Serie sobre sistemas técnicos de construcción modular de Guangzhou: el sistema de construcción modular con estructura aporticada del Cuarto Buró de Ingeniería de China State Construction

Fuente: China Construction Fourth Engineering Division (CCFB4); GICIBA; Asociación de Construcción Inteligente e Industrializada de Guangzhou

Editado por el Portal de la Construcción Prefabricada

Para impulsar el desarrollo de alta calidad de la industria de la construcción inteligente y la industrialización de la construcción en nuestra ciudad, y liderar la aplicación e implementación de la arquitectura modular, bajo la orientación de la Oficina Municipal de Vivienda y Construcción, y tras la argumentación por expertos autorizados organizada conjuntamente por la Asociación Municipal de Construcción Inteligente e Industrialización de la Construcción y la Asociación Municipal de Investigación y Diseño, así como la verificación experimental multidimensional y la comprobación en obras reales, el sistema tecnológico de arquitectura modular de estructura de pórticos de CCFB4 ha superado con éxito la certificación y su presentación oficial. Este sistema se centra en el ámbito de los edificios de baja y poca altura, tomando como núcleo la «integración y prefabricación en fábrica y el montaje rápido in situ», y abarca tecnologías clave como el diseño de módulos estandarizados, la conexión fiable de nudos y la gestión digital de todo el proceso. Su seguridad estructural, su eficiencia constructiva y su bajo impacto verde y bajo en carbono han sido plenamente verificadas en obras reales, ofreciendo una solución de construcción industrializada madura y aplicable para tipologías como edificios docentes, residencias, oficinas y viviendas civiles.

Prefacio

Con el fin de responder activamente a la llamada nacional para promover la construcción de «buenas viviendas» y contribuir a la integración de la industrialización de la construcción y la construcción inteligente, China Construction Fourth Engineering Bureau Co., Ltd. (en adelante, «CCFB4») ha desarrollado de forma independiente el «Sistema de Arquitectura Modular de Estructura de Pórticos». Este sistema está orientado a edificios de baja y poca altura, como edificios docentes, residencias, hoteles, apartamentos, oficinas y viviendas civiles, y ofrece una nueva solución de construcción industrializada. La esencia del sistema radica en dividir el edificio en unidades modulares de pórtico de hormigón estandarizadas, completar en fábrica la integración prefabricada unificada de la estructura, el cerramiento, las instalaciones electromecánicas y el acabado interior, y transportarlos a la obra para un montaje rápido mediante tecnologías fiables de conexión seca o húmeda parcial, hasta formar un edificio completo. Este método materializa la industrialización de la producción y la prefabricación de la ejecución, mejorando notablemente la eficiencia y la calidad constructiva. En la actualidad, el sistema ya se ha aplicado con éxito en obras como el edificio de oficinas de la comisaría del proyecto «Chuntianli» en el distrito de Huadu de Guangzhou, y ha superado sin dificultad la argumentación pericial organizada por la Oficina Municipal de Vivienda y Construcción de Guangzhou. Esta iniciativa proporciona una vía tecnológica replicable y promocionable para el desarrollo de la nueva industrialización de la construcción en Guangzhou, con un positivo significado de demostración sectorial.

▲Proyecto Chuntianli

1. Antecedentes tecnológicos

En la actualidad, el proceso de urbanización de nuestro país se acelera sin cesar y la industria de la construcción se encuentra en una etapa clave de transformación y actualización. Los métodos de construcción tradicionales afrontan de forma generalizada desafíos reales como largos plazos de ejecución, una mayor contaminación ambiental y un mayor consumo de recursos.

En este contexto, el sistema de arquitectura modular de estructura de pórticos desarrollado por CCFB4 no solo responde a la orientación política nacional de promover los edificios verdes y la construcción inteligente, sino que, gracias a sus múltiples ventajas de alta eficiencia, respeto al medio ambiente y calidad controlable, ofrece a todo tipo de edificios de baja y poca altura una nueva solución industrializada. Su difusión y aplicación contribuirán a elevar eficazmente el nivel general de industrialización de la construcción y a impulsar el sector hacia un desarrollo más sostenible y eficiente.

2. Contenido tecnológico

El sistema de arquitectura modular de estructura de pórticos de CCFB4 tiene como componente central los módulos de pórtico de hormigón, con la destacada característica técnica de «sin puntales». Cada unidad modular estandarizada incluye pilares estructurales, vigas de pórtico, losas compuestas, losas prefabricadas de entrepiso y tabiques interiores ALC. Todos los componentes se prefabrican en fábrica e integran el acabado, las instalaciones electromecánicas y las carpinterías, formando unidades modulares aptas para el transporte integral.

El sistema, orientado a la optimización de costos, integra un sistema estandarizado de nudos de conexión técnicamente fiable que permite trabajar en la obra sin puntales, lo que acorta en gran medida el plazo de construcción in situ y reduce el costo global de la ejecución.

La clave del sistema consiste en dividir el edificio, según las estancias funcionales (oficinas, dormitorios, baños, etc.), en módulos espaciales tridimensionales independientes en forma de «caja». Cada módulo se fabrica e integra de forma unificada en una fábrica inteligente, como si se ensamblara un automóvil: la estructura de pórtico de hormigón (pilares, vigas, losas), los paneles de fachada y tabiques, las carpinterías, las instalaciones electromecánicas (fontanería, electricidad, climatización) y el acabado interior (paredes, suelos, techos), e incluso el mobiliario fijo y los sanitarios, alcanzando un grado de integración superior al 90 %. Con ello, la construcción in situ se simplifica enormemente, reduciéndose principalmente a la elevación integral, la colocación precisa y la conexión fiable de los módulos, lo que disminuye de forma notable los trabajos húmedos in situ, la generación de residuos de obra y la dependencia de una gran cantidad de mano de obra.

(1) Unidad modular de pórtico de hormigón

Como principal unidad de espacio funcional. Se prefabrica de forma unificada en fábrica e incluye componentes resistentes como pilares de pórtico, vigas de pórtico y losas, así como componentes no resistentes y elementos de acabado como fachadas, tabiques interiores, instalaciones electromecánicas y revestimientos interiores, con un grado de integración muy elevado; es apta para oficinas, salas de reserva, salas de reuniones, etc.

▲Integración electromecánica del módulo

▲Integración de fontanería y climatización del módulo

▲Integración del acabado del módulo

Integración de la unidad modular de pórtico de hormigón

(2) Módulo integrado de losa y sistemas electromecánicos (módulo MiMEP)

En zonas comunes como los pasillos, el sistema adopta de forma innovadora la tecnología de prefabricación integrada de tuberías y conducciones, prefabricando de manera unificada en fábrica la estructura de la losa junto con los sistemas electromecánicos de bandejas de alta tensión, bandejas de baja tensión, iluminación de emergencia y alarma contra incendios.

▲Esquema del módulo MiMEP del pasillo

3. Puntos técnicos clave

3.1 Nudos de conexión

La fiabilidad de los nudos de conexión es la clave del sistema, y se divide principalmente en conexión vertical y conexión horizontal:

(1) La conexión vertical entre módulos se realiza principalmente mediante procedimientos fiables como manguitos de inyección de lechada y anclaje por mortero, logrando la conexión continua de las armaduras de los pilares prefabricados de las plantas superior e inferior. Durante la ejecución, antes de la elevación se extiende una capa de mortero de asiento en el rango de los muros inferiores y las cabezas de los pilares, para garantizar una transmisión uniforme de cargas y una conexión estrecha y estable.

(2) Puntos clave:

① Los pilares de módulo suelen disponer 4 armaduras angulares de gran diámetro como acero principal resistente para la conexión vertical entre plantas.

② Antes de la elevación, se colocan en la cabeza del pilar del módulo inferior separadores y mortero de asiento, asegurando un contacto denso y una transmisión uniforme de esfuerzos en la superficie.

③ Este tipo de conexión presenta un comportamiento mecánico fiable, capaz de lograr un rendimiento resistente equivalente al de una estructura moldeada in situ, y es apto para zonas con intensidad sísmica de diseño de grado 8 o inferior.

▲Nudo de conexión vertical entre módulos (principal)

(3) La conexión horizontal entre módulos se materializa mediante vigas de hormigón vertido in situ posterior, logrando una conexión fiable entre pilares prefabricados adyacentes a izquierda y derecha; en el modelo de cálculo estructural, esta zona de conexión puede considerarse como una barra rígida. El forjado adopta la combinación de losas compuestas y vigas compuestas, y en el cálculo global la losa de piso puede considerarse como losa rígida.

Puntos clave:

① Durante la fase de prefabricación, en los laterales de los pilares adyacentes de los módulos se dejan previstas armaduras de conexión, entre ellas acero superior de viga y acero negativo, preparando la posterior conexión horizontal.

② Una vez izados y colocados los módulos in situ, se encofra en los huecos previstos entre módulos, se atan armaduras adicionales y, a continuación, se vierte el hormigón, formando una conexión horizontal de buen comportamiento monolítico.

③ El sistema de forjado emplea la tecnología de losas compuestas: el módulo incorpora su propia losa superior prefabricada y, in situ, mediante una capa compuesta vertida posteriormente se hormigona de forma conjunta con las vigas del módulo y las vigas de conexión vertidas in situ, conformando conjuntamente un sistema de forjado rígido.

▲Nudo de conexión horizontal entre módulos (principal)

3.2 Integración electromecánica y de acabado interior

La integración electromecánica y de acabado del sistema sigue los principios de «separación de conducciones y estructura» y «diseño integrado».

(1) Integración electromecánica: las conducciones de fontanería, electricidad y climatización se embuten en fábrica en los muros y losas del módulo. Las bocas de conexión de las instalaciones se dejan previstas en los límites del módulo, de modo que in situ solo se realiza la unión entre módulos. Por ejemplo, las canalizaciones eléctricas se conectan en la losa superior mediante cajas y conductos embebidos; las tuberías de fontanería, mediante piezas antivaho y manguitos embebidos, se conectan in situ con las columnas verticales.

(2) Los tabiques interiores (como paneles de pared ALC), la base de los revestimientos de paredes, las estructuras de los falsos techos, e incluso parte de los materiales de acabado (como pintura o base de alicatado) se completan en fábrica. In situ se realizan principalmente el tratamiento de juntas, la colocación o pintura de la capa final y la terminación de los encuentros de acabado entre distintos módulos.

3.3 Cálculo de diseño y verificación por simulación

La simulación estructural del sistema adopta un método que combina el análisis global con el detalle local. Primero, mediante el cálculo del modelo global se determina la respuesta global de la estructura y la distribución de esfuerzos internos, y se extraen las posiciones locales con las cargas más desfavorables; a continuación, para estas zonas críticas, a partir de los resultados de esfuerzos del modelo global, se realiza un análisis refinado por elementos finitos. Finalmente, integrando los resultados globales y locales, se emite un juicio completo sobre la seguridad estructural.

(1) Análisis del modelo global: se establece un modelo estructural global que incluye todas las unidades modulares y los nudos de conexión vertidos in situ posteriormente, empleando la hipótesis de losa rígida para calcular la respuesta global de la estructura bajo acciones de viento y sismo, incluyendo indicadores clave como desplazamientos, periodos y esfuerzos internos.

▲Modelo de cálculo estructural

(2) Análisis refinado por elementos finitos de zonas críticas: para ubicaciones clave como los nudos de conexión de vigas rígidas vertidas in situ posteriormente, se lleva a cabo un análisis refinado por elementos finitos, verificando si su capacidad portante, su comportamiento deformacional y su control de fisuración bajo cargas de diseño cumplen los requisitos de las normas aplicables.

(3) Comprobación en las fases de izado y ejecución: se analizan mediante simulación las condiciones más desfavorables durante el desencofrado, el transporte, el izado y demás procesos constructivos de los módulos, garantizando que las deformaciones y tensiones generadas en cada fase se mantengan dentro de márgenes de seguridad y salvaguardando la seguridad estructural de todo el proceso constructivo.

▲Mapa de deformaciones de la estructura del módulo

▲Mapa de tensión máxima del acero de la estructura del módulo

▲Análisis de anchura de fisuras

▲Mapa de compresión máxima del hormigón de la estructura del módulo

Comprobación del izado y la construcción

4. Ámbito de aplicación

El sistema es apto para diversas tipologías de edificios de baja y poca altura, incluyendo edificios docentes, residencias, hoteles, apartamentos, oficinas, viviendas civiles y proyectos de reconstrucción in situ (como se muestra en la tabla siguiente). El sistema es aplicable en zonas con intensidad sísmica de diseño de grado 8 o inferior, y la altura del edificio no debe superar los 24 m; tras una argumentación especial, la altura puede ampliarse adecuadamente hasta 40 m.

5. Verificación en obra

El edificio de oficinas de la comisaría n.º 13 del proyecto «Chuntianli» en Huadu, Guangzhou, es una obra típica de la aplicación exitosa de este sistema; en el diseño se completó un cálculo estructural exhaustivo y superó con éxito la verificación constructiva y la revisión por expertos.

▲Clasificación de tipos de módulos del proyecto

6.1 Planificación del emplazamiento de producción

Siguiendo el principio de «zonificación funcional y flujo fluido», se delimitan 5 zonas principales, con una superficie total de aproximadamente 2248 ㎡ (una línea de producción del taller n.º 5):

▲Diagrama del sistema de planificación del emplazamiento de producción

6.2 Solución de encofrados

Se adopta una solución de encofrado monolítico. El encofrado debe tener suficiente capacidad portante, rigidez y estabilidad, garantizando que durante la producción MiC pueda soportar con fiabilidad el peso del hormigón vertido, las presiones laterales y las cargas de trabajo. El encofrado debe ser fácil de montar y desmontar, y facilitar la instalación de las armaduras y el vertido y curado del hormigón. Las piezas del encofrado deben estar sólidamente conectadas entre sí, y todos los elementos embebidos del MiC deben disponer de medidas fiables de sujeción.

▲Solución de encofrado del módulo

6.3 Proceso de producción de la estructura del módulo

Fabricación de armaduras en jaula → cierre del bastidor exterior del encofrado → introducción de la jaula de pilares en el encofrado → atado de la losa base → instalación de elementos embebidos → inspección de la obra oculta de las instalaciones embebidas → cierre del encofrado interior → verificación por la dirección de obra antes del vertido → vertido de la losa base → instalación de losas compuestas en la losa superior → vertido integral → desmontaje del encofrado interior → desmontaje del encofrado exterior → desencofrado del módulo → reparación del módulo.

▲Proceso de producción de la estructura del módulo

6.4 Proceso de producción del acabado del módulo (incluida la intercalación de instalaciones)

Instalación del apuntalamiento del módulo → instalación de paneles de pared ALC → instalación de canalizaciones eléctricas → primera capa de masilla en paredes → acabado de suelos → instalación de marcos de carpintería → segunda capa de masilla en paredes → acabado de fachadas → instalación de falsos techos → instalación de paneles y luminarias → instalación de vidrios de ventanas → instalación de hojas de puerta → protección del producto terminado.

▲Proceso de producción del acabado del módulo

7. Izado y montaje de módulos

El proceso de izado tiene como núcleo «preparación de la obra → inspección de recepción del módulo al entrar en obra → tratamiento de la base y mortero de asiento → izado del módulo → ajuste de su postura en el aire → colocación precisa del módulo → conexión de nudos (inyección de lechada / vertido posterior) → ciclo planta a planta».

Inspección de recepción del módulo al entrar en obra: se cotejan el certificado de conformidad y la documentación de calidad del módulo, se verifican la calidad superficial, las desviaciones dimensionales y las especificaciones y posiciones de los elementos embebidos, y se registra mediante código QR en el sistema de trazabilidad de la calidad.

▲Procedimiento de aceptación

Tratamiento de la base y mortero de asiento: sobre la base (losa superior del módulo inferior o forjado moldeado in situ) se extiende mortero de asiento y se colocan separadores de nivelación en las posiciones correspondientes a los pies de los pilares del módulo, para controlar la cota de instalación y garantizar una distribución uniforme de los esfuerzos.

Izado y colocación del módulo: se conecta de forma fiable el travesaño de izado especial con los pernos de izado embebidos en la parte superior del módulo, asegurando que el ángulo entre los estrobos y la horizontal no sea inferior a 60°. El módulo se iza lentamente hasta elevarlo 100—200 mm del suelo y se suspende, comprobando las cargas del aparejo de izado y el equilibrio del módulo. A las órdenes del señalero, se transporta sobre la posición de instalación y, ayudándose con cables de viento, se ajusta la dirección y se desciende lentamente. A 50—200 mm de la superficie de instalación, se realiza la alineación precisa y se completa la colocación.

8. Características del sistema

(1) Alta integración, calidad controlable: los módulos se producen en cadena en fábrica, logrando una precisión de fabricación milimétrica y una calidad uniforme y estable, superando eficazmente desde el origen las fluctuaciones de calidad y los defectos de ejecución habituales en la construcción tradicional in situ.

(2) Alta eficiencia y rapidez, baja huella de carbono y respeto al medio ambiente: el sistema logra reducir el plazo in situ más de un 50 % respecto a los métodos de construcción tradicionales, disminuir los residuos de obra más de un 75 % y reducir el personal de obra más de un 70 %, lo que disminuye notablemente las molestias al entorno y pone de manifiesto la doble ventaja de la construcción industrializada en eficiencia y sostenibilidad.

(3) Conexión fiable, comportamiento mecánico equivalente al moldeado in situ: mediante técnicas fiables de conexión vertical y horizontal se garantiza una conexión robusta entre módulos, logrando que el comportamiento global de la estructura alcance el nivel «equivalente al moldeado in situ» y satisfaga plenamente los requisitos de la normativa de resistencia sísmica.

(4) Diseño estandarizado, combinaciones diversas: el sistema sigue el principio de diseño de «pocas tipologías, muchas combinaciones», logrando la unidad entre estandarización y variedad. Tomando como ejemplo el proyecto Chuntianli, solo con tres tamaños de módulo estándar, mediante combinaciones flexibles se satisfacen las diversas necesidades espaciales y funcionales del edificio de oficinas de la comisaría.

(5) Gestión digital de todo el proceso: basándose en la tecnología BIM, el sistema materializa una gestión digital integral que abarca el diseño hacia delante y la simulación de producción y de obra, y, mediante la vinculación de códigos QR con el modelo BIM, consigue la trazabilidad de la calidad durante todo el ciclo de vida, desde el diseño, la producción, el transporte y el izado hasta el O&M.

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