模块化建筑结构设计优化研究

模块化建筑结构设计优化研究

秦玮乾  ,马杰丙

昆明市建筑设计研究院股份有限公司  昆明  650000

摘要：当前建筑工程项目建设中，装配式建筑应用范围愈加广泛，对推动项目节能环保发展具有重要促进作用。采用模块化设计方式，能够有效提升设计效率，优化设计方案，为后续施工作业奠定良好基础。本文以某工程项目为例，说明模块化设计思路、设计要点，结合实际提出模块化设计优化路径，以此为提升设计质量提供参考。

关键词：设计；装配式建筑；模块化；建筑结构

建筑工程设计是施工作业的基本依据，对施工质量控制具有重要影响，在装配式建筑工程项目中，采用模块化设计方式，能够有效提升设计效率，降低总体建安成本。利用预制式建筑工程材料，能够有效节约现场施工时间，推动现场施工朝向流水线作业方式转变。但是在设计工作开展中，需要根据实际情况优化设计内容，实现各个施工流程的有效衔接，在有效提升施工进度和施工质量前提下，将装配式建筑项目的经济优势充分发挥出来。

1、工程概况

某学校教学楼项目，楼层数为8层，采用柱下独立基础+现浇钢筋混凝土框架结构，总建筑面积为3500㎡，分为1~5楼栋。依据建筑绿化环保规范要求，项目预制率需控制在30%以上。岩土工程勘察报告结果显示，场地土包括杂填土、粘土、亚粘土等类型。为确保后续施工作业有序推进，采用模块化结构设计方式，优化结构设计方案。

2、模块化设计思路

2.1 模块化化标准化

模块化设计的实现基础在于标准化，本项目设计中，对各个建筑功能单元采用结构缝结合单独结构设计方式，再依据整体的设计规范要求，将各个模块组合连接，以确保建筑使用功能实现。以本工程项目中某栋教学楼为例，在教师办公室、公共办公区域及部分教室设计中，房间平面尺寸一致，可以采用标准化的模块设计方式，在有效降低建造成本、提升建筑资源利用效率基础上，实现对各个区域的有效应用。同时在楼梯间、走廊及卫生间等空间设计中，对应的建筑功能局部特征及空间布局有所差异，可以通过微调方式实现设计及应用功能，因此也可以采用标准化思路设计，以满足装配式建筑施工作业要求。

2.2 模块化设计方式

采用模块化方式进行建筑结构设计，需要综合考虑各个方面因素影响，先进行模块单元划分[1]。单元划分也就是根据建筑结构的使用功能、运行需要和具体形式，以化整为零的方式，将整体结构划分为若干个空间模块。每个模块的单元尺寸和材料性质等，都需要满足运输及吊装作业要求。在坚持以功能和结构为依据前提下，通过合理划分，满足结构安全性要求、工程造价控制要求，并为提升施工效率奠定良好基础。在采用装配式建筑模式时，各个模块是在预制企业生产后运输至现场进行吊装作业，因此在进行施工验算时，需要考虑吊装验算和运输验算两个方面。在本工程项目施工中，在预制柱接头施工质量对框架柱体系性能影响较大，本工程项目每栋楼层数不多，在确保预制控制率达到规范要求基础上，强化竖向构件重要性，采用现浇方式进行框架柱结构施工。

2.3 经济性要求

本工程项目整体工程量较小，在1~4号教学楼设计中，结构体系较为规则，采用的是装配式整体混凝土框架结构体系，但是考虑结构特征及施工吊装等因素影响，在大跨框架梁、折线梁等施工中，仍采用现浇混凝土结构。5号教学楼由于设计不规则，建筑结构体量较小，采用装配式建筑结构体系设计方式，成本相对较高，无法体现出经济性要求，因此采用现浇混凝土结构体系。

3、模块化设计要点

3.1 叠合板设计

叠合板拆分过程中，应当注意如下要点控制：（1）明确保准化施工顺序要求，尤其是要确保板缝与板的长边保持垂直状态；（2）板的宽度设计应当与工厂生产平台模板宽度、运输过程中的限制宽度等要求相一致；（3）尽量减少板的规格，提升设计标准化水平，为后续施工提供便利。

3.2 叠合梁设计

模块化建筑结构设计中，叠合梁的拆分位置通常设置在梁跨中结构，在本工程项目设计中，框架梁的拆分控制在梁端位置，采用键槽节点与现浇框架柱结构进行连接，确保钢筋连接设置在节点核心位置，以此有效确保塑性铰的有效连接。叠合框架梁结构中的后浇混凝土厚度设计应当在150mm以上，叠合后梁的后浇混凝土厚度不得低于120mm。在叠合板厚度小于后浇层厚度时，需要将预制结构部分设计为凹口截面。

3.3 预制楼梯设计

本项目中楼梯采用双跑式预制楼梯，楼梯与楼梁之间，采用简支连接体系。楼梯上部采用固定铰支座方式进行连接，下部采用滑动铰支座方式进行设计。在支座的上部结构中，设置5mm厚的聚四氟乙烯板结构，能够有效避免在地震等特殊作用力影响下，结构梁发生相互作用带来的安全隐患。以此形成一定约束，在楼梯滑动端留出足够的移动空间，有效提升建筑结构安全性。

4、BIM技术在模块化设计中的应用优化

4.1 提升设计科学性

模块化建筑结构设计已经成为装配式建筑设计的主要途径，对提升设计科学性，确保建筑整体结构合理性具有重要促进意义。利用BIM技术推动设计工作由二维向三维方向转变，能够有效提升设计工作精准度和立体感

[2]。通过BIM技术的有效应用，能够实现各个设计流程的有效衔接，更为精准的明确不同环节的具体差异，实现各个设计环节对结构需求信息的有效沟通交流，避免设计环节出现冲突现象。对设计人员而言，要能够熟悉BIM软件应用的具体要求，转变传统设计工作理念，严格依照规范要求导入相关数据，利用软件所具有的碰撞检查功能，确保设计内容与规范相符，能够为后续施工组织提供良好依据。

4.2 模块化模型内容分析

利用BIM技术进行建筑结构模块化设计，还需要以内容分析为基础，实现有效细分，以确保设计方案合理性。在具体设计中，应当做好如下方面细分：（1）结构细分，结合工程项目具体设计方案要求、建筑内部空间的功能需求，将建筑结构划分为不同模块，做好重点结构的受力情况分析，确保整体设计保持合理方向。（2）细化调整，根据每一阶段设计的具体要求，对设计效果和进程进行调整，以规划化要求和系数支持，实现结构布局整体层面的优化，提升设计方案合理性。（3）提升对施工图设计的重视程度，根据规范要求对每一模块的施工图进行优化，确保施工图整体合理性，提升整体设计科学性，为后续施工提供明确、精准、全面的指导。

4.3 BIM软件应用方案确定

当前BIM技术在建筑工程结构设计中，已经得以广泛应用，为提升设计工作效率和精准性奠定良好技术基础。同时相关企业也不断开发出与实际应用相适应的多种软件，因此在设计工作中，需要根据项目特征和软件所具备的功能，选择合适的软件类型。在具体应用中，可以利用数据模型转换器，实现结构分析数据的精准导入，减少由于数据不完善或输入错误对设计结果的影响[3]。通过多种专业软件的有机结合，实现对结构模型的合并和调节，以此形成整体模型。例如在当前模块化建筑结构设计中，通常是选择以Revit为中心，以YJK等分析软件进行辅助的整体设计方案，能够达到良好的应用效果。

4.4 实现各个参与方衔接

建筑结构设计工作开展中，不仅需要考虑设计工作自身规范要求，还应当考虑建设方、施工方在工程项目管理中的要求，实现各个参与方的有效衔接，推动工程整体管理水平不断提升。在设计方选择BIM平台时，应当考虑模型与不同专业的结合要求，选择合适的软件组合方式，并在拼接出整体模型后做好再次检验。在考虑建设方衔接方面，应当考虑建设方在精细化管理方面的需求，为各个结构的预算与管理控制留出足够条件，优化模型构建中的信息内容，同时也能够便于根据建设方要求，对设计信息进行变更，确保建设成本得以有效控制[4]。在施工方衔接方面，主要是考虑施工可行性需求，在设计阶段就考虑模块化建筑施工可行性。尤其是在吊装及模板施工环节中，要考虑到吊装作业顺序的合理性，充分考虑构件吊装是否会对后续施工产生影响。在模板施工方面，要考虑当前新型模板应用需求，更加精准的优化平面布置，有效提升施工图纸设计质量。

5、结束语

在模块化建筑结构设计中，必须要全面革新传统设计理念，在综合考虑项目建设规范要求前提下，选择合适的设计方式，优化设计内容，实现各个方面的有效衔接，以此才能够确保设计方案的合理性，为项目整体建设奠定坚实依据，为推动建筑工程产业健康发展起到积极促进作用。

参考文献

[1]顾进.集装箱式模块化建筑结构设计[J].建筑结构,2021,51(S1):1152-1156.

[2]殷广庆.模块化建筑的结构设计与BIM技术应用研究[J].当代化工研究,2021,No.82(05):94-95.

[3]龚辉.基于模块化的装配式结构设计要点分析[J].建筑技术开发,2020,47(01):5-6.

[4]老浩寅,姬爽.模块化建筑的结构设计与BIM技术应用研究[J].中国住宅设施,2019,No.190(03):33-34.