钢结构模块化建筑结构体系研究
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天津大学硕士学位论文
钢结构模块化建筑结构体系研究 Study on Steel Structural System in Modular Buildings
基金资助： 天津市建交委科技项目（2013E3-0028）
学科专业：建筑与土木工程 研 究 生：曲可鑫 指导教师：王小盾 副教授 陈志华 教 授 企业导师：陈敖宜 教授级高工
为确保各类建筑最终产品特别是住宅建筑的质量和功能优化产业结构加快建设速度改善劳动条件大幅度提高劳动生产率使建筑业尽快走上质量效益型道路成为国民经济的支柱产业自1956年我国国务院出台关于加强和发展建筑工业化的决定这一最早提出走建筑工业化的文件起我国住建部陆续发布了建筑工业化发展纲要住宅产业现代化试点工作大纲关于推进住宅产业现代化提高住宅质量的若干意见国家住宅产业化基地试行办法等多个相关纲要文件以促进我国建筑工业化的发展并取得了一定的成效
ABSTRACT
With the development of our society, prefabricated buildings and their advantages are receiving increasingly widespread attention. Because of domestic waste of resources, environmental degradation and other consequences resulting from a large number of residential construction, the Ministry of Construction has repeatedly advocated to promote industrialization of construction, the development of prefabricated buildings which will thus promoting the housing industry. Modular construction, as a new building system with a high degree of prefabrication ratio, has been carried out in foreign countries for many years. It has shown many advantages, such as, improves project quality, shortens the construction period, saves manpower and resources, protects the environment and it is in line with the industrialization of construction and development of green building requirements. This article first carries out study on modular building structure system, describing the current variety of the more common types of building blocks, modular building structures, modular units, the connections between nodes, as well as BIM-based modular building modern construction methods. It also combines with domestic architectural development and discusses modular building envelope for equipment selection. This paper selects Tianjin Binhai Tourist Area proposed four-storey building modular floor as example, researching the characteristics of the force modular building structures, including the design analysis of the four-story apartment building, static performance analysis, dynamic analysis, pushover analysis. When analyzing, this paper respectively studies the two cases of the connecting nodes: rigid and articulated comparing different nodes stiffness force structure for modular building performance. This article, through the research and structural systems research of modular building, focuses on the analysis the force characteristics and suitability for the development of domestic construction of the modular construction of this emerging building, and this has certain guiding significance and reference value for the evelopment and promotion of modular construction. KEY WORDS ： building industrialization, modular building, structural system, connect nodes, design analysis, seismic analysis
天津大学建筑工程学院 二零一三年十二月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得
天津大学 或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。
目
录
第一章 绪论 ..................................................................................................................1 1.1 建筑工业化与装配式建筑 ..............................................................................1 1.1.1 建筑工业化概述 ....................................................................................1 1.1.2 装配式建筑介绍 ....................................................................................1 1.2 模块化建筑概述 ..............................................................................................2 1.2.1 模块化建筑的概念 ................................................................................2 1.2.2 模块化建筑的优势 ................................................................................2 1.3 模块化建筑工程实例 ......................................................................................3 1.4 模块化建筑研究现状 ......................................................................................8 1.4.3 国外研究现状 ........................................................................................8 1.5 本文主要研究内容 ........................................................................................13 第二章 模块化建筑结构体系 ....................................................................................14 2.1 建筑模块单元类型 ........................................................................................14 2.1.1 墙体承重模块 ......................................................................................14 2.1.2 局部开孔模块 ......................................................................................15 2.1.3 角柱支撑模块 ......................................................................................15 2.1.4 楼梯模块 ..............................................................................................16 2.1.5 非承重模块 ..........................................................................................16 2.2 模块化建筑结构体系 ....................................................................................17 2.2.1 全模块化建筑结构体系 ......................................................................17 2.2.2 复合模块化建筑结构体系 ..................................................................18 2.3 模块单元的组合连接 ....................................................................................20 2.3.1 盖板螺栓连接 ......................................................................................20 2.3.2 平板扦销连接 ......................................................................................21 2.3.3 模块预应力连接 ..................................................................................22 2.4 模块化建筑的围护结构选型 ........................................................................24 2.4.1 模块化建筑外墙围护结构选型 ..........................................................25 2.4.2 模块建筑底板的选型 ..........................................................................27 2.4.3 模块建筑顶板的选型 ..........................................................................29 2.5 模块化建筑的现代化施工 ............................................................................29 2.6 模块化建筑结构其他技术要求 ....................................................................31 第三章 模块化建筑结构设计分析 ............................................................................33
学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日
导师签名： 签字日期： 年 月 日
摘 要
伴随着社会的进步，装配式建筑及其优势正日益受到广泛的关注。由于国内 大量住宅建设所造成的资源浪费、环境恶化等后果，建设部已多次倡导推动建筑 工业化、发展装配式建筑，从而推动住宅产业的升级。模块化建筑作为一种新兴 的建筑体系具有高度的预制化比例，在国外已经进行了多年的发展，对提高工程 质量、缩短工期、节约人力物力、保护环境等多方面有显著的优势，符合对于建 筑工业化以及绿色建筑的发展要求。 本文首先对模块化建筑的结构体系进行调研研究，介绍了目前比较常见的多 种建筑模块类型、 模块化建筑结构体系、 模块单元间的连接节点等以及基于 BIM 系统的模块化建筑现代化施工方式。并结合国内建筑发展，对模块化建筑的围护 结构进行选型研究。 本文选取天津市滨海旅游区拟建 4 层模块化建筑公寓样本楼为例，对模块化 建筑结构体系的受力特征进行研究，其中包括对于 4 层公寓样本楼的设计分析、 静力性能分析、动力时程分析、静力弹塑性分析等。分析过程中，本文分别对模 块间连接节点刚度考虑刚接与铰接两种情况进行研究， 比较节点刚度的不同对模 块化建筑结构受力性能的影响。 本文的重点是通过对模块化建筑的调研与结构体系的研究， 分析模块化建筑 这一新兴的结构体系的受力特征及其对于国内建筑发展的适用性， 对模块化建筑 技术的发展与推广有一定的指导意义和参考价值。 关键词： 建筑工业化、模块化建筑、结构体系、连接节点、设计分析、抗震分 析
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钢结构模块化建筑结构体系研究 Study on Steel Structural System in Modular Buildings
基金资助： 天津市建交委科技项目（2013E3-0028）
学科专业：建筑与土木工程 研 究 生：曲可鑫 指导教师：王小盾 副教授 陈志华 教 授 企业导师：陈敖宜 教授级高工
为确保各类建筑最终产品特别是住宅建筑的质量和功能优化产业结构加快建设速度改善劳动条件大幅度提高劳动生产率使建筑业尽快走上质量效益型道路成为国民经济的支柱产业自1956年我国国务院出台关于加强和发展建筑工业化的决定这一最早提出走建筑工业化的文件起我国住建部陆续发布了建筑工业化发展纲要住宅产业现代化试点工作大纲关于推进住宅产业现代化提高住宅质量的若干意见国家住宅产业化基地试行办法等多个相关纲要文件以促进我国建筑工业化的发展并取得了一定的成效
ABSTRACT
With the development of our society, prefabricated buildings and their advantages are receiving increasingly widespread attention. Because of domestic waste of resources, environmental degradation and other consequences resulting from a large number of residential construction, the Ministry of Construction has repeatedly advocated to promote industrialization of construction, the development of prefabricated buildings which will thus promoting the housing industry. Modular construction, as a new building system with a high degree of prefabrication ratio, has been carried out in foreign countries for many years. It has shown many advantages, such as, improves project quality, shortens the construction period, saves manpower and resources, protects the environment and it is in line with the industrialization of construction and development of green building requirements. This article first carries out study on modular building structure system, describing the current variety of the more common types of building blocks, modular building structures, modular units, the connections between nodes, as well as BIM-based modular building modern construction methods. It also combines with domestic architectural development and discusses modular building envelope for equipment selection. This paper selects Tianjin Binhai Tourist Area proposed four-storey building modular floor as example, researching the characteristics of the force modular building structures, including the design analysis of the four-story apartment building, static performance analysis, dynamic analysis, pushover analysis. When analyzing, this paper respectively studies the two cases of the connecting nodes: rigid and articulated comparing different nodes stiffness force structure for modular building performance. This article, through the research and structural systems research of modular building, focuses on the analysis the force characteristics and suitability for the development of domestic construction of the modular construction of this emerging building, and this has certain guiding significance and reference value for the evelopment and promotion of modular construction. KEY WORDS ： building industrialization, modular building, structural system, connect nodes, design analysis, seismic analysis
天津大学建筑工程学院 二零一三年十二月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得
天津大学 或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。
目
录
第一章 绪论 ..................................................................................................................1 1.1 建筑工业化与装配式建筑 ..............................................................................1 1.1.1 建筑工业化概述 ....................................................................................1 1.1.2 装配式建筑介绍 ....................................................................................1 1.2 模块化建筑概述 ..............................................................................................2 1.2.1 模块化建筑的概念 ................................................................................2 1.2.2 模块化建筑的优势 ................................................................................2 1.3 模块化建筑工程实例 ......................................................................................3 1.4 模块化建筑研究现状 ......................................................................................8 1.4.3 国外研究现状 ........................................................................................8 1.5 本文主要研究内容 ........................................................................................13 第二章 模块化建筑结构体系 ....................................................................................14 2.1 建筑模块单元类型 ........................................................................................14 2.1.1 墙体承重模块 ......................................................................................14 2.1.2 局部开孔模块 ......................................................................................15 2.1.3 角柱支撑模块 ......................................................................................15 2.1.4 楼梯模块 ..............................................................................................16 2.1.5 非承重模块 ..........................................................................................16 2.2 模块化建筑结构体系 ....................................................................................17 2.2.1 全模块化建筑结构体系 ......................................................................17 2.2.2 复合模块化建筑结构体系 ..................................................................18 2.3 模块单元的组合连接 ....................................................................................20 2.3.1 盖板螺栓连接 ......................................................................................20 2.3.2 平板扦销连接 ......................................................................................21 2.3.3 模块预应力连接 ..................................................................................22 2.4 模块化建筑的围护结构选型 ........................................................................24 2.4.1 模块化建筑外墙围护结构选型 ..........................................................25 2.4.2 模块建筑底板的选型 ..........................................................................27 2.4.3 模块建筑顶板的选型 ..........................................................................29 2.5 模块化建筑的现代化施工 ............................................................................29 2.6 模块化建筑结构其他技术要求 ....................................................................31 第三章 模块化建筑结构设计分析 ............................................................................33
学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日
导师签名： 签字日期： 年 月 日
摘 要
伴随着社会的进步，装配式建筑及其优势正日益受到广泛的关注。由于国内 大量住宅建设所造成的资源浪费、环境恶化等后果，建设部已多次倡导推动建筑 工业化、发展装配式建筑，从而推动住宅产业的升级。模块化建筑作为一种新兴 的建筑体系具有高度的预制化比例，在国外已经进行了多年的发展，对提高工程 质量、缩短工期、节约人力物力、保护环境等多方面有显著的优势，符合对于建 筑工业化以及绿色建筑的发展要求。 本文首先对模块化建筑的结构体系进行调研研究，介绍了目前比较常见的多 种建筑模块类型、 模块化建筑结构体系、 模块单元间的连接节点等以及基于 BIM 系统的模块化建筑现代化施工方式。并结合国内建筑发展，对模块化建筑的围护 结构进行选型研究。 本文选取天津市滨海旅游区拟建 4 层模块化建筑公寓样本楼为例，对模块化 建筑结构体系的受力特征进行研究，其中包括对于 4 层公寓样本楼的设计分析、 静力性能分析、动力时程分析、静力弹塑性分析等。分析过程中，本文分别对模 块间连接节点刚度考虑刚接与铰接两种情况进行研究， 比较节点刚度的不同对模 块化建筑结构受力性能的影响。 本文的重点是通过对模块化建筑的调研与结构体系的研究， 分析模块化建筑 这一新兴的结构体系的受力特征及其对于国内建筑发展的适用性， 对模块化建筑 技术的发展与推广有一定的指导意义和参考价值。 关键词： 建筑工业化、模块化建筑、结构体系、连接节点、设计分析、抗震分 析
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