装配式模块化可周转式轻型建筑结构体系设计研究

摘　要：

   针对临时建筑快速建造和重复利用的需求，提出了一种基于模块化设计的装配式可周转式轻型建筑结构体系，具有以下创新特点。

（1）构件轻量化：单构件重量小于70kg，可以实现纯人工搬运，突破了传统装配式钢结构对大型机械的依赖；

（2）建筑可周转：构件间通过螺栓连接，拆装便捷，重复利用率高；

（3）结构跨度大：该结构以3m、6m 为标准跨度，经实际工程验证，局部加强后可实现9m、15m 大跨空间；

（4）建筑形态灵活：通过基本模块组合可灵活模拟多种建筑形态。

   采用midas Gen 和midas NFX 有限元分析软件，对整体模型及关键节点进行数值模拟分析，结果表明该结构体系承载力、位移等指标满足设计要求。并在工程实践中成功经受住极端风荷载的考验，验证了该结构的安全可靠性，为轻型可周转式建筑提供了新的解决方案。

关键词：

装配式；模块化建筑；可周转式建筑；轻型建筑；钢结构设计

   装配式建筑作为现代建筑工业化发展的重要方向，凭借其预制式、标准化的生产模式，在提高生产效率、缩短施工周期以及减少施工污染等方面优势显著，许多学者在装配式建筑构造设计、性能分析、数字化应用、结构体系设计等方面开展了深入研究，为行业发展提供了重要支撑。学者们提出了装配式结构节点构造设计方案，分析了关键节点性能，研究了BIM 技术在装配式建筑中的应用，研究了一种简化的模块化建筑有限元计算方法，提出了一种装配式结构体系的设计方法。装配式建筑技术发展显著的同时，在轻量化、灵活性设计等方面还存在一定优化空间。

（1）市面上大多装配式建筑构件单体尺寸、重量大（6~9 m跨梁构件通常重达0.8~2.5t），依赖小型机械或重型设备，纯人工无法满足其重量、尺寸及

精度要求，施工灵活性差，成本高。

（2）纯人工搭建装配式建筑高度低、跨度小、抗风避震性差，不满足大空间、大荷载情况下的使用要求。

（3）构件标准度不足，人工组装与拆卸复杂。针对以上问题，结合模块化建筑集成度高、工期短的优势，根据业主对轻量化、大空间、可周转、高承载力的使用需求，提出了一种装配式模块化可周转式轻型建筑结构体系，其特点如下。

（1）设计基准周期25年，楼面永久荷载0.5 kN/m²，可变荷载2.0 kN/m²，满足临时性建筑的使用要求。

（2）构件重量轻，单个构件不超过70kg，仅通过人力可完成搬运、安装，可以在无法使用大型器械的场所搭设使用，施工人员简单培训后可进行施工。

（3）构件之间通过螺栓连接，构件可以快速拆装和重复使用，实现建筑可周转，通过基本单元组拼可以形成多种建筑形态。

（4）根据需要可以进行跨度延展，形成大空间。

（5）对场地平整度要求低，仅需要局部处理场地。

   该体系有效解决了传统装配式建筑在轻量化、大跨度、灵活性及承载力间的矛盾，为受限场地和轻质临时性建筑提供了经济高效的解决方案。

1 结构体系及组成构件

1.1 标准模块

   装配式模块化可周转式轻型建筑结构体系为钢结构，两种规格标准模块平面如图1 所示，规格1，宽3m、长3m、高3m，规格2 宽3m、长6m、高3m。

两种规格模块均由主体框架和围护结构组成，主体框架如图2 所示，包含基础、梁、柱、连接盒以及相关连接构件。围护结构如图3 所示，包含内外墙板、楼板、屋面板。基础形式为由枕木及工字钢组合而成的独立基础。

1.2 组成构件

   该结构体系所有组成构件在工厂内制作完成，单件重量小于70kg，现场施工时，可通过纯人力搬运构件，构件之间通过螺栓连接或插接，构件可以拆卸

重复利用。构件信息如下。

1.2.1 基础

   基础（图4）由H 型钢、枕木组成，仅需要平整局部场地即可放置该基础，并可以通过灵活调整枕木根数来控制基础底面积大小，以适应上部荷载。

1.2.2 桁架梁

   该结构体系采用桁架梁（图5），包含3m桁架梁、6m桁架梁两种规格。

梁构件通过梁托构件（图6）与连接盒相连。

梁构件通过设置隅撑增加了结构整体刚性，6m 桁架梁上设置了4根隅撑，如图7 所示。

1.2.3 柱

柱构件（图8）采用双C 形钢拼合形式，使用有强弱轴区分的构件截面，更大限度地发挥了构件作用。

1.2.4 连接盒

连接盒（图9）用于连接梁、柱构件，增强了拼装的灵活性。

1.2.5 板类构件

板类构件（图10）由钢板面、方钢管板肋组成，抗侧性能好，通过抓钩与檩条连接，安装、拆卸灵活。

1.3 结构体系

   该结构体系由若干标准模块灵活组拼，形成不同建筑形式，拼装形式灵活，建筑形态如图11 所示。

拼装方式简单，安装工人不需要具有使用大型器械和识别钢结构装配式图纸等专业技能。建筑使用完成后，还可将构件拆除运输至新的使用场地，重新组拼搭建，重复使用。

2 结构体系仿真分析

   使用有限元分析软件midas Gen 进行结构静力分析，通过分析验证装配式模块化可周转式轻型建筑结构体系安全性能，具体分析如下。

2.1 工程概况

   本项目位于河北省张家口市，采用装配式模块化可周转式轻型建筑结构体系，建设形成多种建筑形式，各建筑均由标准模块组合形成。其中观礼台建筑（图12）由标准模块和局部大跨结合设计

设计使用年限25年，总建筑面积1999m²，建筑共3层，每层层高3m，其中一层为封闭空间，二、三层为三面开敞，一面紧贴既有建筑，基础采用独立基础形式，可以灵活适应不同地形。结构标准柱跨为6m，局部加强后，实现了15m、9m 的大跨度空间，结构平面布置如图13 所示，满足了观礼台开阔视野功能及大空间摆放座椅的需求。

为加强结构稳定性，结构两侧设有交叉撑，如图14 所示。

2.2 荷载信息

2.2.1 永久荷载和可变荷载信息

   楼面放置可移动轻质隔墙，永久荷载取值0.5kN/m²，考虑人员活动，楼面均布可变荷载取值2.0kN/m²，具体荷载信息见表1。

2.2.2 风荷载信息

本建筑三面开敞，一面紧贴既有建筑，屋面坡度5 °。GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中，地面粗糙度B类别，离地高度10m处阵风系数统一规定为1.7，暂无仅三面开敞形式建筑的风荷载阵风系数详细描述。根据JGJ/T 481—2019《屋盖结构风荷载标准》表D3.1–1，屋面坡度0 °≤ θ ≤ 7 °的双坡屋盖全风向风压系数最值取值见表2。该规范暂未规定该建筑的风压系数取值，取值偏大，可作为取值上限。根据美国建筑荷载规范（ASCE–7–10）第26.9.1条，刚性的建筑或其他结构的阵风影响系数允许取为0.85。综合以上规范条文，为了确保建筑安全，阵风系数取值为1.8

2.3 受力分析

2.3.1 整体受力分析

   约束条件：檩条与桁架铰接，檩条端部释放梁端约束，柱底与基础铰接。

   在1.0D+1.0L 荷载工况下，结构最大相对位移为15m梁处，相对位移为25.7mm，位移比1/583<1/400，满足要求。

   在风荷载最不利方向作用下，结构最大相对位移出现在15m梁处，相对位移为11.2mm，位移比1/1339<1/400，满足要求。

   板底设有菱形板肋提高了楼板的抗侧刚度。数值模拟结果表明，未设置菱形板肋时，结构最大应力比超过1.0，不满足结构安全要求。

   增设菱形板肋后，楼板抗侧性能得到显著提升，结构验算比最大为0.69，该结构强度、抗剪能力、稳定性满足设计要求。

   通过实际工程案例的仿真分析验证，该结构体系以及各个组成构件的安全性满足要求。

2.3.2 大跨空间受力分析

   通过局部加强措施形成了15m梁，结构形式参考贝雷桁架，将现有桁架两片并排连接成整体共同受力，为减小梁挠度，梁下增设两处连接盒，通过拉杆

将连接盒吊起，有效减小梁挠度，如图15 所示。在1.0D+1.0L 荷载工况及风荷载最不利方向作用下，结构最大位移为25.7mm，位移比1/583<1/400，满足设计要求。各荷载工况中，15m梁验算比最大0.62，满足设计要求。

2.3.3 关键节点分析

   连接盒构件为连接梁柱连接的重要传力节点，通过钢板焊接而成，该连接盒为六面体，重55kg，长250mm、宽250mm、高440mm，每面预留4个螺栓

孔连接梁、柱构件，通过梁托与梁相连，与柱通过螺栓连接，建立midas NFX 连接盒有限元模型如图16所示。提取midas Gen 整体结构模型中最不利节点荷

载：梁截面受到最大轴力85.3 kN，剪力32.71 kN，将该荷载施加于连接盒侧壁螺栓孔位置进行数值模拟。

   根据GB 55006—2021《钢结构通用规范》，Q355 钢材强度设计值为305 MPa，分析结果显示连接盒构件最大应力位置位于螺栓孔附近钢板转接处，最大应力280 MPa，满足设计要求。

3 构件试验

3.1 柱构件压弯试验

   利用加载试验台将柱两端固定，通过千斤顶于柱顶端施加轴压力101.9 kN，偏心距146.2mm，弯矩14.9 kN·m，当加载至设计荷载时停止加载。加载完成后试件未出现明显屈曲变形，构件安全。

3.2 连接盒力学性能测验

   在连接盒构件水平方向连接梁或柱构件，对连接盒侧壁螺栓孔施加轴力85.3 kN，剪力32.71kN，当荷载达到设计荷载时停止加载。

   试验完成后试件表面未出现变形，梁构件和连接盒匹配面之间未出现明显变形，连接螺栓未出现松动滑移，构件安全。

3.3 板承载能力试验

   楼面板荷载按均布荷载考虑，楼面堆载至2.5kN/m²。加载过程中及加载完成后均未发现楼面板出现明显的变形、破坏，构件安全。

4 实际应用

   建设形成纪念馆、地铁站、居民楼等多种建筑形式，各功能建筑均能完全满足正常使用需求。2025年4 月11 日张家口市遭受12 级瞬时强风，该建筑结构体系表现出卓越的抗风性能，充分验证了其可靠的结构安全性和环境适应性。

5 结论

   针对传统装配式建筑不可拆卸、资源浪费、施工依赖大型设备等特点，本研究提出一种装配式模块化可周转式轻型建筑结构体系，实现了装配式建筑的技术创新，该体系具有以下特点。

（1）构件轻质：单个构件质量小于70kg，易于运输安装，无需大型器械，节约了设备成本。

（2）适用性强：该结构体系可以根据需要任意组拼，模拟多种建筑形式，如公共建筑、民用建筑等。

（3）经过加固改造，可搭设大跨度建筑：跨度可达到15m。

（4）有良好的可周转使用性：构件之间由螺栓连接，搭设完成后可拆卸重新组拼，实现循环利用。

（5）可施工技术门槛低：施工人员经过短期培训即可进行施工。

（6）满足基本使用要求：通过有限元分析检验验证，该结构体系楼面可变荷载2.0kN/m²，永久荷载0.5kN/m²，可以满足常规建筑的使用要求，构件变形在设计范围内，满足基本使用需求。

   该结构体系通过理论分析、试验验证及工程应用论证其在轻量化、大跨度与可周转性方面的综合优势，并在持续进行优化升级中，现将其技术成果与业界同仁分享，以供参考借鉴。

参考文献

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