Forschung und Anwendung modularer Betonbauweisen für niedrige und mittelhohe Gebäude

WeChat-Sync · Xiaowei · 2026-10-17

Dieser Artikel wurde von „Fertigteil- und Spannbetonstrukturen" übernommen, Originalautoren: Liu Zhilong Li Jinjun. Klicken Sie hier, um den Originaltext zu lesen:Originaltext anzeigen. Die Übernahme dient der Weitergabe weiterer Informationen; bei Urheberrechtsverletzung kontaktieren Sie uns bitte zur Löschung.

Einleitung: Dieser Artikel nimmt ein großes Wohngebietsprojekt im Nahen Osten als Forschungsgegenstand und schließt unter den festgelegten Gebäudeentwurfsbedingungen die Untersuchung der Umstellung vom Fertigteil-Betonsystem (PC) auf ein integriertes modulares Betonbausystem (MIC) ab, einschließlich Variantenvergleich, Strukturberechnung, Bausimulation und technisch-wirtschaftlichem Vergleich, um eine Referenz für modulares Bauen bei ähnlichen Überseeprojekten zu bieten.

Projektübersicht

1.1 Grunddaten des Projekts

Bei diesem Projekt handelt es sich um eine große integrierte Wohngemeinde im Nahen Osten, mit Wohnbebauung als Hauptbestandteil sowie begleitenden Gewerbe-, Bildungs-, Gesundheits-, Grünflächen-, Versorgungs- und Verkehrseinrichtungen; das Gesamtvolumen ist groß und die funktionale Zusammensetzung vollständig. Die Hauptproduktform des Projekts sind niedrige und mittelhohe Betonwohngebäude mit hohem Standardisierungsgrad der Grundrisse, was eine gute Grundlage für standardisiertes, modulares Bauen bietet. Für diese Untersuchung wird der flächenmäßig dominierende Hauptgrundriss als Analyseobjekt ausgewählt; unter Beibehaltung des ursprünglichen Gebäudegrundrisses, der Fassade, der Geschosshöhe und der Nutzungsfunktionen wird das ursprüngliche Fertigteil-Betonsystem (PC) zu einem integrierten modularen Betonbausystem (MIC) aufgewertet, wobei systematische Untersuchungen zu Variantenumstellung, Strukturberechnung, Bausimulation und technisch-wirtschaftlichem Vergleich durchgeführt werden.

Im Nahen Osten ist es im Sommer lange extrem heiß mit starker Sonneneinstrahlung, die für Außenarbeiten verfügbaren Zeitfenster sind begrenzt, und die Effizienz der Baustellenarbeit wird durch die klimatischen Bedingungen deutlich eingeschränkt. Die lokalen Bautrupps bestehen überwiegend aus ausländischen Arbeitskräften, deren Personalmanagement und Qualifikationsniveau uneinheitlich sind, was die Baustellenorganisation und Qualitätskontrolle erschwert. Herkömmliche Ortbetonbauweisen und übliche Fertigteilbausysteme erfordern viele Baustellenarbeitsgänge und sind stark arbeitsintensiv, sodass eine stabile Lieferung und gleichbleibende Qualität nur schwer zu erreichen sind. Aus diesem Grund soll das ursprüngliche Fertigteilsystem in diesem Projekt zu einem integrierten modularen Bausystem aufgewertet werden; durch fabrikmäßige Produktion und ganzheitliches Heben auf der Baustelle werden die Baustellenarbeiten reduziert, die Bauzeit verkürzt und die Qualitätsstabilität erhöht, um einen neuen Weg für den Bau niedriger und mittelhoher Betonwohngebäude unter den Baubedingungen des Nahen Ostens zu erkunden.

1.2 Forschungsschwierigkeiten

Die zentrale Schwierigkeit des Projekts besteht darin: Der Gebäudeentwurf ist im Wesentlichen festgelegt, die Umstellung des Tragwerkssystems auf Modularität muss ohne Änderung der Raumaufteilung, ohne wesentliche Beeinträchtigung der Nutzfläche und ohne Absenkung der Tragwerkssicherheitsstandards erfolgen; zugleich müssen alle Strukturanalysen auf Grundlage der einschlägigen nationalen Normen für modulare Betongebäude als theoretische Berechnung und Variantensimulation durchgeführt werden, wobei ein plausibler technischer Ansatz und eine stringente Datenlogik zu gewährleisten sind.

Zur Gewährleistung der Plausibilität und Machbarkeit der Variantenumstellung folgt diese Untersuchung folgenden Grundprinzipien: Erstens keine Absenkung der Strukturleistung – die Berechnungskennwerte nach der Umstellung sind nicht niedriger als beim ursprünglichen System und erfüllen die Anforderungen an Sicherheit und Dauerhaftigkeit; zweitens Kosten und Bauzeit beherrschbar – ein moderater Anstieg der Baukosten innerhalb eines angemessenen Rahmens ist zulässig, wobei durch Bauzeitverkürzung und Effizienzsteigerung im Management ein optimaler Gesamtwert erzielt wird; drittens funktionale Räume im Wesentlichen unverändert – unter Erfüllung von Planungskennwerten wie der Geschossflächenzahl ändern sich Innenräume und Nutzungsfunktionen nicht wesentlich; viertens Modulproduktion und Bauausführung an die lokalen Bedingungen angepasst – unter Berücksichtigung von Fabriktechnologie, Transportgrenzen, Hebekapazität auf der Baustelle und klimatischen Gegebenheiten.

Variantenvergleich modularer Entwürfe für niedrige Betongebäude

2.1 Vergleich modularer Systemvarianten

Unter Berücksichtigung der Grundrisseigenschaften des Projekts und der statischen Anforderungen werden in dieser Untersuchung drei Modularisierungskonzepte vorgeschlagen und umfassend verglichen hinsichtlich Bauausführungsschwierigkeit, Raumeinfluss, Risikobeherrschbarkeit und Umsetzbarkeit. Konzept 1: Doppelwand-Modulsystem – das Modul ist ein geschlossener Kasten, die beidseitigen Wandplatten werden integriert gefertigt, die Baustellenmontage ist einfach, die Anzahl der Knoten gering, die Baupräzision leicht zu kontrollieren und die Qualitätsstabilität hoch; Berechnungen zeigen, dass dieses Konzept die Innennutzfläche leicht verringert, was jedoch durch gemischte Anordnung usw. ausgeglichen werden kann. Konzept 2: Einzelwand-Modulsystem – der Einfluss auf den Innenraum ist geringer, jedoch erhöhen sich die Montagevorgänge auf der Baustelle und die Komplexität der Knotenbehandlung, was höhere Anforderungen an Baupräzision und Qualitätskontrolle stellt. Konzept 3: Gemischtes Modulsystem – vereint die Vorteile der beiden vorgenannten, jedoch steigen mit der Vielfalt der Modulspezifikationen die Schwierigkeiten in Fabrikproduktion und Baustellenorganisation, und die Vorteile bei Gesamtkosten und Bauzeit werden abgeschwächt.

Abbildung 1 Auswahl des Modulsystems

Unter umfassender Berücksichtigung der technischen Zuverlässigkeit, der Montagefreundlichkeit, des Raumeinflusses und der Simulationsergebnisse wird als Grundkonzept schließlich das Doppelwand-Modulsystem (Konzept 1) festgelegt und mit Gedanken des gemischten Systems lokal optimiert, um bei Gewährleistung der Vorteile bei Bauzeit und Qualität den Einfluss auf die Nutzfläche möglichst zu begrenzen.

2.2 Designprinzipien der Modulaufteilung

Die Aufteilung der modularen Einheiten folgt folgenden Designprinzipien: (1) Transportbeschränkungen. Unter Berücksichtigung der üblichen Transportgrenzen der Straßen am Projektstandort wird die maximale Modulbreite auf unter 4,5 m begrenzt, um die Bedingungen für den Landtransport zu erfüllen. (2) Hebeanpassung. Modulare Betoneinheiten haben ein hohes Eigengewicht; die Modulaufteilung muss mit der Nennhubkapazität der Hebezeuge auf der Baustelle übereinstimmen, das Gewicht eines einzelnen Moduls wird auf unter 20 Tonnen begrenzt. (3) Vollständigkeit der Gebäudefunktion. Die Modulaufteilung erfolgt nach den Nutzungsfunktionen des Gebäudes, um sicherzustellen, dass jedes Modul in der Fabrik die integrierte Produktion von Tragwerk, Dämmung, Oberflächen, Leitungen und Innenausbauteilen abschließen kann. (4) Sinnvolle Knoten. Die Verbindungsknoten zwischen den Modulen sollen klare Kraftübertragung, einfache Montage und zuverlässige Abdichtung aufweisen und sowohl die strukturelle Integrität als auch die Montagepräzision auf der Baustelle berücksichtigen. (5) Standardisierungskoordination. Die Modulspezifikationen sollen möglichst einheitlich sein, die Anzahl von Sonderbauteilen verringern und Bedingungen für fabrikmäßige Produktion und großmaßstäbliche Verbreitung schaffen.

Abbildung 2 Modularisiertes Aufteilungsmodell eines Einzelgebäudes des Projekts

Im gesamten Projektverlauf wird die BIM-Technologie für die digitale Simulation von modularem Design, Aufteilung, Koordination und Ergebnisausgabe eingesetzt, um die Machbarkeit der Variante wirkungsvoll zu unterstützen. Mit BIM-Software werden Fachmodelle erstellt und Raumanalysen, Variantenvergleiche, Flächenstatistiken und dreidimensionale Prüfungen durchgeführt, um die Machbarkeit und Plausibilität der Modulaufteilung zu verifizieren. In der Phase des Variantenvergleichs bietet die BIM-Technologie ein visuelles Analysewerkzeug für die Untersuchung modularer niedriger und mittelhoher Betongebäude, sodass Schlüsselbereiche wie Systemumstellung, Bauteilaufteilung, Knotenkonstruktion und Fachkoordination im Voraus simuliert und optimiert werden können.

2.3 Tragwerksnachweis der Module unter kurzzeitigen Lastzuständen

Modulare Tragwerke müssen neben der Erfüllung der Anforderungen des Grenzzustands der Gebrauchstauglichkeit des Gesamttragwerks zusätzlich einen speziellen Tragwerksnachweis für kurzzeitige Lastzustände beim Bauheben durchführen. Am Beispiel von Modul 1 in Abbildung 2 wird ein verfeinertes Finite-Elemente-Berechnungsmodell eines einzelnen Betonmoduls erstellt; die Anschlagpunkt-Randbedingungen werden durch gelenkige Lagerung simuliert, unter Berücksichtigung der Stabilitätsanforderungen des Moduls werden temporäre Stützen für den Transport- und Hebezustand ergänzt, die Verformungsreaktion der Modulbauteile und die Schnittkraftverteilung in den Wandplatten unter kurzzeitigem Hebezustand berechnet und anschließend die Modulsteifigkeit und Tragfähigkeit überprüft, um eine Grundlage für die Anschlagpunktanordnung, temporäre Verstärkungsmaßnahmen und das Transportkonzept zu liefern.

Abbildung 3 Finite-Elemente-Berechnungsmodell des Moduls

Abbildung 4 Verformungsdiagramm der Finite-Elemente-Berechnung des Moduls

Vergleichende Analyse der modularen Baukonzepte

3.1 Vergleich der Bauausführungsmethoden

Das ursprüngliche PC-Konzept wurde durch eine Kombination aus Fertigteilen und Ortbeton vor Ort realisiert, einschließlich Fertigteil-Geschossdecken, -Trägern, -Treppen, -Außenwandplatten usw.; auf der Baustelle waren weiterhin umfangreiche Montage-, Schalungs-, Betonier- und Nachbehandlungsarbeiten erforderlich, mit vielen Bauteiltypen und vielen Arbeitsschritten; die Elektro- und Sanitärinstallation sowie der Innenausbau mussten nach Fertigstellung des Rohbaus erfolgen, die gesamte Baukette war lang.

Das MIC-System verwendet das Konzept der kastenförmigen Modulaufteilung; das gesamte Gebäude wird in mehrere räumliche Module aufgeteilt, in der Fabrik wird einmalig die integrierte Produktion von Tragwerk, Dämmung, Oberflächen, Leitungen und Innenausbauteilen abgeschlossen, auf der Baustelle sind nur Fundamentarbeiten, Modulheben, Knotenverschluss und Abschlussarbeiten erforderlich, die Nassarbeiten werden erheblich reduziert, Elektro- und Sanitärinstallation sowie Ausbau erfolgen parallel in der Fabrik, die Bauzeit auf der Baustelle wird deutlich verkürzt. Berechnungen zufolge ist der Betonverbrauch des MIC-Konzepts etwas höher als beim PC-Konzept, jedoch ist die Bauteilintegrität stärker, die Qualitätsstabilität besser und der Gesamtnutzen über den gesamten Lebenszyklus höher.

Abbildung 5 Fabrikfertigung von MIC-Modulen bei einem inländischen Projekt

3.2 Vergleich von Bauzeit und Baukostenberechnung

Gemäß der Bausimulation ist die Gesamtbauzeit des PC-Konzepts auf der Baustelle relativ lang und umfasst Fundamentarbeiten, Tragwerksarbeiten der einzelnen Geschosse, Elektro- und Ausbauarbeiten sowie Außenanlagen; beim MIC-Konzept werden aufgrund der vielen parallel in der Fabrik abgeschlossenen Arbeitsgänge auf der Baustelle überwiegend Hebe- und Knotenarbeiten durchgeführt, sodass die Bauzeit deutlich verkürzt wird. Berechnungen zufolge kann das MIC-Modell den Bauzyklus des Rohbaus auf der Baustelle um etwa 40 % verkürzen, die Gesamtbaueffizienz wird deutlich gesteigert, wie Tabelle 1 zeigt.

Tabelle 1 Vergleich der Unterschiede in der Bauausführung zwischen PC- und MIC-Projekten

Hinsichtlich der Baukosten liegt der berechnete Quadratmeterpreis des MIC-Konzepts aufgrund von Fabrikproduktion, integriertem Ausbau, Transport und Heben höher als beim PC-Konzept; da jedoch die Bauzeit verkürzt, der Arbeitskräfteeinsatz auf der Baustelle verringert, die Verwaltungskosten gesenkt und der Kapitalumschlag beschleunigt werden, eignet sich sein Gesamtnutzen über den gesamten Lebenszyklus besser für große Schnellentwicklungsprojekte.

3.3 Analyse der Gesamtvorteile

Aus den Ergebnissen des Variantenvergleichs geht hervor, dass das MIC-System in diesem Projekt deutliche Vorteile bietet: Erstens schnelle Bauausführung, geringe Beeinträchtigung durch das heiße Klima, hohe Eignung für die Baubedingungen im Nahen Osten; zweitens hohe Fertigungspräzision in der Fabrik und gute Qualitätsstabilität, wodurch das Risiko typischer Qualitätsmängel wie Undichtigkeit und Rissbildung deutlich verringert wird; drittens geringer Arbeitsaufwand auf der Baustelle, geringere Abhängigkeit von Anzahl und Qualifikation der Arbeitskräfte, gute Anpassung an das heiße lokale Klima und die Arbeitskräftestruktur; viertens integrierte Zusammenführung von Gebäude, Dämmung, Dekoration und Elektro-/Sanitärtechnik, hoher Übergabestandard und niedrige spätere Wartungskosten; fünftens modulares Bauen erleichtert Standardisierung und großmaßstäbliche Verbreitung, eignet sich für die einheitliche Errichtung großer Wohngemeinden, insbesondere für Projekte mit wenigen Grundrisstypen und großer Stückzahl.

Fazit

Dieser Artikel nimmt ein großes Wohngebietsprojekt im Nahen Osten als Forschungsgegenstand und schließt unter den festgelegten Gebäudeentwurfsbedingungen die Untersuchung der Umstellung vom Fertigteil-Betonsystem (PC) auf ein integriertes modulares Betonbausystem (MIC) in der Entwurfsphase ab, einschließlich Variantenvergleich, Strukturberechnung, Bausimulation und technisch-wirtschaftlichem Vergleich.

Das modulare Betonsystem für niedrige und mittelhohe Gebäude kann unter Erfüllung von Tragwerkssicherheit, Nutzungsfunktionen und Planungskennwerten die Bauzeit deutlich verkürzen, die Baustellenarbeiten reduzieren und Bauqualität sowie Effizienz steigern und sich gut an das heiße lokale Klima und die Arbeitskräftebedingungen anpassen. Die in diesem Artikel vorgestellte Modularisierungsmethode für niedrige und mittelhohe Betongebäude, der Ansatz zur Strukturberechnung, die Knotenkonstruktionsprinzipien, der BIM-Koordinationspfad sowie die Logik des Variantenvergleichs können als Referenz für modulares Bauen bei großen Wohnprojekten im Nahen Osten und in ähnlichen Klimaregionen im Ausland dienen und bieten auch eine Voruntersuchung und technische Reserve für die Internationalisierung chinesischer modularer Betonbautechnologie. Nach weiterer Optimierung im Hinblick auf lokale Politik, Normen, Lieferketten und Managementmodelle wird modulares Bauen bei der Errichtung großer Wohngebiete im Ausland breitere Anwendungsmöglichkeiten haben.

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Förderprojekt: Gefördert durch das Forschungsprojekt „Forschung zu Entwurfsmethoden modularer niedriger und mittelhoher Betongebäude" der East China Architectural Design & Research Institute Co., Ltd.

Autoreneinheit: East China Architectural Design & Research Institute Co., Ltd.

Originalautoren: Liu Zhilong Li Jinjun

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