0 引言

　　在工厂内制作完成或在现场拼装完成且具有使用功能的轻型钢结构建筑模块单元，在施工现场用起重设备吊装到位，装配连接关键结构节点和模块间管线，并完成接缝处理后，所建成的建筑为模块化钢结构建筑^[1,2]。钢结构模块单元由运输方便、拆装灵活的集装箱改造发展而来。

　　模块化钢结构建筑可分为非永久性和永久性建筑^[3]。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。本文系统地介绍了模块化钢结构的国内外研究进展，包括其结构体系、模块单元类型、模块单元间连接形式，为其应用提供设计参考。

　　1 模块化建筑结构体系

　　根据主要抗侧力体系的不同，模块化建筑可分为纯模块结构、模块与其他体系的混合结构。

　　纯模块结构是全部由模块单元装配作为抗侧力体系的模块建筑^[2]。工程实例如荷兰Silodam公寓(集装箱模块)(见图1a)、雄安市民服务中心(见图1b)、武汉雷神山医院(见图1c)等。当纯模块结构用于多高层建筑时，可采用扩大底层钢柱截面、模块单元柱采用钢管混凝土等方法(见图2a)提高体系的竖向承载力^[4];可采用加支撑的方法(见图2b)提高体系的抗侧刚度，包括抵抗侧向风压和水平地震作用^[5]。

　　图1 纯模块结构工程实例  

　　图2 多高层纯模块结构体系 

　　当建筑高度或高宽比增加，仅靠纯模块结构本身不足以抵抗水平荷载时，可采用模块与其他体系的混合结构，即模块单元承受自重和竖向荷载，模块与其他体系共同组成抗侧力体系，主要包括模块-框架混合结构、模块-钢框架支撑混合结构、模块-筒体/剪力墙混合结构等形式^[1,2]。其中，模块-框架混合结构包括模块-钢框架混合结构、模块-底层框架混合结构、主框架嵌入模块结构^[1]。工程实例如中建(深汕)绿色产业园综合实验楼(见图3a)为在钢筋混凝土主框架嵌入钢结构模块的混合结构体系;美国纽约布鲁克单身公寓底部1层为钢框架平台、上部5层为模块单元，英国布里斯托尔市宿舍楼底部2层为钢框架平台、上部10层为模块单元。目前世界上最高的模块建筑美国纽约布鲁克林32层住宅大厦采用了模块-钢框架支撑混合结构，如图3b所示。模块-筒体/剪力墙混合结构的工程实例如镇江港南路公租房(18层)(见图3c)^[6]、英国西伦敦Paragon项目^[7]、日本东京中银舱体楼等，模块单元类型均为柱承重模块。

　　图3 模块与其他体系的混合结构工程实例 

　　T/CECS 507—2018《钢结构模块建筑技术规程》^[2]规定，模块化建筑的层数、高度不宜超过表1的限制。表1中数值以抗震设防烈度为7度的模块建筑为准，对于抗震设防烈度为8度的模块建筑，最大适用建筑层数宜减少1～2层，最大适用建筑高度宜减少3m或6m。

　　表1 模块建筑适用的最大建筑层数和高度 

　　表1 模块建筑适用的最大建筑层数和高度

　　2 模块单元类型

　　轻钢模块单元可分为非承重模块和承重模块。非承重模块适用于卫浴、电梯、楼梯等功能集成单元形式。承重模块单元可分为柱承重模块单元、墙承重模块单元、框架-剪力墙模块单元和其他模块单元。

　　柱承重模块单元类似于传统的钢框架结构，边梁通过节点传力、由角柱或中柱承受荷载，竖向龙骨和填充墙体均不直接参与竖向受力^[1,2]，如图4a所示。用于模块化建筑的集装箱改造模块也属于柱承重模块，常用的为20,40in(1in=2.54cm)箱模块单元。柱承重模块应用较广泛，也适用于单元变化较大、空间较开敞的模块化建筑。

　　图4 承重模块单元类型  

　　墙承重模块单元主要通过长边方向墙体承受荷载^[1,2]，如图4b所示。墙承重模块的空间布置不如柱承重模块灵活，适用于单元标准、平面布局规整、开洞少的模块化建筑，不宜用于3层以上建筑^[1]。

　　根据结构的不同形式和功能需求，还可采用框架-剪力墙模块^[1]，如图4c所示。S.G.Hong等^[8]对双层模块钢框架、带有双层钢板的框架-剪力墙模块框架进行了拟静力试验研究，其结果表明，钢板提高了结构整体刚度，并且钢板先于框架达到屈服、抗震性能较好。

　　其他模块适用于室外楼梯、走道、护栏、阳台、露台、雨棚、屋面等。

　　3 国内外研究的模块间连接

　　模块单元间连接节点设计对于模块化钢结构建筑整体的安全性、稳定性和适用性起着重要作用，国内外学者进行了大量研究，提出多种多样的节点连接形式。

　　3.1 焊接连接节点

　　C.D.Annan等^[9]对带斜撑的模块单元间全焊接节点进行了研究，如图5a所示。王燕等^[10]提出一种设置内套筒焊接连接模块间角柱，内套筒同时起到定位作用并设置水平连接板进行水平连接，如图5b所示，可避免螺栓拧不紧问题，但中节点连接操作面较小。郑亮之等^[11]提出一种焊接-螺栓组合连接，螺栓同时起定位作用，如图5c所示，节点不外露、不影响建筑外表面美观。

　　3.2 连接板、连接件螺栓连接节点

　　连接板螺栓连接节点如图6所示，一般包括定位件、连接板、螺栓，有的定位件与连接板焊接成一体，有的连接板兼有定位功能。A.J.Styles等^[12]提出的节点如图6a所示，包括设置侧板的水平螺栓连接和设置端板的竖直螺栓连接。V.A.D.Souza等^[13]对竖向螺栓连接的7层缩尺模块化框架模型进行了振动台试验，如图6b所示。S.S.Lee等^[14]研究的节点如图6c所示，在角部而非角件连接，柱角部开孔内设螺栓连接，研究表明柱上开孔降低了节点的强度和刚度但可提高其转动能力和耗能性能。A.W.Lacey等^[15]提出一种竖向定位件焊接在矩形钢管柱端板上、竖向螺栓连接、水平连接板连接的节点，如图6d所示。T.Gunawardena等^[16]提出的节点如图6e所示，上、下柱的端板构造不同，构造及尺寸兼具模块定位功能。S.Lee等^[17]提出一种在梁端设置加劲肋的全螺栓连接，加劲肋可弥补螺栓孔对梁截面的削弱，连接节点包括L形、T形、十字形，属于梁-梁连接，如图6f所示。毛磊^[18]提出一种槽钢边梁连接节点，如图6g所示，模块单元间相邻梁端的腹板、翼缘通过螺栓连接，安装时通过螺栓孔对齐定位、不设置额外的定位件。刘学春等^[19]提出一种柱端设置连接板的螺栓连接节点，通过螺栓孔对齐定位，如图6h所示。

　　图5 焊接连接节点  

　　图6 连接板螺栓连接节点  

　　连接件螺栓连接节点如图7所示，连接件是专业化设计的铸钢件，再通过螺栓、连接件进行节点连接^[20]，铸钢连接件可避免直接在模块单元构件角部进行连接造成的截面削弱、精度较差等问题，同时可工业化生产，提高生产安装的质量和效率。文献[21]中提到的D.Heather等提出的节点如图7a所示，水平方向通过连接件连接，竖向螺栓穿过角件孔洞与连接件连接。J.H.Doh等^[22]提出的节点如图7b所示，铸钢角件侧面、顶面设置螺栓孔以进行模块单元间的竖向、水平连接。C.Chen等^[23]提出的节点如图7c所示，角部连接件为十字形钢板加上、下2块盖板，盖板外侧设置螺栓孔进行螺栓连接。郭妍等^[24]提出的节点如图7d所示，除柱角部设置连接件在侧面进行螺栓连接外，同时在梁端设置螺栓孔和加劲肋进行梁端角部连接，结合图7a和图6f的特点，由于在柱角部侧面进行螺栓连接则最多适用于4模块单元间边节点的连接。Z.H.Chen等^[25]提出的节点如图7e所示，柱端设置插销连接件便于模块单元定位安装，在矩形钢管梁端通过贯穿双梁的对拉螺栓进行梁-梁扦销连接，另外通过墙角开槽解决梁端连接对内部装修的影响。李豫明等^[26]提出的节点如图7f所示，同样采用了柱端插销，与图7e的区别是在柱端进行与连接件的螺栓连接。

　　图7 铸钢连接件螺栓连接节点  

　　3.3 外套筒螺栓连接节点

　　S.S.Lee等^[27]提出一种外套筒螺栓连接节点，如图8a所示，通过外套筒作为连接件进行模块单元间节点连接。司启等^[28,29]也提出2种外套筒螺栓连接节点形式，如图8b,8c所示，在柱端、梁端的角部汇集处与外套筒连接板进行螺栓连接，外套筒同时兼有定位作用。这种节点连接较适用于角节点。

　　图8 外套筒螺栓连接节点  

　　3.4 十字板螺栓连接节点

　　K.S.Park等^[30]提出一种十字板螺栓连接节点，通过十字连接板和螺栓进行梁-梁连接，十字板同时具有一定的定位作用，可用于8模块单元的中节点连接，如图9a所示。E.F.Deng等^[31]提出一种铸头-十字板连接节点，如图9b所示，铸头的设置可更好地定位角柱，通过螺栓进行梁-梁连接。丁阳等^[32]提出的节点如图9c所示，在角件间设置十字板，采用对穿螺栓连接双柱端、十字板，适用于边节点。E.F.Deng等^[33]提出的节点如图9d所示，在角件之间通过十字板进行竖直、水平2个方向的螺栓连接，然后在角件外侧焊接封板，外部连接不影响内装修及建筑外观，适用于边节点。

　　图9 十字连接板螺栓连接节点 

　　3.5 自锁式连接节点

　　自锁式连接常用于闭口截面的连接中，可用于模块单元间的中节点连接，优先用于施工操作不便处，可快速安装、与内部装修不冲突。陈志华等^[34]提出一种自锁式连接，如图10a所示，在模块单元角柱端部设置自锁卯件，通过一个自锁榫件将中节点8个单元角柱定位、连接在一起。郑天心等^[35]提出一种自锁-扦销式连接，如图10b所示，下角柱端部的定位棱与上角柱端部的定位槽对应咬合锁紧，4对自锁连接外套环形箍扣固定约束，梁端通过对拉螺栓进行扦销连接，扦销连接垫板填充双梁间隙使得双梁组合受力，自锁-扦销式连接加强了节点抗剪能力，适用于多高层设计及抗震要求高的情况。X.M.Dai等^[36]、李浩然等^[37]提出不同形式的自锁式连接节点，分别如图10c,10d所示。夏军武等^[38]提出一种旋转自锁式连接节点，如图10e所示，当模块单元间上角柱插入下角柱时，下角柱内的凸出插板顶起上角柱内的旋转卡板，旋转卡板旋转90°直至旋转卡板上的柱杆锁入插板对应的沉孔中，上角柱中设置限位块限制下角柱的插板位置。

　　3.6 预应力连接节点

　　预应力连接通过对穿过角柱或角柱端部的螺杆施加预应力进行节点连接，对于中节点或边节点的连接都十分便利，但模块单元的拆卸、更换比螺栓连接复杂一些，并且柱-柱连接对柱整体施加预应力增加柱的轴力及轴压比，预应力连接是否能应用于多高层模块化建筑需具体情况具体分析。

　　R.Sanches等^[39]提出一种后张拉预应力连接节点，如图11a所示，模块单元间的上角柱和下角柱分别套在连接箱上，并通过中心的预应力棒进行柱-柱连接。张健等^[40]提出一种与基础、上下模块单元相连接的拉杆式预应力连接，由定位件、抗剪键、预应力拉杆组成，如图11b所示。Z.H.Chen等^[41]提出一种方钢管混凝土柱承重模块单元间的预应力连接，如图11c所示，竖向通过在钢管混凝土柱四角的预应力拉杆连接，水平方向由穿过连接板的预应力拉杆和抗剪键共同受力。李珺杰等^[42]提出预应力-扦销连接节点，如图11d所示。A.W.Lacey等^[43]提出一种角部预应力连接，如图11e所示，在柱角部开洞对模块间的连接杆施加预应力，连接板上、下设置抗剪键。

　　图1 0 自锁式连接节点  

　　3.7 其他形式连接节点

　　其他形式连接节点包括旋转式角件连接、卡孔式螺栓连接、梁柱无开螺栓孔连接、记忆合金螺栓连接、榫槽角钢系统连接、电磁铁连接、灌浆连接、螺栓-焊接组合连接等形式。

　　Z.H.Chen等^[44]提出一种旋转式角件连接，如图12a所示，类似于扭锁，模块单元定位后，旋转连接件并固定即完成连接。严加宝等^[45]提出一种楔子卡孔式螺栓连接，如图12b所示，模块单元定位后，通过操作柄拧紧螺栓，螺栓拧紧后其两侧楔子凸头卡入柱端预留孔洞完成连接，对连接件的加工精度要求较高。如图12c所示，夏军武等^[46]提出一种梁-柱无开孔连接，螺栓内置于柱端或梁端，拧紧螺栓需采用长柄扭具，连接不影响建筑外观。P.Sultana等^[47]提出的角部连接节点采用了形状记忆合金螺栓，如图12d所示。P.Sharafi等^[48]提出一种榫槽角钢系统连接，在模块单元间的梁外侧设置带凹凸榫槽的角钢，通过角钢系统的榫槽咬合进行模块单元间的连接，如图12e所示。舒赣平等^[49]提出一种电磁铁角件连接节点，如图12f所示。S.Milis等^[4]提出一种抗剪灌浆连接节点，如图12g所示，模块单元间上角柱内焊有限位件、下角柱焊有抗剪键，上、下模块安装后抗剪键、限位件扣合，然后从预留洞口进行灌浆连接。郑亮之等^[50]提出一种套筒灌浆-焊接节点，节点不外露不影响建筑外观，可用于对建筑外观有要求、不考虑拆卸的模块化建筑，如图12h所示。

　　图1 1 预应力连接节点  

　　图1 2 其他形式连接节点  

　　综上所述，本节对国内外研究提出的模块单元间连接节点形式进行了阐述，分析了节点的构造适用情况、结构性能、节点安装与其他专业系统的协调性。构造适用情况包括节点形式是否适用于角、边或中节点连接，结构性能包括是否适用于多高层或抗震性能要求较高情况。节点安装与其他专业系统的协调性包括节点形式是否对模块单元的内装修有影响，如梁-梁连接形式，以及节点连接适用于结构层面框架模块单元或建筑层面箱体模块单元的安装连接。

　　4 结语

　　1)模块化建筑钢结构体系主要包括纯模块结构、模块-框架混合结构、模块-钢框架支撑混合结构、模块-筒体/剪力墙混合结构。多高层采用纯模块结构体系时，可采取扩大底层模块单元钢柱截面或钢管混凝土柱承受竖向荷载、设置斜撑增加结构刚度抗侧力等措施满足多高层建筑的承载需求。

　　2)根据受力构件，模块单元可分为柱承重模块单元、墙承重模块单元，集装箱改造模块可归类于柱承重模块。柱承重模块应用较广泛;墙承重模块的空间布置不如柱承重模块灵活，适用于开洞较少、平面规整的建筑。

　　3)国内外研究的模块单元间连接包括焊接、连接板或连接件螺栓连接、外套筒螺栓连接、十字板螺栓连接、自锁式连接、预应力连接以及其他形式连接，分析了各类节点的构造适用情况、结构性能、节点安装与其他专业系统的协调性，可根据建筑设计、生产、安装等阶段的不同需求选择节点形式。