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模塊化建筑是一種新興的建筑結構體系，該體系是以每個房間作為一個模塊單元，均在工廠中進行預制生產，完成后運輸至現場并通過可靠的連接方式組裝成建筑整體。與傳統建筑的建造方式相比，其具有可縮短工期、節約人力物力、綠色環保、品質精良等優點。結合工程實例對模塊化建筑的概念、研究現狀、結構特點、設計要求以及施工方法等多方面內容進行介紹與討論。
    一、裝配式建筑與模塊化建筑特征
     裝配式建筑是指預制的構件在工地裝配而成的建筑。這種建筑的優點是建造速度快、受氣候條件制約小、節約勞動力并可提高建筑質量。
     根據不同的預制程度，裝配式建筑的預制單元一般可分為：桿件單元、板體單元和模塊單元幾種。對應建筑結構體系即為：直接裝配式結構體系、預制大板結構體系與模塊化建筑結構體系。
     直接裝配式結構體系：結構中所有的桿件按設計尺寸切割，主要的開洞也在工廠完成，并以單根桿件形式運至現場，采用螺栓或自攻螺絲連接，均在現場完成。優點是現場可進行一定修改對工廠設備要求低可用集裝箱運輸，經濟適用于體型復雜的建筑，缺點是現場勞動量相對較大。
     預制大板結構體系：結構中帶骨架的墻板、屋面板及屋架均在工廠用專用模具預制成型，并運輸至現場進行組裝。這種體系的優點是建造速度快，質量易于控制，自動化程度較高，現場工作量小但相對運輸費用高，現場需要提升設備。
     模塊化建筑結構體系：結構以單個房間作為一個模塊均在工廠進行預制，并可在工廠對模塊內部空間進行布置與裝修。然后運輸至現場通過吊裝將模塊可靠的連接為建筑整體。模塊化建筑結構體系預制化比例高，可節約人力、物力，減少工期、綠色環保。
     據統計，預制大板結構體系的預制比例可打60%左右，而模塊化建筑結構體系的預制比例一般可達85%以上，其中完全工廠制造的模塊化建筑的預制比例可高達95%，僅剩余的5%工作為現場基礎施工與模塊安裝的連接工作。
    二、模塊化建筑的工程實例
     英國伍爾弗漢普頓學生公寓——建筑共25層，于2009年8月完工，共820個模塊在8個月內安裝完成，總建造耗時12個月左右，該建筑是目前已完工的最高的模塊化建筑。
     美國紐約布魯克林34層住宅大樓——建筑面積34萬平方英尺，是最大的預制模塊化建筑。大廈有350套公寓，其中一半是中低收入人群買得起的住房。60%的建筑將在工廠里制造，估計將制造大約950鋼框架模塊。該建筑已于2013年3月開始動工。
    三、國內外的研究現狀
     國內研究現狀
     國內對與模塊化建筑結構體系的研究還比較少，而且只有幾種在低層模塊化住宅的研究。如：2009年的第七屆中國國際住宅產業博覽會，浙江泰格集成房屋有限公司展示了一套2層的模塊化住宅；2011年的上海國際冶金展，寶鋼集團展示了一套2層的剛模塊房屋，有13個模塊組成。
     哈工大查曉雄教授對集裝箱改造房進行理論分析與試驗研究。集裝箱改裝房與模塊化建筑形式相似，但結構特點有較大不同。
     國外研究現狀
     國外的R.M.Lawson等人對多高層模塊化建筑的結構體系及結構設計進行了相關研究，并對模塊化單元的墻板及連接節點做了相關試驗和理論分析研究。
     加拿大的C.D.Annan等人對帶有支撐的多層剛模塊建筑的抗震性能做了具體研究及相關試驗。
     韓國的Sung-Gul Hong等人對帶有雙層鋼板的剛模塊框架進行了試驗研究，分析了雙層鋼板對剛模塊框架的抗震性能的影響。
    四、建筑所用的模塊類型
     根據建筑模塊的結構與功能類型，目前模塊化建筑所用的模塊可分為：墻體承重模塊、角柱支撐模塊、樓梯模塊和非承重模塊幾種。
     墻體承重模塊
     模塊包括四塊墻體，由豎向立柱、水平橫桿和支撐組成。樓板和天花板托梁的跨度方向平行于模塊單元的短邊。除了四塊外墻，也可包括非承重隔墻，用于將所圍空間劃分為適當大小的房間。這種建筑類型應用于賓館、學生宿舍和社會保障房或工人宿舍十分理想，這些房屋通常是由大量的小房間組成。
     為使建筑內部模塊布局更加靈活，并且考慮到可通過合并多個模塊單元來實現大的內部空間設計，可對墻體承重模塊的側向墻體進行局部開孔設計，并對開孔附近設置附加邊梁或支柱進行補強。
     角柱支撐模塊
     角部支撐模塊類似于傳統的熱軋鋼結構，在方鋼管角柱中布置梁高較高的縱向邊梁，與帶有輕鋼承重墻的墻體模塊形成明顯對比。角部支撐模塊的關鍵優勢是模塊的一個或多個面可以完全開放，當模塊并排安裝在一起時可以創建大的開放式空間。這種建筑形式是學校和醫院的理想選擇。
     樓梯模塊
     樓梯模塊在一個獨立的預制單元中提供樓梯(通常為兩跑，中間為樓梯平臺)和平臺，由此通往模塊結構更高的樓層。它們一般與常規公寓模塊(臥室、客廳等)一起使用組成模塊化住宅公寓樓。樓梯平臺和中建平臺由縱向墻體所支承，并根據需要設置一定的附屬鋼結構。這種結構形式一般用于完全模塊化建筑。
     非承重模塊
     非承重模塊用于在非模塊化建筑中提供空間預制單元構件。它們一般用于浴室、廚房和設備室，這些設施在工廠環境下安裝具有明顯的優點。廚房和浴室一般在交送到現場是配備齊全的，包括水暖、電氣、配套家具和裝飾。非承重模塊具有有限的結構強度，必須依靠于其他結構構件的支承，如構造鋼構件過樓板構件。然而，它們需要設計承擔其自重荷載及其在進行吊裝時所受的力。
    五、模塊化建筑結構體系
     模塊化建筑結構體系，按種類可分為全模塊化建筑結構體系和復合模塊化建筑結構體系。
     全模塊化建筑結構體系
     建筑前部由模塊單元裝配而成，適用于多層建筑房屋，一般適用層數為4～8層。當層數過高時，需要有獨立的抗側體系作為預考。模塊間一般通過螺栓和改版進行連接，以此最為模塊化建筑的傳力路徑。
     復合模塊化建筑結構體系
     為提高模塊化建筑的結構與使用性能，需要將模塊化建筑與其他建筑形式進行復合，一般可包括：與傳統框架復合結構體系、與板體結構復合體系、與剪力墻與核心筒復合結構體系等。
     與傳統框架復合結構體系：為滿足更開放的活動空間，可考慮將模塊化建筑與傳統鋼結構框架進行復合，如以傳統鋼結構框架建造房屋的1層或1～2層，并以此傳統框架為平臺在上部進行模塊安裝，下部空間一般可作為零售店或停車場。另外，對于一些相對高層的模塊建筑，也可以傳統框架作為結構的外骨架，以此為依附進行模塊化建筑的建造。
     與板體結構復合體系：在這種建造形式中，模塊堆疊成一個核心，在其周圍布置預制承重墻和樓板。模塊通常可形成樓梯井，并在建筑內部提供了公共設施的中心區域。建筑物的模塊部分能夠容納大量的公共設施區域，如廚房和浴室等，而在非模塊區域則可作為臥室和客廳。從結構的角度看，除了其承重作用，模塊化核心還為整個建筑物提供了穩定性。這種布置一般被限制在4～6層高度的樓房，是住宅應用的理想選擇。
     與剪力墻與核心筒復合結構體系：為使模塊化建筑有更高層數的發展，需將其與剪力墻或核心筒相結合組成復合結構體系。
    六、模塊化建筑設計要點
     考慮模塊化建筑與傳統建筑結構體系的不同之處，模塊化建筑的結構設計還需要考慮以下幾點：
     模塊單元的運輸與密封要求
     運輸的基本要求包括公路裝載的最大寬度和高度，這決定了所生產模塊單元的尺寸。在英國，一般允許的最大寬度為3.5米，但如果運輸路線允許可以增加到4.3米。最大的載物高度為4.5米，但當運輸經過舊的橋下或隧道時需要注意，可能需要使用更低的拖車。
     模塊單元需要進行密封處理，特別是在運輸過程中。模塊單元一般由較厚的干燥塑料膜所覆蓋，并在建造過程中需一直保留。而且，在模塊單元之間的連接、走廊和公共設施空間也需進行防水處理。
     提升與安裝受力
     模塊單元在升降操作過程中的受力將產生與通常情況不同的內部應力。特別是當所提升位置存在局部的受力集中，需要加強相鄰的構件以及它們之間的連接來抵抗這些受力。通常這些位置可采用熱軋型鋼，而其他地方多采用輕鋼構件。
     根據起重機臂架的高度，有多種不同的吊裝技術。通常，應在模塊單元的頂部進行提升，并且需要調整吊裝繩索的角度，以使水平構件的受力分量不會過大。最佳的吊點是距模塊單元兩端點長度的20%左右，這樣結構是最穩定的。然而，模塊單元通常是從它們的角部進行提升，這樣就需要使用一個獨立的框架或一對衡量協助吊裝。重型的吊裝框架可與模塊單元的平面尺寸相同，這樣可以免除在模塊單元上產生水平力與剪力。
     整體穩定性與安全性要求
     對于整體穩定性和安全性的要求即結構的魯棒性。原則上，在結構的一個構件發生故障后，其余結構應該有足夠的強度保障荷載的作用不會產生不成比例的連續破壞。
     模塊單元不同于其他傳統的建造單元，雖然單獨的模塊單元強度很高，但當它們組裝在一起時，荷載是通過模塊的墻體或角柱進行傳遞的。考慮對這種荷載路徑進行移除的可能性，墻體的魯棒性設計應該如下：
     考慮水平跨度在一個深梁或隔墻區域內的破壞，對其進行移除。
     相鄰模塊單元需提供拉力與支撐，也就是模塊單元之間除了豎向，水平方向也應進行連接。
     基礎要求
     由于模塊單元的重量比較輕，所以模塊化建筑的基礎一般不會同傳統建筑的基礎一樣巨大。條形基礎位于承重墻和剪力構件的下部，通過樹脂錨入混凝土。基礎或者地梁的水準對于隨后模塊單元的安裝和對齊十分重要，經常需要對基礎或模塊單元的底部進行一些調整，且每個模塊廠商都有自己的體系。一般情況下，可允許基礎頂部在20毫米左右的范圍內進行變動。對于低劣的地基，可以采用樁基，并且模塊單元的底梁可以設計為跨越各樁帽之間。
    七、模塊化建筑施工技術
     區別于傳統建筑的施工方法，模塊化建筑的施工是將在工廠制造好的模塊單元通過拖車運輸至現場，然后通過吊車將其逐個吊裝進行安裝。結合BIM系統可通過模塊化建筑的整個安裝過程的施工模擬對實際過程進行優化設計：
     收集相關信息，建立3D施工信息模型。需要信息包括：建筑有關信息、現場場地情況、使用起重機情況以及所需考慮的條件限制。如：運輸條件、安全性、天氣狀況等；
     根據3D信息模型，對場地布置進行優化分析，確定場地的起重機位置、模塊單元的固定交付位置等;
     通過4D模擬，對模塊吊裝的過程進行模擬分析，確定模塊安裝的最優次序及裝配時間安排，并對施工過程中可能出現的問題進行預防。參考工程實例為美國賓夕法尼亞州阿倫敦市穆倫堡學院的5棟宿舍樓的建造施工模擬：該建筑的模塊由美國新澤西州的庫爾曼車間制造，交付至賓夕法尼亞州阿倫敦市的穆倫堡學院，組裝成5棟3層樓的宿舍樓。共有90多個模塊，放在5個不同的地點，可入宿145名學生。
     通過對施工過程中的4D模擬分析，確定了最優化的施工方案，并給出了施工過程的時間安排表。在施工的最后階段，即對第5棟宿舍樓的屋頂進行吊裝中，起重機的吊臂與已經建好的宿舍樓出現沖突。為避免這種問題的發生，進行了多種嘗試，最終選擇對起重機的吊臂進行長度延伸。最終，在不降低安全性和質量的條件下，5棟宿舍樓的裝配時間由21天縮短到10天，體現了良好的經濟效益。
     綜上所述，我們結合工程實例對模塊化建筑的概念、研究現狀、結構特點、設計要求以及施工方法等多方面內容進行的介紹與討論，體現了模塊化建筑作為一種新興的建筑結構體系，因其工業化比例高，具有可縮短工期、節約人力物力、綠色環保、品質精良等有點，符合我國關于綠色建筑的發展要求，需受到社會的重視與推廣。(作者：天津大學建筑工程學院王小盾、曲可鑫、陳志華，天津市建筑設計院陳敖宜)