Pesquisa e aplicação da tecnologia de construção modular em concreto para edifícios baixos e de múltiplos pavimentos

Este artigo foi reproduzido de «Estruturas de Concreto Pré-fabricado e Protendido», autores originais: Liu Zhilong  Li Jinjun. Clique em ler o original:Ver texto original. O objetivo da reprodução é transmitir mais informações; em caso de violação, entre em contato para exclusão.

Introdução: Este artigo tem como objeto de estudo um grande projeto de área residencial no Oriente Médio no exterior. Sob condições arquitetônicas predefinidas, concluiu-se a pesquisa de conversão do sistema PC de concreto pré-fabricado para o sistema de construção integrada modular em concreto MIC, a comparação de esquemas, a verificação estrutural, a simulação construtiva e a comparação técnico-econômica, fornecendo referência para a construção modular de projetos similares no exterior.

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Visão geral do projeto

1.1 Informações básicas do projeto

Este projeto é uma grande comunidade residencial integrada na região do Oriente Médio no exterior, tendo o desenvolvimento habitacional como corpo principal, com instalações complementares de comércio, educação, saúde, áreas verdes, infraestrutura urbana e serviços de transporte, com volume global considerável e composição funcional completa. A principal forma de produto do projeto são residências em concreto de baixa e média altura, com alto grau de padronização de tipologias, possuindo boa base para a implementação de construção padronizada e modular. Esta pesquisa seleciona a tipologia principal, que representa a maior proporção no projeto, como objeto de análise; sob a premissa de manter inalterados a planta arquitetônica original, a fachada, a altura dos pavimentos e as funções de uso, o sistema PC de concreto pré-fabricado original é atualizado para o sistema de construção integrada modular em concreto MIC, realizando-se pesquisa sistemática em torno da conversão de esquemas, verificação estrutural, simulação construtiva e comparação técnico-econômica.

Na região do Oriente Médio, o verão é prolongadamente quente e a insolação é intensa, o período de construção ao ar livre é limitado, e a eficiência das operações no local é significativamente restringida pelas condições climáticas. As equipes de construção locais são compostas principalmente por trabalhadores estrangeiros, com gestão de pessoal e níveis de qualificação heterogêneos, tornando a organização no local e o controle de qualidade bastante desafiadores. A construção tradicional moldada in loco e os sistemas convencionais de pré-fabricação apresentam numerosas etapas no local e alta dependência de mão de obra, sendo difícil alcançar metas de entrega estável e qualidade uniforme. Com base nisso, este projeto pretende atualizar o sistema pré-fabricado original para um sistema de construção integrada modular, por meio de produção industrializada e içamento integral no local, comprimindo o volume de trabalho no canteiro, encurtando o prazo de obra e elevando a estabilidade da qualidade, explorando um novo caminho para a construção de residências em concreto de baixa e média altura adaptado às condições construtivas do Oriente Médio no exterior.

1.2 Dificuldades da pesquisa

A principal dificuldade do projeto reside em: o esquema arquitetônico já está basicamente definido, e a conversão do sistema estrutural para modular deve ser concluída sem alterar o layout espacial, sem ocupar significativamente a área útil e sem reduzir os padrões de segurança estrutural; simultaneamente, toda a análise estrutural é realizada com base nas normas nacionais relevantes para edifícios modulares em concreto para cálculos teóricos e simulação de esquemas, devendo garantir-se a razoabilidade da rota técnica e o rigor lógico dos dados.

Para garantir a razoabilidade e viabilidade da conversão de esquemas, esta pesquisa segue os seguintes princípios básicos: primeiro, o desempenho estrutural não é reduzido, os indicadores de verificação estrutural após a conversão não são inferiores ao sistema original, atendendo aos requisitos de segurança e durabilidade; segundo, custo e prazo controláveis, permitindo-se um aumento moderado do custo de construção dentro de uma faixa razoável, alcançando o valor global ótimo por meio da redução do prazo e da melhoria da eficiência de gestão; terceiro, o espaço funcional permanece basicamente inalterado, sob a premissa de atender aos indicadores de planejamento como índice de aproveitamento, o espaço interior e as funções de uso não sofrem alterações significativas; quarto, a produção e construção dos módulos se adaptam às condições locais, considerando fatores como processos de fábrica, limites de transporte, capacidade de içamento no local e ambiente climático.

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Comparação de esquemas de projeto modular em concreto para edifícios baixos

2.1 Comparação de esquemas do sistema modular

Combinando as características das tipologias do projeto e as demandas de solicitação estrutural, esta pesquisa propõe três esquemas de divisão modular, realizando comparação abrangente sob as dimensões de dificuldade construtiva, impacto espacial, controlabilidade de riscos e viabilidade de implementação. Esquema 1: sistema de módulo de parede dupla, o módulo como um todo é uma caixa fechada, com painéis de parede bilateralmente integrados, emenda no local simples, número reduzido de nós, precisão construtiva facilmente controlável e alta estabilidade de qualidade; os cálculos indicam que este esquema reduz ligeiramente a área útil interior, mas pode ser compensado por meio de arranjo misto e outros métodos. Esquema 2: sistema de módulo de parede simples, com menor impacto no espaço interior, porém com mais etapas de emenda no local e maior complexidade de tratamento de nós, exigindo maior precisão construtiva e controle de qualidade. Esquema 3: sistema de módulo misto, que combina as vantagens dos dois anteriores, mas com a diversificação das especificações dos módulos, a dificuldade de produção em fábrica e organização no local aumenta, e as vantagens de custo e prazo globais são enfraquecidas.

Figura 1 Seleção do sistema modular

Considerando a confiabilidade técnica, a conveniência construtiva, o grau de impacto espacial e os resultados de simulação, a pesquisa finalmente determina o sistema de módulo de parede dupla do Esquema 1 como esquema base, combinando com a abordagem do sistema misto para otimização local, controlando ao máximo o impacto no espaço útil enquanto se garantem as vantagens de prazo e qualidade.

2.2 Princípios de design da divisão modular

A divisão das unidades modulares segue os seguintes princípios de design: (1) Limitações de transporte. Considerando os requisitos convencionais de limites de transporte rodoviário no local do projeto, a largura máxima do módulo é controlada dentro de 4,5 m, para atender às condições de tráfego terrestre. (2) Adaptação ao içamento. As unidades modulares em concreto têm peso próprio considerável, e a divisão dos módulos deve corresponder à capacidade nominal de içamento dos equipamentos de elevação no canteiro, com o peso de cada módulo controlado dentro de 20 toneladas. (3) Integridade funcional arquitetônica. A divisão dos módulos é feita de acordo com as funções de uso do edifício, garantindo que cada módulo possa completar em fábrica a produção integrada de estrutura, isolamento térmico, revestimento, tubulações e componentes de acabamento interior. (4) Nós razoáveis. As conexões entre módulos devem ter solicitação clara, construção conveniente e impermeabilização confiável, considerando a integridade estrutural e a precisão de instalação no local. (5) Coordenação padronizada. As especificações dos módulos devem ser o mais uniformes possível, reduzindo o número de peças especiais, criando condições para a produção industrializada e a promoção em escala.

Figura 2 Modelo de divisão modular da unidade do projeto

Todo o processo do projeto utiliza a tecnologia BIM para completar o design modular, a divisão, a coordenação e a saída de resultados por meio de simulação digital, fornecendo forte suporte para a viabilidade do esquema. Com o software BIM, são construídos modelos de todas as especialidades, realizando-se análise espacial, comparação de esquemas, estatísticas de área e verificação tridimensional, validando a viabilidade e razoabilidade da divisão modular. Na fase de comparação de esquemas, a tecnologia BIM fornece ferramentas de análise visual para a pesquisa de modularização em concreto de baixa e média altura, permitindo que etapas-chave como conversão de sistema, divisão de componentes, construção de nós e coordenação entre especialidades sejam simuladas e otimizadas antecipadamente.

2.3 Verificação de solicitação em condições transitórias do módulo

Além de atender aos requisitos de projeto do estado limite de utilização da estrutura global, a estrutura modular também deve passar por verificação específica de solicitação para as condições transitórias de içamento na construção. Tomando como exemplo o módulo 1 mostrado na Figura 2, estabelece-se um modelo de cálculo de elementos finitos refinado de um módulo de concreto individual; as condições de contorno dos pontos de içamento são simuladas com restrições articuladas, considerando os requisitos de estabilidade do módulo, adicionando-se apoios temporários sob condições de transporte e içamento, resolvendo-se a resposta de deformação dos componentes do módulo e a distribuição de esforços internos nas paredes sob condições transitórias de içamento, verificando-se então a rigidez e o desempenho de capacidade portante do módulo, fornecendo base para o arranjo dos pontos de içamento, medidas de reforço temporário e plano de transporte.

Figura 3 Modelo de cálculo de elementos finitos do módulo

Figura 4 Diagrama de deformação do cálculo de elementos finitos do módulo

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Análise comparativa de esquemas de edifícios modulares

3.1 Comparação de métodos construtivos

O esquema PC original é executado combinando componentes pré-fabricados com moldagem in loco, incluindo lajes pré-fabricadas, vigas, escadas, painéis de fachada e outros componentes; no local, ainda são necessárias muitas operações de montagem, colocação de formas, concretagem e cura, com muitos tipos de componentes e muitas etapas de processo; as instalações eletromecânicas e o acabamento devem ser realizados após a conclusão da estrutura principal, resultando em uma cadeia construtiva global mais longa.

O sistema MIC adota a abordagem de divisão em módulos tipo caixa, com o edifício completo dividido em vários módulos espaciais, completando em fábrica, de uma só vez, a produção integrada de estrutura, isolamento térmico, revestimento, tubulações e componentes de acabamento interior; no local, são necessárias apenas a execução da fundação, o içamento dos módulos, o vedamento de nós e os trabalhos de finalização, com redução significativa de operações úmidas, instalações eletromecânicas e acabamento realizados em paralelo na fábrica, e prazo no local significativamente comprimido. Segundo os cálculos, o consumo de concreto do esquema MIC é ligeiramente superior ao do esquema PC, mas a integridade dos componentes é maior, a estabilidade de qualidade é melhor e o benefício global do ciclo de vida é superior.

Figura 5 Local de produção de módulos MIC em projeto nacional

3.2 Comparação de prazo e estimativa de custo

De acordo com a simulação do fluxo construtivo, o prazo total no local do esquema PC é relativamente longo, incluindo execução de fundação, execução estrutural de cada pavimento, instalações eletromecânicas, acabamento e obras externas; o esquema MIC, por ter grande parte das etapas concluídas em paralelo na fábrica, com o local concentrado em içamento e execução de nós, tem prazo significativamente reduzido. Segundo os cálculos, o modo MIC pode comprimir em cerca de 40% o ciclo de execução da estrutura principal no local, com melhoria significativa da eficiência global da construção, conforme mostrado na Tabela 1.

Tabela 1 Comparação das diferenças de métodos construtivos entre projetos PC e MIC

Em termos de custo, o esquema MIC, por incluir produção em fábrica, acabamento integrado, transporte e içamento, apresenta valor estimado de custo por metro quadrado superior ao esquema PC; no entanto, devido ao prazo reduzido, menor mão de obra no local, redução de custos de gestão e aceleração do giro de capital, seu benefício global de ciclo de vida é mais adequado para grandes projetos de desenvolvimento rápido.

3.3 Análise de vantagens abrangentes

Dos resultados da comparação de esquemas, o sistema MIC apresenta vantagens evidentes neste projeto: primeiro, velocidade construtiva rápida, pouco afetada pelo clima quente, altamente compatível com as condições construtivas do Oriente Médio no exterior; segundo, alta precisão de fabricação em fábrica e boa estabilidade de qualidade, com risco significativamente reduzido de patologias como infiltrações e fissuras; terceiro, menor volume de trabalho no local, menor dependência da quantidade e qualificação de mão de obra, adaptando-se melhor ao clima quente local e à estrutura de trabalhadores; quarto, integração de arquitetura, isolamento térmico, decoração e instalações eletromecânicas, com alto padrão de entrega e baixo custo de manutenção posterior; quinto, edifícios modulares são favoráveis à padronização e promoção em escala, adequados à construção unificada de grandes comunidades residenciais, especialmente aplicáveis a projetos com poucas tipologias e grande quantidade.

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Conclusão

Este artigo tem como objeto de estudo um grande projeto de área residencial no Oriente Médio no exterior. Sob condições arquitetônicas predefinidas, concluiu-se a pesquisa de conversão em fase de esquema do sistema PC de concreto pré-fabricado para o sistema de construção integrada modular em concreto MIC, a comparação de esquemas, a verificação estrutural, a simulação construtiva e a comparação técnico-econômica.

O sistema modular em concreto de baixa e média altura, sob a premissa de atender à segurança estrutural, às funções de uso e aos indicadores de planejamento, pode encurtar significativamente o prazo, reduzir o trabalho no local, melhorar a qualidade e a eficiência da construção, adaptando-se bem ao clima quente local e às condições de mão de obra. O método de divisão modular em concreto de baixa e média altura, a abordagem de verificação estrutural, os princípios de construção de nós, a rota de coordenação BIM e a lógica de comparação de esquemas propostos neste artigo podem fornecer referência para a construção modular de grandes projetos residenciais no Oriente Médio e em regiões de clima similar no exterior, bem como fornecer pesquisa preliminar e reserva técnica para a tecnologia chinesa de edifícios modulares em concreto se internacionalizar. Após otimização adicional combinada com políticas, normas, cadeia de suprimentos e modelos de gestão localizados, a construção modular terá espaço de aplicação mais amplo na construção de grandes comunidades residenciais no exterior.

Referências

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Projeto financiado: Apoiado pelo projeto "Pesquisa sobre métodos de design de edifícios modulares em concreto de baixa e média altura" do Instituto de Design Arquitetônico de Xangai Huadong Co., Ltd.

Unidade dos autores: Instituto de Design Arquitetônico de Xangai Huadong Co., Ltd.

Autores originais: Liu Zhilong  Li Jinjun

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