Serie zu technischen Systemen des modularen Bauens in Guangzhou – das modulare Bausystem mit Rahmenkonstruktion von China Construction Fourth Engineering Bureau

Quelle: CSCEC 4th Bureau; GICIBA; Verband für intelligentes Bauen und industrialisierten Hochbau Guangzhou

Zusammengestellt vom Prefabricated Building Network

Um die hochwertige Entwicklung der Branche des intelligenten Bauens und des industrialisierten Hochbaus in unserer Stadt voranzutreiben und die praktische Umsetzung modularer Bauweisen anzuführen, wurde das Rahmentragwerk-Modulbausystem von CSCEC 4th Bureau unter Anleitung des städtischen Amts für Wohnungswesen und Städtebau sowie nach Organisation durch den städtischen Verband für intelligentes Bauen und industrialisierten Hochbau gemeinsam mit dem Stadtverband für Vermessung und Planung erfolgreich zertifiziert und veröffentlicht – gestützt auf die Begutachtung maßgeblicher Fachexperten, mehrdimensionale Versuchsvalidierungen und Erprobungen in der Baupraxis. Das System fokussiert sich auf den Bereich niedriger bis mittelhoher Gebäude und stellt die „werkseitige integrierte Vorfertigung und schnelle Montage vor Ort“ in den Mittelpunkt. Es umfasst Schlüsseltechnologien wie standardisierte Modulplanung, zuverlässige Knotenverbindungen und ein durchgängig digitales Management über alle Prozessschritte. Seine strukturelle Sicherheit, die hohe Bau-Effizienz sowie die grünen und kohlenstoffarmen Eigenschaften wurden in realen Projekten umfassend validiert. Damit bietet es für Gebäudetypen wie Schulgebäude, Wohnheime, Bürogebäude und zivile Wohngebäude ausgereifte, umsetzbare industrialisierte Baulösungen.

Vorwort

Als aktive Antwort auf den nationalen Aufruf zum Bau „guter Häuser“ und zur Unterstützung der integrierten Entwicklung von Bauindustrialisierung und intelligentem Bauen hat die China Construction Fourth Engineering Bureau Co., Ltd. (nachfolgend „CSCEC 4th Bureau“) eigenständig das „Rahmentragwerk-Modulbausystem“ entwickelt. Das System richtet sich an niedrige und mittelhohe Gebäude wie Schulgebäude, Wohnheime, Hotels, Apartments, Bürogebäude und zivile Wohngebäude und bietet eine neuartige industrialisierte Baulösung. Sein Kern liegt darin, das Gebäude in standardisierte Betonrahmen-Moduleinheiten zu zerlegen, in denen Struktur, Gebäudehülle, haustechnische Leitungen und Innenausbau werksseitig integriert vorgefertigt werden. Anschließend werden die Module zur Baustelle transportiert und über zuverlässige Trocken- oder lokale Nassverbindungen zügig montiert, wodurch schließlich das vollständige Gebäude entsteht. Auf diese Weise werden Produktion industrialisiert und die Bauausführung montageorientiert gestaltet, wodurch Bau-Effizienz und Bauqualität erheblich gesteigert werden. Das System wurde bereits erfolgreich in Projekten wie dem Polizeiwachen-Bürogebäude des Projekts „Chuntianli“ im Bezirk Huadu in Guangzhou angewandt und hat die von dem Amt für Wohnungswesen und Städtebau der Stadt Guangzhou organisierte Fachbegutachtung bestanden. Damit liefert es der Entwicklung der neuen Bauindustrialisierung in Guangzhou einen replizierbaren und übertragbaren Technologiepfad sowie ein praktisches Vorbild und besitzt eine positive Vorbildwirkung für die Branche.

▲ Projekt Chuntianli

1. Technischer Hintergrund

Derzeit schreitet die Urbanisierung in unserem Land weiter voran, und die Bauindustrie befindet sich in einer entscheidenden Phase der Transformation und Modernisierung. Herkömmliche Bauweisen stehen allgemein vor realen Herausforderungen wie langen Bauzeiten, erheblicher Umweltbelastung und hohem Ressourcenverbrauch.

Vor diesem Hintergrund entspricht das von CSCEC 4th Bureau entwickelte Rahmentragwerk-Modulbausystem nicht nur der nationalen Politik zur Förderung von grünem Gebäude und intelligentem Bauen, sondern bietet durch seine vielfältigen Vorteile – hohe Effizienz, Umweltfreundlichkeit und kontrollierbare Qualität – eine neuartige industrialisierte Lösung für verschiedenste niedrige und mittelhohe Gebäude. Die Einführung und Verbreitung des Systems wird das industrielle Gesamtniveau der Bauindustrie wirksam anheben und die Entwicklung der Baubranche in Richtung größerer Nachhaltigkeit und Effizienz vorantreiben.

2. Technischer Inhalt

Das Rahmentragwerk-Modulbausystem von CSCEC 4th Bureau verwendet Betonrahmenmodule als Kernbauteile und zeichnet sich durch das markante technische Merkmal „stützenfrei“ aus. Jede standardisierte Moduleinheit umfasst tragende Bauteile wie Stützen, Rahmen-Verbundträger, Verbunddecken und vorgefertigte Bodenplatten sowie ALC-Innenwände. Alle Bauteile werden werksseitig vorgefertigt und mit Innenausbau, haustechnischen Leitungen sowie Türen und Fenstern integriert, sodass transportfertige Moduleinheiten entstehen.

Das System ist kostenoptimiert ausgerichtet und integriert ein technisch zuverlässiges System standardisierter Verbindungsknoten. Dadurch werden stützenfreie Arbeiten auf der Baustelle ermöglicht, die Bauzeit vor Ort deutlich verkürzt und die Gesamt-Baukosten gesenkt.

Im Kern werden die Gebäude anhand funktionaler Räume (z. B. Büros, Wohnheime, Sanitärbereiche) in unabhängige „boxenförmige“ dreidimensionale Raummodule zerlegt. Jedes Modul wird in einer intelligenten Fabrik – ähnlich der Automobilfertigung – als integrierte Vorfertigung der Betonrahmenstruktur (Stützen, Träger, Geschossdecken), der Innen- und Außenwandplatten, der Türen und Fenster, der haustechnischen Leitungen (Sanitär, Elektro, HLK) sowie des Innenausbaus (Wände, Böden, Decken) bis hin zu Einbaumöbeln und Sanitärobjekten hergestellt. Der Gesamtintegrationsgrad kann dabei über 90 % erreichen. Die Bauausführung vor Ort wird dadurch erheblich vereinfacht und besteht im Wesentlichen aus dem Heben der gesamten Module, der präzisen Positionierung und der zuverlässigen Verbindung. Auf diese Weise werden Nassarbeiten auf der Baustelle deutlich reduziert, Bauabfälle verringert und die Abhängigkeit von großem Arbeitskräfteaufwand eingeschränkt.

(1) Betonrahmen-Moduleinheit

Als Haupteinheit des funktionalen Raums wird sie werksseitig integriert vorgefertigt und umfasst tragende Bauteile wie Rahmenstützen, Rahmenträger und Geschossdecken sowie nichttragende Bauteile und Komponenten wie Außenwände, Innenwände, haustechnische Leitungen und Innenausbau. Der Integrationsgrad ist sehr hoch; geeignet für Büros, Bereitschaftsräume, Besprechungsräume usw.

▲ Haustechnik-Integration im Modul

▲ Integration von Sanitär und HLK im Modul

▲ Ausbau-Integration im Modul

Integration der Betonrahmen-Moduleinheiten

(2) Integriertes Modul aus Geschossdecke und Haustechnik (MiMEP-Modul)

In öffentlichen Bereichen wie Fluren setzt das System innovativ die Technik der integrierten Leitungsvorfertigung ein, bei der die Deckenstruktur zusammen mit Starkstromkabeltrassen, Schwachstromkabeltrassen, Notbeleuchtung und Brandmeldeanlage werksseitig integriert vorgefertigt wird.

▲ Schematische Darstellung des MiMEP-Moduls im Flur

3. Technische Schwerpunkte

3.1 Verbindungsknoten

Die Zuverlässigkeit der Verbindungsknoten ist entscheidend für das System. Grundsätzlich wird zwischen vertikalen und horizontalen Verbindungen unterschieden:

(1) Die vertikale Verbindung zwischen Modulen erfolgt über zuverlässige Verfahren wie Vergussmuffen und Vergussanker, wodurch die Bewehrung der übereinander liegenden vorgefertigten Stützen durchgehend verbunden wird. Vor dem Heben wird im Bereich der Unterkonstruktion von Wand- und Stützenkopf eine Mörtelbettlage aufgebracht, um eine gleichmäßige Lastübertragung sowie eine dichte und stabile Verbindung zu gewährleisten.

(2) Wichtige Punkte:

① Modulstützen sind in der Regel mit vier großformatigen Eckstäben als Haupttragbewehrung für die vertikale Verbindung ausgestattet.

② Vor dem Heben werden auf der Oberseite der darunterliegenden Modulstützen Ausgleichsplättchen und Mörtelbettmaterial aufgebracht, um eine dichte Kontaktfläche und eine gleichmäßige Kraftübertragung sicherzustellen.

③ Dieses Verbindungsverfahren weist eine zuverlässige mechanische Leistung auf, die dem Tragverhalten von Ortbeton entspricht; es ist für Regionen mit Erdbebenbemessungsintensität von Grad 8 und darunter geeignet.

▲ Vertikaler Verbindungsknoten zwischen Modulen (Haupttyp)

(3) Die horizontale Verbindung zwischen Modulen wird über nachträglich vergossene Betonträger realisiert, die eine zuverlässige Verbindung zwischen benachbarten vorgefertigten Stützen herstellen. Im statischen Modell kann diese Verbindungsstelle als starrer Stab angesetzt werden. Die Decken bestehen aus Verbunddecken in Kombination mit Verbundträgern; bei der Gesamtberechnung können die Geschossdecken als starre Scheiben betrachtet werden.

Wichtige Punkte:

① Bereits in der Vorfertigungsphase werden an den Seiten der benachbarten Modulstützen Anschlussbewehrungen – einschließlich Obergurt- und Negativbewehrung – vorinstalliert, um die spätere horizontale Verbindung vorzubereiten.

② Nach dem Heben und Positionieren vor Ort wird in den vorgehaltenen Zwischenräumen zwischen den Modulen eine Schalung errichtet, zusätzliche Bewehrung verlegt und anschließend Beton vergossen, um eine gut integrierte horizontale Verbindung herzustellen.

③ Im Deckensystem wird die Verbunddecken-Technik eingesetzt. Die Module verfügen über eine vorgefertigte Dachplatte; vor Ort werden die nachträglich vergossene Verbundschicht, die Modulträger und die nachträglich vergossenen Verbindungsträger gemeinsam betoniert und bilden zusammen ein starres Deckensystem.

▲ Horizontaler Verbindungsknoten zwischen Modulen (Haupttyp)

3.2 Integration von Haustechnik und Innenausbau

Die Integration von Haustechnik und Innenausbau folgt den Grundsätzen „Trennung von Leitungen und Tragwerk“ und „integrierte Planung“.

(1) Haustechnik-Integration: Sanitär-, Elektro- und HLK-Leitungen werden werksseitig in Wände und Decken der Module einbetoniert. Die Leitungsanschlüsse sind an den Modulgrenzen vorinstalliert, sodass vor Ort lediglich die Verbindung zwischen den Modulen erfolgen muss. Beispielsweise werden elektrische Leitungsrohre über einbetonierte Unterputzdosen und Leerrohre in der Deckenplatte verbunden; Sanitärleitungen werden über einbetonierte Dichtungsanschlüsse und Durchführungen an die vor Ort installierten Steigleitungen angeschlossen.

(2) Innenwände (z. B. ALC-Wandplatten), Wanduntergründe, Unterkonstruktionen für abgehängte Decken sowie teilweise auch Oberflächenmaterialien (z. B. Beschichtungen, Fliesenuntergründe) werden werksseitig fertiggestellt. Vor Ort erfolgen hauptsächlich die Fugenbearbeitung, die endgültige Verlegung oder Beschichtung der Oberfläche sowie die Detailanschlüsse der Ausbauflächen zwischen verschiedenen Modulen.

3.3 Bemessungsberechnung und Simulationsvalidierung

Die Struktursimulation des Systems kombiniert eine Gesamtbetrachtung mit lokaler Verfeinerung. Zunächst wird über ein Gesamtmodell das globale Tragwerksverhalten und die Schnittgrößenverteilung bestimmt und die am stärksten beanspruchten lokalen Bereiche werden identifiziert. Anschließend werden für diese Schlüsselbereiche auf Basis der Schnittgrößen aus dem Gesamtmodell verfeinerte Finite-Elemente-Analysen durchgeführt. Abschließend werden die Ergebnisse der globalen und lokalen Berechnung zusammengeführt, um die strukturelle Sicherheit umfassend zu bewerten.

(1) Gesamtmodellanalyse: Es wird ein Gesamtstrukturmodell erstellt, das alle Moduleinheiten und nachträglich vergossenen Verbindungsknoten umfasst. Unter Annahme starrer Deckenscheiben wird das globale Tragverhalten unter Wind- und Erdbebeneinwirkung berechnet, einschließlich der maßgeblichen Kennwerte wie Verformungen, Eigenperioden und Schnittgrößen.

▲ Statisches Berechnungsmodell

(2) Verfeinerte Finite-Elemente-Analyse für Schlüsselbereiche: Für kritische Bereiche wie nachträglich vergossene starre Trägerverbindungen werden verfeinerte Finite-Elemente-Analysen durchgeführt, um zu prüfen, ob Tragfähigkeit, Verformungsverhalten und Rissbreitenbegrenzung unter den Bemessungslasten die Anforderungen der einschlägigen Normen erfüllen.

(3) Überprüfung der Hebe- und Bauphasen: Für die ungünstigsten Belastungsfälle während des Entschalens, Transports und Hebens der Module werden Simulationsanalysen durchgeführt, um sicherzustellen, dass Verformungen und Spannungen in allen Phasen im sicheren Bereich bleiben und die strukturelle Sicherheit während des gesamten Bauprozesses gewährleistet ist.

▲ Verformungswolke der Modulstruktur

▲ Wolke der maximalen Bewehrungsspannung in der Modulstruktur

▲ Analyse der Rissbreite

▲ Wolke der maximalen Betondruckspannung in der Modulstruktur

Überprüfung der Hebe- und Bauausführung

4. Anwendungsbereich

Das System eignet sich für verschiedenste niedrige und mittelhohe Gebäudetypen, darunter Schulgebäude, Wohnheime, Hotels, Apartments, Bürogebäude, zivile Wohngebäude sowie Abbruch-und-Neubau-Projekte am selben Standort (siehe Tabelle unten). Es ist für Regionen mit einer Erdbebenbemessungsintensität von Grad 8 und darunter geeignet; die Gebäudehöhe sollte 24 m nicht überschreiten. Nach einer speziellen Begutachtung kann die Höhe in angemessenem Umfang auf bis zu 40 m erweitert werden.

5. Validierung im Projekt

Das Polizeiwachen-Bürogebäude Nr. 13 des Projekts „Chuntianli“ im Bezirk Huadu in Guangzhou ist ein typisches Projekt, in dem das System erfolgreich angewandt wurde. In der Planung wurden umfassende statische Berechnungen durchgeführt; das Projekt hat die Bauvalidierung und die Fachbegutachtung erfolgreich bestanden.

▲ Aufteilung der Modultypen im Projekt

6.1 Planung des Produktionsgeländes

Nach dem Grundsatz „funktionale Zonierung, reibungsloser Ablauf“ werden fünf Kernbereiche ausgewiesen, mit einer Gesamtfläche von etwa 2248 m² (5 Werkshallen mit je einer Produktionslinie):

▲ Systematische Darstellung der Produktionsgeländeplanung

6.2 Schalungskonzept

Es wird ein Integral-Schalungskonzept verwendet. Die Schalung muss über ausreichende Tragfähigkeit, Steifigkeit und Stabilität verfügen, um während der MiC-Produktion das Gewicht des frisch eingebrachten Betons, den Seitendruck und die Arbeitslasten zuverlässig aufnehmen zu können. Die Schalung sollte sich leicht montieren und demontieren lassen und zudem die Bewehrungsverlegung sowie das Betonieren und die Nachbehandlung erleichtern. Die Schalungsbauteile müssen fest miteinander verbunden sein; sämtliche Einbauteile am MiC sind durch zuverlässige Befestigungsmaßnahmen zu sichern.

▲ Schalungskonzept für Module

6.3 Produktionsablauf der Modulstruktur

Herstellung des Bewehrungskorbs → Zusammensetzen der Außenschalung → Einsetzen des Stützen-Bewehrungskorbs → Verlegen der Bodenplattenbewehrung → Einbau der vorzusehenden Einbauteile → verdeckte Abnahme der haustechnischen Vorinstallationen → Zusammensetzen der Innenschalung → Bauüberwachungsabnahme vor dem Betonieren → Betonieren der Bodenplatte → Einbau der Verbunddeckenplatte → ganzheitliches Betonieren → Demontage der Innenschalung → Demontage der Außenschalung → Entschalen des Moduls → Nachbesserung des Moduls.

▲ Produktionsablauf der Modulstruktur

6.4 Produktionsablauf des Modul-Innenausbaus (einschließlich überschneidender Haustechnik)

Verstärkung und Montage des Moduls → Einbau der ALC-Wandplatten → Verlegung der Elektro-Leerrohre → erste Spachtelschicht der Wände → Bodenausbau → Einbau der Tür- und Fensterrahmen → zweite Spachtelschicht der Wände → Fassadenausbau → Montage der abgehängten Decke → Einbau von Abdeckungen und Leuchten → Verglasung der Fenster → Einbau der Türflügel → Schutz der Fertigteile.

▲ Produktionsablauf des Modul-Innenausbaus

7. Hebe- und Montageausführung der Module

Der Hebe- und Montageablauf folgt im Kern den Schritten „Bauvorbereitung → Abnahme der Module bei Anlieferung → Untergrundbearbeitung und Mörtelbett → Heben der Module → Anpassung der Lage in der Luft → präzises Positionieren der Module → Knotenverbindung (Verguss/Nachverguss) → schichtweise Wiederholung“.

Abnahme der Module bei Anlieferung: Konformitätsbescheinigungen und Qualitätsnachweise der Module werden geprüft, die Oberflächenqualität, Maßabweichungen sowie Ausführung und Lage der vorzusehenden Einbauteile werden kontrolliert, und die Daten werden über das Einscannen eines QR-Codes in das Qualitätsrückverfolgungssystem eingegeben.

▲ Abnahmeverfahren

Untergrundbearbeitung und Mörtelbett: Auf dem Untergrund (Oberseite des darunterliegenden Moduls oder Ortbetondecke) wird Mörtelbettmaterial aufgebracht, und an den Positionen der Modulstützenfüße werden Ausgleichsplättchen gesetzt, um die Einbauhöhe zu steuern und eine gleichmäßige Lastübertragung sicherzustellen.

Heben und Positionieren der Module: Das spezielle Hebe-Traversensystem wird zuverlässig mit den in der Moduloberseite einbetonierten Transportankern verbunden; der Winkel zwischen Anschlagseilen und Horizontalen muss mindestens 60° betragen. Das Modul wird langsam auf eine Höhe von 100–200 mm über dem Boden angehoben und dort gehalten, um die Belastung der Anschlagmittel und die Gleichgewichtslage des Moduls zu prüfen. Unter Anleitung des Einweisers wird es über die Einbauposition gefahren, wobei die Ausrichtung zusätzlich mit Abspannseilen korrigiert wird, und langsam abgesenkt. In einem Abstand von 50–200 mm zur Einbaufläche erfolgt die präzise Ausrichtung und anschließend das endgültige Positionieren.

8. Merkmale des Systems

(1) Hoher Integrationsgrad, kontrollierbare Qualität: Die Module werden in der werkseitigen Fertigungslinie hergestellt und erreichen eine Fertigungsgenauigkeit im Millimeterbereich. Die Qualität ist gleichmäßig und stabil, wodurch die bei der herkömmlichen Bauausführung vor Ort typischen Qualitätsschwankungen und Ausführungsfehler bereits an der Quelle wirksam vermieden werden.

(2) Effizient und schnell, grün und kohlenstoffarm: Das System verkürzt die Bauzeit vor Ort gegenüber herkömmlichen Bauweisen um mehr als 50 %, reduziert Bauabfälle um mehr als 75 % und senkt die Anzahl der Arbeitskräfte auf der Baustelle um mehr als 70 %. Die Beeinträchtigung der Umgebung wird deutlich verringert; dies verdeutlicht die doppelten Vorteile des industrialisierten Bauens in Bezug auf Effizienz und Nachhaltigkeit.

(3) Zuverlässige Verbindungen, mechanische Leistung gleichwertig zu Ortbeton: Durch zuverlässige vertikale und horizontale Verbindungstechniken werden die Module sicher miteinander verbunden, sodass die Gesamtstrukturleistung das Kriterium „gleichwertig zu Ortbeton“ erfüllt und die Anforderungen der Erdbebenbemessung vollständig erfüllt werden.

(4) Standardisierte Planung, vielfältige Kombinationen: Das System folgt dem Planungsgrundsatz „wenige Varianten, viele Kombinationen“ und vereint damit Standardisierung mit Vielfalt. Am Beispiel des Projekts Chuntianli genügten lediglich drei Standardmodulgrößen, um durch flexible Kombination die vielfältigen Raum- und Funktionsanforderungen des Polizeiwachen-Bürogebäudes zu erfüllen.

(5) Durchgängig digitales Management: Auf Basis der BIM-Technologie ermöglicht das System ein durchgängig digitales Management – von der vorwärtsgerichteten Planung über die Produktions- und Bausimulation bis hin zur Verknüpfung von QR-Codes mit dem BIM-Modell. Damit wird eine lebenszyklusweite Qualitätsrückverfolgung von Planung, Produktion, Transport und Heben bis hin zu Betrieb und Instandhaltung erreicht.

END

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