基于单元刚度贡献的新型模块建筑结构设计方法

钟旭; 陈浩; 王霄翔; 石拓; 黄伟; 潘嫣然

doi:10.3724/j.gyjzG25030302

基于单元刚度贡献的新型模块建筑结构设计方法

doi: 10.3724/j.gyjzG25030302

钟旭^1,4,
陈浩¹,
王霄翔²,
石拓³,
黄伟³,
潘嫣然³

1. 湖南建设投资集团有限责任公司, 长沙 410004;
2. 湖南建工集团有限公司, 长沙 410016;
3. 中湘智能建造有限公司, 长沙 410015;
4. 中南大学土木工程学院, 长沙 410075

基金项目:

湖南省自然科学基金青年项目（211120570059）；芙蓉计划省企业科技创新创业团队项目（湖南建工低碳智能建造与新型建筑工业化创新创业团队）。

详细信息

作者简介:
钟旭，博士，主要从事装配式模块建筑研究。Email:15122809761@163.com

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出版历程
- 收稿日期: 2025-03-03
- 网络出版日期: 2026-08-31
- 刊出日期: 2026-07-20

A Novel Structural Design Method for Modular Buildings Based on Element Stiffness Contribution

1. Hunan Construction Investment Group Co., Ltd., Changsha 410004, China;
2. Hunan Construction Engineering Group Co., Ltd., Changsha 410016, China;
3. Zhongxiang Intelligent Construction Co., Ltd., Changsha 410015, China;
4. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China

摘要

摘要: 模块建筑是一种由工厂集成三维单元在现场连接为整体的新型建筑形式，现阶段模块建筑采用的叠箱结构或嵌入式模块结构等形式，具有一定应用局限性。因此，提出了一种基于稀疏钢框架的新型模块建筑。然而，新型模块建筑结构框架柱长细比及框架梁较大，可能影响其应用于高层建筑的经济性及建筑实用性。为此，针对新型模块建筑的上述问题提出了一种可以反映单元刚度贡献的等效建模方法，通过参数化分析研究了模块单元刚度贡献对整体结构响应的影响，并开展了基于单元刚度贡献的结构优化设计，进行了优化效果评估。结果表明：当结构分析中考虑模块单元刚度贡献后，可以改善整体结构的层间侧向刚度，提升稀疏钢框架的构件承载力储备；在保证整体结构性能的前提下，考虑单元刚度贡献后，相对对照组未优化模型有效地降低了稀疏钢框架部分的单位面积用钢量。
- 模块建筑 /
- 稀疏钢框架 /
- 等效支撑模型 /
- 参数化分析 /
- 结构优化设计
Abstract: Modular construction is a novel building form in which factory-integrated three-dimensional modules are connected into an integrated whole on-site. At the current stage， the structural forms adopted in modular construction， such as stacked box structures and embedded modular structures， have certain limitations in practical application. Therefore， an innovative modular construction system based on a sparse steel frame is proposed. However， the structural frame of this innovative modular construction features large slenderness ratios of columns and long spans of beams， which may impact its economic efficiency and practical applicability for high-rise building applications. Aiming at the above-mentioned problems of the innovative modular construction， this paper proposed an equivalent modeling method that can reflect the stiffness contribution of individual modules. Parametric analysis was carried out to investigate the influence of modular stiffness contribution on the overall structural responses. Subsequently， structural optimization design based on modular stiffness contribution was conducted， and the effectiveness of the optimization was evaluated. The results showed that the inter-storey lateral stiffness of the overall structure could be improved and the reserve bearing capacity of components in the sparse steel frame could be enhanced when the modular stiffness contribution was considered in structural analysis. On the premise of ensuring the overall structural performance， the steel consumption per unit area of the sparse steel frame was effectively reduced compared with the unoptimized reference models when the modular stiffness contribution was taken into account.
- modular construction /
- sparse frame /
- equivalent bracing model /
- parametric analysis /
- structural optimization design

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参考文献(24)

[1]	岳清瑞，吴朝昀，刘晓刚，等．多高层模块化结构及建造技术研究进展与未来趋势[J] ．建筑结构学报，2024，45（8）:1-19.
[2]	侯兆新，龚超，陈金林，等．全预制装配模块化建筑及其结构设计策略[J] ．钢结构（中英文），2023，38（10）:49-58.
[3]	赵乐，邓雨珩，押腾飞，等．全装配式模块化建筑建造技术[J] ．建筑技术开发，2023，50（9）:82-84.
[4]	LUO H B，LIU J J，LI C Q，et al. Ultra-rapid delivery of specialty field hospitals to combat COVID-19:lessons learned from the Leishenshan Hospital project in Wuhan[J]. Automation in Construction，2020，119:103345.
[5]	张远平，夏志伟，谢沁耘．模块化思维下的防疫应急医院功能与体系[J] ．建筑技术开发，2022，49（8）:26-29.
[6]	孙溪东，张庆昱，张平平，等．模块化箱式集成房屋在传染病应急医院应用研究[J] ．建筑技术开发，2020，47（18）:99-101.
[7]	THAI H T，NGO T，UY B. A review on modular construction for high-rise buildings[J]. Structures，2020，28:1265-1290.
[8]	FERDOUS W，BAI Y，NGO T D，et al. New advancements，challenges and opportunities of multi-storey modular buildings-a state-of-the-art review[J]. Engineering Structures，2019，183:883-893.
[9]	LACEY A W，CHEN W S，HAO H，et al. Structural response of modular buildings-an overview[J]. Journal of Building Engineering，2018，16:45-56.
[10]	FENG R Q，SHEN L，YUN Q. Seismic performance of multi-story modular box buildings[J]. Journal of Constructional Steel Research，2020，168:106002.
[11]	YU Y J，CHEN Z H. Rigidity of corrugated plate sidewalls and its effect on the modular structural design[J]. Engineering Structures，2018，175:191-200.
[12]	邓恩峰．集成模块钢结构波纹钢板剪力墙与新型节点抗震性能研究[D].天津:天津大学，2018.
[13]	邓恩峰，宗亮，丁阳．开洞波纹钢板剪力墙初始抗侧刚度计算方法研究[J].钢结构（中英文），2022，37（3）:1-3.
[14]	曹轲，翟思源，李国强，等.足尺柱承重模块化钢框架稳定承载力试验研究[J].同济大学学报（自然科学版），2023，51（3）:375-384.
[15]	周广兴，王燕.模块化装配式钢框架柱的计算长度系数研究[J].青岛理工大学学报，2023，44（4）:81-90.
[16]	ZHONG X，CHEN Z H，LIU J D，et al. Numerical simulations to explore the in-plane performance of discontinuous diaphragms in modular steel buildings[J]. Thin-Walled Structures，2023，188:110810.
[17]	易国辉，娄霓，张兰英，等.钢结构模块建筑楼板平面内刚度对结构性能的影响分析[J].建筑结构，2022，52（增刊1）:1866-1872.
[18]	SRISANGEERTHANAN S，HASHEMI M J，RAJEEV P，et al. Review of performance requirements for inter-module connections in multi-story modular buildings[J]. Journal of Building Engineering，2020，28:1-16.
[19]	陈浩，黄伟，王霄翔．湖南建投集团钢结构模块建筑嵌入式箱框组合结构体系技术创新与实践[J].施工企业管理，2024（2）:82-84.
[20]	陈浩，钟旭，张明亮，等.基于稀疏框架的装配式模块建筑及其关键问题[J/OL].工业建筑，2023[2026-03-09]. https://link.cnki.net/urlid/11.2068.TU.20230911.1218.002.
[21]	钟旭，陈浩，张明亮，等.双层模块填充稀疏钢框架结构的抗侧性能数值分析[J].钢结构（中英文），2025，40（5）:33-44.
[22]	中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范:GB 50009—2024[S].北京:中国建筑工业出版社，2024.
[23]	中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准:GB 50017—2017[S].北京:中国建筑工业出版社，2018.
[24]	中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计标准:GB/T 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社，2024.