模块化结构在高层建筑中的应用外文翻译资料

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模块化结构在高层建筑中的应用

R.马克劳森， M.ASCE ; 雷G.奥格登 ; 和罗里·伯金（Rory Bergin）

摘要

在欧洲，模块化建筑被广泛用于多层住宅建筑。对模块化技术的综述显示了模块化系统中的基本蜂窝模式如何应用于各种建筑形式和高度。对12层，17层和25层模块化建筑的案例研究提供了这些相对较高的建筑的设计和构造信息。案例研究还显示了模块化系统的结构形式如何影响建筑物的建筑设计概念。模块化与钢结构或混凝土框架的结合拓宽了设计的范围，特别是对于混合用途的商业和住宅建筑。基于这些案例研究，对模块化建筑的持续性收益和经济性进行了概述。

介绍

模块化建筑是由房间大小的预制构件组成，这些构件通常在制造过程中就已完全装配好，并作为承重“构件”现场安装。它们的主要优点是：

潜在地，模块化建筑也可以被拆除和重新使用，从而有效地保持其资产价值。模块化建筑当前应用在蜂窝式建筑物中，例如旅馆，学生宿舍，军事住所和社会住房，要求其模块的尺寸与制造和运输相兼容。钢结构协会最近的出版物（Lawson 2007）对当前所有类型的模块化建筑的应用进行了综述。劳森等（2005年）描述了模块、面板和钢框架的混合使用，以创建更具适应性的建筑形式。

钢制模块化结构有两种通用形式，这影响到它们的应用范围和可设计的建筑形式：

图 1带有边界框架的轻型型钢模块

在第一种情况下，墙（通常包括间距为300至600 mm的C型截面轻型型钢）的抗压强度是控制因素。双层墙和地板/天花板的组合增强了建筑系统的隔音效果和耐火能力。

在第二种情况下，角柱的抗压强度是控制因素，并且因为方形空心型钢（SHS）的抗屈服强度高而经常采用。

随着建筑物的规模增大，抵抗水平力（例如风荷载和抵抗意外作用）变得越来越重要。为确保模块化组件具有足够的稳定性（取决于建筑物高度）而采取的策略是：

模块化构件在其角处固定在一起，共同作用以传递风荷载，并能在一个模块严重损坏的情况下提供替代的荷载传递路径。对于较高的建筑物，有关抗压性和整体稳定性的问题需要对承重墙中的C型截面轻型型钢的性能，以及构件之间连接的可靠性方面有更深入的了解。

高层住宅建筑中的模块化建筑

模块的空间安排

采用模块化结构进行设计并不会阻碍创造力。模块化房间或成对房间或房间和走廊模块可用于创建各种公寓类型。可以将这些类型组合在一起，以构建形式丰富的建筑物。高层建筑的属性使得模块围绕在核心区或稳定系统周围。设计团队必须在早期阶段就充分了解所选模块化系统的特殊功能，以使具体设计符合特定系统的限制。

典型模块的宽度（内部尺寸）为3.3 m（11英尺）至3.6 m（14英尺），长度为6 m（20英尺）至9 m（30英尺）。一个模块为25至35 米，235m²（270至375 英尺thinsp;，2375ft²），通常用于一居室公寓。两个模块通常适用于两居室公寓（带一间卧室），而三个或四个模块则适用于家庭规模的公寓（Lifetime Homes 2010）。不论何时，厨房和浴室都布置在走廊或其他可及的空间旁边，从而可以相对轻松地进行服务和维护。

对于带有承重墙的模块，即便可以根据载荷的不同，创建宽度最大为2.5 m的开口，模块的侧墙也应垂直穿过建筑物。对于带有角柱的模块，墙壁不承重，但角柱必须对齐并在整个建筑物高度内连接。长模块中可能需要附加中间柱，以使边梁不会过深。

高层模块化建筑的设计在很大程度上受到结构，防火和服务要求的影响。从建筑布局的角度来看，对于稳定混凝土核心周围的模块空间关系，可以考虑两个通用的平面图：

图 2集中在核心周围的房间平面布置形式

图 3模块的典型走廊组织形式

添加外部阳台系统，可创建一层提供私人空间和建筑趣味的外部特征。阳台可以固定在模块的角柱上，也可以接地。可通过将两端的墙置于模块内部来建造模块内的整体阳台。

可采用以模块化形式设计建筑物的更高服务性和更昂贵的部分，以及将其作为钢或混凝土常规框架结构的一部分开放式空间的方式，来实现模块化建筑的最佳用途。这需要仔细考虑建筑物的建筑和空间规划。

高层模块化建筑的结构作用

模块化构件的结构行为很复杂，因为安装过程中的误差、模块之间的多个相互连接以及将力传递到稳定元件的方式（例如垂直支撑或核心墙）的影响。高层模块化建筑设计中要考虑的关键因素是：

在带有承重墙的模块化系统中，轴向载荷直接由墙对墙传递，考虑到模块制造和安装过程中的误差，这会导致力矩的增加，并加剧墙基础底部的局部应力。

两层石膏板或其他类似的板用螺钉固定在墙的内表面上，间距不超过300 mm。水泥碎料板（CPB）或定向刨花板（OSB）通常附着在模块墙体的外部。在生产中，可以通过气动销钉来固定板，而气动销钉可以通过胶合接头来增强。这些板可限制C型截面轻型型钢在墙平面内的弯曲。

从较低水平破坏到严重损坏，模块组件抵抗载荷的能力取决于模块构件端部的约束力的发展。通常将这种所谓的意外极限状态下的荷载，处理为自重加上该荷载的三分之一，这反映了在这种罕见事件中各层的平均荷载。为了在意外损坏其中一个模块的情况下满足“稳定性”，可以基于简化模型建立相邻模块之间的约束力，在该简化模型中，模块从相邻模块中悬挂下来。出于设计目的，建议（Lawson等，2008）模块之间任何连接处的最小水平力应不小于作用在模块上的总荷载的30％，并且应不小于30 kN（3吨）。

耐火和隔音

在大多数欧洲国家/地区，高度超过28层（通常为10层）的住宅建筑物要求120分钟的耐火性能，在某些国家/地区还要求配备洒水器。模块化结构的耐火性能源自四个重要方面：

通常，模块的墙体和天花板的内表面设有两个15毫米（0.6英寸）厚的石膏板层（至少一层是使用蛭石和玻璃纤维制成的耐火石膏板）。在C形截面型钢之间放置矿棉（声学目的也需要）。地板和天花板以及承重轻型型钢墙的组合通常可达到120分钟的耐火性能，具体取决于模块外部使用的护套板。

模块组合的双层墙和地板天花板还具有出色的抵抗空气传播和撞击声的能力，尤其是在使用外部护套板作为补充时。跨越墙体或边梁的薄混凝土楼板（或者是放置在轻钢地板上的混凝土楼板或作为复合板）找平，可以实现额外的降噪和增大楼板刚度以最大程度减少振动。

以混凝土核心达到稳定的模块的案例研究-西伦敦百利宫（Paragon）

对于高层建筑，这些模块通常设计为仅抵抗垂直荷载，包括覆层和走廊荷载，而水平荷载则传递到混凝土核心。在群集布置中，将模块直接连接到核心区，通常将扎带连接到核芯中的铸件板上。在走廊布置中，水平载荷通过走廊中的平面支撑传递，并再次连接到核心区。因此，外部模块与核心区的距离受到由走廊传递的剪切力或出于疏散目的的行进距离的限制。

这一概念已在伦敦西部的一个名为Paragon的大型项目中使用，如图4所示 （Cartz和Crosby 2007）。使用带有承重角柱的模块建造了一系列11到17层的建筑。L形建筑物的平面图如图5所示 。这些模块还具有整体走廊，其中每个模块都包含一半的走廊。因此，角柱位于模块末端的内侧，并且通过模块的刚性边缘梁将地板支撑在走廊中。

图 4混凝土核心稳定体系的17层模块化建筑

图 5图4中模块化建筑平面中角柱的位置

这个工程总共由827个模块组合构成，这些模块组合包含600套学生用房、114套工作室和44个一居室以及63个两居室核心员工公寓。这个17层建筑由412个模块组合构成。这些模块组合都是2.8m到4.2m宽，这是英国高速公路的最大运输尺寸。在楼板层，边梁采用200 times; 90（8times;3.5英寸）的翼缘平行通道（PFC），在天花板层采用140times;70（5.5times;2.7英寸）的翼缘平行通道，来设计跨度最大6m（20英尺）的部分开敞的模块组合。用2个或3个模块组合来建造一居室或两居室的公寓，其每一间都有35到55m²的建筑面积。图6所示平面图 ，该图表明使用角落支撑模块可能在房间布局中产生的多种变化。

图 6模块化学生宿舍，位于布里斯托尔邦德街

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