一种吊挂式模块化建筑结构及其施工方法与流程

本发明涉及一种模块化建筑结构，尤其涉及一种吊挂式模块化建筑结构，还涉及该吊挂式模块化建筑结构的施工方法。

背景技术：

模块化建筑是一种新兴的建筑结构体系，该体系是以每个房间作为一个模块单元，每个模块单元均在工厂中预制生产，并可在工厂对模块内部空间进行布置与装修，完成后运输至现场，模块化建筑的中心结构(如核心筒)通常是在现场施工完成，核心筒可以是现场浇筑的钢筋混凝土结构，也可以是钢结构或钢-砼组合结构，各单元模块之间以及单元模块与核心筒之间均通过可靠的连接方式组装成建筑整体。建筑模块单元内部通常是完备的，几乎不需要现场的技工，因而大量减少了现场的工作时间。与传统建筑的建造方式相比，模块化建筑具有可缩短工期、节约人力物力、绿色环保、品质精良等优点。

中国授权实用新型专利(ZL201420038867.1)公开了一种建筑模块和具有该建筑模块的中高层模块化建筑，包括：框架；分别设置在框架的顶面、底面和侧面的楼顶板、楼底板和墙体，所述墙体包括外墙、内墙和所述外墙与所述内墙之间的保温层，所述墙体上设置有门窗；连接部，其用于在所述建筑模块包围所述中高层模块化建筑的核心筒堆码时连接相邻的所述建筑模块、以及连接所述建筑模块与所述核心筒。中高层模块化建筑主要由核心筒和多个建筑模块单元组成，多个建筑模块包围核心筒并堆码成多层建筑结构。核心筒贯通整个建筑结构的高度，多个建筑模块和核心筒组合连接而构成建筑结构的一个楼层结构，由建筑模块组合构成的该楼层结构在核心筒高度方向逐层叠加而构成高层建筑。

但是，上述模块化建筑在施工过程中还存在着以下缺陷：

⑴模块化建筑采用叠加拼装方式，各建筑模块之间需要连接，而且每个建筑模块还与核心筒连接，建筑模块的骨架参与建筑结构的整体受力，即建筑模块的骨架就是建筑结构骨架的组成部分。该模块化建筑较适用于低、多层建筑(建筑层数小于7层)，在用于高层、超高层建筑(建筑层数大于10层)时，根据建筑模块的受力特点，按照叠加拼装方式，层层传力，建筑模块的骨架截面会呈现下大上小的状况，截面类型需增加较多，使得制造标准化、安装便捷性大打折扣。

⑵各建筑模块之间在水平向和竖向均有连接，造成现场安装节点较多，施工繁琐，延长了施工工期，而且安全隐患大，精度难以控制，不利于模块化建筑的推广应用。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提供一种可实现设计模数化、制造标准化、安装便捷、提高施工效率、缩短施工工期、安全性好、施工精度高的吊挂式模块化建筑结构。

本发明的第二个目的在于提供一种上述吊挂式模块化建筑结构的施工方法。

本发明的第一个目的通过以下的技术措施来实现：一种吊挂式模块化建筑结构，它包括竖向设置的中心结构和位于中心结构外围的数个模块单元，所述数个模块单元在竖向上排布成数层，位于不同层的各模块单元在竖向上一一对应，其特征在于：所述吊挂式模块化建筑结构还包括屋顶桁架和吊杆，所述中心结构的水平刚度和扭转刚度以及所述屋顶桁架和吊杆整体的竖向刚度满足建筑结构整体抗倾覆要求，所述屋顶桁架设置在中心结构的顶面上，所述吊杆为竖向设置且位于各模块单元外侧，所述吊杆的顶端连接在屋顶桁架的底面周缘上，最底层的模块单元处于地面以上，各模块单元的骨架与中心结构铰接，且各模块单元的骨架还与吊杆铰接，相邻层相对应的模块单元之间具有间隙，各模块单元不参与建筑物整体抗倾覆。

本发明在中心结构的外围设置模块单元，各模块单元与中心结构和吊杆分别铰接，由于中心结构的水平刚度和扭转刚度、屋顶桁架和吊杆整体的竖向刚度能够满足本行业相关规范的要求，相关规范是指《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》等，因此，各模块单元不需要参与建筑物整体抗倾覆，本发明在适用于高层、超高层模块化建筑时，解决了现有建筑模块的骨架截面类型增加较多以致制造标准化、安装便捷性大打折扣的技术难题，可实现设计模数化、制造标准化、安装便捷性；另外，本发明各建筑模块仅在水平向与中心结构连接，现场安装节点大大减少，简化了施工，缩短了施工工期，提高了施工效率，而且安全隐患小，精度易于控制，有利于模块化建筑的推广应用。

结构构件与构件之间的连接节点形式有刚接、半刚接和铰接，铰接是连接的形式之一。铰接是柔性连接，其只能提供竖向和水平反力，铰接的支座没有弯矩M，即铰接不能传递弯矩，但是可自由转动，铰接只能限制移动不能限制转动。铰接是通过节点构造来实现的，不同构件、不同截面，具体的铰接结构具有多种形式，此为现有技术。

本发明所述中心结构为钢筋混凝土核心筒、框架中心支撑结构或密柱框架中心支撑结构，也可以采用其它结构。

每层相邻的模块单元之间是否连接，要根据模块建筑功能布置及实际受力需要决定，满足现行规范要求即可。若每层相邻的模块单元之间需要连接，则每层相邻的模块单元之间相连以使每层的模块单元连接成一体。

相邻层相对应的模块单元之间无需连接，但是，为了避免模块单元与中心结构和吊杆之间的连接失效的情况发生，需要加设一道安全防线，相邻层相对应的模块单元之间相连以使模块单元在竖向上连接成一体。

作为本发明的一种实施方式，所述吊挂式模块化建筑结构还包括处于建筑结构边角位置的模块单元，所述处于边角位置的模块单元的骨架和与其同层相邻的模块单元的骨架相连。

当模块化建筑楼层数较多时，根据具体的受力情况，需要将吊杆沿建筑的高度方向分段吊挂，可根据桁架强度及刚度要求，在处于中间楼层的中心结构上增设用于吊挂吊杆的中间楼层桁架，所述中间楼层桁架至少为一个，当中间楼层桁架为一个时，吊杆分段吊挂在屋顶桁架与中间楼层桁架之间以及中间楼层桁架的下方；当中间楼层桁架为两个以上时，吊杆分段吊挂在屋顶桁架与处于最高位置的中间楼层桁架之间、相邻的中间楼层桁架之间以及处于最低位置的中间楼层桁架的下方。

作为本发明的一种优选实施方式，位于模块单元的外侧边角部位具有空心钢管状的角柱，该角柱称为外角柱，外角柱的上端连接模块单元的上楼板梁，而外角柱的下端则连接模块单元的下楼板梁，相邻层相对应的模块单元的外角柱上下相对应，所述吊杆穿过各层相对应模块单元的外角柱，在外角柱的底端且对应于该模块单元的下楼板位置设有固定在吊杆上的承托件，所述承托件承托住外角柱的底端。

本发明的第二个目的通过以下的技术措施来实现：一种上述吊挂式模块化建筑结构的施工方法，其特征在于具体包括以下步骤：

步骤1，在现场施工中心结构，并在工厂预制各模块单元；

模块单元可以是一个房间，也可以根据实际情况，将房屋的各分区合并为一个模块单元，以单身公寓为例，走廊、阳台、房间、卫生间可合并为一个模块单元。

步骤2，中心结构施工完成，在中心结构的顶面上架设屋顶桁架，在屋顶桁架的底面周缘上连接吊杆；

步骤3，将各模块单元运送至施工现场，再将最顶层的模块单元吊装至安装位置，并将该层的各模块单元的骨架与中心结构铰接，同时将各模块单元的骨架与吊杆铰接，使该层的各模块单元处于中心结构的外围，且吊杆处于各模块单元的外侧；

步骤4，再将处于最顶层模块单元下一层的模块单元吊装至安装位置，该层模块单元与最顶层的模块单元在竖向上一一对应，并将该层的各模块单元的骨架与中心结构铰接，同时将各模块单元的骨架与吊杆铰接，使该层的各模块单元处于中心结构的外围，且吊杆处于各模块单元的外侧，该层模块单元与其相对应的最顶层的模块单元之间具有间隙；

步骤5，重复步骤4，即自上而下逐层安装各模块单元直至完成最底层的各模块单元的安装。

本发明在设计阶段，要对建筑结构进行建模，计算建筑结构的整体抗倾覆，各模块单元不参与建筑物整体抗倾覆计算，中心结构的水平刚度和扭转刚度、屋顶桁架和吊杆整体的竖向刚度应满足建筑结构整体抗倾覆要求，这种计算方法是现有技术。

作为本发明的一种实施方式，在完成步骤5后，进行各模块单元之间的机电管线连接，或者在每层模块单元安装过程中，进行各模块单元之间的机电管线连接。

每层相邻的模块单元之间是否连接，要根据模块建筑功能布置及实际受力需要决定，满足现行规范要求即可。若每层相邻的模块单元之间需要连接，则可将每层相邻的模块单元之间连接以使每层的模块单元连接成一体。

相邻层相对应的模块单元之间无需连接，但是，为了避免模块单元与中心结构和吊杆之间的连接失效的情况发生，需要加设一道安全防线，将相邻层相对应的模块单元之间连接以使模块单元在竖向上连接成一体。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明在中心结构的外围设置模块单元，各模块单元与中心结构和吊杆分别铰接，由于中心结构的水平刚度和扭转刚度、屋顶桁架和吊杆整体的竖向刚度能够满足本行业相关规范的要求，因此，各模块单元不需要参与建筑物整体抗倾覆，本发明在适用于高层、超高层模块化建筑时，解决了现有建筑模块的骨架截面类型增加较多以致制造标准化、安装便捷性大打折扣的技术难题，可实现设计模数化、制造标准化、安装便捷性。

⑵本发明各建筑模块仅在水平向与中心结构和吊杆铰接，现场安装节点大大减少，简化了施工，缩短了施工工期，提高了施工效率，而且安全隐患小，精度易于控制，有利于模块化建筑的推广应用。

⑶本发明相邻层相对应的模块单元之间可以连接或不连接，可以使模块单元在竖向上连接成一体，增加了一道安全防线，避免模块单元与中心结构和吊杆之间的连接失效的情况发生。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的平面结构示意图；

图2是本发明沿图1中A-A断面图；

图3是本发明模块单元与中心结构、吊杆铰接的结构示意图；

图4是本发明的计算模型立面图；

图5是本发明的计算模型三维轴测图。

具体实施方式

如图1～3所示，是本发明一种吊挂式模块化建筑结构，它为二十三层的高层建筑，它包括竖向设置的中心结构1、位于中心结构1外围的数个为矩形体的模块单元2、屋顶桁架3和吊杆4，数个模块单元2在竖向上排布成二十三层，位于不同层的各模块单元2在竖向上一一对应，在本实施例中，中心结构1为两个核心筒，中心结构1的水平刚度和扭转刚度、屋顶桁架3和吊杆4整体的竖向刚度满足建筑结构整体抗倾覆要求，屋顶桁架3设置在中心结构1的顶面上，吊杆4为竖向设置且位于各模块单元2外侧，吊杆4的顶端连接在屋顶桁架3的底面周缘上，最底层的模块单元处于地面以上，各模块单元2的骨架与中心结构1铰接，且各模块单元2的骨架还与吊杆4铰接，相邻层相对应的模块单元2之间具有间隙，各模块单元2不参与建筑物整体抗倾覆。

参见图3，位于模块单元2的外侧边角部位具有空心钢管状的角柱，该角柱称为外角柱7，外角柱7的上端与下端分别与模块单元2的上楼板梁5和下楼板梁6连接，相邻层相对应的模块单元的外角柱7上下相对应，吊杆4穿过各层相对应模块单元的外角柱7(实现模块单元和吊杆的铰接形式)，在外角柱7的底端且对应于该模块单元的下楼板位置设有固定在吊杆4上的承托件(图中未画出)，承托件承托住外角柱7的底端，在本实施例中，承托件主要由螺母和托板组成，螺母拧固在吊杆上，托板由螺母向上顶托住外角柱7。

本实施例吊挂式模块化建筑结构为矩形体，吊挂式模块化建筑结构还包括处于建筑结构边角位置的模块单元，处于边角位置的模块单元的骨架和与其同层相邻的模块单元的骨架相连。在本实施例中，有四个边角位置，每个边角位置具有3个并列排布的处于边角位置的模块单元，三个模块单元均为与模块单元相同的矩形体，其中一个模块单元的侧面与同层相邻一侧的模块单元相连，三个模块单元的端部均与同层相邻另一层的模块单元相连。在其它实施例中，处于边角位置的模块单元还可以采用其它方式连接。

如图4和5所示，在处于中间楼层的中心结构上增设用于吊挂吊杆4的中间楼层桁架8，中间楼层桁架8至少为一个，当中间楼层桁架8为一个时，吊杆4分段吊挂在屋顶桁架3与中间楼层桁架8之间以及中间楼层桁架8的下方；当中间楼层桁架8为两个以上时，吊杆4分段吊挂在屋顶桁架3与处于最高位置的中间楼层桁架8之间、相邻的中间楼层桁架8之间以及处于最低位置的中间楼层桁架8的下方。

参见图4和5，是本发明吊挂式模块化建筑结构的案例计算模型，该计算模型中心结构混凝土核心筒厚300～400mm，模块单元的骨架为平面桁架结构，长×宽×高＝9.0×3.0×3.3m，桁架采用Q345钢，桁架弦杆钢管219×14，腹杆180×10；吊杆采用Q460的高强度钢棒，最大直径d＝35mm。本发明结构整体性能指标为：前三周期分别为1.4s(x向平动)、1.02s(y向平动)、0.55s(扭转)，地震分组为第一组，场地类别为Ⅳ类，7度多遇地震下最大层间位移角为1/2022，无刚度及抗剪承载力突变。因此，整体指标满足规范要求。

在其它实施例中，中心结构还可以是框架中心支撑结构或密柱框架中心支撑结构等。

每层相邻的模块单元之间是否连接，要根据模块建筑功能布置及实际受力需要决定，具体是要建模计算，满足现行规范要求即可，因此，在其它实施例中，可将每层相邻的模块单元之间连接以使每层的模块单元连接成一体。

相邻层相对应的模块单元之间可以连接或不连接，但是，为了避免模块单元与中心结构和吊杆之间的连接失效的情况发生，需要加设一道安全防线，因此，在其它实施例中，可将相邻层相对应的模块单元之间相连以使模块单元在竖向上连接成一体，当相邻层相对应的模块单元之间相连后，它们之间的间隙是没有的。

一种上述吊挂式模块化建筑结构的施工方法，具体包括以下步骤：

步骤1，在现场施工中心结构，并在工厂预制各模块单元；

模块单元可以是一个房间，也可以根据实际情况，将房屋的各分区合并为一个模块单元，以单身公寓为例，走廊、阳台、房间、卫生间可合并为一个模块单元。

步骤2，中心结构施工完成，在中心结构的顶面上架设屋顶桁架，在屋顶桁架的底面周缘上连接吊杆；

步骤3，将各模块单元运送至施工现场，再将最顶层的模块单元吊装至安装位置，并将该层的各模块单元的骨架与中心结构的骨架铰接，同时将各模块单元的骨架与吊杆铰接，使该层的各模块单元处于中心结构的外围，且吊杆处于各模块单元的外侧；

步骤4，再将处于最顶层模块单元下一层的模块单元吊装至安装位置，该层模块单元与最顶层的模块单元在竖向上一一对应，并将该层的各模块单元的骨架与中心结构的骨架铰接，同时将各模块单元的骨架与吊杆铰接，使该层的各模块单元处于中心结构的外围，且吊杆处于各模块单元的外侧，该层模块单元与其相对应的最顶层的模块单元之间具有间隙；

步骤5，重复步骤4，即自上而下逐层安装各模块单元直至完成最底层的各模块单元的安装。进行各模块单元之间的机电管线连接，或者在每层模块单元安装过程中，进行各模块单元之间的机电管线连接。

在上述施工过程中，在处于中间楼层的中心结构上增设中间楼层桁架，再将吊杆进行分段吊挂。

本发明在设计阶段，要对建筑结构进行建模，计算建筑结构的整体抗倾覆，各模块单元不参与建筑物整体抗倾覆计算，中心结构的水平刚度、竖向刚度和扭转刚度应满足建筑结构整体抗倾覆要求。

在其它实施例中，若有需要可将相邻层相对应的模块单元之间连接以使模块单元在竖向上连接成一体。也可将每层相邻的模块单元之间连接以使每层的模块单元连接成一体。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。