Huu-Tai Thaia、Tuan Ngoa、Brian Uyb

a墨爾本大學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施工程系，帕克維爾，VIC 3010，澳大利亞

b悉尼大學(xué)土木工程學(xué)院，悉尼，新南威爾士州 2006，澳大利亞

摘 要

模塊化施工被認(rèn)為是一種改變游戲規(guī)則的技術(shù)，因為與傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工相比，它可以提供更快的施工、更安全的制造、更好的質(zhì)量控制和更低的環(huán)境影響。由于高層建筑固有的拓?fù)淠K化形式和可重復(fù)模塊數(shù)量的增加，這些好處可以在高層建筑中最大化。然而，由于缺乏堅固的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和連接技術(shù)來確保完全模塊化建筑的結(jié)構(gòu)完整性、整體穩(wěn)定性和堅固性，目前高層建筑模塊化建筑的應(yīng)用非常有限。此外，缺乏設(shè)計指南也阻礙了建筑行業(yè)實施此類技術(shù)。

隨著結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和材料的最新進(jìn)步，模塊化建筑在高層建筑中的實際應(yīng)用具有巨大的潛力。本文對高層建筑模塊化施工技術(shù)的最新創(chuàng)新進(jìn)行了批判性回顧，重點關(guān)注結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、連接技術(shù)、漸進(jìn)式倒塌和結(jié)構(gòu)堅固性。還討論了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的發(fā)展。

本文最后強調(diào)了阻礙模塊化結(jié)構(gòu)廣泛采用的技術(shù)挑戰(zhàn)，并提出了未來研究的潛在解決方案。這篇綜述論文有望成為該研究領(lǐng)域的專家、研究人員和專業(yè)人士的完整參考。

關(guān)鍵詞：模塊化建造；模塊化高層建筑；模塊間連接；漸進(jìn)式倒塌和結(jié)構(gòu)堅固性；模塊化設(shè)計

1.介  紹

裝配式建筑是指在工廠制造建筑構(gòu)件并運至建筑工地進(jìn)行安裝的施工過程。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工相比，它具有顯著的優(yōu)勢，例如更快、更安全的制造、更好的質(zhì)量控制和更低的環(huán)境影響 ，從而在材料效率、減少現(xiàn)場浪費（高達(dá) 90% ）方面帶來可持續(xù)性效益）并改善工作條件 。根據(jù)最近項目的案例研究，使用模塊化施工技術(shù)可以減少 50% 的施工時間，節(jié)省 20% 的成本 。

裝配式建筑的概念并不新鮮，但其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)需求和不斷變化的思維方式吸引了前所未有的興趣和投資浪潮。預(yù)計它將通過用更少的美元快速提供住房供應(yīng)來解決經(jīng)濟(jì)適用房危機。

根據(jù)預(yù)制程度，預(yù)制建筑可分為三類：1D 單元、2D 板式系統(tǒng)和 3D 體量系統(tǒng) 。鑲板和體積建筑，也稱為模塊化建筑，是最有效的預(yù)制建筑類別，因為它允許建筑物 的 70% 到 95% 在工廠預(yù)制，然后運輸?shù)浆F(xiàn)場組裝。

因此，這種方法被認(rèn)為將塑造建筑行業(yè)的未來。本文將重點討論模塊化建筑，在香港也稱為模塊化集成建筑（MiC），在美國稱為永久模塊化建筑（PMC），以及在新加坡稱為預(yù)制預(yù)制體積建筑（PPVC）。

模塊化單元有三種主要的施工方法，如圖圖1所示。在基于核心筒的方法中（圖1a)、所有模塊都聚集在一個或多個穩(wěn)定核心周圍。模塊化單元的設(shè)計僅能抵抗建筑物整個高度上的垂直重力荷載，而風(fēng)和地震作用產(chǎn)生的側(cè)向力則由核心筒分別抵抗。因此，橫向隔膜以及模塊和核心之間的連接應(yīng)該足夠堅固，以將橫向載荷傳遞到核心結(jié)構(gòu)。核心筒可以由預(yù)制混凝土或現(xiàn)澆鋼混凝土復(fù)合墻建造，并且可以通過在地板和天花板內(nèi)提供額外的支撐系統(tǒng)來最大化建筑高度。

在基于裙樓的方法中（參見圖1b)、將模塊化單元放置在設(shè)計為傳統(tǒng)鋼、混凝土或鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的裙房或平臺結(jié)構(gòu)的頂部。裙樓作為模塊化單元的基礎(chǔ)，可以圍繞高層建筑的核心堆疊或聚集。這種方法特別適用于混合用途建筑，其中裙樓結(jié)構(gòu)可以提供零售或商業(yè)用途或地下停車場的開放空間。在填充框架方法中，模塊化單元放置在主要框架結(jié)構(gòu)的梁和柱之間，如圖所示圖1C。由于主體框架結(jié)構(gòu)采用常規(guī)方法在現(xiàn)場施工，保證了模塊化建筑的整體穩(wěn)定性。

模塊化建筑在公寓、學(xué)校、辦公室、宿舍、酒店和醫(yī)院等具有重復(fù)單元的結(jié)構(gòu)中是首選。模塊化結(jié)構(gòu)的好處，由于重復(fù)模塊數(shù)量的增加，高層應(yīng)用將最大化。在澳大利亞、英國、新加坡和美國，模塊化建筑的使用呈增長趨勢，這些國家的勞動力成本和住房短缺問題備受關(guān)注。

盡管過去三十年來模塊化建筑已廣泛應(yīng)用于低層建筑，但其在高層建筑中的應(yīng)用仍然有限（不到1%）。這是因為建筑行業(yè)由于缺乏（i）設(shè)計指南，（ii）強大的模塊間連接技術(shù)，以及（iii）對結(jié)構(gòu)行為、整體穩(wěn)定性和模塊化建筑的結(jié)構(gòu)堅固性。最近的一項理論研究[19]證實了如果上述技術(shù)挑戰(zhàn)得到解決，將模塊化建筑擴(kuò)展到高層建筑的可行性。因此，當(dāng)前模塊化高層建筑的研究趨勢集中在解決這些技術(shù)挑戰(zhàn)上。

本文將探討高層建筑模塊化施工技術(shù)的最新創(chuàng)新。審查將重點關(guān)注（i）高層建筑模塊化技術(shù)的最新應(yīng)用，（ii）高層建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，（iii）模塊間連接技術(shù)，（iv）模塊化建筑的漸進(jìn)式倒塌和結(jié)構(gòu)堅固性，（v）和模塊化建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計指南。最后，提出了解決模塊化結(jié)構(gòu)現(xiàn)有技術(shù)挑戰(zhàn)的未來建議。應(yīng)該指出的是，最近對模塊化建筑的評論主要集中在與結(jié)構(gòu)性能、模塊化建筑的挑戰(zhàn)和機遇以及模塊間連接的性能相關(guān)的其他方面。因此，這篇綜述論文將為該研究領(lǐng)域的專家、研究人員和專業(yè)人士提供完整的參考。

2.模塊化技術(shù)在高層建筑中的應(yīng)用

模塊化結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于世界各地的低層建筑，特別是在英國、北美、中國、新加坡和澳大利亞。盡管在高層建筑中實施模塊化建筑技術(shù)存在技術(shù)挑戰(zhàn)，但由于制造和材料技術(shù)的進(jìn)步，近年來已經(jīng)建造了一些模塊化高層建筑。然而，全球模塊化高層建筑的數(shù)量仍然有限（不到1%）。

本文僅對世界上最高的十座模塊化建筑進(jìn)行了審查，總結(jié)如下：表格1?？梢钥闯?，采用3D體積模塊建造的模塊化高層建筑大多以鋼材為基礎(chǔ)，而懲罰性和體積法相結(jié)合建造的模塊化高層建筑則普遍采用混凝土。

盡管澳大利亞采用模塊化建筑技術(shù)的速度慢于北美、歐洲和亞洲的國際同行，但澳大利亞建筑業(yè)目前正在經(jīng)歷模塊化建筑的快速增長。事實證明，世界上十座最高的模塊化建筑中有四座是在澳大利亞建造的過去五年如圖所示表格1。其中值得注意的是墨爾本的 Collins House，它目前創(chuàng)下了世界最高 60 層模塊化建筑的新紀(jì)錄。

世界上十座最高的模塊化建筑中有三座最近在澳大利亞建造（全部位于墨爾本），如圖所示圖2使用Hickory集團(tuán)（澳大利亞模塊化建筑先驅(qū)）開發(fā)的一種名為Hickory建筑系統(tǒng)（HBS）的特殊結(jié)構(gòu)單元用于高層預(yù)制建筑。HBS 是一種最先進(jìn)的系統(tǒng)，它將建筑物的核心、剪力墻和外墻集成到結(jié)構(gòu)中。創(chuàng)新的 HBS 系統(tǒng)由各種預(yù)制鑲板模塊（例如承重墻、電梯和樓梯核心筒以及輕質(zhì)混凝土地板）組成，通過濕接縫 在現(xiàn)場連接，如圖所示圖3b。圖3a顯示了HBS系統(tǒng)的典型模塊，最長的模塊長達(dá)17 m，重26噸。HBS系統(tǒng)的使用不僅減少了施工時間（與傳統(tǒng)施工方法相比從30%到50%）并最大限度地減少了材料和能源浪費，而且還最大限度地提高了質(zhì)量和安全性。

圖2a 顯示了 2019 年采用裙樓設(shè)計方式竣工的 60 層柯林斯住宅項目。裙房結(jié)構(gòu)至第 14 層均采用傳統(tǒng)方法用混凝土建造，其余樓層則采用 HBS 方法建造。該項目僅用了 29 個月就完成了，比傳統(tǒng)方法快了 30%。澳大利亞第二高的模塊化建筑是 Atira 學(xué)生宿舍，于 2018 年竣工，如圖所示圖2b.該建筑還因其創(chuàng)新和高效的施工方法（比傳統(tǒng)施工方法快30％）而獲得了高層建筑與城市人居委員會（CTBUH）頒發(fā)的卓越施工獎。該建筑由從底層安裝的 285 個HBS 模塊（尺寸為 12×3×3 m，重量為 20 噸）組成。澳大利亞使用 HBS 系統(tǒng)建造的另一座模塊化建筑是 La Trobe Tower，如圖所示圖2C。拉籌伯項目是一座 44 層住宅塔樓，在 19 個月內(nèi)完工（比傳統(tǒng)施工方法快 30% ）。建筑的前三層采用常規(guī)方法建造，其余各層采用HBS系統(tǒng)采用模塊化方法建造，最大模塊尺寸為17×4.5×3 m，重22噸。

世界第十高的模塊化建筑（表格1）是 SOHO 塔，它也是在澳大利亞建造的，采用的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖所示圖4A。該建筑于 2014 年竣工，還創(chuàng)下了采用體積模塊化方法建造的世界最高模塊化建筑的新紀(jì)錄 。SOHO 塔樓高 29 層，采用 PPVC 裙房法建造（參見圖1b).裙樓結(jié)構(gòu)由地下室和八層組成，采用傳統(tǒng)施工方法用混凝土建造，而其余樓層則使用鋼模塊建造在裙樓上，如圖所示圖4b.這些模塊尺寸為10×4.2×3.9 m，重量為22噸，由輕質(zhì)混凝土板、混凝土天花板梁和鋼柱組成，專門設(shè)計用作混凝土填充的永久模板，用于開發(fā)現(xiàn)場組合柱（看圖4b).

模塊化建造在我國高層建筑中的應(yīng)用最早由遠(yuǎn)大可持續(xù)建筑，在這項技術(shù)中，鋼結(jié)構(gòu)建筑占90%以上的部件，包括樓板盒和框架系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，都是在工廠制造的，然后使用螺栓連接方法運輸?shù)浆F(xiàn)場組裝。

近年來，新加坡政府大力鼓勵住宅項目采用模塊化建筑。自2014年起，公共住宅建筑強制采用模塊化建筑。新加坡建筑局最近還出版了一系列有關(guān)制造和裝配設(shè)計（DfMA）技術(shù)的指南，為從業(yè)者提供關(guān)于如何設(shè)計、制造和裝配模塊化建筑以實現(xiàn)模塊化建筑的實用指導(dǎo)。DfMA 方法的全部優(yōu)點。此外，新加坡政府還提供了大量財政援助，支持新加坡建筑業(yè)采用 DfMA 來提高質(zhì)量和生產(chǎn)力。參考文獻(xiàn)中報告了新加坡當(dāng)前的模塊化建筑項目清單。表明當(dāng)前大多數(shù)模塊化建筑的建造高度都達(dá)到 20 層。最近完成的只有一個項目（Clement Canopy Tower）高達(dá) 40 層，成為新加坡最高的模塊化建筑。該塔創(chuàng)下了采用 PPVC 方法建造的世界最高混凝土建筑的新紀(jì)錄 ?？巳R門特酒店天篷塔也是世界上最高的模塊化建筑之一。

Clement Canopy 項目由雙塔組成，共有 505 個住宅單元，如圖所示圖9a 采用基于核心的方法，由1,899 個預(yù)制預(yù)制體積混凝土模塊建造而成，具有 48 種不同的模塊形狀 。每個模塊均在場外工廠預(yù)制，墻壁、地板、天花板和 MEP 系統(tǒng)的飾面約為 85%，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場并使用濕接縫連接到混凝土核心，如圖所示圖9b.該項目展示了使用 PPVC方法在節(jié)省施工時間(30%) 和減少環(huán)境影響（高達(dá)70% 現(xiàn)場廢物和 30% 場外廢物）方面的優(yōu)勢 。

英國率先開發(fā)了高層建筑模塊化施工技術(shù)。Lawson 等人還介紹了 12 層、17 層和 25 層模塊化高層建筑的案例研究。本次評論僅關(guān)注十座最高的模塊化建筑。包括 Croydon Tower（44 層）和 Apex House（29 層）。

Croydon Tower項目由一棟44層和38層的住宅塔樓組成，共有546套公寓。該塔目前正在建設(shè)中，如圖所示圖10。明年初竣工后，該塔將創(chuàng)下世界最高的 PPVC 模塊化建筑紀(jì)錄。該塔采用核心筒和裙房相結(jié)合的方法建造，雙核心筒和裙房結(jié)構(gòu)通常采用混凝土建造。模塊的安裝于 2019 年 2 月開始，每層 38 個模塊（完成率 95%）位于二樓 1.8 m 厚的混凝土裙樓上 。共有 1,525 個模塊，具有 23 種不同的配置。每個模塊均由角支撐鋼框架制成，如圖所示圖12b 采用 60 毫米厚的方形空心型材 (SHS)。鋼模塊的 SHS 柱的尺寸從 300 毫米（在建筑物的底部模塊）到 150 毫米（在建筑物的頂部模塊）不等 。該項目還展示了模塊化施工相對于傳統(tǒng)施工方法的優(yōu)勢，可節(jié)省 30% 的施工時間并減少 80% 的建筑垃圾 。

英國的另一座模塊化建筑躋身世界十大最高模塊化建筑之列表格1圖中顯示的是倫敦的 Apex House圖 11.這是一棟29層的學(xué)生宿舍，兩側(cè)有兩個八層的側(cè)翼，采用基于核心筒的體積模塊化建造方法建造。共有 679 個八種不同配置的模塊被固定在第二層的轉(zhuǎn)移混凝土板上 。每個鋼模塊都配有厚角柱，以將垂直載荷轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)上。帶有鋼支撐結(jié)構(gòu)的較大模塊安裝在塔樓兩翼的末端，而較小的模塊則聚集在混凝土核心（7.5 m 見方，厚度為 0.3 m）周圍。所有鋼模塊均采用現(xiàn)場焊接連接。

在模塊化建筑創(chuàng)新和進(jìn)步方面，北美落后于英國、澳大利亞、新加坡和中國等其他國家。盡管近年來美國出現(xiàn)了越來越多超過 10 層的模塊化高層建筑，并且鋼模塊的使用也有所增加 ，但超過 20 層的模塊化高層建筑的數(shù)量相當(dāng)有限。目前僅確定兩座超過 20 層的已竣工模塊化建筑，其中包括 2016 年竣工的紐約 32 層 B2 塔，該塔出現(xiàn)在《世界最高模塊化建筑 10 強》中。

位于紐約的B2塔項目由363套公寓組成，堆疊成一座32層的建筑，如圖所示圖12。2016 年竣工后，B2 塔成為世界上最高的體積模塊化建筑 。該建筑采用裙房法建造，裙房結(jié)構(gòu)上堆疊了930個鋼模塊單元，裙房結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的混凝土地下室板、混凝土圍墻和鋼框架底座建造而成，如圖所示圖12A。采用一系列支撐模塊化鋼框架來抵抗橫向風(fēng)荷載和地震荷載（參見圖12A）。典型的鋼模塊底盤框架如圖所示圖12b由SHS柱（通常為150×150毫米）、矩形空心截面（RHS）地板梁（通常為200×100毫米）、RHS天花板梁（通常為100×100毫米）和RHS中間柱（通常為50×75毫米）組成）。該模塊的地板和屋頂系統(tǒng)也由鋼制成，因此與傳統(tǒng)的混凝土模塊相比，該模塊相當(dāng)輕（輕 65%）。由于開發(fā)商與其合作伙伴之間的糾紛，該塔的建設(shè)被推遲，長達(dá)四年才完成。

3.模塊化高層建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

模塊化單元是模塊化建筑的主要承重部件。模塊化高層建筑模塊的各種結(jié)構(gòu)形式已被開發(fā)出來，通常可分為兩類：2D 板式系統(tǒng)和 3D 體量系統(tǒng)。2D 面板系統(tǒng)通常需要更多的現(xiàn)場組裝，而 3D 體積系統(tǒng)則更多地在場外進(jìn)行預(yù)加工。2D 面板系統(tǒng)的裝配工作比 3D 體積系統(tǒng)更復(fù)雜，因為它需要更多的內(nèi)部精加工。然而，2D 面板系統(tǒng)比 3D 體積系統(tǒng)提供更大的靈活性 。2D 面板系統(tǒng)和 3D 體積系統(tǒng)的組合，即混合系統(tǒng)，也可以用于模塊化高層建筑，以充分發(fā)揮每個系統(tǒng)的優(yōu)勢。這種混合系統(tǒng)已被 Hickory 集團(tuán)在澳大利亞廣泛使用，為世界上十座最高的模塊化建筑中的三座開發(fā)了 HBS 系統(tǒng)。

3D 系統(tǒng)最適合具有高重復(fù)性的項目?；谒膶咏ㄖ陌咐芯浚溈襄a報告稱，與傳統(tǒng)施工方法相比，使用 3D 系統(tǒng)可以節(jié)省 24% 的成本，而混合和 2D 系統(tǒng)相應(yīng)節(jié)省 20% 和分別為 17%。

二維鑲板系統(tǒng)在中國和澳大利亞廣泛使用，尤其是模塊化高層建筑。在澳大利亞，Hickory 通過由預(yù)制混凝土板組成的混合 HBS 系統(tǒng)率先開發(fā)了 2D 面板系統(tǒng)。示例如下所示圖14， 混凝土墻和混凝土地板通過濕接縫在現(xiàn)場連接（參見圖3b).混合 HBS 系統(tǒng)已成功應(yīng)用于世界上十座最高的模塊化建筑中的三座，包括 Collin House（60 層）、Atira Student Accommodation（44 層）和 La Trobe Tower（44 層）。需要注意的是，現(xiàn)場組裝工作比傳統(tǒng)方法簡單得多，但與3D模塊結(jié)合時就變得更加復(fù)雜。此外，該系統(tǒng)還比容積式系統(tǒng)需要更多的內(nèi)部精加工。

有幾種類型的 3D 體積結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是為使用鋼或混凝土的模塊化高層建筑而開發(fā)的。然而，鋼模塊廣泛用于高層建筑，因為它們具有可持續(xù)性、連接簡單、設(shè)計靈活性和高強度重量比等顯著優(yōu)勢。事實證明，世界上五座最高的模塊化建筑中有四座是采用 3D 體積法建造的（參見表格1）基于鋼模塊?；炷聊K的主要缺點是其起重重量（比鋼模塊重25%至30%）, 這導(dǎo)致塔式起重機的成本增加。值得注意的是，木材和冷成型輕鋼模塊在歐洲和英國也被廣泛使用。然而，由于垂直承載能力非常低，它們的應(yīng)用僅限于四層以下的低層建筑。

典型模塊化單元的長度通常為 6 至 12 m，而鋼模塊的重量可能為 15 至 20 噸，混凝土模塊的重量為 20 至 35 噸 。典型模塊化單元的尺寸受到運輸和起重要求的限制。例如，新加坡不需要警察護(hù)送的道路運輸?shù)淖畲髮挾?、高度和長度分別為 3.4 m、4.5 m 和 12 m ，而允許的澳大利亞和美國的寬度通常約為 3.5 m 。此外，建筑工程中使用的塔式起重機的最大起重能力大多在20噸左右，超過20噸的塔式起重機的成本可能會增加高達(dá)60%。因此，運輸和吊裝要求是確定模塊尺寸和吊裝重量的主要限制因素。對于高層建筑來說，底部的模塊要承受非常大的垂直荷載。這導(dǎo)致其構(gòu)件尺寸和吊裝重量增加，從而減小了模塊的跨度。然而，使用短模塊將導(dǎo)致模塊間接頭數(shù)量增加，從而使模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢無法充分發(fā)揮。

由角柱和周邊梁組成，可由 RHS（鋼模塊）或 RHS 填充混凝土制成復(fù)合截面。鋼制底盤可能適用于 40 層以上的建筑物。目前，44層的Croydon Tower項目采用鋼底盤（參見圖10），SHS 柱尺寸從 300mm（在基礎(chǔ)模塊）到 150mm（在頂部模塊）不等 。值得注意的是，鋼模塊中SHS柱尺寸的變化也使得模塊之間的連接更加困難。為了避免這一困難并增加鋼模塊的承載能力，Liew等人。[36]最近提出了一種復(fù)合模塊，由細(xì)長地板（例如，Slimdek ）、復(fù)合梁和鋼管混凝土（CFST）柱組成，如圖所示圖16。

使用不同的柱截面可以保持組合柱的尺寸。如圖所示圖16，SHS可用于頂層低重力載荷的模塊，而CFST更適合中層重力載荷較大的模塊。采用高強混凝土和高強鋼的鋼管混凝土可顯著提高柱的強度，因此可用于承受最大重力荷載的較低層柱。有人可能會說，可以通過增加 SHS 的厚度來維持柱尺寸，就像 32 層 B2 中使用的鋼模塊一樣紐約塔的立柱尺寸始終保持在 150 毫米，但 SHS 的厚度增加至 38 毫米。這可能會導(dǎo)致更高的材料成本。使用組合梁和輕質(zhì)混凝土的薄樓板還可將模塊的吊裝重量減少高達(dá) 40% 。因此，可以實現(xiàn)長達(dá) 12 m 的更長跨度模塊。這導(dǎo)致模塊間接頭的數(shù)量減少，并最大限度地發(fā)揮高層建筑模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。與鋼模塊相比，復(fù)合材料模塊的其他優(yōu)點包括耐用性、防火性、防水性和聲阻抗，因為它們繼承了混凝土模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

對于高層建筑，由風(fēng)和地震引起的橫向荷載由單獨的橫向穩(wěn)定系統(tǒng)（例如支撐桁架和剪力墻核心筒）來抵抗，Hong等人也檢驗了側(cè)向抵抗系統(tǒng)的可行性。橫向穩(wěn)定系統(tǒng)可以采用傳統(tǒng)施工方法或模塊化施工方法由鋼、混凝土和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)建造。為了使橫向載荷能夠從模塊轉(zhuǎn)移到橫向穩(wěn)定系統(tǒng)，應(yīng)在模塊的地板和天花板內(nèi)添加額外的支撐系統(tǒng)。此外，模塊間連接應(yīng)具有足夠的剪切強度。

支撐桁架由預(yù)制板形式的結(jié)構(gòu)鋼制成。該支撐系統(tǒng)成功應(yīng)用于紐約32層B2塔（圖17a) 和倫敦 47 層的 Leadenhall 大樓。與支撐桁架不同，剪力墻核心筒可以容納電梯、樓梯和服務(wù)立管。因此在模塊化高層建筑中得到廣泛應(yīng)用。在目前的實踐中，世界上五分之四的最高模塊化建筑采用 3D 體積法建造。其中包括 44 層的 Croydon Tower、40 層的 Clement Canopy、29 層的 Apex House 和 29 層的 SOHO Tower?；炷梁诵耐部梢允褂没：吞５葌鹘y(tǒng)方法建造，也可以使用模塊化預(yù)制混凝土系統(tǒng)的模塊化方法建造。剪力墻核心筒的另一種選擇是復(fù)合鋼-混凝土-鋼夾層系統(tǒng)，即 SpeedCore，該系統(tǒng)首先用于雷尼爾廣場塔項目，如圖所示圖18。SpeedCore 是革命性的鋼板復(fù)合核心筒，無需鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)中使用的模板和鋼筋。

4.模塊間連接技術(shù)

斯里桑吉爾塔南和萊西等人最近發(fā)表了一篇關(guān)于國際間的評論鋼結(jié)構(gòu)建筑中的模塊連接，重點關(guān)注性能要求，并開發(fā)了理論模型來預(yù)測螺栓連接的軸向、剪切和彎曲剛度。在模塊化高層建筑中，模塊化單元之間的連接發(fā)揮著非常重要的作用，因為它們確保了整個建筑的結(jié)構(gòu)完整性、整體穩(wěn)定性和堅固性。雖然焊接連接可以提供相鄰模塊之間的剛性，但在現(xiàn)場并不優(yōu)選，因為它需要高技能的勞動力、大的工作空間以及耗時的焊接后檢查。

越來越多的連接技術(shù)被開發(fā)用于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的模塊間連接。這些連接可分為三種不同類型：(i)使用拉桿的模塊間連接，(ii)使用連接器的模塊間連接，以及(iii)使用螺栓的模塊間連接。對于混凝土模塊，模塊間連接需要大量的現(xiàn)場勞動力來鋪設(shè)鋼筋和現(xiàn)場灌漿。這將降低施工速度并抵消多層建筑模塊化施工的優(yōu)勢。因此，這里不考慮具體模塊的連接。

這種類型的連接已被開發(fā)用于將下部模塊的柱垂直連接到上部模塊的柱（即柱到柱連接）。就此而論，下模塊和上模塊之間的垂直聯(lián)結(jié)是通過使用豎桿來提供的，而下柱和上柱之間的剪力則通過剪切力來抵抗。這種類型連接的優(yōu)點是它可以安裝在模塊外部，從而防止對內(nèi)部飾面造成任何潛在的損壞。此外，這種連接技術(shù)還可應(yīng)用于具有空心裸鋼截面和鋼管混凝土截面的柱，這是高層建筑保持相同柱尺寸所必需的。然而，它的力矩阻力有限，其性能類似于弱半剛性連接。這導(dǎo)致整個建筑的框架作用和側(cè)向阻力較弱。因此，這種連接方式不適合高層建筑。

Chen 等人提出了一種帶有剪力塊和預(yù)應(yīng)力筋的拉桿連接。對于角接頭 – J1（參見圖19）與鋼管混凝土柱如圖所示圖20。在這方面，需要將帶有加強筋和用于預(yù)應(yīng)力筋和插桿的孔的密封板焊接到場外的模塊柱上?，F(xiàn)場安裝時，將上層模塊提升到下層模塊上方（圖20b) 然后將插桿和筋對準(zhǔn)并插入相應(yīng)的孔中。然后將剪切塊插入封閉的孔中（圖20a) 在掉落上層模塊之前抵抗剪切力。然后將鋼筋束拉伸至設(shè)計的應(yīng)力水平，然后將填充混凝土澆注到空心鋼柱中。采用插桿是為了防止混凝土破碎并增加連接的延展性。實驗（圖20c）和數(shù)值研究表明，預(yù)應(yīng)力連接可以提供足夠的強度和延性要求，而不會出現(xiàn)太多結(jié)構(gòu)失效[101, 102]，但它在提供下部和上部模塊之間的旋轉(zhuǎn)剛度方面較弱，并且連接部分在橫向彎曲下分離.

為了水平連接相鄰模塊，Liew 等人建議使用角撐板，如圖所示圖 21。對于該角撐板，周邊接縫 – J2 和內(nèi)部接縫 – J3（參見圖19）可以輕松連接。角撐板的設(shè)計目的是將側(cè)向力傳遞到側(cè)向抵抗系統(tǒng)，例如墻芯或支撐框架。此外，角撐板連同剪力鍵和底板（異地焊接到立柱端部）將有助于定位和對齊上部模塊和相鄰模塊的立柱。用于下部和上部模塊之間的垂直捆扎的鋼筋將通過緊固的耦合器鎖定到基板上，并且可以通過鋼筋接頭延伸。

Sanches 等人還提出了一種不同版本的拉桿連接。以及 Sanches 和 Mercan 通過使用放置在兩個模塊之間的鋼箱，如圖所示圖 22.頂部和底部具有傾斜側(cè)面的鋼箱還可以充當(dāng)?shù)装搴涂辜翩I，提供抗剪力以及對齊下部和上部模塊的立柱。另外，鋼箱還通過空心鋼柱內(nèi)表面與鋼箱的接觸提供抗拉力。垂直連接由錨定在端板上的螺紋桿提供，該螺紋桿在柱端部進(jìn)行異地焊接。還對連接的抗震性能和側(cè)向阻力進(jìn)行了實驗研究。結(jié)論是，與焊接連接相比，所提出的拉桿連接具有相似的橫向剛度和更高的能量耗散能力。此外，鋼箱還可以防止所有樣本的局部屈曲。Wang等人最近也采用了這個概念,螺紋桿被安裝的螺栓取代。

與拉桿系統(tǒng)不同，連接器系統(tǒng)的安裝非常簡單和靈活，因為連接器可以輕松地異地焊接到模塊的梁和柱上，而梁和柱具有不同的橫截面形狀?，F(xiàn)已開發(fā)出各種連接器系統(tǒng)，例如 Vectorbloc、自鎖、旋轉(zhuǎn)和支架連接器。

Vectorbloc連接器：Vectorbloc是一種標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)性、可擴(kuò)展的模塊化連接系統(tǒng)，其開發(fā)是為了促進(jìn)具有空心鋼型材（HSS）構(gòu)件的模塊化建筑的高效設(shè)計和組裝。在該系統(tǒng)中，模塊化建筑的水平和垂直模塊通過角撐板和創(chuàng)新的鑄鋼連接器在其拐角處連接，該連接器在工廠中焊接到模塊的高速鋼構(gòu)件上。VectorBloc 連接器的優(yōu)點在于，它可以更快、更輕松地現(xiàn)場安裝梁到柱和模塊間連接 。VectorBloc連接器的基本組件是上、下塊、定位銷、平頭螺釘（FHCS）、高強度內(nèi)六角螺釘（SHCS）和角撐板，如圖所示圖24。

上下模塊之間采用節(jié)點板建立相鄰模塊之間的水平連接。角撐板的形狀取決于接頭配置（例如，拐角、周邊和內(nèi)部接頭）。上塊和下塊異地焊接到 HSS 柱、天花板梁和地板梁上。當(dāng)組件在現(xiàn)場堆疊時，角撐板通過 FHCS 連接到上塊，如圖所示圖24。然后使用定位銷將上部模塊定位在下部模塊之上。

Dhanapal 等人最近檢查了 VectorBloc 連接系統(tǒng)在軸向拉伸和壓縮下的結(jié)構(gòu)性能。如圖所示圖 25。結(jié)果表明 VectorBloc 連接器能夠令人滿意地承受設(shè)計軸向載荷 。受壓連接的破壞模式是延性的，但受拉破壞模式是脆性的，因為SHCS突然破裂。因此，需要改進(jìn)這種連接的設(shè)計，以確保在拉力作用下的延性破壞。

自鎖連接器：Dai 等人最近開發(fā)了一種用于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑模塊間連接的自鎖連接器，如圖所示圖26。由于該連接器通過摩擦自鎖機構(gòu)確保上下模塊之間的垂直連接，因此不需要像 Vectorbloc 連接器那樣使用螺栓系統(tǒng)。因此，它可以快速、輕松地安裝。但沒有考慮相鄰模塊之間的橫向連接，這種連接器僅適用于角接。在自鎖連接器系統(tǒng)中，接頭盒需要異地焊接到模塊的梁和角柱上。然后，將螺柱異地焊接到接頭盒的頂表面，以用于對齊和垂直輪胎的目的?，F(xiàn)場安裝時，將上層模塊吊裝到立柱上方，并通過立柱調(diào)整其位置與下層模塊對齊。一旦上模塊與下模塊正確定位后，將其放下，以便螺柱可以插入上模塊接線盒的裝配孔中以形成連接。

Dai等人對連接器在循環(huán)載荷作用下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了實驗測試。接縫樣本代表一棟 19 層模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的角接縫。結(jié)果表明，連接器工作可靠，失效前無滑動現(xiàn)象。失效模式是梁根部的斷裂或屈曲。該接頭表現(xiàn)出優(yōu)異的抗震性能以及良好的延展性和能量吸收能力。根據(jù)歐洲規(guī)范 3 分類，接頭剛度約為剛性接頭極限的 80%。

旋轉(zhuǎn)連接器：這種連接技術(shù)應(yīng)用于中國的模塊化宿舍樓，如圖所示圖27A。在此連接中，模塊的梁和柱將異地焊接到角配件上，類似于自鎖連接器系統(tǒng)的接頭盒?，F(xiàn)場安裝時，上部模塊被提升到下部模塊上方。然后，將旋轉(zhuǎn)連接器插入下部模塊的角配件中。一旦上部模塊與下部模塊正確對齊，它們將通過旋轉(zhuǎn)連接器連接。為了安裝目的，還在角配件的兩側(cè)創(chuàng)建了檢修孔（參見圖27b).旋轉(zhuǎn)連接器用于垂直連接下部和上部模塊。然而，相鄰模塊之間的橫向連接也不容忽視。因此，這種連接技術(shù)適用于低層和中層模塊化建筑的角部和周邊連接。Chen 等人對旋轉(zhuǎn)連接器系統(tǒng)的行為進(jìn)行了實驗測試。如圖所示圖27C。結(jié)果表明，局部屈曲是主導(dǎo)失效模式，發(fā)生在下模塊角配件頂板處，連接的旋轉(zhuǎn)剛度與半剛性連接相當(dāng)。

支架連接件：支架連接件在國內(nèi)使用，Doh等人對其在剪力、拉力和聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了實驗測試。如圖所示圖28。在此連接中，相鄰模塊之間的水平連接以及上下模塊之間的豎直連接是通過螺栓連接實現(xiàn)的。如圖所示圖28立方體支架連接件由鋼板組成，鋼板上有用于螺栓安裝的開孔。測試結(jié)果表明，連接器的失效模式是由螺栓撬動引起的。

螺栓連接因其快速簡便的安裝和更好的質(zhì)量控制而被認(rèn)為是現(xiàn)場焊接方法的替代解決方案。已經(jīng)開發(fā)了多種螺栓連接技術(shù)用于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的模塊間連接。Lacey 等人對模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的模塊間螺栓連接進(jìn)行了審查。研究用于估計軸向拉力、剪切力、彎矩和聯(lián)合作用下模塊間螺栓連接剛度的分析模型。

與插件裝置的螺栓連接：圖29a 說明了與 Chen 等人開發(fā)的插件設(shè)備的螺栓連接。用于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的模塊間連接。在此連接中，采用高強度螺栓系統(tǒng)建立上下模塊之間的垂直連接，同時采用鑄造插件裝置建立相鄰模塊之間的水平連接。高速鋼地板梁和天花板梁也將通過異地焊接蓋板和中間板進(jìn)行加固（參見圖29）以防止 SHS 梁在螺栓拉力作用下發(fā)生局部屈曲。澆注插件裝置有四根方管，水平連接模塊化建筑內(nèi)部接縫的四個相鄰模塊?，F(xiàn)場安裝時，將上部模塊的立柱插入插件裝置中進(jìn)行對齊。然后，安裝長拉桿螺栓，將下模塊的天花板梁與上模塊的地板梁垂直連接。Chen 等人對連接的地震行為進(jìn)行了實驗和數(shù)值研究。用于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的角接縫和周邊接縫。結(jié)果表明，盡管斷裂是其主導(dǎo)失效模式，但所有連接試件均具有合理的能量耗散能力、屈服后變形能力和連接延性。此外，連接剛度也很明顯，需要在設(shè)計時予以考慮。

與焊接蓋板的螺栓連接：Deng 等人開發(fā)了一種新的螺栓連接技術(shù)，用于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的模塊間連接，使用焊接蓋板作為節(jié)點板，如圖所示圖30A。在這種連接中，十字形節(jié)點板用于通過螺栓連接垂直和水平連接模塊。為了為螺栓安裝創(chuàng)造空間，將通過切割柱側(cè)壁來創(chuàng)建檢修口。為了將節(jié)點板與模塊立柱用螺栓固定，還需將立柱蓋板焊接到上立柱的底部和下立柱的頂部，如圖所示圖30a，這個焊接是在工廠里完成的。現(xiàn)場安裝時，首先將節(jié)點板插入兩個下部模塊之間的間隙中。然后將兩個上部模塊提升到角撐板上。一旦上部和下部模塊正確對齊，它們將通過檢修口垂直和水平地用螺栓固定到角撐板上。最后，現(xiàn)場將蓋板焊接到立柱上以替換切割部分。Deng 等人還對靜態(tài)和循環(huán)載荷下的連接行為進(jìn)行了實驗研究。對于角接頭 (圖30b) 和周邊接縫（圖30c) 模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑。結(jié)果表明，這種連接技術(shù)可以提供令人滿意的連接延展性，但其強度和剛度受到限制，因此可以歸類為半剛性連接。由于這種連接技術(shù)不需要現(xiàn)場焊接，不適合模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的模塊間連接，因為它需要高技能的勞動力和工作空間。

帶連接板的螺栓連接：這種類型的連接最近由 Cho 等人開發(fā)。用于模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑的周邊接縫。如圖所示圖31a、外部連接板用于通過普通螺栓和盲螺栓系統(tǒng)垂直和水平連接模塊。由于盲螺栓可以從空心型材的外部安裝，因此它將用于與空心型材柱連接的區(qū)域。相比之下，普通螺栓將用于與C形梁連接的區(qū)域。實驗研究表明，當(dāng)承受循環(huán)載荷時，盲螺栓不會在模塊結(jié)構(gòu)部件之前失效。Lee 等人也開發(fā)了這種連接的類似版本。用空心截面柱和C形梁連接模塊。不同類型的連接板用于適應(yīng)不同的接頭配置，如圖所示圖31b.然而，像 Cho 等人的情況一樣，沒有考慮下部模塊和上部模塊的柱之間的垂直連接。實驗和數(shù)值結(jié)果表明，這種連接可以歸類為剛性連接，其失效模式是由于C形梁的局部屈曲造成的。

與延伸端板的螺栓連接：在這種連接中，延伸端板將異地焊接到模塊的柱端。然后，該組件將在現(xiàn)場使用螺栓連接技術(shù)進(jìn)行連接。對于預(yù)制高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，已經(jīng)提出了不同版本的螺栓端板連接。例如，劉等人。提出了一種螺栓端板連接方式來連接多層鋼結(jié)構(gòu)建筑的預(yù)制柱和梁，如圖所示圖32A。就此而言，預(yù)制梁需要在工廠內(nèi)焊接垂直連接板和柱座。實驗和數(shù)值結(jié)果表明，該連接在能量吸收能力、延性和承載能力方面表現(xiàn)出非常好的抗震性能。失效模式是由于場外焊縫斷裂而不是螺栓頸縮造成的。

Naserabad 等人還對連接類型進(jìn)行了數(shù)值評估。Torbaghan、Gunawardena 和 Lacey 等檢查了相鄰模塊柱之間螺栓端板連接的剪切行為，如圖所示圖32樂隊圖32分別為c。Sendanayake 等人也對這種連接的抗震性能進(jìn)行了數(shù)值檢驗。萊西等人。增加了一個互鎖銷和一個水平連接板P2（參見圖32c) 提高剪切剛度和抗剪強度?；ユi銷也用于對準(zhǔn)目的。Sharafi 等人提出了使用聯(lián)鎖系統(tǒng)的想法，提高多層模塊化建筑的完整性。Liu 等人還研究了組合作用下螺栓端板柱與柱連接的行為，用于組合彎矩和剪切力以及組合彎矩、剪切力和軸向壓縮 。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺栓端板連接受到彎矩、剪切力和軸向壓縮的綜合作用時，拉伸區(qū)域的螺栓會受到顯著程度的撬動。

5.模塊化建筑的漸進(jìn)式倒塌和結(jié)構(gòu)堅固性

當(dāng)垂直承重構(gòu)件失效時，建筑物會逐漸倒塌, 由于火災(zāi)、爆炸和撞擊等極端事件，（最初是局部損壞，最終波及整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)）。為了避免漸進(jìn)式倒塌，結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計為具有足夠的完整性或堅固性，其定義為通過強度、連續(xù)性和延展性開發(fā)替代載荷路徑 (ALP) 來抵抗?jié)u進(jìn)式倒塌的能力。1968年Ronan Point倒塌后，人們對傳統(tǒng)現(xiàn)場建筑的漸進(jìn)式倒塌和結(jié)構(gòu)堅固性進(jìn)行了廣泛的研究，并提出了建筑物結(jié)構(gòu)堅固性的規(guī)范規(guī)定。對傳統(tǒng)建筑漸進(jìn)式倒塌的研究和實踐的全面回顧，以及國際規(guī)范中穩(wěn)健性條款的制定，可以在參考文獻(xiàn)中找到。然而，由于其復(fù)雜的行為，對模塊化建筑的漸進(jìn)倒塌和堅固性的研究非常有限。

建筑物抵抗連續(xù)倒塌的堅固性可以使用四種基本方法來設(shè)計：（i）束縛力規(guī)定規(guī)則；(ii) 替代負(fù)載路徑（ALP）方法；(iii) 關(guān)鍵要素設(shè)計方法；(iv) 基于風(fēng)險的方法。系緊力規(guī)定規(guī)則是一種間接設(shè)計方法，因為它通過規(guī)定強度、連續(xù)性和延展性方面的最小系緊力要求，隱含地考慮了抗連續(xù)倒塌的能力。對于漸進(jìn)性倒塌風(fēng)險較低的結(jié)構(gòu)，許多規(guī)范都廣泛推薦這種方法。ALP 方法是確定性和直接的方法，因為它們通過基于概念構(gòu)件去除概念的結(jié)構(gòu)分析來明確考慮魯棒性，并評估結(jié)構(gòu)從局部受損區(qū)域重新分配額外載荷的能力。因此，它們是最廣泛使用的，并且?guī)缀醣辉O(shè)計規(guī)范所接受。關(guān)鍵元件法也稱為增強局部阻力法，是一種直接設(shè)計方法，其中關(guān)鍵元件（其失效可能引發(fā)漸進(jìn)性倒塌的構(gòu)件）被設(shè)計為抵抗意外荷載以避免局部失效。一些規(guī)范使用 34 kN/m2（相當(dāng)于 5 psi）的名義載荷，這是根據(jù) Ronan Point 氣體爆炸估算的壓力，來代表各種極端事件 。然而，這對于輕鋼模塊化建筑來說就成了問題，因為它們無法抵抗如此高的爆炸壓力為 34 kN/m2。基于風(fēng)險的方法是一種間接方法，通過為每個風(fēng)險類別推薦的建筑分類和設(shè)計方法來隱式考慮倒塌風(fēng)險。關(guān)于這些方法的進(jìn)一步討論可以在參考文獻(xiàn)中找到。

在ALP方法中，接受不同層次的分析，包括線性靜態(tài)分析、非線性靜態(tài)（下推）分析和非線性動態(tài)分析。小于 2.0 的動態(tài)載荷系數(shù)乘以靜態(tài)分析所用的載荷，以考慮由于突然拆除名義承重構(gòu)件而產(chǎn)生的動態(tài)效應(yīng)。線性靜態(tài)分析是最簡單的，它忽略所有非線性源。因此，它給出了高度保守的結(jié)果。相比之下，非線性靜態(tài)分析或高級分析可以提供更準(zhǔn)確的結(jié)果，因為它考慮了幾何和材料非線性，以及由于突然移除關(guān)鍵構(gòu)件而導(dǎo)致的載荷分布機制。該方法也稱為下推分析，因為它涉及由于突然移除柱而導(dǎo)致重力載荷的增加[138]。非線性動態(tài)分析是最準(zhǔn)確的方法，因為它給出了詳細(xì)的時間歷史響應(yīng)，從中可以直接使用峰值進(jìn)行性能評估。然而，它的計算量太大。

盡管基于 ALP 方法對傳統(tǒng)建筑的漸進(jìn)倒塌和堅固性進(jìn)行了大量研究，但由于模塊之間連接處的不連續(xù)性建模的復(fù)雜性，對模塊化建筑的研究有限 。由于這些連接很弱并且被歸類為半剛性接頭，因此它們的行為對整個模塊化建筑的整體性能具有顯著影響。因此，應(yīng)將它們納入模塊化建筑的分析和設(shè)計中。人們提出了不同的方法來對模塊化建筑的模塊間連接進(jìn)行建模。例如，Annan 和 Annan 等人。在SeismoStruct軟件中開發(fā)了一種由剛性彈性段和銷接頭單元組成的接頭模型，用于鋼的垂直焊接連接

模塊如圖所示圖33A。剛性單元用于表示梁柱接頭的剛性區(qū)域，而銷接頭單元用于捕獲上部模塊和下部模塊的柱之間的獨立旋轉(zhuǎn)。該模型的準(zhǔn)確性也得到了實驗結(jié)果的驗證。Sultana 和 Youssef 對該模型進(jìn)行了修改，用于鋼支撐模塊的垂直螺栓連接，如圖所示圖33b. Fathieh 和 Mercan 采用了類似的技術(shù)，使用 OpenSees 軟件對鋼模塊化建筑的垂直連接進(jìn)行建模，以進(jìn)行抗震評估。Gunawardena 等人還開發(fā)了螺栓和拉桿連接的簡化模型。古納瓦德納等人采用 RUAUMOKO 軟件中的彈簧元件來模擬相鄰模塊之間的橫向連接，而 Chua 等人使用ETABS軟件中的銷元件對上下模塊之間的垂直拉桿連接進(jìn)行建模。最近，單等人。還提出了ETABS中模塊化高層建筑的三種簡化連接模型，包括模塊-模塊、模塊-核心和模塊-裙房連接，如圖所示圖 35。Chua 等人還研究了各種接縫建模技術(shù)對模塊化建筑橫向行為的影響。

Lawson 等人對模塊化建筑的漸進(jìn)倒塌和結(jié)構(gòu)堅固性進(jìn)行了早期研究?；趯嶒灪头治龇椒?。結(jié)果表明，重新分配受損區(qū)域的重力載荷所需的模塊間的束縛力相對較小。因此，ALP方法是評估模塊化建筑穩(wěn)健性的最合適方法，而系結(jié)力法適用于構(gòu)件之間具有多個互連的輕鋼模塊化建筑。Chua 等人最近對鋼模塊化建筑的結(jié)構(gòu)魯棒性進(jìn)行了數(shù)值研究。

羅等人使用與非線性靜態(tài)分析相關(guān)的ALP方法。蔡等人使用 ETABS 模擬了 40 層建筑在柱損失情況下的逐漸倒塌

6.模塊化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計指南

目前模塊化建筑的設(shè)計實踐都是基于傳統(tǒng)建筑的常規(guī)設(shè)計指南，這些指南不適合模塊化建筑，它們具有不同的特點。例如，模塊化單元的制造和組裝過程會產(chǎn)生短期載荷，這可能會影響載荷傳遞機制。此外，由于安裝公差，模塊化建筑的初始偏心率如圖所示圖37，這些對于建筑物的整體性能非常重要，與傳統(tǒng)建筑不同。

因此，人們付出了巨大的努力來制定基于傳統(tǒng)規(guī)范的模塊化建筑的設(shè)計指南。其中值得注意的是由 Lawson 等人開發(fā)的設(shè)計指南。以英國和歐洲規(guī)范以及Murray-Parkes等人開發(fā)的設(shè)計手冊為基礎(chǔ)?；诎拇罄麃喎ㄒ?guī)，模塊化建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計指南應(yīng)考慮施工公差和結(jié)構(gòu)堅固性的影響，以及吊裝和運輸過程中產(chǎn)生的短期載荷。

在目前的實踐中，模塊化構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于極限狀態(tài)設(shè)計原則。根據(jù)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊，模塊化構(gòu)件（例如梁、柱、承重墻和地板）可以使用澳大利亞傳統(tǒng)建筑規(guī)范（例如鋼結(jié)構(gòu) AS 4100）中的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計。構(gòu)件 、AS/NZS 4600 用于冷彎型鋼構(gòu)件  和 AS 3600 用于混凝土構(gòu)件 。然而，在英國和歐洲的實踐中，模塊化構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計基于鋼構(gòu)件的歐洲規(guī)范 3（熱軋鋼 的第 1-1 部分和冷彎型鋼 的第 1-3 部分）和混凝土構(gòu)件的歐洲規(guī)范 2。

為了合理評價色譜柱的穩(wěn)定性，Li等人開發(fā)了分析公式來計算非搖擺和搖擺鋼建筑中柱的有效長度系數(shù) K，并考慮了節(jié)點剛度。數(shù)值結(jié)果表明，假設(shè)的上下模塊之間的銷釘連接并不保守，因此在模塊化建筑的設(shè)計中應(yīng)考慮節(jié)點剛度。Deng 等人還建立了模塊化單元中帶筋連接的鋼管混凝土柱的有效長度系數(shù) K 的方程。

鋼模塊化建筑中使用的模塊間連接通常被歸類為半剛性類型，如圖所示圖38a，它們的行為對整個模塊化建筑的響應(yīng)和側(cè)向阻力有顯著影響。目前鋼結(jié)構(gòu)建筑模塊間連接的設(shè)計實踐是基于歐洲規(guī)范3（第1-8部分）和AISC 360-16給出的規(guī)定。根據(jù)歐洲規(guī)范 3，關(guān)節(jié)的行為由三個參數(shù)表征：(i) 初始旋轉(zhuǎn)剛度 S整數(shù)、(ii) 力矩阻力 M路和 (iii) 旋轉(zhuǎn)能力 fCd，如下所示圖38b.初始剛度和力矩阻力可以使用分量法來預(yù)測，其中整個關(guān)節(jié)將被分解為以彈簧為代表的各個基本組件，具有自己的剛度和強度。一旦獲得了每個單獨部件的剛度和強度，就可以通過在力傳遞機制的基礎(chǔ)上組裝每個部件的貢獻(xiàn)來導(dǎo)出關(guān)節(jié)的初始剛度和力矩阻力。組件法在復(fù)合材料接頭中的應(yīng)用可以在參考文獻(xiàn)中找到。

堅固性是指結(jié)構(gòu)抵抗因火災(zāi)、爆炸和沖擊等極端事件而逐漸倒塌的能力。建筑物的結(jié)構(gòu)堅固性設(shè)計確保建筑物能夠開發(fā)替代載荷路徑，以便在發(fā)生局部故障時重新分配受損區(qū)域的額外載荷。結(jié)構(gòu)堅固性的設(shè)計指南已納入國際規(guī)范。目前實踐中，模塊化建筑的穩(wěn)健性設(shè)計通常采用系結(jié)力法和ALP法。系緊力是一種間接設(shè)計方法，通過規(guī)定最低水平的系緊力要求來隱式考慮穩(wěn)健性，而 ALP 是一種直接方法，通過直接分析構(gòu)件損失下的結(jié)構(gòu)來明確考慮穩(wěn)健性，以評估其重新分配局部損壞載荷的能力地區(qū)。

綁扎力法中，相鄰模塊之間的水平綁扎力和上下模塊之間的垂直綁扎力的最小要求為26%，分別施加到模塊上的總負(fù)載的 40%。這些值是根據(jù) Lawson 和 Richards 對角支撐去除下的鋼模塊進(jìn)行的數(shù)值研究推薦的，考慮了由于墻的隔膜作用而導(dǎo)致的模塊的扭轉(zhuǎn)剛度。在 ALP 方法中，模塊化建筑的結(jié)構(gòu)魯棒性是通過基于場景的方法建立的，其中整個模塊或模塊的一部分（柱、梁或剪力墻）被選擇性地移除。這是輕鋼模塊化建筑穩(wěn)健設(shè)計的最合適方法。劉等人表示按照設(shè)計指南 中的建議刪除整個模塊是不合理的。因此，他們的研究中僅考慮角柱拆除。然而，對于模塊化建筑來說，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高度冗余，拆除單個承重構(gòu)件可能不會導(dǎo)致整個建筑逐漸倒塌。因此，應(yīng)考慮可能對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響的所有可能情況。圖39 說明了整個模塊丟失的兩種極端情況。移除角模塊將導(dǎo)致上面的模塊充當(dāng)懸臂（參見圖39a)，而刪除內(nèi)部模塊將導(dǎo)致上面的模塊跨越受影響的模塊（參見圖39b) 。

與傳統(tǒng)的現(xiàn)場建筑類似，模塊化建筑的結(jié)構(gòu)分析可以使用以下方法進(jìn)行：（i）線彈性分析（最簡單的方法，忽略幾何和材料非線性），（ii）非線性彈性分析（僅考慮幾何非線性） ，（iii）非線性非彈性分析或高級分析（考慮幾何和材料非線性的最準(zhǔn)確方法），以及（iv）非線性時程分析（用于地震設(shè)計），因為連接模塊的結(jié)構(gòu)部件是不連續(xù)的。，模塊間連接的行為應(yīng)包含在模塊化建筑的建模中，以準(zhǔn)確捕獲整個建筑的全局行為，用于對模塊化建筑的模塊間連接進(jìn)行建模的各種簡化技術(shù)，如圖 33-所示。35 可以與梁模型一起使用可用的結(jié)構(gòu)分析軟件，例如 ETABS、SAP2000、RUAUMOKO、SeismoStruct、OpenSees、ABAQUS、LS-DYNA 等。此外，還應(yīng)考慮每個模塊中地板隔板系統(tǒng)的橫向剛度在分析中考慮到準(zhǔn)確預(yù)測整個建筑物的整體搖擺行為。

在非線性分析中，可以使用等效名義水平荷載方法隱式考慮由于結(jié)構(gòu)公差造成的幾何缺陷。對于模塊化建筑，每層的名義水平力至少為作用在每個模塊上的分解重力載荷的 1% 。這個數(shù)字是傳統(tǒng)現(xiàn)場建筑推薦值 0.5% 的兩倍，這表明模塊化建筑允許更高的容差 。然而，1%的值僅適用于12層以下且模塊間剛性連接的模塊化建筑。對于具有抗側(cè)向荷載系統(tǒng)（例如混凝土核心墻）的高層模塊化建筑，由于可以沿著核心墻調(diào)整模塊對齊方式，因此側(cè)向公差將會減小。因此，歐洲規(guī)范 3 建議的名義水平力為 0.5%采用傳統(tǒng)建筑。

7.未來研究的工程挑戰(zhàn)和推薦解決方案

盡管由于重復(fù)模塊數(shù)量的增加，模塊化建筑的優(yōu)勢可以在高層建筑中得到最大化，但目前采用模塊化建筑技術(shù)的成功案例大多僅限于低層建筑。值得注意的是，最近使用鑲板法或體積法建造的模塊化高層建筑[38]中只有不到1%是基于模塊間連接的濕式連接技術(shù)，這需要大量的現(xiàn)場勞動力來鋪設(shè)鋼筋和現(xiàn)場灌漿。因此，模塊化構(gòu)建的速度和效率降低了。此外，技術(shù)復(fù)雜性和設(shè)計實踐規(guī)范的缺乏阻礙了模塊化結(jié)構(gòu)的廣泛采用。因此，未來需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究，開發(fā)下一代模塊化建筑，使模塊化建筑能夠建造得比目前的做法更高、更快、更安全、更高效。作者認(rèn)為未來研究應(yīng)考慮的領(lǐng)域如下所述。

當(dāng)前的模塊化建筑基于鋼或混凝土模塊。然而，鋼和混凝土模塊都有各自的優(yōu)點和缺點。鋼模塊比混凝土模塊輕 20% 至 35% ，但其耐火性、隔音性和隔熱性較低。然而，就施工速度而言，鋼模塊的安裝比混凝土模塊的安裝更快，因為它涉及螺栓連接而不是現(xiàn)場灌漿接頭。由于吊裝重量的限制，混凝土模塊的重量會減少其長度，從而導(dǎo)致模塊和連接的數(shù)量增加。因此，未來的研究應(yīng)集中于開發(fā)一種更堅固、更輕且耐用的新型模塊，從而使模塊化建筑能夠建得更高。

最近，劉等人提出使用復(fù)合模塊，結(jié)合了模塊化高層建筑鋼和混凝土模塊的優(yōu)點。復(fù)合樓板還采用了輕質(zhì)混凝土，以減少吊重并最大化模塊的跨度（根據(jù)初步分析研究，跨度可達(dá) 12 m）。輕質(zhì)復(fù)合樓板系統(tǒng)在預(yù)制樓板系統(tǒng)方面也成功應(yīng)用于倫敦Leadenhall大樓。隨著建筑材料的最新進(jìn)步，高強鋼和高強混凝土可用于減小承受最大重力荷載的高層建筑較低層組合柱的尺寸。

模塊間連接在模塊化建筑中發(fā)揮著重要作用，因為它們確保了整個建筑的結(jié)構(gòu)完整性、整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)堅固性。正如第 4 節(jié)所述，最近為模塊化鋼結(jié)構(gòu)建筑開發(fā)了越來越多的連接技術(shù)。然而，目前的技術(shù)導(dǎo)致強度和剛度有限，可能不適合高層建筑應(yīng)用。此外，它們還需要一定水平的現(xiàn)場勞動力。因此，未來有必要研究開發(fā)智能連接技術(shù)，該技術(shù)不僅適合高層應(yīng)用，而且易于安裝。此外，新的連接技術(shù)應(yīng)該足夠堅固，能夠適用于各種接頭配置和具有復(fù)合材料構(gòu)件的新型模塊。通過這些技術(shù)，模塊化建筑可以建造得更高、更快、更便宜。

模塊化高層建筑的正確建模對于預(yù)測模塊化建筑穩(wěn)健設(shè)計的橫向穩(wěn)定性和漸進(jìn)倒塌至關(guān)重要。當(dāng)前的建模技術(shù)基于商業(yè)化的簡化一維“線”梁單元包。該梁單元僅適用于具有均勻截面（鋼或混凝土）的模塊。對于具有鋼和混凝土復(fù)合截面的新型模塊，應(yīng)使用 3D 實體和殼單元來準(zhǔn)確捕獲復(fù)合材料的非彈性行為。然而，使用 3D 實體單元的計算成本極高，因為它涉及大量單元，尤其是高層建筑。因此，未來的研究應(yīng)該開發(fā)一種強大的計算工具，用于模塊化復(fù)合建筑的高級分析和穩(wěn)健性設(shè)計。計算工具應(yīng)基于具有光纖鉸鏈概念的一維“線”梁單元。因此，它不僅在計算上非常適合結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計辦公室的日常使用，而且在捕獲幾何和材料非線性、鋼材的局部屈曲、混凝土的限制效應(yīng)以及通過纖維實現(xiàn)鋼與混凝土之間的相互作用方面也很準(zhǔn)確概念。因此，使用這種計算工具可以更有效地建造模塊化建筑。

模塊化建筑的可靠設(shè)計方法至關(guān)重要，因為糟糕的設(shè)計會對整體成本產(chǎn)生重大影響。當(dāng)前模塊化建筑的設(shè)計實踐是基于傳統(tǒng)建筑的常規(guī)設(shè)計指南，這是不合適的。例如，模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的規(guī)定可參考Eurocode 3 Part 1-1 和AS 4100 （對于熱軋鋼構(gòu)件）、Eurocode 3 Part 1-3 和 AS 4600 （冷彎型鋼構(gòu)件）、歐洲規(guī)范 2 和 AS 3600（對于混凝土構(gòu)件）歐洲規(guī)范 4 和 AS/NZS 2327 （對于復(fù)合鋼-混凝土構(gòu)件）、歐洲規(guī)范 3（第 1-8 部分）和 AISC 360-16 （針對接頭），以及Eurocode 1 Part 1-7 和 AS/NZS 1170.0 （結(jié)構(gòu)堅固性）。模塊化結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計指南仍然不可用。因此，未來有必要研究制定模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)定。

8.結(jié)  論

與傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工相比，模塊化施工在節(jié)省施工時間、降低成本、更重要的是減輕環(huán)境影響方面具有顯著的優(yōu)勢。模塊化方法具有多種優(yōu)勢，非常適合高層建筑，從而可以塑造建筑行業(yè)的未來。

本文全面回顧了模塊化技術(shù)的最新發(fā)展，重點關(guān)注模塊化建筑的結(jié)構(gòu)方面，包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、模塊間連接、結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計。盡管模塊化建筑在低層建筑中得到廣泛應(yīng)用，但其在高層建筑中的應(yīng)用仍然有限。強調(diào)并討論了阻礙高層建筑模塊化建筑廣泛采用的技術(shù)挑戰(zhàn)。還為未來的研究推薦了一些應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的潛在解決方案，包括：（i）開發(fā)具有更輕、更強結(jié)構(gòu)構(gòu)件的復(fù)合模塊，（ii）開發(fā)具有更高強度和剛度且易于安裝的智能連接技術(shù)，（iii）開發(fā)計算高效的計算機工具，用于模塊化高層建筑的高級分析和日常設(shè)計，以及（iv）開發(fā)設(shè)計指南，以加速模塊化建筑的實際應(yīng)用。通過解決技術(shù)挑戰(zhàn)，模塊化建筑可以使用新的復(fù)合模塊建造得更高，使用智能連接技術(shù)建造得更快（并且更便宜），使用新的設(shè)計規(guī)定更安全，并且使用計算效率高的工具更有效。還要感謝研究人員允許轉(zhuǎn)載本文中的大部分圖表和照片。