Huu-Tai Thaia、Tuan Ngoa、Brian Uyb

a墨尔本大学基础设施工程系，帕克维尔，VIC 3010，澳大利亚

b悉尼大学土木工程学院，悉尼，新南威尔士州 2006，澳大利亚

摘 要

模块化施工被认为是一种改变游戏规则的技术，因为与传统的现场施工相比，它可以提供更快的施工、更安全的制造、更好的质量控制和更低的环境影响。由于高层建筑固有的拓扑模块化形式和可重复模块数量的增加，这些好处可以在高层建筑中最大化。然而，由于缺乏坚固的结构系统和连接技术来确保完全模块化建筑的结构完整性、整体稳定性和坚固性，目前高层建筑模块化建筑的应用非常有限。此外，缺乏设计指南也阻碍了建筑行业实施此类技术。

随着结构系统和材料的最新进步，模块化建筑在高层建筑中的实际应用具有巨大的潜力。本文对高层建筑模块化施工技术的最新创新进行了批判性回顾，重点关注结构系统、连接技术、渐进式倒塌和结构坚固性。还讨论了模块化结构设计规范的发展。

本文最后强调了阻碍模块化结构广泛采用的技术挑战，并提出了未来研究的潜在解决方案。这篇综述论文有望成为该研究领域的专家、研究人员和专业人士的完整参考。

关键词：模块化建造；模块化高层建筑；模块间连接；渐进式倒塌和结构坚固性；模块化设计

1.介  绍

装配式建筑是指在工厂制造建筑构件并运至建筑工地进行安装的施工过程。与传统的现场施工相比，它具有显着的优势，例如更快、更安全的制造、更好的质量控制和更低的环境影响 ，从而在材料效率、减少现场浪费（高达 90% ）方面带来可持续性效益）并改善工作条件 。根据最近项目的案例研究，使用模块化施工技术可以减少 50% 的施工时间，节省 20% 的成本 。

装配式建筑的概念并不新鲜，但其技术、经济需求和不断变化的思维方式吸引了前所未有的兴趣和投资浪潮。预计它将通过用更少的美元快速提供住房供应来解决经济适用房危机。

根据预制程度，预制建筑可分为三类：1D 单元、2D 板式系统和 3D 体量系统 。镶板和体积建筑，也称为模块化建筑，是最有效的预制建筑类别，因为它允许建筑物 的 70% 到 95% 在工厂预制，然后运输到现场组装。

因此，这种方法被认为将塑造建筑行业的未来。本文将重点讨论模块化建筑，在香港也称为模块化集成建筑（MiC），在美国称为永久模块化建筑（PMC），以及在新加坡称为预制预制体积建筑（PPVC）。

模块化单元有三种主要的施工方法，如图图1所示。在基于核心筒的方法中（图1a)、所有模块都聚集在一个或多个稳定核心周围。模块化单元的设计仅能抵抗建筑物整个高度上的垂直重力荷载，而风和地震作用产生的侧向力则由核心筒分别抵抗。因此，横向隔膜以及模块和核心之间的连接应该足够坚固，以将横向载荷传递到核心结构。核心筒可以由预制混凝土或现浇钢混凝土复合墙建造，并且可以通过在地板和天花板内提供额外的支撑系统来最大化建筑高度。

在基于裙楼的方法中（参见图1b)、将模块化单元放置在设计为传统钢、混凝土或钢-混凝土混合结构的裙房或平台结构的顶部。裙楼作为模块化单元的基础，可以围绕高层建筑的核心堆叠或聚集。这种方法特别适用于混合用途建筑，其中裙楼结构可以提供零售或商业用途或地下停车场的开放空间。在填充框架方法中，模块化单元放置在主要框架结构的梁和柱之间，如图所示图1C。由于主体框架结构采用常规方法在现场施工，保证了模块化建筑的整体稳定性。

模块化建筑在公寓、学校、办公室、宿舍、酒店和医院等具有重复单元的结构中是首选。模块化结构的好处，由于重复模块数量的增加，高层应用将最大化。在澳大利亚、英国、新加坡和美国，模块化建筑的使用呈增长趋势，这些国家的劳动力成本和住房短缺问题备受关注。

尽管过去三十年来模块化建筑已广泛应用于低层建筑，但其在高层建筑中的应用仍然有限（不到1%）。这是因为建筑行业由于缺乏（i）设计指南，（ii）强大的模块间连接技术，以及（iii）对结构行为、整体稳定性和模块化建筑的结构坚固性。最近的一项理论研究[19]证实了如果上述技术挑战得到解决，将模块化建筑扩展到高层建筑的可行性。因此，当前模块化高层建筑的研究趋势集中在解决这些技术挑战上。

本文将探讨高层建筑模块化施工技术的最新创新。审查将重点关注（i）高层建筑模块化技术的最新应用，（ii）高层建筑的结构系统，（iii）模块间连接技术，（iv）模块化建筑的渐进式倒塌和结构坚固性，（v）和模块化建筑的结构设计指南。最后，提出了解决模块化结构现有技术挑战的未来建议。应该指出的是，最近对模块化建筑的评论主要集中在与结构性能、模块化建筑的挑战和机遇以及模块间连接的性能相关的其他方面。因此，这篇综述论文将为该研究领域的专家、研究人员和专业人士提供完整的参考。

2.模块化技术在高层建筑中的应用

模块化结构已广泛应用于世界各地的低层建筑，特别是在英国、北美、中国、新加坡和澳大利亚。尽管在高层建筑中实施模块化建筑技术存在技术挑战，但由于制造和材料技术的进步，近年来已经建造了一些模块化高层建筑。然而，全球模块化高层建筑的数量仍然有限（不到1%）。

本文仅对世界上最高的十座模块化建筑进行了审查，总结如下：表格1。可以看出，采用3D体积模块建造的模块化高层建筑大多以钢材为基础，而惩罚性和体积法相结合建造的模块化高层建筑则普遍采用混凝土。

尽管澳大利亚采用模块化建筑技术的速度慢于北美、欧洲和亚洲的国际同行，但澳大利亚建筑业目前正在经历模块化建筑的快速增长。事实证明，世界上十座最高的模块化建筑中有四座是在澳大利亚建造的过去五年如图所示表格1。其中值得注意的是墨尔本的 Collins House，它目前创下了世界最高 60 层模块化建筑的新纪录。

世界上十座最高的模块化建筑中有三座最近在澳大利亚建造（全部位于墨尔本），如图所示图2使用Hickory集团（澳大利亚模块化建筑先驱）开发的一种名为Hickory建筑系统（HBS）的特殊结构单元用于高层预制建筑。HBS 是一种最先进的系统，它将建筑物的核心、剪力墙和外墙集成到结构中。创新的 HBS 系统由各种预制镶板模块（例如承重墙、电梯和楼梯核心筒以及轻质混凝土地板）组成，通过湿接缝 在现场连接，如图所示图3b。图3a显示了HBS系统的典型模块，最长的模块长达17 m，重26吨。HBS系统的使用不仅减少了施工时间（与传统施工方法相比从30%到50%）并最大限度地减少了材料和能源浪费，而且还最大限度地提高了质量和安全性。

图2a 显示了 2019 年采用裙楼设计方式竣工的 60 层柯林斯住宅项目。裙房结构至第 14 层均采用传统方法用混凝土建造，其余楼层则采用 HBS 方法建造。该项目仅用了 29 个月就完成了，比传统方法快了 30%。澳大利亚第二高的模块化建筑是 Atira 学生宿舍，于 2018 年竣工，如图所示图2b.该建筑还因其创新和高效的施工方法（比传统施工方法快30％）而获得了高层建筑与城市人居委员会（CTBUH）颁发的卓越施工奖。该建筑由从底层安装的 285 个HBS 模块（尺寸为 12×3×3 m，重量为 20 吨）组成。澳大利亚使用 HBS 系统建造的另一座模块化建筑是 La Trobe Tower，如图所示图2C。拉筹伯项目是一座 44 层住宅塔楼，在 19 个月内完工（比传统施工方法快 30% ）。建筑的前三层采用常规方法建造，其余各层采用HBS系统采用模块化方法建造，最大模块尺寸为17×4.5×3 m，重22吨。

世界第十高的模块化建筑（表格1）是 SOHO 塔，它也是在澳大利亚建造的，采用的结构系统如图所示图4A。该建筑于 2014 年竣工，还创下了采用体积模块化方法建造的世界最高模块化建筑的新纪录 。SOHO 塔楼高 29 层，采用 PPVC 裙房法建造（参见图1b).裙楼结构由地下室和八层组成，采用传统施工方法用混凝土建造，而其余楼层则使用钢模块建造在裙楼上，如图所示图4b.这些模块尺寸为10×4.2×3.9 m，重量为22吨，由轻质混凝土板、混凝土天花板梁和钢柱组成，专门设计用作混凝土填充的永久模板，用于开发现场组合柱（看图4b).

模块化建造在我国高层建筑中的应用最早由远大可持续建筑，在这项技术中，钢结构建筑占90%以上的部件，包括楼板盒和框架系统等结构构件，都是在工厂制造的，然后使用螺栓连接方法运输到现场组装。

近年来，新加坡政府大力鼓励住宅项目采用模块化建筑。自2014年起，公共住宅建筑强制采用模块化建筑。新加坡建筑局最近还出版了一系列有关制造和装配设计（DfMA）技术的指南，为从业者提供关于如何设计、制造和装配模块化建筑以实现模块化建筑的实用指导。DfMA 方法的全部优点。此外，新加坡政府还提供了大量财政援助，支持新加坡建筑业采用 DfMA 来提高质量和生产力。参考文献中报告了新加坡当前的模块化建筑项目清单。表明当前大多数模块化建筑的建造高度都达到 20 层。最近完成的只有一个项目（Clement Canopy Tower）高达 40 层，成为新加坡最高的模块化建筑。该塔创下了采用 PPVC 方法建造的世界最高混凝土建筑的新纪录 。克莱门特酒店天篷塔也是世界上最高的模块化建筑之一。

Clement Canopy 项目由双塔组成，共有 505 个住宅单元，如图所示图9a 采用基于核心的方法，由1,899 个预制预制体积混凝土模块建造而成，具有 48 种不同的模块形状 。每个模块均在场外工厂预制，墙壁、地板、天花板和 MEP 系统的饰面约为 85%，然后运输到施工现场并使用湿接缝连接到混凝土核心，如图所示图9b.该项目展示了使用 PPVC方法在节省施工时间(30%) 和减少环境影响（高达70% 现场废物和 30% 场外废物）方面的优势 。

英国率先开发了高层建筑模块化施工技术。Lawson 等人还介绍了 12 层、17 层和 25 层模块化高层建筑的案例研究。本次评论仅关注十座最高的模块化建筑。包括 Croydon Tower（44 层）和 Apex House（29 层）。

Croydon Tower项目由一栋44层和38层的住宅塔楼组成，共有546套公寓。该塔目前正在建设中，如图所示图10。明年初竣工后，该塔将创下世界最高的 PPVC 模块化建筑纪录。该塔采用核心筒和裙房相结合的方法建造，双核心筒和裙房结构通常采用混凝土建造。模块的安装于 2019 年 2 月开始，每层 38 个模块（完成率 95%）位于二楼 1.8 m 厚的混凝土裙楼上 。共有 1,525 个模块，具有 23 种不同的配置。每个模块均由角支撑钢框架制成，如图所示图12b 采用 60 毫米厚的方形空心型材 (SHS)。钢模块的 SHS 柱的尺寸从 300 毫米（在建筑物的底部模块）到 150 毫米（在建筑物的顶部模块）不等 。该项目还展示了模块化施工相对于传统施工方法的优势，可节省 30% 的施工时间并减少 80% 的建筑垃圾 。

英国的另一座模块化建筑跻身世界十大最高模块化建筑之列表格1图中显示的是伦敦的 Apex House图 11.这是一栋29层的学生宿舍，两侧有两个八层的侧翼，采用基于核心筒的体积模块化建造方法建造。共有 679 个八种不同配置的模块被固定在第二层的转移混凝土板上 。每个钢模块都配有厚角柱，以将垂直载荷转移到基础上。带有钢支撑结构的较大模块安装在塔楼两翼的末端，而较小的模块则聚集在混凝土核心（7.5 m 见方，厚度为 0.3 m）周围。所有钢模块均采用现场焊接连接。

在模块化建筑创新和进步方面，北美落后于英国、澳大利亚、新加坡和中国等其他国家。尽管近年来美国出现了越来越多超过 10 层的模块化高层建筑，并且钢模块的使用也有所增加 ，但超过 20 层的模块化高层建筑的数量相当有限。目前仅确定两座超过 20 层的已竣工模块化建筑，其中包括 2016 年竣工的纽约 32 层 B2 塔，该塔出现在《世界最高模块化建筑 10 强》中。

位于纽约的B2塔项目由363套公寓组成，堆叠成一座32层的建筑，如图所示图12。2016 年竣工后，B2 塔成为世界上最高的体积模块化建筑 。该建筑采用裙房法建造，裙房结构上堆叠了930个钢模块单元，裙房结构由传统的混凝土地下室板、混凝土围墙和钢框架底座建造而成，如图所示图12A。采用一系列支撑模块化钢框架来抵抗横向风荷载和地震荷载（参见图12A）。典型的钢模块底盘框架如图所示图12b由SHS柱（通常为150×150毫米）、矩形空心截面（RHS）地板梁（通常为200×100毫米）、RHS天花板梁（通常为100×100毫米）和RHS中间柱（通常为50×75毫米）组成）。该模块的地板和屋顶系统也由钢制成，因此与传统的混凝土模块相比，该模块相当轻（轻 65%）。由于开发商与其合作伙伴之间的纠纷，该塔的建设被推迟，长达四年才完成。

3.模块化高层建筑的结构系统

模块化单元是模块化建筑的主要承重部件。模块化高层建筑模块的各种结构形式已被开发出来，通常可分为两类：2D 板式系统和 3D 体量系统。2D 面板系统通常需要更多的现场组装，而 3D 体积系统则更多地在场外进行预加工。2D 面板系统的装配工作比 3D 体积系统更复杂，因为它需要更多的内部精加工。然而，2D 面板系统比 3D 体积系统提供更大的灵活性 。2D 面板系统和 3D 体积系统的组合，即混合系统，也可以用于模块化高层建筑，以充分发挥每个系统的优势。这种混合系统已被 Hickory 集团在澳大利亚广泛使用，为世界上十座最高的模块化建筑中的三座开发了 HBS 系统。

3D 系统最适合具有高重复性的项目。基于四层建筑的案例研究，麦肯锡报告称，与传统施工方法相比，使用 3D 系统可以节省 24% 的成本，而混合和 2D 系统相应节省 20% 和分别为 17%。

二维镶板系统在中国和澳大利亚广泛使用，尤其是模块化高层建筑。在澳大利亚，Hickory 通过由预制混凝土板组成的混合 HBS 系统率先开发了 2D 面板系统。示例如下所示图14， 混凝土墙和混凝土地板通过湿接缝在现场连接（参见图3b).混合 HBS 系统已成功应用于世界上十座最高的模块化建筑中的三座，包括 Collin House（60 层）、Atira Student Accommodation（44 层）和 La Trobe Tower（44 层）。需要注意的是，现场组装工作比传统方法简单得多，但与3D模块结合时就变得更加复杂。此外，该系统还比容积式系统需要更多的内部精加工。

有几种类型的 3D 体积结构系统是为使用钢或混凝土的模块化高层建筑而开发的。然而，钢模块广泛用于高层建筑，因为它们具有可持续性、连接简单、设计灵活性和高强度重量比等显着优势。事实证明，世界上五座最高的模块化建筑中有四座是采用 3D 体积法建造的（参见表格1）基于钢模块。混凝土模块的主要缺点是其起重重量（比钢模块重25%至30%）, 这导致塔式起重机的成本增加。值得注意的是，木材和冷成型轻钢模块在欧洲和英国也被广泛使用。然而，由于垂直承载能力非常低，它们的应用仅限于四层以下的低层建筑。

典型模块化单元的长度通常为 6 至 12 m，而钢模块的重量可能为 15 至 20 吨，混凝土模块的重量为 20 至 35 吨 。典型模块化单元的尺寸受到运输和起重要求的限制。例如，新加坡不需要警察护送的道路运输的最大宽度、高度和长度分别为 3.4 m、4.5 m 和 12 m ，而允许的澳大利亚和美国的宽度通常约为 3.5 m 。此外，建筑工程中使用的塔式起重机的最大起重能力大多在20吨左右，超过20吨的塔式起重机的成本可能会增加高达60%。因此，运输和吊装要求是确定模块尺寸和吊装重量的主要限制因素。对于高层建筑来说，底部的模块要承受非常大的垂直荷载。这导致其构件尺寸和吊装重量增加，从而减小了模块的跨度。然而，使用短模块将导致模块间接头数量增加，从而使模块化结构的优势无法充分发挥。

由角柱和周边梁组成，可由 RHS（钢模块）或 RHS 填充混凝土制成复合截面。钢制底盘可能适用于 40 层以上的建筑物。目前，44层的Croydon Tower项目采用钢底盘（参见图10），SHS 柱尺寸从 300mm（在基础模块）到 150mm（在顶部模块）不等 。值得注意的是，钢模块中SHS柱尺寸的变化也使得模块之间的连接更加困难。为了避免这一困难并增加钢模块的承载能力，Liew等人。[36]最近提出了一种复合模块，由细长地板（例如，Slimdek ）、复合梁和钢管混凝土（CFST）柱组成，如图所示图16。

使用不同的柱截面可以保持组合柱的尺寸。如图所示图16，SHS可用于顶层低重力载荷的模块，而CFST更适合中层重力载荷较大的模块。采用高强混凝土和高强钢的钢管混凝土可显着提高柱的强度，因此可用于承受最大重力荷载的较低层柱。有人可能会说，可以通过增加 SHS 的厚度来维持柱尺寸，就像 32 层 B2 中使用的钢模块一样纽约塔的立柱尺寸始终保持在 150 毫米，但 SHS 的厚度增加至 38 毫米。这可能会导致更高的材料成本。使用组合梁和轻质混凝土的薄楼板还可将模块的吊装重量减少高达 40% 。因此，可以实现长达 12 m 的更长跨度模块。这导致模块间接头的数量减少，并最大限度地发挥高层建筑模块化结构的优势。与钢模块相比，复合材料模块的其他优点包括耐用性、防火性、防水性和声阻抗，因为它们继承了混凝土模块化结构的优点。

对于高层建筑，由风和地震引起的横向荷载由单独的横向稳定系统（例如支撑桁架和剪力墙核心筒）来抵抗，Hong等人也检验了侧向抵抗系统的可行性。横向稳定系统可以采用传统施工方法或模块化施工方法由钢、混凝土和钢-混凝土混合结构建造。为了使横向载荷能够从模块转移到横向稳定系统，应在模块的地板和天花板内添加额外的支撑系统。此外，模块间连接应具有足够的剪切强度。

支撑桁架由预制板形式的结构钢制成。该支撑系统成功应用于纽约32层B2塔（图17a) 和伦敦 47 层的 Leadenhall 大楼。与支撑桁架不同，剪力墙核心筒可以容纳电梯、楼梯和服务立管。因此在模块化高层建筑中得到广泛应用。在目前的实践中，世界上五分之四的最高模块化建筑采用 3D 体积法建造。其中包括 44 层的 Croydon Tower、40 层的 Clement Canopy、29 层的 Apex House 和 29 层的 SOHO Tower。混凝土核心筒可以使用滑模和跳模等传统方法建造，也可以使用模块化预制混凝土系统的模块化方法建造。剪力墙核心筒的另一种选择是复合钢-混凝土-钢夹层系统，即 SpeedCore，该系统首先用于雷尼尔广场塔项目，如图所示图18。SpeedCore 是革命性的钢板复合核心筒，无需钢筋混凝土核心筒结构中使用的模板和钢筋。

4.模块间连接技术

斯里桑吉尔塔南和莱西等人最近发表了一篇关于国际间的评论钢结构建筑中的模块连接，重点关注性能要求，并开发了理论模型来预测螺栓连接的轴向、剪切和弯曲刚度。在模块化高层建筑中，模块化单元之间的连接发挥着非常重要的作用，因为它们确保了整个建筑的结构完整性、整体稳定性和坚固性。虽然焊接连接可以提供相邻模块之间的刚性，但在现场并不优选，因为它需要高技能的劳动力、大的工作空间以及耗时的焊接后检查。

越来越多的连接技术被开发用于模块化钢结构建筑的模块间连接。这些连接可分为三种不同类型：(i)使用拉杆的模块间连接，(ii)使用连接器的模块间连接，以及(iii)使用螺栓的模块间连接。对于混凝土模块，模块间连接需要大量的现场劳动力来铺设钢筋和现场灌浆。这将降低施工速度并抵消多层建筑模块化施工的优势。因此，这里不考虑具体模块的连接。

这种类型的连接已被开发用于将下部模块的柱垂直连接到上部模块的柱（即柱到柱连接）。就此而论，下模块和上模块之间的垂直联结是通过使用竖杆来提供的，而下柱和上柱之间的剪力则通过剪切力来抵抗。这种类型连接的优点是它可以安装在模块外部，从而防止对内部饰面造成任何潜在的损坏。此外，这种连接技术还可应用于具有空心裸钢截面和钢管混凝土截面的柱，这是高层建筑保持相同柱尺寸所必需的。然而，它的力矩阻力有限，其性能类似于弱半刚性连接。这导致整个建筑的框架作用和侧向阻力较弱。因此，这种连接方式不适合高层建筑。

Chen 等人提出了一种带有剪力块和预应力筋的拉杆连接。对于角接头 – J1（参见图19）与钢管混凝土柱如图所示图20。在这方面，需要将带有加强筋和用于预应力筋和插杆的孔的密封板焊接到场外的模块柱上。现场安装时，将上层模块提升到下层模块上方（图20b) 然后将插杆和筋对准并插入相应的孔中。然后将剪切块插入封闭的孔中（图20a) 在掉落上层模块之前抵抗剪切力。然后将钢筋束拉伸至设计的应力水平，然后将填充混凝土浇注到空心钢柱中。采用插杆是为了防止混凝土破碎并增加连接的延展性。实验（图20c）和数值研究表明，预应力连接可以提供足够的强度和延性要求，而不会出现太多结构失效[101, 102]，但它在提供下部和上部模块之间的旋转刚度方面较弱，并且连接部分在横向弯曲下分离.

为了水平连接相邻模块，Liew 等人建议使用角撑板，如图所示图 21。对于该角撑板，周边接缝 – J2 和内部接缝 – J3（参见图19）可以轻松连接。角撑板的设计目的是将侧向力传递到侧向抵抗系统，例如墙芯或支撑框架。此外，角撑板连同剪力键和底板（异地焊接到立柱端部）将有助于定位和对齐上部模块和相邻模块的立柱。用于下部和上部模块之间的垂直捆扎的钢筋将通过紧固的耦合器锁定到基板上，并且可以通过钢筋接头延伸。

Sanches 等人还提出了一种不同版本的拉杆连接。以及 Sanches 和 Mercan 通过使用放置在两个模块之间的钢箱，如图所示图 22.顶部和底部具有倾斜侧面的钢箱还可以充当底板和抗剪键，提供抗剪力以及对齐下部和上部模块的立柱。另外，钢箱还通过空心钢柱内表面与钢箱的接触提供抗拉力。垂直连接由锚定在端板上的螺纹杆提供，该螺纹杆在柱端部进行异地焊接。还对连接的抗震性能和侧向阻力进行了实验研究。结论是，与焊接连接相比，所提出的拉杆连接具有相似的横向刚度和更高的能量耗散能力。此外，钢箱还可以防止所有样本的局部屈曲。Wang等人最近也采用了这个概念,螺纹杆被安装的螺栓取代。

与拉杆系统不同，连接器系统的安装非常简单和灵活，因为连接器可以轻松地异地焊接到模块的梁和柱上，而梁和柱具有不同的横截面形状。现已开发出各种连接器系统，例如 Vectorbloc、自锁、旋转和支架连接器。

Vectorbloc连接器：Vectorbloc是一种标准化、结构性、可扩展的模块化连接系统，其开发是为了促进具有空心钢型材（HSS）构件的模块化建筑的高效设计和组装。在该系统中，模块化建筑的水平和垂直模块通过角撑板和创新的铸钢连接器在其拐角处连接，该连接器在工厂中焊接到模块的高速钢构件上。VectorBloc 连接器的优点在于，它可以更快、更轻松地现场安装梁到柱和模块间连接 。VectorBloc连接器的基本组件是上、下块、定位销、平头螺钉（FHCS）、高强度内六角螺钉（SHCS）和角撑板，如图所示图24。

上下模块之间采用节点板建立相邻模块之间的水平连接。角撑板的形状取决于接头配置（例如，拐角、周边和内部接头）。上块和下块异地焊接到 HSS 柱、天花板梁和地板梁上。当组件在现场堆叠时，角撑板通过 FHCS 连接到上块，如图所示图24。然后使用定位销将上部模块定位在下部模块之上。

Dhanapal 等人最近检查了 VectorBloc 连接系统在轴向拉伸和压缩下的结构性能。如图所示图 25。结果表明 VectorBloc 连接器能够令人满意地承受设计轴向载荷 。受压连接的破坏模式是延性的，但受拉破坏模式是脆性的，因为SHCS突然破裂。因此，需要改进这种连接的设计，以确保在拉力作用下的延性破坏。

自锁连接器：Dai 等人最近开发了一种用于模块化钢结构建筑模块间连接的自锁连接器，如图所示图26。由于该连接器通过摩擦自锁机构确保上下模块之间的垂直连接，因此不需要像 Vectorbloc 连接器那样使用螺栓系统。因此，它可以快速、轻松地安装。但没有考虑相邻模块之间的横向连接，这种连接器仅适用于角接。在自锁连接器系统中，接头盒需要异地焊接到模块的梁和角柱上。然后，将螺柱异地焊接到接头盒的顶表面，以用于对齐和垂直轮胎的目的。现场安装时，将上层模块吊装到立柱上方，并通过立柱调整其位置与下层模块对齐。一旦上模块与下模块正确定位后，将其放下，以便螺柱可以插入上模块接线盒的装配孔中以形成连接。

Dai等人对连接器在循环载荷作用下的结构性能进行了实验测试。接缝样本代表一栋 19 层模块化钢结构建筑的角接缝。结果表明，连接器工作可靠，失效前无滑动现象。失效模式是梁根部的断裂或屈曲。该接头表现出优异的抗震性能以及良好的延展性和能量吸收能力。根据欧洲规范 3 分类，接头刚度约为刚性接头极限的 80%。

旋转连接器：这种连接技术应用于中国的模块化宿舍楼，如图所示图27A。在此连接中，模块的梁和柱将异地焊接到角配件上，类似于自锁连接器系统的接头盒。现场安装时，上部模块被提升到下部模块上方。然后，将旋转连接器插入下部模块的角配件中。一旦上部模块与下部模块正确对齐，它们将通过旋转连接器连接。为了安装目的，还在角配件的两侧创建了检修孔（参见图27b).旋转连接器用于垂直连接下部和上部模块。然而，相邻模块之间的横向连接也不容忽视。因此，这种连接技术适用于低层和中层模块化建筑的角部和周边连接。Chen 等人对旋转连接器系统的行为进行了实验测试。如图所示图27C。结果表明，局部屈曲是主导失效模式，发生在下模块角配件顶板处，连接的旋转刚度与半刚性连接相当。

支架连接件：支架连接件在国内使用，Doh等人对其在剪力、拉力和联合作用下的结构性能进行了实验测试。如图所示图28。在此连接中，相邻模块之间的水平连接以及上下模块之间的竖直连接是通过螺栓连接实现的。如图所示图28立方体支架连接件由钢板组成，钢板上有用于螺栓安装的开孔。测试结果表明，连接器的失效模式是由螺栓撬动引起的。

螺栓连接因其快速简便的安装和更好的质量控制而被认为是现场焊接方法的替代解决方案。已经开发了多种螺栓连接技术用于模块化钢结构建筑的模块间连接。Lacey 等人对模块化钢结构建筑的模块间螺栓连接进行了审查。研究用于估计轴向拉力、剪切力、弯矩和联合作用下模块间螺栓连接刚度的分析模型。

与插件装置的螺栓连接：图29a 说明了与 Chen 等人开发的插件设备的螺栓连接。用于模块化钢结构建筑的模块间连接。在此连接中，采用高强度螺栓系统建立上下模块之间的垂直连接，同时采用铸造插件装置建立相邻模块之间的水平连接。高速钢地板梁和天花板梁也将通过异地焊接盖板和中间板进行加固（参见图29）以防止 SHS 梁在螺栓拉力作用下发生局部屈曲。浇注插件装置有四根方管，水平连接模块化建筑内部接缝的四个相邻模块。现场安装时，将上部模块的立柱插入插件装置中进行对齐。然后，安装长拉杆螺栓，将下模块的天花板梁与上模块的地板梁垂直连接。Chen 等人对连接的地震行为进行了实验和数值研究。用于模块化钢结构建筑的角接缝和周边接缝。结果表明，尽管断裂是其主导失效模式，但所有连接试件均具有合理的能量耗散能力、屈服后变形能力和连接延性。此外，连接刚度也很明显，需要在设计时予以考虑。

与焊接盖板的螺栓连接：Deng 等人开发了一种新的螺栓连接技术，用于模块化钢结构建筑的模块间连接，使用焊接盖板作为节点板，如图所示图30A。在这种连接中，十字形节点板用于通过螺栓连接垂直和水平连接模块。为了为螺栓安装创造空间，将通过切割柱侧壁来创建检修口。为了将节点板与模块立柱用螺栓固定，还需将立柱盖板焊接到上立柱的底部和下立柱的顶部，如图所示图30a，这个焊接是在工厂里完成的。现场安装时，首先将节点板插入两个下部模块之间的间隙中。然后将两个上部模块提升到角撑板上。一旦上部和下部模块正确对齐，它们将通过检修口垂直和水平地用螺栓固定到角撑板上。最后，现场将盖板焊接到立柱上以替换切割部分。Deng 等人还对静态和循环载荷下的连接行为进行了实验研究。对于角接头 (图30b) 和周边接缝（图30c) 模块化钢结构建筑。结果表明，这种连接技术可以提供令人满意的连接延展性，但其强度和刚度受到限制，因此可以归类为半刚性连接。由于这种连接技术不需要现场焊接，不适合模块化钢结构建筑的模块间连接，因为它需要高技能的劳动力和工作空间。

带连接板的螺栓连接：这种类型的连接最近由 Cho 等人开发。用于模块化钢结构建筑的周边接缝。如图所示图31a、外部连接板用于通过普通螺栓和盲螺栓系统垂直和水平连接模块。由于盲螺栓可以从空心型材的外部安装，因此它将用于与空心型材柱连接的区域。相比之下，普通螺栓将用于与C形梁连接的区域。实验研究表明，当承受循环载荷时，盲螺栓不会在模块结构部件之前失效。Lee 等人也开发了这种连接的类似版本。用空心截面柱和C形梁连接模块。不同类型的连接板用于适应不同的接头配置，如图所示图31b.然而，像 Cho 等人的情况一样，没有考虑下部模块和上部模块的柱之间的垂直连接。实验和数值结果表明，这种连接可以归类为刚性连接，其失效模式是由于C形梁的局部屈曲造成的。

与延伸端板的螺栓连接：在这种连接中，延伸端板将异地焊接到模块的柱端。然后，该组件将在现场使用螺栓连接技术进行连接。对于预制高层钢结构建筑，已经提出了不同版本的螺栓端板连接。例如，刘等人。提出了一种螺栓端板连接方式来连接多层钢结构建筑的预制柱和梁，如图所示图32A。就此而言，预制梁需要在工厂内焊接垂直连接板和柱座。实验和数值结果表明，该连接在能量吸收能力、延性和承载能力方面表现出非常好的抗震性能。失效模式是由于场外焊缝断裂而不是螺栓颈缩造成的。

Naserabad 等人还对连接类型进行了数值评估。Torbaghan、Gunawardena 和 Lacey 等检查了相邻模块柱之间螺栓端板连接的剪切行为，如图所示图32乐队图32分别为c。Sendanayake 等人也对这种连接的抗震性能进行了数值检验。莱西等人。增加了一个互锁销和一个水平连接板P2（参见图32c) 提高剪切刚度和抗剪强度。互锁销也用于对准目的。Sharafi 等人提出了使用联锁系统的想法，提高多层模块化建筑的完整性。Liu 等人还研究了组合作用下螺栓端板柱与柱连接的行为，用于组合弯矩和剪切力以及组合弯矩、剪切力和轴向压缩 。研究发现，当螺栓端板连接受到弯矩、剪切力和轴向压缩的综合作用时，拉伸区域的螺栓会受到显着程度的撬动。

5.模块化建筑的渐进式倒塌和结构坚固性

当垂直承重构件失效时，建筑物会逐渐倒塌, 由于火灾、爆炸和撞击等极端事件，（最初是局部损坏，最终波及整个结构系统）。为了避免渐进式倒塌，结构应设计为具有足够的完整性或坚固性，其定义为通过强度、连续性和延展性开发替代载荷路径 (ALP) 来抵抗渐进式倒塌的能力。1968年Ronan Point倒塌后，人们对传统现场建筑的渐进式倒塌和结构坚固性进行了广泛的研究，并提出了建筑物结构坚固性的规范规定。对传统建筑渐进式倒塌的研究和实践的全面回顾，以及国际规范中稳健性条款的制定，可以在参考文献中找到。然而，由于其复杂的行为，对模块化建筑的渐进倒塌和坚固性的研究非常有限。

建筑物抵抗连续倒塌的坚固性可以使用四种基本方法来设计：（i）束缚力规定规则；(ii) 替代负载路径（ALP）方法；(iii) 关键要素设计方法；(iv) 基于风险的方法。系紧力规定规则是一种间接设计方法，因为它通过规定强度、连续性和延展性方面的最小系紧力要求，隐含地考虑了抗连续倒塌的能力。对于渐进性倒塌风险较低的结构，许多规范都广泛推荐这种方法。ALP 方法是确定性和直接的方法，因为它们通过基于概念构件去除概念的结构分析来明确考虑鲁棒性，并评估结构从局部受损区域重新分配额外载荷的能力。因此，它们是最广泛使用的，并且几乎被设计规范所接受。关键元件法也称为增强局部阻力法，是一种直接设计方法，其中关键元件（其失效可能引发渐进性倒塌的构件）被设计为抵抗意外荷载以避免局部失效。一些规范使用 34 kN/m2（相当于 5 psi）的名义载荷，这是根据 Ronan Point 气体爆炸估算的压力，来代表各种极端事件 。然而，这对于轻钢模块化建筑来说就成了问题，因为它们无法抵抗如此高的爆炸压力为 34 kN/m2。基于风险的方法是一种间接方法，通过为每个风险类别推荐的建筑分类和设计方法来隐式考虑倒塌风险。关于这些方法的进一步讨论可以在参考文献中找到。

在ALP方法中，接受不同层次的分析，包括线性静态分析、非线性静态（下推）分析和非线性动态分析。小于 2.0 的动态载荷系数乘以静态分析所用的载荷，以考虑由于突然拆除名义承重构件而产生的动态效应。线性静态分析是最简单的，它忽略所有非线性源。因此，它给出了高度保守的结果。相比之下，非线性静态分析或高级分析可以提供更准确的结果，因为它考虑了几何和材料非线性，以及由于突然移除关键构件而导致的载荷分布机制。该方法也称为下推分析，因为它涉及由于突然移除柱而导致重力载荷的增加[138]。非线性动态分析是最准确的方法，因为它给出了详细的时间历史响应，从中可以直接使用峰值进行性能评估。然而，它的计算量太大。

尽管基于 ALP 方法对传统建筑的渐进倒塌和坚固性进行了大量研究，但由于模块之间连接处的不连续性建模的复杂性，对模块化建筑的研究有限 。由于这些连接很弱并且被归类为半刚性接头，因此它们的行为对整个模块化建筑的整体性能具有显着影响。因此，应将它们纳入模块化建筑的分析和设计中。人们提出了不同的方法来对模块化建筑的模块间连接进行建模。例如，Annan 和 Annan 等人。在SeismoStruct软件中开发了一种由刚性弹性段和销接头单元组成的接头模型，用于钢的垂直焊接连接

模块如图所示图33A。刚性单元用于表示梁柱接头的刚性区域，而销接头单元用于捕获上部模块和下部模块的柱之间的独立旋转。该模型的准确性也得到了实验结果的验证。Sultana 和 Youssef 对该模型进行了修改，用于钢支撑模块的垂直螺栓连接，如图所示图33b. Fathieh 和 Mercan 采用了类似的技术，使用 OpenSees 软件对钢模块化建筑的垂直连接进行建模，以进行抗震评估。Gunawardena 等人还开发了螺栓和拉杆连接的简化模型。古纳瓦德纳等人采用 RUAUMOKO 软件中的弹簧元件来模拟相邻模块之间的横向连接，而 Chua 等人使用ETABS软件中的销元件对上下模块之间的垂直拉杆连接进行建模。最近，单等人。还提出了ETABS中模块化高层建筑的三种简化连接模型，包括模块-模块、模块-核心和模块-裙房连接，如图所示图 35。Chua 等人还研究了各种接缝建模技术对模块化建筑横向行为的影响。

Lawson 等人对模块化建筑的渐进倒塌和结构坚固性进行了早期研究。基于实验和分析方法。结果表明，重新分配受损区域的重力载荷所需的模块间的束缚力相对较小。因此，ALP方法是评估模块化建筑稳健性的最合适方法，而系结力法适用于构件之间具有多个互连的轻钢模块化建筑。Chua 等人最近对钢模块化建筑的结构鲁棒性进行了数值研究。

罗等人使用与非线性静态分析相关的ALP方法。蔡等人使用 ETABS 模拟了 40 层建筑在柱损失情况下的逐渐倒塌

6.模块化建筑结构设计指南

目前模块化建筑的设计实践都是基于传统建筑的常规设计指南，这些指南不适合模块化建筑，它们具有不同的特点。例如，模块化单元的制造和组装过程会产生短期载荷，这可能会影响载荷传递机制。此外，由于安装公差，模块化建筑的初始偏心率如图所示图37，这些对于建筑物的整体性能非常重要，与传统建筑不同。

因此，人们付出了巨大的努力来制定基于传统规范的模块化建筑的设计指南。其中值得注意的是由 Lawson 等人开发的设计指南。以英国和欧洲规范以及Murray-Parkes等人开发的设计手册为基础。基于澳大利亚法规，模块化建筑的结构设计指南应考虑施工公差和结构坚固性的影响，以及吊装和运输过程中产生的短期载荷。

在目前的实践中，模块化构件的结构设计是基于极限状态设计原则。根据模块化结构设计手册，模块化构件（例如梁、柱、承重墙和地板）可以使用澳大利亚传统建筑规范（例如钢结构 AS 4100）中的规定进行设计。构件 、AS/NZS 4600 用于冷弯型钢构件  和 AS 3600 用于混凝土构件 。然而，在英国和欧洲的实践中，模块化构件的结构设计基于钢构件的欧洲规范 3（热轧钢 的第 1-1 部分和冷弯型钢 的第 1-3 部分）和混凝土构件的欧洲规范 2。

为了合理评价色谱柱的稳定性，Li等人开发了分析公式来计算非摇摆和摇摆钢建筑中柱的有效长度系数 K，并考虑了节点刚度。数值结果表明，假设的上下模块之间的销钉连接并不保守，因此在模块化建筑的设计中应考虑节点刚度。Deng 等人还建立了模块化单元中带筋连接的钢管混凝土柱的有效长度系数 K 的方程。

钢模块化建筑中使用的模块间连接通常被归类为半刚性类型，如图所示图38a，它们的行为对整个模块化建筑的响应和侧向阻力有显着影响。目前钢结构建筑模块间连接的设计实践是基于欧洲规范3（第1-8部分）和AISC 360-16给出的规定。根据欧洲规范 3，关节的行为由三个参数表征：(i) 初始旋转刚度 S整数、(ii) 力矩阻力 M路和 (iii) 旋转能力 fCd，如下所示图38b.初始刚度和力矩阻力可以使用分量法来预测，其中整个关节将被分解为以弹簧为代表的各个基本组件，具有自己的刚度和强度。一旦获得了每个单独部件的刚度和强度，就可以通过在力传递机制的基础上组装每个部件的贡献来导出关节的初始刚度和力矩阻力。组件法在复合材料接头中的应用可以在参考文献中找到。

坚固性是指结构抵抗因火灾、爆炸和冲击等极端事件而逐渐倒塌的能力。建筑物的结构坚固性设计确保建筑物能够开发替代载荷路径，以便在发生局部故障时重新分配受损区域的额外载荷。结构坚固性的设计指南已纳入国际规范。目前实践中，模块化建筑的稳健性设计通常采用系结力法和ALP法。系紧力是一种间接设计方法，通过规定最低水平的系紧力要求来隐式考虑稳健性，而 ALP 是一种直接方法，通过直接分析构件损失下的结构来明确考虑稳健性，以评估其重新分配局部损坏载荷的能力地区。

绑扎力法中，相邻模块之间的水平绑扎力和上下模块之间的垂直绑扎力的最小要求为26%，分别施加到模块上的总负载的 40%。这些值是根据 Lawson 和 Richards 对角支撑去除下的钢模块进行的数值研究推荐的，考虑了由于墙的隔膜作用而导致的模块的扭转刚度。在 ALP 方法中，模块化建筑的结构鲁棒性是通过基于场景的方法建立的，其中整个模块或模块的一部分（柱、梁或剪力墙）被选择性地移除。这是轻钢模块化建筑稳健设计的最合适方法。刘等人表示按照设计指南 中的建议删除整个模块是不合理的。因此，他们的研究中仅考虑角柱拆除。然而，对于模块化建筑来说，由于结构构件的高度冗余，拆除单个承重构件可能不会导致整个建筑逐渐倒塌。因此，应考虑可能对整体结构产生不利影响的所有可能情况。图39 说明了整个模块丢失的两种极端情况。移除角模块将导致上面的模块充当悬臂（参见图39a)，而删除内部模块将导致上面的模块跨越受影响的模块（参见图39b) 。

与传统的现场建筑类似，模块化建筑的结构分析可以使用以下方法进行：（i）线弹性分析（最简单的方法，忽略几何和材料非线性），（ii）非线性弹性分析（仅考虑几何非线性） ，（iii）非线性非弹性分析或高级分析（考虑几何和材料非线性的最准确方法），以及（iv）非线性时程分析（用于地震设计），因为连接模块的结构部件是不连续的。，模块间连接的行为应包含在模块化建筑的建模中，以准确捕获整个建筑的全局行为，用于对模块化建筑的模块间连接进行建模的各种简化技术，如图 33-所示。35 可以与梁模型一起使用可用的结构分析软件，例如 ETABS、SAP2000、RUAUMOKO、SeismoStruct、OpenSees、ABAQUS、LS-DYNA 等。此外，还应考虑每个模块中地板隔板系统的横向刚度在分析中考虑到准确预测整个建筑物的整体摇摆行为。

在非线性分析中，可以使用等效名义水平荷载方法隐式考虑由于结构公差造成的几何缺陷。对于模块化建筑，每层的名义水平力至少为作用在每个模块上的分解重力载荷的 1% 。这个数字是传统现场建筑推荐值 0.5% 的两倍，这表明模块化建筑允许更高的容差 。然而，1%的值仅适用于12层以下且模块间刚性连接的模块化建筑。对于具有抗侧向荷载系统（例如混凝土核心墙）的高层模块化建筑，由于可以沿着核心墙调整模块对齐方式，因此侧向公差将会减小。因此，欧洲规范 3 建议的名义水平力为 0.5%采用传统建筑。

7.未来研究的工程挑战和推荐解决方案

尽管由于重复模块数量的增加，模块化建筑的优势可以在高层建筑中得到最大化，但目前采用模块化建筑技术的成功案例大多仅限于低层建筑。值得注意的是，最近使用镶板法或体积法建造的模块化高层建筑[38]中只有不到1%是基于模块间连接的湿式连接技术，这需要大量的现场劳动力来铺设钢筋和现场灌浆。因此，模块化构建的速度和效率降低了。此外，技术复杂性和设计实践规范的缺乏阻碍了模块化结构的广泛采用。因此，未来需要进行进一步的研究，开发下一代模块化建筑，使模块化建筑能够建造得比目前的做法更高、更快、更安全、更高效。作者认为未来研究应考虑的领域如下所述。

当前的模块化建筑基于钢或混凝土模块。然而，钢和混凝土模块都有各自的优点和缺点。钢模块比混凝土模块轻 20% 至 35% ，但其耐火性、隔音性和隔热性较低。然而，就施工速度而言，钢模块的安装比混凝土模块的安装更快，因为它涉及螺栓连接而不是现场灌浆接头。由于吊装重量的限制，混凝土模块的重量会减少其长度，从而导致模块和连接的数量增加。因此，未来的研究应集中于开发一种更坚固、更轻且耐用的新型模块，从而使模块化建筑能够建得更高。

最近，刘等人提出使用复合模块，结合了模块化高层建筑钢和混凝土模块的优点。复合楼板还采用了轻质混凝土，以减少吊重并最大化模块的跨度（根据初步分析研究，跨度可达 12 m）。轻质复合楼板系统在预制楼板系统方面也成功应用于伦敦Leadenhall大楼。随着建筑材料的最新进步，高强钢和高强混凝土可用于减小承受最大重力荷载的高层建筑较低层组合柱的尺寸。

模块间连接在模块化建筑中发挥着重要作用，因为它们确保了整个建筑的结构完整性、整体稳定性和结构坚固性。正如第 4 节所述，最近为模块化钢结构建筑开发了越来越多的连接技术。然而，目前的技术导致强度和刚度有限，可能不适合高层建筑应用。此外，它们还需要一定水平的现场劳动力。因此，未来有必要研究开发智能连接技术，该技术不仅适合高层应用，而且易于安装。此外，新的连接技术应该足够坚固，能够适用于各种接头配置和具有复合材料构件的新型模块。通过这些技术，模块化建筑可以建造得更高、更快、更便宜。

模块化高层建筑的正确建模对于预测模块化建筑稳健设计的横向稳定性和渐进倒塌至关重要。当前的建模技术基于商业化的简化一维“线”梁单元包。该梁单元仅适用于具有均匀截面（钢或混凝土）的模块。对于具有钢和混凝土复合截面的新型模块，应使用 3D 实体和壳单元来准确捕获复合材料的非弹性行为。然而，使用 3D 实体单元的计算成本极高，因为它涉及大量单元，尤其是高层建筑。因此，未来的研究应该开发一种强大的计算工具，用于模块化复合建筑的高级分析和稳健性设计。计算工具应基于具有光纤铰链概念的一维“线”梁单元。因此，它不仅在计算上非常适合结构工程师在设计办公室的日常使用，而且在捕获几何和材料非线性、钢材的局部屈曲、混凝土的限制效应以及通过纤维实现钢与混凝土之间的相互作用方面也很准确概念。因此，使用这种计算工具可以更有效地建造模块化建筑。

模块化建筑的可靠设计方法至关重要，因为糟糕的设计会对整体成本产生重大影响。当前模块化建筑的设计实践是基于传统建筑的常规设计指南，这是不合适的。例如，模块结构构件设计的规定可参考Eurocode 3 Part 1-1 和AS 4100 （对于热轧钢构件）、Eurocode 3 Part 1-3 和 AS 4600 （冷弯型钢构件）、欧洲规范 2 和 AS 3600（对于混凝土构件）欧洲规范 4 和 AS/NZS 2327 （对于复合钢-混凝土构件）、欧洲规范 3（第 1-8 部分）和 AISC 360-16 （针对接头），以及Eurocode 1 Part 1-7 和 AS/NZS 1170.0 （结构坚固性）。模块化结构的结构设计指南仍然不可用。因此，未来有必要研究制定模块化结构设计的规定。

8.结  论

与传统的现场施工相比，模块化施工在节省施工时间、降低成本、更重要的是减轻环境影响方面具有显着的优势。模块化方法具有多种优势，非常适合高层建筑，从而可以塑造建筑行业的未来。

本文全面回顾了模块化技术的最新发展，重点关注模块化建筑的结构方面，包括结构系统、模块间连接、结构分析和结构设计。尽管模块化建筑在低层建筑中得到广泛应用，但其在高层建筑中的应用仍然有限。强调并讨论了阻碍高层建筑模块化建筑广泛采用的技术挑战。还为未来的研究推荐了一些应对这些挑战的潜在解决方案，包括：（i）开发具有更轻、更强结构构件的复合模块，（ii）开发具有更高强度和刚度且易于安装的智能连接技术，（iii）开发计算高效的计算机工具，用于模块化高层建筑的高级分析和日常设计，以及（iv）开发设计指南，以加速模块化建筑的实际应用。通过解决技术挑战，模块化建筑可以使用新的复合模块建造得更高，使用智能连接技术建造得更快（并且更便宜），使用新的设计规定更安全，并且使用计算效率高的工具更有效。还要感谢研究人员允许转载本文中的大部分图表和照片。

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