山东建筑大学学报稿件信息
国内钢结构模块建筑梁柱连接节点研究进展
叶景荣1，于宏2
（广州大学 广州510006）
摘要：近年来，随着我国建筑工业化进程不断推进，钢结构模块建筑凭借其节约资源，对环境无污染、施工速度快，质量可靠、抗震性能好等诸多优点受到了国内诸多学者的青睐。笔者对目前国内外钢结构模块建筑梁柱节点相关研究进行了总结，指出了目前国内钢结构模块建筑梁柱节点研究的不足，并对未来模块建筑梁柱节点的研究提出了几点建议。
关键词：钢结构;模块化建筑;梁柱节点;研究进展
Research progress on domestic beam-column joints of steel structure modules
Abstruct: In recent years, with the continuous advancement of China's building industrialization process, steel structure module building has been favored by many scholars in China because of its resource saving, environmental pollution-free, fast construction speed, reliable quality and good seismic performance. The author summarizes the research on the beam-column joints of steel structure modules at home and abroad, points out the shortcomings of the research on the beam-column joints of steel structure modules in China, and puts forward some suggestions for the research of future building beam-column joints.
Keywords: Steel structure; modular building; beam-column joint; Research progress.
0.引言
近年来，随着我国建筑业企业生产和经营规模的不断扩大，建筑业总产值持续增长，我国房屋建设的年增量已跃居全球榜首。然而，目前国内绝大多数的建筑仍是采用传统建筑业粗放型的、劳动密集型的湿作业为主的手工生产方式。这种粗放的生产方式存诸多弊端，如：在建设周期长、资源消耗大且浪费严重，污染环境、效率低下、施工质量难以保障等。据统计建筑业每年温室气体排放量占全球排放量的30%，消耗全球能源40% [1]；而建筑业协会今年5月发布的2017年建筑业发展统计分析显示，我国建筑业企业房屋竣工面积中住宅竣工面积所占比重最大，为66.90%[2] 。如此庞大的住宅建筑产业，若继续采用传统的生产方式，那么给环境带来破坏将是不可逆转的；这与我国长期坚持的可持续发展战略相违背；因此寻求一种既能适应国民经济快速发展，又能又能满足国家可持续发展要求的建筑生产方式迫在眉睫，而建筑工业化的理念正好符合这一需求。
1.建筑工业化
建筑工业化是随西方工业革命出现的概念，是指通过现代化的制造、运输、安装和科学管理的生产方式，将建筑设计标准化，建筑构件工厂化生产，将建筑构配件运至现场机械装配的一种全新的建筑生产方式。建筑工业化可以最大限度的降低建筑生产过程对环境造成的污染，节约能源，提高生产率，保障施工质量，降低工程成本、缩短建设周期。
早在20世纪 60 年代末，国外发达国家的住宅建设就已建立了完整的工业化生产体系； 20世纪 90 年代后，住宅产业化已走向成熟，发展重心转向节约能源、降低资源消耗、倡导绿色、生态、可持续发展[3]。目前，在发达国家的住宅建设中，工业化住宅已经占据相当的市场份额；日本工业化住宅已经占据市场份额的20％~25％；美国为31％，而瑞典则高达 60%以上[3]，西方发达国家的经验告诉我们建筑工业化是工业高度发展的必然结果。
实际上，早在1956 年国务院就颁布了《关于加强和发展建筑工业的决定》，指明了建筑工业化是建筑业的发展方向[4]；1995建设部又印发了《建筑工业化发展纲要》，旨在加快我国建筑工业化发展步伐，确保各类建筑特别是住宅建筑的质量和功能，优化产业结构，改善劳动条件，大幅提高劳动生产率[5]。2002年建设部又发布了《钢结构住宅产业化技术导则》目的是促进我国钢结构住宅建筑发展，完善建筑体系，提高我国住宅建筑产业化水平。2016年2月，国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，该意见明确提出要积极稳妥推广钢结构建筑；3月，李克强总理作《政府工作报告》中，明确要求“大力发展钢结构和装配式建筑，提高建筑工程标准和质量”；11月，住房城乡建设部在上海召开全国装配式建筑现场会，该会强调了“全装修”概念。全装修是指建筑的功能空间的固定面装修和设备设施安装全部完成，达到建筑使用功能和建筑性能的基本要求[6]。2017年4月，住房和城乡建设部印发《建筑业发展“十三五”规划》，指出我国建筑业发展仍然存在发展方式粗放的问题，并对绿色建筑、装配式建筑发展提出了量化目标[7]。这一系列政策的出台可以看出我国对建筑工业化的重视程度，以及我国对钢结构建筑的大力支持。
就目前来看，可以确定的是建筑工业化是我国建筑业产业的必由之路[8]。而“全装修”式的模块建筑作为目前部品化率最高的一种建造方式，能够极大限度的利用工业生产条件，笔者认为“全装修”式的模块建筑将是建筑工业化的终章。而面对我国钢铁产能过剩问题，以及钢结构具有加工性能好、适合工厂化生产、质量较轻、便于装配拆卸及运输等混泥土结构无法比拟的优越性。未来大力发展钢结构模块建筑将是最好的选择；尤其符合我国发展绿色建筑，走可持续发展之路的要求。因此钢结构模块建筑在我国住宅产业化、建筑工业化进程中的地位不可取代。
3.模块建筑及优势
模块建筑是建筑工业化的必经之路，模块化是指将建筑分解成多个标准的三维空间模块，在工厂预制完成，运输至现场进行装配。工厂工作包括装饰装修、水电、设备安装等，而现场工作则是少量的基础施工以及模块结构之间、设备管线之间的连接。通常模块化建筑的装配完成即代表着整个模块化建筑已建造完成。模块化建筑采用工厂流水线式生产方式，这与传统建筑生产方式截然不同，与传统建筑相比，模块化建筑存在诸多优点：
（1）节约资源；模块化建筑采用钢结构建筑，这是由模块化建筑要求质量轻，方便吊装这一特点所决定的。因此，干作业施工可以大大减对水资源浪费，且模块建筑工厂化生产，资源利用率高；模块建筑还具有拆卸方便的优点，可重复利用，减少资源浪费。（2）施工绿色文明；模块化建筑绝大部分施工作业在工厂内完成，很大程度的降低建筑生产活动产生的建筑垃圾，粉尘、噪音、光等对周围环境产生的影响，真正做到文明施工。（3）缩短建设周期；模块化建筑室内和室外两部分工作可同时进行施工，工厂加工模块的同时可一边进行基础施工，且模块建筑设计标准化、采用流水线作业，与传统建筑粗放作业相比大大提高了劳动生产率，加快了建造速度，缩短了工期，有利于资本回收。（4）保证施工质量；模块化建筑绝大部分工作都是在室内完成的，只有少部分的连接及基础施工在户外完成，工厂环境比户外稳定，模块单元的建造工序基本一致，工人负责单一的工序，不易出错，施工质量可控，且方便模块施工质量检测，保证施工质量；（5）不受环境影响;模块化建筑95%的工作都是在工厂内完成的，因此，模块化建筑施工受天气影响较小，不会因为恶劣的天气影响施工进度。（6）抗震性能优越；钢结构模块住宅建筑结构一般采用钢框架或钢框架—支撑结构体系。对于超高层建筑，则采用消能减震支撑结构体系，钢结构承载力高，延性好，且连接节点可靠，即使在大地震作用下，也可达到经一般维修仍可继续使用的性能目标，其抗震性能远高于现浇或装配式钢筋混凝土结构[3]。
4.国内钢结构模块建筑连接节点研究现状
目前，国内对模块建筑没有一个统一的概念，但笔者认为装配式建筑自始至终伴随着钢结构施工，随着我国工业化水平的提高，装配式建筑设计逐渐模块化，施工趋于标准化。而模块建筑却是一个全新的概念，二者存在本质的区别。装配式建筑只是简单的将建筑构件模块化，而模块建筑是三维空间模块的装配，模块建筑连接节点交接处存在明显的“八柱十六梁”特征。
2014年，北京工业大学的张爱林、刘学春、倪真、徐阿新等人提出了一种模块化装配式斜撑节点（图1- 1），对该节点进行了试验研究，分析了其承载能力以及抗震性能。基于这种斜撑节点，对钢框架进行了试验及有限元分析，得到了框架的承载能力以及破坏机理，研究表明模块化装配式带斜撑节点的构造形式具有良好的抗震性能；并进一步提出了模块化装配式高层钢结构全螺栓连接节点（图1- 2），对该节点进行了静动力性能试验以及有限元分析，对焊接、栓接、栓焊混合连接节点进行对比分析，发现焊接节点极限承载力最高，但塑性变形主要集中在节点域，不能符合强节点弱构件的抗震设计原则；栓接节点接触面容易滑移；栓焊混接承载能力低，但是其有着较好的延性及抗震性能[9]-[11]。
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2016年，北京工业大学刘学春、张译文、詹欣欣、周小俊等人提出了一种模块化多高层钢结构异形柱梁柱节点连接装置[12](图1- 3)，但并未对此连接节点进行受力性能研究。2017年，北京工业大学的刘学春、杨志炜、王鹤翔、张爱林等人通过对H型全螺栓连接节点(图1- 4)进行有限元分析，发现通过调整盖板螺栓数量和规格，可以实现梁柱刚性连接和变刚度连接，变刚度连接时，可实现多遇地震作用下不滑移，设防地震和罕遇地震作用下利用盖板与梁翼缘相对滑移耗散地震能量; 通过分析螺栓接触面的滑移，认为盖板与梁翼缘滑移构造提高了梁端的变形能力，延性以及耗能能力，实现了摩擦耗能[13]。笔者认为以上学者提出钢结构连接节点不存在典型的“八柱十六梁特征”应属于装配式建筑连接节点，并不是模块建筑连接节点。
2018年，北京工业大学的刘学春、任 旭、詹欣欣等人提出一种盒子式模块化装配式钢结构建筑体系，并对提出的结构体系中梁柱节点(图1- 5)进行受力性能进行研究。对改变法兰盘厚度、螺栓规格及梁翼缘是否栓接等参数，建立了有限元模型，并进行了静力和拟静力分析，发现螺栓规格较大的模型承载力更高，法兰盘厚度对模型承载力的影响不大，梁翼缘栓接能够提高节点的承载力；节点的延性系数满足抗震设计要求[14]。此节点是典型的模块化建筑连接节点，但模块之间连接时与内部装修相冲突，因此笔者认为此运用此节点进行连接的模块建筑
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不能达到“全装修”模块的要求。
2015年，天津大学陈志华，刘佳迪，张鹏飞等人提出一种钢模块建筑结构与传统钢框架结构的连接节点[15] (图1- 6)，此节点较好的解决了模块建筑与传统建筑的连接问题，但陈等人暂未对此连接节点进行受力性能研究。
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2017年，青岛理工大学的杨怡亭、王燕、刘明扬等人提出了两种相似的钢结构模块建筑结构连接节点，并对其中一种连接节点(图1- 7)进行了受力性能研究，对改变连接板及内套筒厚度，建立了7个有限元模型，并进行有静力分析，对比发现连接节点钢梁与方钢管柱连接区域形成塑性铰，连接板孔洞边缘区域出现应力集中；且改变连接板厚度和内套筒厚度对节点承载力影响不大；但增加内套筒厚度可以改善内套筒的应力集中现象[16]-[19]。但杨等人并为对此节点进行拟静力分析或试验研究，无法评估此节点的抗震性能。
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2018年，天津大学的邓恩峰、宗亮、丁阳等人提出一种新型模块建筑螺栓-封板组合节点(图1- 8)，可在建筑外部完成模块的连接，解决了已经完成隔墙、楼板等内部装饰的模块间连接的难题。并对其传力路径进行分析，在假设上部模块地板梁和下部模块天花板梁无组合效应的前提下，建立了其简化力学模型，推导了其初始转动刚度和抗弯承载力计算公式。并通过试验证明了简化力学模型和理论计算公式的合理性。在此基础上，进一步提出了该节点的设计方法。[20]邓等人提出新型模块化建筑节点很好的解决了模块]外部连接与内部装修的问题，但此增加了此节点吊装后的焊接工作，一定程度上减缓了施工速度，增加了建设周期。
5.总结
笔者总结国内钢结构模块建筑梁柱节点的相关研究，认为还需在以下几个方面进行深入研究：(1)目前国内大多数学者都致力于模块与模块之间的连接，鲜有学者对模块与基础连接或模块与传统框架的连接进行深入研究，而模块建筑与基础的连接是决定模块建筑抗震性能的关键，因此笔者认为还需进行对模块建筑与基础连接的相关研究。(2)在模块建筑中存在典型的“八柱十六梁”特征，上一模块的底梁与下一模块顶梁以及模块邻柱之间是否存在组合效应，模块建筑连接节点与传统钢框架连接节点的传力机制有何区别，笔者认为这值得国内学者做进一步的研究。(3)国内学者提出的模块建筑连接节点各有优势，但大部分模块在吊装连接时都会影响内部装修，而但针对“全装修”模块的连接节点少之又少，因此想要提高模块建筑的部品化率，以达到全装修模块的要求，就必须解决外部模块间的连接与内部装修相冲突的问题，因此提出一种结构简单，可用于“全装修”模块的连接节点迫在眉睫。(4)考虑模块建筑是由多个三维空间模块装配而成的，与传统钢框架建筑相比，钢结构模块建筑的抗连续倒塌能力相对较差，如何提高钢结构模块建筑的鲁棒性，还学要国内学者进行深入研究。
参考文献
[1] 中国建设报，建筑业企业应加快“绿色化”布局，2017
[2] 中国建设报，在奋斗中感受幸福—从2017年建筑业数据说开去，2018
[3] 张肇毅，钢结构模块建筑发展趋势的研究，中国建筑金属结构，2015(5):68-71
[4] 中华人民共和国国务院，关于加强和发展建筑工业的决定，1956
[7] 中国建设报，《建筑业发展“十三五”规划》解读，2017
[8] 王宁，模块化-建筑产业化发展的必由之路，建筑，2015(9):6-13
[9] 刘学春，徐阿新，倪真等，模块化装配式钢结构梁柱节点极限承载力分析与
抗震性能研究，工业建筑，2014，08：23-26+60
[10] 刘学春，徐阿新，张爱林等，模块化装配式高层钢结构节点静力性能分析与试验研究，工业建筑，2014，08：27-34
[11] Liu X C, Xu A X, Zhang A L, et al. Static and seismic experiment for welded joints in modularized prefabricated steel structure[J]. Journal of Constructional
Steel Research, 2015, 112:183-195
[12] 刘学春,张译文,詹欣欣,周小俊, 一种模块化多高层钢结构异形柱梁柱节点连接装置, 中国专利，CN105569189A，2016-05-11
[13] 刘学春，杨志炜，王鹤翔，张爱林等，螺栓装配多高层钢结构梁柱连接抗震性能研究，建筑结构学报，2017(6):34-42
[14] 刘学春，任旭，詹欣欣，张艳霞，一种盒子式模块化装配式钢结构房屋梁柱节点受力性能分析，工业建筑，2018 (5) :62-69
[15] 陈志华，刘佳迪，张鹏飞等，一种钢框架与钢结构模块连接节点，中国专利，
CN104775517A，2015-07-15
[16] 王燕，刘明扬，杨怡亭，韩明岚，刘芸，模块化钢框架连接装置及其连接方法，中国专利，CN106522363A，2017-03-22
[17] 王燕，刘明扬，杨怡亭，韩明岚，刘芸，模块化钢框架连接装置，中国专利，CN206233358U，2017-06-09
[18] 杨怡亭，王燕，韩明岚，刘芸，刘明扬，用于连接模块化钢框架的连接装置及其连接方法，中国专利，CN106522374A，2017-03-22
[19] 杨怡亭，王燕，韩明岚，刘芸，刘明扬，用于连接模块化钢框架的连接装置，中国专利，CN206289743A，2017-06-30
[20] 邓恩峰, 宗亮, 丁阳. 钢结构集成模块建筑新型节点力学性能研究[J]. 天津大学学报, 2018, 51(7).
