新加坡国立大学建筑系_新加坡国立大学建筑系馆

在新加坡，预制和预装配技术在高层住宅和商业项目中得到了广泛应用，实施率约达90%。该技术主要围绕梁、柱、墙面、楼板等二维构件，以及浴室单元和阳台等特定模块。近些年，新加坡建设局强调了面向制造与装配（DfMA）设计方法的重要性，将其视为提高建筑生产力、推动行业向制造模式转型的关键策略，鼓励从业者采用预制预装修整体式建筑（PPVC），不断创新和完善设计、制造及安装流程，简化工厂化施工和现场安装作业。

起初，由于钢模块化建筑重量轻，在机电和管道（MEP）楼层布局方面具有灵活性，因而受到青睐。然而，如今混凝土模块化建筑的占比明显增加，这得益于其在耐久性、防火性和防水性上的优势。这种转变还受到多种因素的影响，如住宅建筑对较短梁跨度、更高防火性、耐久性和免维护的需求，这些特性与混凝土的性能更为契合。

如图所示，新加坡主要模块化建筑项目的时间线体现出显著的发展历程。

模块化建筑应用的持续变化凸显了了解钢和混凝土使用差异的重要性，这对塑造高层建设的未来发展具有重要意义。

新加坡国立大学J.Y. Richard Liew和马来西亚莫纳什大学Y.S. Chua探索总结了模块化建筑的发展成果，重点关注钢和混凝土模块化体系，以及创新的轻质钢 - 混凝土组合方法。还提供了未来的研究方向，以实现制造和安装过程的自动化，进一步提高模块化建筑的生产力。

J.Y. Richard Liew是新加坡研究模块化建筑较早且成果较多的专家学者，我们还介绍过他的其它研究成果如：笔记《高层模块化建筑结构的创新》，笔记《高层模块化建筑结构的稳定性分析》，笔记《高层模块化建筑结构的稳定性分析》，笔记《有关PPVC的国际会议及论文1》

常见的模块系统

常见的模块化系统有承重墙模块（常用于混凝土建筑，由混凝土墙抵抗重力和侧向荷载）和角支撑模块（多为钢结构，重力荷载通过楼板、边梁、角柱传递至基础）。

混凝土模块因耐久性好、维护成本低、防火性能佳、检查成本低等优势，在住宅建筑中备受青睐；但重量较大，一般在 20 - 35 吨。钢模块重量轻（约 15 - 20 吨），尺寸更大、梁跨度更长（6 - 12 米），安装时多使用螺栓和板材连接，速度较快；不过需要额外的防腐和防火处理，适用于对空间要求较高的商业、办公等建筑。

统一钢结构角支撑模块柱子尺寸的方法

钢柱常采用不同尺寸和壁厚的空心截面，为解决不同高度处模块连接问题，可使用钢 - 混凝土组合柱（如方钢管混凝土柱），在保证柱尺寸一致的同时提高承载能力，还能降低高层部分钢柱的钢材等级，简化连接。

采用薄楼板系统减少楼层高度（双楼板问题）：

模块化建筑设计中，减少楼层高度至关重要。与传统建筑不同，模块化结构由垂直堆叠的独立单元构成，导致上下层间梁数量增多、结构深度加大，影响净空高度。采用薄楼板系统，将楼板集成于梁深度内，可降低整体结构深度，增加净空。例如，通过在钢梁底部焊接底板支撑楼板，或采用组合下挂梁（钢梁旋转 90 度安装，利用栓钉保证梁与板的抗剪连接）等方式实现。研究对比了非组合薄楼板梁和下挂组合梁系统，发现下挂组合梁在不同荷载和模块长度下，结构深度和用钢量更低。

实现更长跨度和更轻重量的模块：

作者提出的组合薄楼板模块化单元可实现12米的梁跨度，减少模块和连接数量，提供更大的开放空间和布局灵活性。但长跨度和增加的楼板重量会带来梁挠度和振动问题。以工业建筑为例，12米跨度、7.5kN/m2荷载下，非组合薄楼板设计需350mm结构深度，而纯钢模块化设计需 500mm，组合下挂梁系统更适合长跨度，能优化用钢量并保持更多净空。尽管长跨度设计会增加梁重量，但该模块化设计仍适用于多种建筑类型。

钢纤维增强混凝土楼板模块：

混凝土楼板在模块化建筑施工中占时较长且增加模块自重。由于模块运输宽度限制，楼板有效跨度约3米，一般单向板即可满足设计要求，高荷载时可设中间梁形成双向板。钢纤维增强混凝土（SFRC）楼板适用于模块化建筑，通过对其结构性能的试验研究（包括裂缝模式、破坏模式、混凝土剥落现象、变形能力、承载能力和防火时间等），并与传统钢筋混凝土楼板对比，发现 SFRC 楼板能满足模块化建筑的承载和防火要求，且可减少工厂生产时间。

不同类型模块（钢模块和混凝土模块）之间的连接方式、特点、存在的问题以及相应的研究成果。

Corner-supported modules 和 load-bearing wall modules 的连接差异：角支撑模块和承重墙模块有不同的模块间连接方法。角支撑模块在上、下模块间的垂直方向以及与相邻模块的水平方向均有连接，其连接节点分为角节点、周边节点和内部节点，内部节点构造复杂。

钢模块间的连接

现有连接方式及问题：角支撑钢模块不同节点的连接细节不同，现有连接方式如梁 - 梁连接和柱 - 柱连接存在诸多问题。梁 - 梁连接通过焊接或螺栓连接上下模块的梁，但存在现场焊接效率低、连接部件和螺栓多、安装困难、对内部装修有损坏风险、螺栓易腐蚀等问题。柱 - 柱连接使用长杆和后张钢绞线等方式，安装难度大且转动刚度弱 。

新型连接方式探索：近年来研究人员提出了多种新型连接方式，如自锁定模块间连接，操作简单、无需现场焊接，但目前仅适用于钢模块化建筑。（参考：钢结构模块连接技术哪家强？）

模块的灌浆套筒连接：灌浆套筒连接是作者提出的一种节点，可从模块外部连接钢和钢 - 混凝土组合模块，避免现场繁琐的螺栓安装，且允许较大公差。它分为剪力键型灌浆套筒连接（SK - GSC）和槽孔型灌浆套筒连接（SH - GSC），通过实验和数值研究评估其性能，并给出了设计指南。

混凝土模块间的连接：

混凝土承重墙模块需连接相邻墙体以形成能抵抗各种荷载的整体结构。连接过程包括在预制墙中嵌入互锁部件，插入销钉并灌浆。连接过程涉及多种类型的连接器，如标准钢丝环连接器、C 型槽连接器、带端钩的弯曲钢筋和 U 型钢丝网等，不同连接器需进行结构性能测试，结构性能受垂直销钉数量、锁定连接器数量和粘结强度等因素影响。

模块化建筑中的公差与缺陷问题，其产生原因、影响及相应应对建议

公差与缺陷的产生：在模块化建筑中，预制过程易引入几何和定位公差。无论是混凝土还是钢模块，在工厂制造时，由于自动化技术前期投资大、熟练工人短缺，常依赖手工劳动。模块先进行部件制造再组装，这一过程会导致垂直度和水平度出现偏差，例如模块连接处表面不平整。

公差与缺陷的影响：这些公差会使模块内结构部件承受额外偏心荷载，影响建筑整体的完整性和性能。表面不平整会引发防水性问题和使用功能方面的担忧。

公差标准及建议：文章分别给出了混凝土模块和钢模块的制造公差建议。混凝土模块的公差标准涵盖垂直铅垂度、角方正度、横截面尺寸以及门窗开口等方面；钢模块也有相应的垂直度、宽度和长度的公差要求 。对于现场模块定位，由于缺乏精确放置的自动化技术，会出现垂直和水平定位误差。研究建议10层模块化建筑每层的公差约为h/500（h 为层高），该值高于传统建筑。同时，相对于地面基准，最大水平公差不应超过H/500< 80mm（H 为建筑高度），最大垂直公差不应超过 L/500<15mm（L为模块长度）。在建造钢筋混凝土核心墙或其他支撑结构时，也需遵循类似精度要求，以避免模块间出现不可接受的缝隙，防止现场安装出现严重问题。

模块尺寸和重量限制、运输和吊装过程中的影响以及应对措施。

运输和吊装对模块设计的约束：模块化建筑的模块尺寸和重量受到运输和吊装条件的严格限制，这些限制由交通法规和塔式起重机的吊装能力决定。在新加坡这样的城市环境中，为确保运输安全，模块宽度不得超过 3.4 米，长度不超过 12 米，从路面到模块顶部的最大高度为 4.5 米，以避免与天桥等障碍物碰撞。

运输过程中的问题：道路运输过程中的振动可能会损坏模块的非结构部件，如隔断和内部装修，影响模块的长期耐久性。同时，运输过程中模块在拖车上的颠簸会产生额外的动态力，这种力可能带来危险，在模块设计时需要加以考虑。

吊装能力与成本：塔式起重机的吊装能力对模块化建筑施工成本影响较大。通常，吊装能力小于 20 吨的塔式起重机在建筑施工中较为常用，如果施工所需的吊装能力超过 20 吨，塔式起重机的成本可能会大幅增加，最高可达 60%。不过，由于新加坡有更高吊装能力（高达 50 吨）的塔式起重机，这在一定程度上缓解了成本压力。对于内部装修好的混凝土模块，可能需要高吊装能力的塔式起重机。随着建筑高度增加，塔式起重机常需由钢筋混凝土核心墙支撑，以提供侧向稳定性。

吊装和运输的应对措施：在模块吊装和安装过程中，会使用带有支撑和链条的吊装框架来稳定模块，减少对天花板梁的额外水平力。同时，塔式起重机需要锚固在建筑物上，以确保高层模块化建筑施工过程中的侧向稳定性。为应对运输和吊装的限制，作者提出了一种轻质长跨度组合模块化系统，该系统作为角支撑模块化系统，可提供更大的内部空间和更灵活的楼层布局。此外，研究人员还倡导在楼板中使用轻质纤维增强混凝土，这有可能使模块重量降低 40%。轻质骨料混凝土楼板不仅成本效益高，还具有更好的隔热和防火性能。由纤维增强砂浆制成的超轻质隔断和天花板面板，也可集成到模块化系统中，在不影响结构完整性的同时，提供有效的隔音和隔热效果。

高层模块化建筑结构建模和整体稳定性分析

结构建模的重要性及简化处理：精确模拟高层模块化建筑的结构，对于分析其在各种荷载（如事故、地震作用等极端情况）下的整体摇摆行为和确保稳定性至关重要。由于使用先进有限元软件模拟模块间连接的微观行为复杂且成本高，在设计和分析时，这些连接通常被简化为铰接、半刚性或刚性连接。

不同简化模型的应用及问题：常用的简化节点模型为构件提供不同的约束选项。虽然有建议对使用垂直后张拉杆连接的柱子采用完全连续连接，但在非地震区，为确保设计保守，铰接连接更常被推荐。然而，许多模块间连接的实际行为是半刚性的，在整体分析中忽略这种半刚性影响并不总是安全的。并且，假设铰接节点可能导致确定有效柱长时出现不准确结果，在无支撑框架中可能高估柱子承载能力，但在有支撑框架中可能是保守假设。不过有研究表明，对于有钢筋混凝土核心墙抵抗侧向荷载的有支撑模块化建筑，假设铰接节点是足够的。同时，像模块与钢筋混凝土核心墙之间的连接等抗震收集器的设计也很关键，其承受的最大力受核心墙强度和地震强度影响。

考虑连接特性的建模方法：模块内和模块间连接的相对刚度会影响连接变形、承载能力和破坏模式。为描述典型模块间连接的力学行为，提出了平移弹簧模型，便于将其纳入模块化建筑的整体模型以分析静态侧向荷载作用下的性能。研究还发现，在静态风荷载下，将模块在角落连接而非连接相邻梁或板，并将其模拟为半刚性楼板在整体分析中是可行的。

考虑误差的建模及整体稳定性设计：随着高层建筑中堆叠模块数量增加，连续模块放置的累积公差误差可能增大，因此在安装过程中允许在一定公差范围内进行对齐调整的模块间连接设计更为有效。对于多层模块化建筑，建议考虑 1.0% 设计重力荷载的等效水平力（EHF）来考虑垂直模块堆叠过程中的几何和位置误差，模块间连接设计为完全刚性。在更高的建筑中，需要纳入如核心墙或支撑框架的侧向力抵抗系统（LFRS），按照EN1993-1-1 标准，使用 0.5% 的 EHF，并结合核心墙实现现场可调节性。

其他影响整体稳定性的因素：由于模块间结构部件的不连续性，将柱-柱连接建模为铰接是常见做法。模块通常设计为承受重力荷载，而核心墙负责承受侧向荷载，对于有钢筋混凝土核心墙的非摇摆模块化建筑，这种铰接假设是安全的。离散楼板在每个模块楼层设置，合适的模块间连接对侧向稳定性至关重要，它通过轴向和剪切力传递水平荷载。同时，每个模块的楼板必须有足够刚度，才能作为刚性楼板将侧向荷载传递给侧向力抵抗系统。当钢筋混凝土核心墙位于中心时，由于楼板离散导致的扭转刚度降低，模块化建筑会表现出扭转灵活性。

模块化高层建筑的鲁棒性（防连续倒塌）

与每层都有连续楼板的传统建筑不同，模块化建筑是通过在角落连接各个独立模块建成的。每个模块中的楼板往往是离散的，相互之间没有连接。因此，评估模块间连接的鲁棒性至关重要，这能确保在出现柱子失效的情况时，有足够的冗余来进行荷载重新分配 ，保障建筑结构安全。

Chua 等人对侧向支撑的钢模块化建筑在各种柱子移除场景下的渐进倒塌行为展开了研究。在柱子失效的场景中，原本由被移除的关键柱子承担的压力，会通过连接各个模块的水平系板转移到相邻柱子上。在钢模块化建筑柱子失效时，连接上下模块柱子的垂直拉杆，并不会直接为形成交替荷载路径发挥作用，但它在防止模块垂直分离方面起着关键作用，尤其是在细长建筑承受较大侧向荷载时。

研究发现，底层柱子失效所产生的水平系杆力，会随着模块化建筑高度的增加而增大。通过对 5 到 30 层模块化建筑的参数研究，学者们提出了用于确定钢模块化建筑鲁棒设计所需最小水平系杆力的解析方程，确保同一楼层的所有模块都能紧密相连，维持结构的完整性。

尽管当前的研究主要集中在钢模块化建筑上，但相关原理有可能应用于混凝土或钢 - 混凝土组合模块化结构。不过，考虑到组合梁、钢管混凝土柱和节点的刚度增强，预测钢 - 混凝土组合模块化建筑的响应行为，还需要新的方法，这为未来的研究留下了探索空间。

未来研究的多个方向

在极端荷载研究方面，将侧向钢支撑或混凝土剪力墙融入模块化系统，可减少对独立抗侧力体系的依赖，使模块布局更灵活并减少现场作业。在钢支撑模块化系统中加入阻尼器，能提升其在地震设计场景下的能量吸收能力。对于像海上和军事用途等特殊应用场景，需开发可部署的防护模块，使其具备抗爆炸和防火能力，保障在复杂环境下结构的安全与稳定。

在模块间连接的快速连接技术研究上，不应局限于传统的钢或混凝土模块化建筑设计，要探索创新连接技术，如卡扣式机械连接器和无螺栓/无焊接方法，这些技术能提高钢-混凝土组合模块化系统的效率和结构完整性。研究这些新型连接器在高层模块化建筑承受极端荷载时的结构影响至关重要，同时要考虑制造公差对现场安装和整体稳定性的影响，还应探索适用于重复使用的可拆卸连接，以满足如疫情应对和紧急救援等场景的需求。

在新材料和 3D 打印技术探索方面，为提高运输和吊装效率，需使用高性能轻质材料。研发耐用、高强度的复合材料可减轻模块重量且不降低强度；探索用于内部墙体的低导热率超轻质材料，能增强隔音和隔热效果；在柱和结构墙中使用高强度复合材料，可实现尺寸标准化并改善长期耐久性、材料徐变和收缩特性。利用绿色材料，如再生骨料混凝土等，有助于降低建筑生命周期内的碳排放。3D 打印技术在混凝土模块制造中具有潜力，能提高场外预制的生产力和效率，减少制造公差和材料浪费，还可生产更复杂几何形状的模块，但要实现大规模应用，还需解决标准化、监管审批和可扩展性等问题。

在提高高层模块化建筑消防安全方面，要从局部和全局两方面考虑。局部上，选用符合严格安全标准的建筑材料，精心设计结构和非结构部件，提高单个模块的防火性能；全局上，在模块间隙安装防火隔断，阻止烟雾和火焰蔓延，研究烟雾和火灾在这些间隙的穿透情况，为预防措施提供依据。在设计阶段融入逃生通道设计，使模块化建筑符合安全法规，保障火灾发生时人员的安全。

在智能技术集成方面，智能技术的融入正在革新模块化建筑施工。自动吊装和安装方法在高层建筑施工中至关重要，智能吊装系统能自动调整模块平衡，确保安装安全高效。引入智能基础模具，可适应灵活的外立面设计和门窗固定，提高模具的重复使用率和投资回报率。机器人在工厂内用于模块内部的瓷砖铺设，能提高效率和工作质量。配备遥控系统的智能起重机可跟踪和堆叠模块，减少盲目吊装，增强施工现场安全性，有望将生产力提高10-20%。无人机用于施工现场的监测和检查，结合虚拟现实（VR）通信，可提供模块安装的实时虚拟3D视图，方便施工过程中的讨论和反馈。

在模块化高层建筑综合设计指南方面，虽然已有多种设计指南和标准，但仍需要一个专门针对模块化建筑系统，尤其是高层模块化建筑的综合设计指南。现有资源如模块化建筑规范委员会（MCCB）的手册、国际建筑规范（IBC）、模块化建筑协会的指南、美国土木工程师协会和欧洲规范等，分别从不同方面为模块化建筑的设计、施工、安全等提供指导。可持续性评估框架如 BREEAM 和 LEED 认证，为推动可持续模块化建筑发展提供了依据。而专门的综合设计指南，能针对模块化建筑的独特挑战和机遇，提供定制化解决方案和最佳实践，促进模块化建筑在建筑行业的广泛应用和发展，提升其质量和安全性 。

结论：

钢模块化系统优势：钢模块化系统具备多种优势，在各类建筑应用场景中表现出色。其利用钢材轻质且高强度的特性，能够实现高效的建筑布局设计，在高层建设项目里，可凭借这一特性快速完成组装工作，显著缩短施工周期。同时，通过合理设置坚固的水平和垂直连接件，有效增强了结构的稳定性和坚固性。即使遭遇如柱子意外损坏等突发状况，也能确保建筑结构的安全，为建筑使用者提供可靠的安全保障。

混凝土模块化系统特性：混凝土模块化系统充分发挥了混凝土材料的固有优势。它在结构上具有较高的完整性，能够为建筑提供稳固的支撑。而且，该系统的耐久性良好，可减少建筑后期的维护成本。出色的防火性能也为人员和财产安全增添了一份保障。在实际应用中，其可根据不同的建筑需求进行多样化的定制。文中详细探讨了相邻混凝土模块结构墙之间的连接技术，强调了连接部件和表面粘结机制对于保障结构完整性和稳定性的重要作用。此外，混凝土模块化系统积极采用可持续的施工方式，如利用再生骨料、减少废弃物产生等，充分体现了其环保特性。

轻质组合模块化系统创新：针对运输和吊装过程中的限制问题，创新性地提出了轻质组合模块化系统。这一系统巧妙融合了混凝土和钢两种材料的优点，采用组合梁、钢管混凝土柱以及纤维增强混凝土楼板等结构。不仅具备良好的耐久性、防火性、防水性和隔音效果，还保留了材料的灵活性、轻质特性，便于进行组装工作。其中，薄楼板和长跨度组合梁的设计极具创新性，能够有效增加建筑内部的空间高度，减少结构占用的空间，降低柱子的使用数量。这为商业和工业建筑的空间规划提供了更多可能性，满足了现代建筑对于空间利用的多样化需求。

连接技术与结构稳定性：对多种快速便捷的连接技术进行了深入研究和讨论。在模块化建筑中，稳固且高效的模块间连接技术至关重要，它是实现快速安装的关键因素。模块内部采用焊接方式能够保证结构的刚性，而模块之间使用螺栓连接（包括灌浆套筒接头等方式），既提高了安装效率，又增强了结构的整体完整性。此外，相互连接的模块形成的离散楼板在建筑整体稳定性和不同荷载作用下的荷载-位移性能方面发挥着重要作用。同时，模块间连接的半刚性行为在整体框架建模过程中需要进行细致考虑，以确保建筑结构分析的准确性和可靠性。

自动化与预制技术的推动作用：自动化和预制技术的融入为模块化建筑带来了重大变革。借助机器人技术、先进的机械设备以及 3D 打印技术，模块化建筑的生产工厂能够实现更高的精度、更好的一致性和更快的生产速度。预制技术将关键的建筑施工任务从施工现场转移到工厂环境中进行，有效克服了现场施工的物流难题和因天气变化导致的延误问题。而且，预制模块为建筑师和设计师提供了更多的定制化设计空间，在保证成本效益和施工效率的同时，能够更好地实现他们的设计理念。

综上所述，本文所报道的模块化设计和施工方面的创新成果，有望彻底改变建筑行业的传统模式，推动其向制造业驱动的方向转型。这一转型不仅能够提高建筑行业的生产力，还将促进可持续发展理念在建筑领域的深入贯彻，激发更多的创新活力，为未来建筑行业的发展开辟新的道路。