住社区建设中具备更广阔的应用空间。

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基金项目：华东建筑设计研究院有限公司课题"低多层混凝土模块化建筑设计方法研究"资助

作者单位：华东建筑设计研究院有限公司

原作者：刘智龙  李进军

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