0 引言

　　模块化钢结构建筑可分为非永久性和永久性建筑^[1]。非永久性建筑一般≤3层，可用于建筑工地营地、野外作业营地、文化旅游建筑、政府安置房屋、临时商业设施、医疗服务设施、市政办公建筑、军事营地设施、展会临时建筑、救灾应急建筑，如火神山医院、雷神山医院均采用了模块化钢结构建筑。永久性建筑可用于酒店、公寓、住宅、学生宿舍、办公楼、商业仓库、村镇建筑等。

　　模块化钢结构建筑具有受力性能好、建设周期短、绿色环保等优点，符合绿色建筑和建筑工业发展的需求。本文系统地介绍了规范和工程实际应用的模块单元间连接、模块单元与基础间连接的节点形式，为模块化建筑的应用提供设计参考。

　　1 模块单元间连接节点

　　模块建筑结构体系中的连接可分为模块单元内部结构构件间连接、模块单元间连接、模块单元与外部支撑结构连接3种连接形式^[2,3]。

　　模块单元间连接是钢结构模块建筑的关键部分，应做到安全可靠、传力明确、构造合理、耐久性好、便于施工安装和检测;同时，节点构造应具有必要的延性，并避免产生应力集中和过大的焊接约束应力，并应按节点连接强于构件的原则设计^[2,3]。

　　本节主要阐述模块单元间的连接节点现状，包括柱或墙承重模块体系的标准模块单元，不包括标准模块单元与其他模块间的连接，其他模块包括室外楼梯、走道、护栏、平台、露台、雨棚、屋面等。标准模块单元与其他模块间的连接多为水平方向的螺栓连接，主要传递水平力、不影响各自模块的竖向变形。

　　根据连接方向，模块单元间的连接包括竖直、水平方向上相邻模块间的连接^[2]，可分为竖直连接、水平连接、竖直-水平连接等。其中，竖直连接、水平连接一般组合使用，施工效率高，尤其适用于3层以下、少于4模块单元连接的非永久性全模块建筑;竖直-水平连接的适用范围更广泛。

　　根据连接模块单元数量，模块单元间节点主要可分为2模块节点、4模块节点、6模块节点、8模块节点，其他还包括3模块节点、5模块节点和7模块节点。以柱承重模块为例，如图1所示，其单元间连接具有多柱多梁的特点，如2模块角柱的“两柱四梁”、4模块边柱的“四柱八梁”、8模块中柱的“八柱十六梁”。模块单元间连接应在其4个角部进行;而当模块单元箱体长度过大或结构性能需要时，可在单元长度方向或需要的方向额外设置分布连接节点。

　　图1 柱承重模块单元间连接节点特点  

　　根据模块单元现场装配形式，模块单元间连接可分为构件层面装配节点、结构层面装配节点、建筑层面装配节点^[4]。构件层面装配节点即在工厂生产好单个构件、在现场逐个构件安装成模块化建筑整体，在考虑运输质量等路况限制时会用到。结构层面装配节点即在工厂组装好梁柱(或墙板，对于墙体承重模块)的结构体系、将不带墙板等围护体系的结构模块运输到现场安装成型，适用于多高层、大开间模块化钢结构建筑，以及6,8模块节点连接，可避免墙板等围护体系对节点安装的干扰同时保证节点性能。建筑层面装配节点即在工厂组装好带围护体系、设备管线接口或完成全装修等具有建筑功能的箱体模块单元，然后到现场进行装配连接，模块化程度高、现场装配效率高，但需考虑运输条件对箱体模块自重的限制。

　　根据连接形式，模块单元间节点连接可分为焊接、螺栓连接、垫件连接、平板扦销连接、预应力连接、自锁式连接、组合连接、其他形式连接等。可根据节点连接技术成熟度及实际工程的建筑功能、结构性能、生产技术、安装可行性进行选择、研发和设计。

　　根据刚性程度，模块单元间连接可分为刚接节点、半刚接节点、铰接节点，应根据整体结构抗侧刚度需要选择不同刚性程度的节点^[2]。例如，榫卯式连接或柱中心预压(预应力)连接宜简化为铰接节点;对于螺栓连接宜根据受力特点简化为两端铰接的刚性短杆，属于半刚性节点;对于焊接或柱角部预压(预应力)连接宜简化为刚接节点^[3]。

　　2 标准、规程中的模块间连接

　　2.1 柱承重模块单元间连接

　　国内现行标准、规程^[2,3,5]中，柱承重模块单元间的连接，根据连接部位可分为角件连接、角部连接、梁-梁连接、柱-柱连接等节点构造。根据连接形式，柱承重单元间节点可分为螺栓连接、焊接、垫件连接、平板扦销连接、预应力连接。其中，CECS 334∶2013《集装箱模块化组合房屋技术规程》^[5]基于集装箱改造模块，给出单元间的角件连接节点，包括螺栓连接、焊接、垫件连接，且规定节点连接应保证有可靠的抗剪、抗压与抗拔承载力。T/CECS 507—2018《钢结构模块建筑技术规程》^[3]、JGJ/T 466—2019《轻型模块化钢结构组合房屋技术标准》在《集装箱模块化组合房屋技术规程》中的角件连接基础上，又给出角部连接、梁-梁连接、柱-柱连接的做法，角部连接包括螺栓连接，梁-梁连接包括平板扦销连接，柱-柱连接包括预应力连接。

　　柱承重模块单元间的螺栓连接是目前较常见的一种连接方式，连接位置一般为模块间相邻的角件、柱角部汇集处，通过连接板和高强度螺栓对定位好的相邻模块单元进行连接。其中，角件螺栓连接如图2a所示，角部螺栓连接如图2b～2d所示。角柱为角钢或其他开口截面时，可通过连接板和单个螺栓在模块顶部和底部进行竖直连接(见图2b);同时，水平连接可采用侧板连接，在角钢表面焊接1个螺母，使连接可在一侧进行(见图2c)^[2,3]。若角柱为矩形钢管，可将螺栓通过检查孔插入端板进行模块间的螺栓连接^[2,3]，如图2d所示。其中，图2b～2d中的节点连接引用M.Lawson等^[6]的设计，M.Lawson等最早总结、梳理模块化建筑的发展历程，结合大量工程实例给出模块化钢结构的设计方法。

　　柱承重模块单元间的焊接连接如图2e所示，在相邻单元的角件间在水平、竖直方向设置垫板并现场焊接连接。

　　柱承重模块单元间的角件可采用垫件连接，垫件形式包括短柱(见图2f)、H型钢(见图2g)等，分别通过焊接、焊接-螺栓组合方式进行单元间的可靠连接，适用于模块单元间需留出管线安装空间的情况。承受模块间水平力时，垫件受弯，此时垫件及其连接应有足够的强度和刚度^[5]。

　　图2 标准、规程中的柱承重模块单元间结构连接节点构造  

　　柱承重模块单元间的平板扦销连接如图2h所示，属于梁-梁连接，节点通过平板扦销连接块(铸钢插件)定位上、下模块单元角部，再采用对拉螺栓贯穿连接相邻模块单元的上、下双梁^[2,3]。

　　柱承重模块单元间的预应力连接如图2i所示，通过在上模块顶部对贯穿模块单元间相邻角柱的钢绞线施加预压应力进行连接，同时在下模块单元顶板上设置小型钢管作为抗剪键，水平方向采用覆盖相邻模块单元柱截面的连接板连接。其适用于层数较少的模块化建筑^[2]。

　　2.2 墙承重模块单元间连接

　　墙承重模块单元间的连接宜为盖板螺栓连接^[3]，如图3所示，该节点引用M.Lawson等^[6]的设计。墙承重模块单元之间在角部通过钢盖板及螺栓相连接，并通过水平连接单元与走廊楼板单元连接。

　　图3 标准、规程中墙承重模块单元间的盖板螺栓连接节点  

　　3 工程应用中的模块单元间连接

　　实际工程应用中，模块化钢结构建筑在国内较多应用于3层以下的低层建筑，如工地临时营地、度假村等。其在国外除了应用于低层建筑，在多高层建筑中也有较多应用，如高层酒店、公寓等。模块化钢结构建筑中，与墙体承重模块单元相比，柱承重模块单元应用较广泛，因此柱承重模块单元之间的连接节点形式较多。

　　理想的工业化模块单元间的节点连接应满足设计、生产、安装不同阶段的要求^[7]。设计应考虑竖向、水平、偶然荷载作用下的结构整体性、安全性。生产应考虑构件类型少(标准化)、几何外形简单、可批量生产、构造安装不复杂。在施工阶段，理想的模块单元应集成度高不浪费空间、可扩展，在重力作用下可自定位(定位便捷)，模块单元间节点连接应紧凑、易于现场安装、满足公差要求且易于拆卸。

　　焊接连接是钢结构最基本的连接形式，加工安装较简便、安装误差不敏感^[5]。但现场焊接工作量较大，工期易受高温天气影响而延长;且由于现场焊接空间的限制而影响焊接质量、产生残余应力等，如模块单元间角部连接现场仅在外侧面焊接会导致上、下模块间发生相对转动，表现出类似于铰接的节点性能^[8];此外，焊接连接不易拆卸，不适用于模块化建筑的移动再利用。

　　集装箱改造模块单元间的连接通常是采用集装箱海运时所用的连接件^[9]:竖直连接件为扭锁，如图4a所示;水平连接件如图4b,4c所示，图4b所示水平连接件又称桥锁，桥锁分为抗拉型和抗拉压型2种^[10]，其中抗拉型桥锁较常用。随着模块化钢结构建筑的广泛应用，模块单元间的竖直、水平连接件有了更多选择，目前广泛应用的分别如图4d～4f所示，连接件组成主要包括螺栓、卡件和套筒，属于角件螺栓连接。张仁等^[11]还提出一种适用于非永久模块化钢结构建筑的连接球式水平连接件。竖直、水平连接件可在模块化钢结构建筑中组合使用，如图4d～4f所示，可用于2～4个模块单元间的角、边节点的连接，施工便利、效率高，适用于非永久性模块化建筑，建筑高度一般≤3层。

　　目前工程实际最常用的是螺栓连接。螺栓连接的优势是现场安装效率高、易定位、可拆卸，缺点是需注意定位精度、开孔公差、滑移和螺栓拧紧程度。螺栓连接构造主要包括定位件、连接板、高强度螺栓，通过定位件使得上、下模块的安装易定位并可承受部分模块间的水平剪力，通过连接板和螺栓安装同时实现模块单元间的竖直-水平连接，适用于永久性模块化建筑。

　　集装箱改造模块单元间的典型连接节点如图5a所示^[12]，属于国内现行标准、规程^[2,3,5]中图2a所示节点形式，广泛应用于模块化建筑实际工程中柱承重模块单元间的连接。该连接节点的定位件最早采用扭锁，但由于锁锥与角件存在间隙导致上、下模块单元有自由度，不利于模块间连接锁紧，从而逐渐被双头锥等其他定位件取代^[12]。在图5a所示典型节点基础上，研发出多种连接形式。姜帅等^[13]提出如图5b所示连接节点，将定位件与连接板焊接成一体，螺栓连接设置在柱角部外侧，安装空间较大。邵峰等^[14]研发节点如图5c所示，将螺栓和定位件集中在角件处，集吊装、运输、结构拼接于一体的连接形式。樊则森等^[15,16]提出如图5d,5e所示节点，图5d所示节点将定位套筒与连接板焊接在一起，可快速定位，最大化保证安装精度的同时提高施工效率;图5e所示节点在沿用套筒定位连接板的基础上，在角柱竖直方向上延伸出一段进行螺栓连接，类似于垫件连接(见图2f)，但比其焊接连接效率更高。宋子烨等^[17]提出的节点如图5f所示，在上模块的角柱端部设置凸出的定位件，连接板的螺栓连接孔位设置在模块单元内侧、模块单元间双梁之间，连接不影响建筑外观，但操作空间较小。

　　美国布鲁克林32层住宅大厦采用的部分连接方式如图5g所示^[18]，在柱承重模块单元间角部汇集处外侧设置垂直于角部的连接板进行螺栓连接，与图3所示墙板承重模块单元连接节点相似。与图5g所示相似的连接节点如图5h～5j所示。文献[19]中提到的中冶天工集团有限公司研发的连接节点如图5h所示，可看作图5a和图5g所示节点形式的结合，在典型节点的基础上增加了侧盖板螺栓连接。澳大利亚Hickory集团模块化建筑的HBS连接节点如图5i所示^[20,21]，将竖直、水平螺栓连接通过1块连接板实现。韩国Kullman建筑公司^[22]采用盲铆钉将模块单元间角部与外侧板进行连接，如图5j所示。

　　Vectorbloc^[23,24]研发的连接节点如图5k所示，定位件设置在连接板对应角柱的位置上，螺栓连接位于与梁连接的角件端，连接板可适应角、边、中节点的连接性能需求，并可适应根据多高层建筑的竖向荷载要求扩展的角柱截面变化。由于螺栓连接位于与梁连接的角件端，模块单元墙板的存在不利于连接，因此适用于装配结构层面的框架模块单元，即单元无墙板，可保证多高层模块化建筑节点连接的受力性能，同时减小模块单元吊装质量。

　　图4 模块单元间的竖直-水平连接  

　　图5 模块单元间的螺栓、扦销连接节点形式  

　　美国国绿集团所采用的平板扦销连接节点如图5l所示^[18,25,26]，在国外应用较多。模块单元角柱间设有平板扦销连接件，将高强钢拉杆贯穿上、下模块单元间角柱及扦销连接件，在上模块角柱顶部对钢拉杆施加预应力完成模块单元间的竖向连接;模块单元间的水平连接则是通过带有多个凸头的平板扦销连接件嵌入相邻模块单元的角柱中进行连接。预应力连接增强了结构整体性并可在一定程度上抵抗结构倾覆。

　　图5a,5c,5i所示节点属于角件连接，图5b,5d～5h,5j所示节点属于角部连接，这10种节点适用于建筑层面箱体模块单元间的角、边节点连接。图5k所示Vectorbloc连接节点属于梁端角件连接，可用于结构层面框架模块单元间的角、边、中节点连接。图5l所示节点是采用预应力、平板扦销的柱-柱连接，适用于建筑层面箱体模块单元间的角、边、中节点连接;与图2h所示梁-梁扦销连接相比，柱-柱连接避免了梁-梁连接对模块单元内墙板设置和内装修的影响。

　　4 模块单元与基础间的连接节点

　　模块化建筑基础可选用条形基础、筏板基础、桩基础和独立基础等形式^[2]。

　　单层模块化建筑的地基土满足承载力要求且无地表水滞留时，可将模块底地基土夯实、找平后，以素混凝土基墩作为支撑模块^[2,5]，或采用型钢地梁、方钢管支墩等支撑模块。当基础或基墩高出地面时，模块以下沿模块周边应进行封堵，以避免模块底部进入杂物或动物集聚^[2,5]。在沿海及风荷载较大地区，需在首层模块单元将防风角件固定于底框角件或角部外部的吊装孔内和地基上，如图6a所示。

　　图6 模块单元与基础间的连接节点  

　　多个模块叠置荷载较大时，模块底部四角可将角件或角部与基础进行锚栓连接，如图6b,6c所示^[2,3,5]。

　　集装箱改造模块与基础间的连接^[9]，可在混凝土基础上预埋铁板，将其与模块角件焊接连接，与预埋铁板焊接，伸入混凝土基础的预埋件可采用弯钢筋或带贯穿螺栓的角钢;或在基础上预埋螺栓配件，通过燕尾锁(见图6d)与模块单元角件连接。

　　K.S.Park等^[27]提出一种嵌入式钢柱-基础连接，如图6e所示，研究发现钢柱嵌入深度是影响节点承载力的关键因素，并给出基础最小埋深的计算方法。

　　5 结语

　　1)模块单元间的连接可根据连接方向、连接模块数量、模块现场装配形式、连接形式、连接部位、刚性程度进行分类。

　　2)标准、规程中的模块间连接根据连接形式可分为螺栓连接、焊接、垫件连接、平板扦销连接、预应力连接等。

　　3)工程实际应用较多的为螺栓连接。理想的节点连接应满足设计、生产、安装不同阶段的要求，如受力性能好、易加工、易定位安装、易拆卸、可扩展、符合公差要求等。

　　4)模块单元与基础间可直接支承在基础上或采用锚栓连接。