CN115387463A - 一种箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模块化建筑技术领域，提供一种箱式模块化钢结构组合柱铰接框架‑支撑结构体系。为解决既有模块化建筑的建造高度低、连接节点构造复杂和抗震性能弱等问题，本发明通过：把槽钢双拼框架梁和拼接组合框架柱的连接节点设计成铰接，形成铰接框架结构；在建筑平面的水平、竖直方向各布置一定数量的钢支撑，构成了抗侧力子结构；两者共同形成了箱式模块化钢结构组合柱铰接框架‑支撑结构体系，实现竖向抗力和水平抗力解耦，仅通过对抗侧力子结构进行设计，可快速满足不同抗震性能需求。本体系可实现：明确的传力路径、高装配率，构造简单、施工快捷，可增加模块化建筑的建造层数。

Description

一种箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系

技术领域

本申请涉及模块化建筑技术领域，尤其涉及箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系。

背景技术

箱式模块化钢结构建筑是指：对建筑物中结构系统、维护系统、内装系统和设备管线系统进行一体化设计，在空间上把建筑物划分成若干个六面体箱型模块单元；然后，各专业工种在工厂交替作业，实现模块单元的全预制；最后，把模块单元运输至现场并进行全螺栓连接拼装，像搭积木一样建造房屋。模块化建筑作为一种高度集成的装配式建筑，是建筑产业发展的高级阶段，具有高装配率、高材料利用率、施工高效、绿色环保等技术优势，是实现建筑产业模块化、标准化、工业化、集成化的有效手段。

2020年，加拿大的CAS GROUP发布了《High-Rise Modular Construction-AReview of Regulatory landscape and Considerations for Growth》报告，对欧美等部分国家的箱式模块化装配式建筑发展进行了调研分析，分析结果表明：箱式模块化建筑在将来的建筑产业中将会占据越来越高的份额，是建筑产业未来发展的主要方向；建造高度也不断的刷新纪录，已知的世界上最高的箱式模块化建筑是2019年在新加坡建造的40层Clement Canopy大厦；目前，箱式模块化建筑的发展尚处于初期阶段，配套的规范和建造手册尚需进一步的研发与完善。

2013年，我国颁布的《集装箱模块化组合房屋技术规程》(CECS-334-2013)开创了箱式模块化建筑的先河，但其主要是用成品的集装箱进行建造且限制了建造层数；我国最近颁布的行业标准《轻型模块化钢结构组合房屋技术标准》(JGJ/T 466-2019)和协会标准《钢结构模块建筑技术规程》(T/CECS 507-2018)、《箱式钢结构集成模块建筑技术规程》(T/CECS 641-2019)为我国钢结构箱式模块化建筑的发展提供了有力的技术支撑，进一步促进了箱式模块化装配式建筑在国内的发展。

关于箱式模块化钢结构建筑的结构体系，我国现行的规范及标准虽然对其结构体系的名词描述稍有不同但实质内容是一样的，归纳起来主要有以下几种结构体系：叠箱结构体系(1)、叠箱-钢框架混合结构体系(2)、叠箱-钢框架支撑混合结构体系(3)、叠箱-筒体混合结构体系(4)、嵌入式模块化结构体系(5)；叠箱结构体系(1)是由模块单元1横向平铺及竖向堆叠而成，仅能用于建造3层以下的建筑物；混合结构体系(2)—(4)，需在平面上把建筑物设计成两个区域：模块单元的堆叠建造区域和按传统方式建造的钢框架、钢框架支撑或钢筋混凝土核心筒区域，部分区域按传统方式建造将降低建筑物的整体装配率，增加建造周期。嵌入式模块化结构体系(5)，是以传统方式建造的框架作为建筑物的外骨架承担所有的竖向力和水平力，然后在其内部安装模块单元，此种建造方式用钢量较高。

现有的结构体系主要存在两个问题：梁柱节点均设计成刚接，使得模块单元在承担竖向荷载的同时尚需要参与水平力的分配，且以梁端出现塑性铰的方式耗散地震输入的能量，震后很难修复且成本较高；模块单元中的所有钢构件边框均参与受力分配，将出现“多梁多柱”的复杂构造，进而引起受力分析困难问题，如《钢结构模块建筑技术规程》(T/CECS 507-2018)第5.8.8条明确指出：模块单元间连接是钢结构模块建筑的关键部分，具有多柱多梁的连接特点，如角柱“两柱四梁”、边柱“四柱八梁”和中柱“八柱十六梁”。

发明内容

技术问题

为解决模块单元之间连接节点受力分析困难、抗震性能弱问题，本发明提出了一种箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系； 为解决模块单元之间连接出现的“多梁多柱”复杂构造问题,本发明提出了一种配套的模块单元和模块拼接节点。

技术方案

箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，包括至少两个互相拼接的模块单元，至少两个互相拼接的所述模块单元组成整个建筑，每个所述模块单元包括模块单元角柱、模块底板、模块墙板和模块顶板；所述箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系还包括仅在所述整个建筑的其中一部分区域设置的抗侧力子结构和所述整个建筑的其余区域设置的铰接框架结构两部分，其中：

所述箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系中的受力构件包括拼接组合框架柱、槽钢双拼框架梁和钢支撑；所述拼接组合框架柱包括相邻的所述模块单元角柱拼接而成的模块拼接节点；所述槽钢双拼框架梁由相邻的所述模块底板中的楼面槽钢主梁采用高强螺栓拼接而成；所述钢支撑可为普通钢支撑、防屈曲约束支撑；

所述抗侧力子结构包括所述钢支撑和与其两端相连的垂直于地表的两个所述拼接组合框架柱及平行于地表的所述槽钢双拼框架梁；所述钢支撑采用斜向对角方式安装于所述钢支撑两端的所述拼接组合框架柱及两个所述槽钢双拼框架梁所形成的矩形空间区域内；所述抗侧力子结构的数量应根据建筑物高度、所在地区的抗震设防烈度综合确定，所述抗侧力子结构的布置位置应不影响建筑物的使用功能；所述抗侧力子结构承担所有的水平荷载；

所述铰接框架结构由所述拼接组合框架柱及所述槽钢双拼框架梁构成，所述拼接组合框架柱及所述槽钢双拼框架梁两者采用高强螺栓铰接连接，用于承担竖向荷载。

所述的模块单元中各组成部件构成及作用：模块单元角柱，采用矩形方钢管形成角点支撑，并承载整个模块单元的竖向重量；模块底板，起到承担整个模块的竖向重量并向模块单元角柱传递荷载的作用；模块墙板，主要由多个配筋轻质墙板拼接而成，其两侧受到模块单元角柱约束、底部由模块底板中的楼面槽钢主梁支撑、顶部受到墙板约束槽钢的约束；模块顶板，除了起到保温、隔热、隔音及装饰功能外，其在施工期间兼具施工平台的作用。

所述模块拼接节点由待拼接的所述模块单元角柱、连接内芯、拼接节点板、缀板、上排高强螺栓、下排高强螺栓、缀板高强螺栓构成；下层四个所述模块单元角柱实现贴合后，将所述连接内芯与下层的四个所述模块单元角柱插接，所述下排高强螺栓穿过所述拼接节点板及所述模块单元角柱上的螺栓孔后，拧入所述连接内芯的内螺纹孔，实现下层四个相邻所述模块单元角柱的水平向拼接，形成所述拼接组合框架柱；然后，上层四个所述模块单元角柱依次插入所述连接内芯，所述上排高强螺栓将所述拼接节点板和所述模块单元角柱连接在一起，在实现上层四个相邻所述模块单元角柱的水平向拼接的同时也实现了所述拼接组合框架柱的竖向拼接；另外，所述缀板高强螺栓穿过所述缀板上的螺栓孔后拧入所述模块单元角柱的内螺纹孔，所述缀板及所述缀板高强螺栓在同一水平标高沿所述拼接组合框架柱的四边均有设置，对所述拼接组合框架柱产生水平向的闭合约束，且所述缀板及所述缀板高强螺栓沿所述拼接组合框架柱轴向的间距不大于1米，从而确保所述拼接组合框架柱整体受力的力学性能。

所述连接内芯包括水平钢板、抗剪键、内螺纹孔；所述水平钢板把所述抗剪键分为上下两部分，所述内螺纹孔开设于所述抗剪键的侧板内；所述抗剪键，在现场安装阶段，具有导向功能、便于拼装定位，在受力阶段，所述抗剪键与所述模块单元角柱的内壁接触，可确保拼接完成后的所述拼接组合框架柱具有较高的抗弯、抗剪承载能力。

所述模块底板包括周边的所述楼面槽钢主梁、工字形次梁及配筋轻质楼板；三者的顶部处于同一标高, 所述配筋轻质楼板安装于所述工字形次梁的上下翼缘之间；在所述模块底板的顶部预浇筑不小于30mm的钢筋混凝土面层，确保所述配筋轻质楼板具有足够的面内刚度。

所述模块顶板包括下封板、约束C型钢、C型钢檩条、保温隔热材料、钢筋对角斜撑、上封板；其中，所述约束C型钢、所述C型钢檩条及所述保温隔热材料的顶部位于同一标高，所述保温隔热材料安装于相邻所述C型钢檩条之间；所述钢筋对角斜撑位于所述C型钢檩条与所述上封板之间，所述钢筋对角斜撑两端与所述模块单元角柱之间采用花篮螺丝连接，张紧后的所述钢筋对角斜撑可确保所述模块单元具有较强的整体稳定性和较高的楼层平面内刚度。

上层的所述模块单元的所述模块底板和下层的所述模块单元的所述模块顶板之间设置有设备层，用于各类柔性管线的集中铺设。

有益效果

本发明提出的模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，具有明确的传力路径：槽钢双拼框架梁是由相邻模块底板中的楼面槽钢主梁双拼而成的；拼接组合框架柱是由相邻模块单元角柱拼接而成的；抗侧力子结构是由在整个建筑的局部区域设置的钢支撑、该钢支撑两端的拼接组合框架柱及楼层槽钢双拼框架梁组成。计算分析可采用铰接框架-支撑结构作为力学模型，采用一般商业设计软件即可进行设计和计算，便于工程应用。

本发明提出的模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，可实现竖向抗力和水平抗力解耦：竖向力，主要由拼接组合框架柱及槽钢双拼框架梁组成的铰接框架结构承担；水平力，主要由多个抗侧力子结构形成的抗侧力体系承担，仅需对抗侧力子结构进行性能化设计，即可满足不同的抗震性能需求。本体系解除了传统的框架柱需作为抗侧力构件使用的概念限制，提高了拼接组合框架柱的截面利用率，降低了模块拼接节点的分析难度。当遭受罕遇地震作用时，本结构体系的破坏部位仅集中于抗侧力子结构中的钢支撑，地震灾害发生后，仅需对震损的钢支撑进行更换即可，可显著降低震后修复难度及修复成本。

本发明提出的模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，是基于现行规范的叠箱结构体系，整体建筑仍然由模块单元横向平铺及竖向堆叠而成，与现行规范的叠箱-钢框架支撑混合结构体系的建造方式（部分区域仍需按传统方式建造）有着本质区别，可提高装配率、材料利用率和施工效率，在降低时间成本和建造成本同时，尚可增加叠箱结构的建造高度。

本发明提出的模块单元之间的模块拼接节点及其配套的模块单元构造，可使得中柱拼接节点区域的杆件数量可由“八柱十六梁”降低成“单组合柱四梁”，在节点区形成明确的框架柱和框架梁；在实现全部叠箱方式建造的同时，避免了传统模块化建筑叠梁问题，简化了节点构造。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系的结构平面布置示意图，其中：M1为客厅模块，M2为主卧模块，M3为餐厅模块，M4为卫生间模块，M5为厨房模块，M6为次卧模块，M7为楼梯间模块，M8为电梯间模块；

图2是本申请实施例提供的箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系的模块分区示意图，其中：M1~M8同图1中所注；

图3是本申请实施例提供的抗侧力子结构的构件组成及与周边模块关系简图；

图4是本申请实施例提供的模块单元构成图；

图5是本申请实施例提供的模块底板拆分图；

图6是本申请实施例提供的模块墙板拆分图；

图7是本申请实施例提供的模块顶板拆分图；

图8是本申请实施例提供的模块单元之间的拼接节点结构示意图；

图9是本申请实施例提供的模块单元之间的连接内芯结构示意图；

图10是本申请实施例提供的模块单元之间的拼接节点的局部结构示意图；

图11是本申请实施例提供的箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系的两个模块单元水平拼接的结构示意图；

图12是本申请实施例提供的箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系的两个模块单元竖向拼接的结构示意图。

附图标记：

1、模块单元；2、模块单元角柱；3、模块底板；4、模块墙板；

5、模块顶板；6、楼面槽钢主梁；7、墙板约束槽钢；8、拼接组合框架柱；

9、槽钢双拼框架梁；10、上封板；11、下封板；12、约束C型钢；

13、C型钢檩条；14、钢筋对角斜撑；15、保温隔热材料；

16、配筋轻质墙板；17、工字型次梁；18、配筋轻质楼板；

19、模块拼接节点；20、拼接节点板；21、缀板；22、上排高强螺栓；

23、下排高强螺栓；24、连接内芯；25、水平钢板；26、抗剪键；

27、内螺纹孔；28、钢支撑；29、抗侧力子结构；30、设备主干线；

31、缀板高强螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不能用来限制本申请的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1至图12描述本申请的箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系。

根据本申请的实施例，如图1、图2、图4、图11和图12所示，箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系包括至少两个互相拼接的模块单元1，至少两个互相拼接的模块单元1组成整个建筑，每个模块单元1包括模块单元角柱2、模块底板3、模块墙板4和模块顶板5；箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系还包括仅在模块单元1整个建筑的其中一部分区域设置的抗侧力子结构29和模块单元1的另外一部分整个建筑的其余区域设置的铰接框架结构两部分，其中：

箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系中的受力构件包括拼接组合框架柱8、槽钢双拼框架梁9和钢支撑28；拼接组合框架柱8包括相邻的模块单元角柱2拼接而成的模块拼接节点19；槽钢双拼框架梁9由相邻的模块底板3中的楼面槽钢主梁6采用高强螺栓拼接而成；钢支撑28可为普通钢支撑、防屈曲约束支撑；

抗侧力子结构29包括钢支撑28和与其两端相连的垂直于地表的两个拼接组合框架柱8及平行于地表的槽钢双拼框架梁9；钢支撑28采用斜向对角方式安装于钢支撑28两端的拼接组合框架柱8及两个槽钢双拼框架梁9所形成的矩形空间区域内；抗侧力子结构29的数量应根据建筑物高度、所在地区的抗震设防烈度综合确定，抗侧力子结构29的布置位置应不影响建筑物的使用功能；抗侧力子结构29承担所有的水平荷载；

铰接框架结构由拼接组合框架柱8及槽钢双拼框架梁9构成，拼接组合框架柱8及槽钢双拼框架梁9两者采用高强螺栓铰接连接，用于承担竖向荷载。

本发明提出的模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，具有明确的传力路径：槽钢双拼框架梁9是由相邻模块底板3中的楼面槽钢主梁6双拼而成的；拼接组合框架柱8是由相邻模块单元角柱2拼接而成的；抗侧力子结构29是由在整个建筑的局部区域设置的钢支撑28、该钢支撑28两端的拼接组合框架柱8及楼层槽钢双拼框架梁9组成。计算分析可采用铰接框架-支撑结构作为力学模型，采用一般商业设计软件即可进行设计和计算，便于工程应用。

的模块单元1中各组成部件构成及作用：模块单元角柱2，采用矩形方钢管形成角点支撑，并承载整个模块单元1的竖向重量；模块底板3，起到承担整个模块的竖向重量并向模块单元角柱2传递荷载的作用；模块墙板4，主要由多个配筋轻质墙板16拼接而成，其两侧受到模块单元角柱2约束、底部由模块底板3中的楼面槽钢主梁6支撑、顶部受到墙板约束槽钢7的约束；模块顶板5，除了起到保温、隔热、隔音及装饰功能外，其在施工期间兼具施工平台的作用。

本发明提出的模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，可实现竖向抗力和水平抗力解耦：竖向力，主要由拼接组合框架柱8及槽钢双拼框架梁9组成的铰接框架结构承担；水平力，主要由多个抗侧力子结构29形成的抗侧力体系承担，仅需对抗侧力子结构29进行性能化设计，即可满足不同的抗震性能需求。本体系解除了传统的框架柱需作为抗侧力构件使用的概念限制，提高了拼接组合框架柱8的截面利用率，降低了模块拼接节点19的分析难度。当遭受罕遇地震作用时，本结构体系的破坏部位仅集中于抗侧力子结构29中的钢支撑28，地震灾害发生后，仅需对震损的钢支撑28进行更换即可，可显著降低震后修复难度及修复成本。

本发明提出的模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，是基于现行规范的叠箱结构体系，整体建筑仍然由模块单元1横向平铺及竖向堆叠而成，与现行规范的叠箱-钢框架支撑混合结构体系的建造方式（部分区域仍需按传统方式建造）有着本质区别，可提高装配率、材料利用率和施工效率，在降低时间成本和建造成本同时，尚可增加叠箱结构的建造高度。

结合图1、3，描述抗侧力子结构29的实施过程：第一步，实现至少两层箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系的拼接；第二步，采用销轴把钢支撑28采用斜向对角布置于其两端垂直于地表的两个拼接组合框架柱8及平行于地表的两个槽钢双拼框架梁9所形成的矩形空间区域；然后，钢支撑28及与其两端相连的拼接组合框架柱8、槽钢双拼框架梁9同组成了抗侧力子结构29，钢支撑28可以为普通钢支撑28或防屈曲约束支撑，还可以是其他任何合适类型的支撑。抗侧力子结构29的数量应根据建筑物高度、所在地区的抗震设防等级综合确定，抗侧力子结构29的布置位置应不影响建筑物的使用功能，抗侧力子结构29承担所有的水平荷载。铰接框架结构的实施过程：工厂加工阶段，模块单元角柱2与楼面槽钢主梁6的连接节点就设计为铰接；现场拼装阶段，把相邻的楼面槽钢主梁6通过螺栓拼接成槽钢双拼框架梁9，把相邻模块单元角柱2采用模块拼接节点19拼接成拼接组合框架柱8；由于模块单元角柱2与楼面槽钢主梁6原设计为铰接，故拼接完成以后的拼接组合框架柱8与槽钢双拼框架梁9仍为铰接连接，即形成了铰接框架结构，铰接框架结构仅承担竖向荷载。抗侧力子结构29与铰接框架结构共同组成了箱式模块化钢结构铰接框架-支撑结构体系，可实现竖向抗力和水平抗力解耦：竖向力，主要由拼接组合框架柱8及槽钢双拼框架梁9组成的铰接框架结构承担；水平力，主要由多个抗侧力子结构29形成的抗侧力体系承担，仅需对抗侧力子结构29进行性能化设计，即可满足不同的抗震性能需求。

在本申请的一个实施例中，如图4、图5、图6、图7图8、图9和图10所示，模块拼接节点19由待拼接的模块单元角柱2、连接内芯24、拼接节点板20、缀板21、上排高强螺栓22、下排高强螺栓23、缀板21高强螺栓构成；下层四个模块单元角柱2实现贴合后，将连接内芯24与下层的四个模块单元角柱2插接，下排高强螺栓23穿过拼接节点板20及模块单元角柱2上的螺栓孔后，拧入连接内芯24的内螺纹孔27，实现下层四个相邻模块单元角柱2的水平向拼接，形成拼接组合框架柱8；然后，上层四个模块单元角柱2依次插入连接内芯24，上排高强螺栓22将拼接节点板20和模块单元角柱2连接在一起，在实现上层四个相邻模块单元角柱2的水平向拼接的同时也实现了拼接组合框架柱8的竖向拼接；另外，缀板21高强螺栓穿过缀板21上的螺栓孔后拧入模块单元角柱2的内螺纹孔27，缀板21及缀板21高强螺栓在同一水平标高沿拼接组合框架柱8的四边均有设置，对拼接组合框架柱8产生水平向的闭合约束，且缀板21及缀板21高强螺栓沿拼接组合框架柱8轴向的间距不大于1米，从而确保拼接组合框架柱8整体受力的力学性能。

本发明提出的模块单元1之间的模块拼接节点19及其配套的模块单元1构造，可使得中柱拼接节点区域的杆件数量可由“八柱十六梁”降低成“单组合柱四梁”，在节点区形成明确的框架柱和框架梁；在实现全部叠箱方式建造的同时，避免了传统模块化建筑叠梁问题，简化了节点构造。

结合图8、9和图12，描述模块拼接节点19的实施步骤，该拼接节点为四柱拼接：第一步，把下层四个模块单元角柱2进行水平向拼接，各模块单元角柱2的间隙宜小于2mm；第二步，放入连接内芯24，连接内芯24中抗剪键26的外壁与下层四个模块单元角柱2的内壁处于紧密贴合状态；第三步，把拼接节点板20依次就位，把所有的下部高强螺栓23穿过拼接节点板20及模块单元角柱2上的螺栓孔后，拧入连接内芯24的内螺纹孔27，实现下层四个模块单元角柱2的水平向拼接；第四步，把上层模块单元1的角柱2依次拆入连接内芯24上，连接内芯24的抗剪键26起到固定和限位上层模块单元角柱2的作用；第五步，把所有的上部高强螺栓23穿过拼接节点板20及模块单元角柱2上的螺栓孔后，拧入连接内芯24的内螺纹孔27；最终，在实现下层四个模块单元角柱2水平向拼接的同时，也实现了上、下层模块单元角柱2的竖向拼接。除次之外，缀板2121及配套螺栓用于模块单元角柱2在楼层高度范围内的连接，确保拼接组合框架柱8整体受力的力学性能。

在本申请的一个实施例中，如图8、图9和图10所示，连接内芯24由水平钢板25、抗剪键26、内螺纹孔27组成；水平钢板25把抗剪键26分为上下两部分，内螺纹孔27开设于抗剪键26的侧板内；抗剪键26，在现场安装阶段，具有导向功能、便于拼装定位，在受力阶段，抗剪键26与模块单元角柱2的内壁接触，可确保拼接完成后的拼接组合框架柱8具有较高的抗弯、抗剪承载能力。

结合图9，描述连接内芯24的实施步骤：首先，抗剪键26是由四块钢板围成一个空心的矩形方盒子再加上顶部的一个钢盖板组成，其中抗剪键26的角部需进行一定的倒角处理以便于现场的安装，本图四柱拼接节点共需要8个抗剪件；然后，在抗剪键26按设计要求车出一定数量的内螺纹孔27；最后，把所有的抗剪键26按设计定位依次焊接到水平钢板25上，即实现了连接内芯24的制作。

在本申请的一个实施例中，如图7所示，模块底板3包括周边的楼面槽钢主梁6、工字形次梁及配筋轻质楼板18；三者的顶部处于同一标高, 配筋轻质楼板18安装于工字形次梁的上下翼缘之间；在模块底板3的顶部预浇筑不小于30mm的钢筋混凝土面层，确保配筋轻质楼板18具有足够的面内刚度。

结合图5，描述模块底板3的实施步骤：第一步，按照图纸设计的模块单元1尺寸固定四个模块单元角柱2；第二步，把周边的楼面槽钢主梁6采用螺栓连接的方式与模块单元角柱2进行连接，节点应设计成铰接节点；第三步，安装配筋轻质楼板18，本实例中，配筋轻质楼板18被工字型次梁17划分成三个区域，每个区域是由多块配筋轻质楼板18拼接而成，每块配筋轻质楼板18长度约1.5m、宽度约0.6m，本实例采用自左向右的方式进行所有组件的安装；首先，以最左侧楼面槽钢主梁6为支撑点安装左侧第一个区隔内的配筋轻质楼板18；然后，再安装左侧的第一根工字型次梁17；按此方式，再安装第二区隔内配筋轻质楼板18及第二根工字型次梁17；第四部，安装最右侧的封口楼面槽钢主梁6，最终形成模块底板3。楼面槽钢主梁6、配筋轻质楼板18和工字型次梁17的顶部处于同一标高，在工厂组装完成后，应在模块底板3表面浇筑不小于30mm的钢筋混凝土面层，从而确保模块底板3具有较高的面内刚度，有效防止由槽钢主梁6双拼而成的槽钢双拼框架梁9的平面外失稳问题。

在本申请的一个实施例中，如图4、图5、图6和图7所示，模块顶板5包括下封板11、约束C型钢12、C型钢檩条13、保温隔热材料15、钢筋对角斜撑14、上封板10；其中，约束C型钢12、C型钢檩条13及保温隔热材料15的顶部位于同一标高，保温隔热材料15安装于相邻C型钢檩条13之间；钢筋对角斜撑14位于C型钢檩条13与上封板10之间，钢筋对角斜撑14两端与模块单元角柱2之间采用花篮螺丝连接，张紧后的钢筋对角斜撑14可确保模块单元1具有较强的整体稳定性和较高的楼层平面内刚度。

结合图6，描述模块墙板4的实施步骤：首先，以模块底板3中的楼面槽钢主梁6作为竖向支撑点，依次安装配筋轻质墙板16，每块配筋轻质墙板16长度为楼层高度、宽度约0.6m；然后，按工程常用做法采用钢边框对门窗洞口等进行加强处理；最后，安装墙板约束槽钢7。模块墙板4，以模块底板3中的楼面槽钢主梁6作为竖向支撑，两侧受到模块单元角柱2的约束，顶部受到墙板约束槽钢7的约束，有较高的整体稳定性。墙板约束槽钢7与模块单元角柱2采用普通螺栓连接，螺栓孔采用长条状椭圆孔，确保约束槽钢在水平荷载作用下不会对拼接组合框架柱8构成约束作用，避免其参与水平力的分配。

结合图7，描述模块顶板5的实施步骤：由于模块顶板5在施工期间兼具施工平台的作用，所以其必须具备一定的竖向承载力；第一步，按照承载力计算的结果选定C型钢檩条13和周边的约束C型钢12的截面，其两者之间可采用焊接或螺栓连接，其顶部位于同一标高；第二步，在C型钢檩条13之间填充保温隔热材料15，确保模块顶板5的保温、隔热及隔音功能；第三步，在C型钢檩条13上部设置钢筋对角斜撑14，钢筋对角斜撑14与模块单元角柱2采用花篮螺丝连接，张紧后的对角斜撑可确保模块单元1具有较高的整体稳定性；第四部，安装上封板10、下封板11，最终形成箱式模块化单元1。

在本申请的一个实施例中，上层的模块单元1的模块底板3和下层的模块单元1的模块顶板5之间设置有设备层，用于各类柔性管线的集中铺设。

下面结合图1和图2，以某一住宅建筑的端部户型为例，阐述箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系的整体实施方法和建造过程。

1、划分模块单元1及工厂预制

把建筑物在空间上划分成8种类型模块单元M1~M8；各专业工种在工厂交替作业，实现模块单元1的全预制。

2、模块单元1的水平向连接

把相邻模块单元1按照设计位置就位；通过拼接节点19把相邻的模块单元角柱2拼接成组合框架柱8；通过间隔布置在梁腹板上的螺栓，把楼面槽钢主梁6拼接成槽钢双拼框架梁9；最终实现下层所有模块单元1之间的连接，形成建筑物的一个完整楼层。

3、模块顶板5拼接缝隙的处理及设备管线的连接

模块顶板5的拼接缝隙需进行必要的防水、防火及隔音降噪的处理；整体铺设设备主干线30（如：给水、供暖、空调、通风、燃气等），从公共区域的竖向管井内引出主干线后，模块单元1的终端线路仅与主干线连接（模块之间互不连接），主干线采用柔性管道（线）。

4、模块单元1的竖向连接

依次把上层模块单元1的角柱2插入拼接节点19中并通过螺栓进行连接，实现拼接组合框架柱8的竖向连接；再按照水平向拼接的做法，实现实现该楼层水平向相邻模块单元1之间的拼接；最终，实现上层所有模块单元1之间的连接，形成建筑物的一个新完整楼层。

5、安装钢支撑28，形成抗侧力子结构29

当实现两个楼层的模块单元1之间的水平向和竖向拼接后，采用销轴连接把钢支撑28连接到预先设计好的两个拼接组合框架柱8之间。该部位两端拼接组合框架柱8、楼层部位的槽钢双拼框架梁9以及层高范围内的钢支撑28共同组成了抗侧力子结构29。

最后应说明的是，以上实施方式仅用于说明本申请，而非对本申请的限制。尽管参照实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本申请的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围中。

Claims (6)

1.一种箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，其特征在于：包括至少两个互相拼接的模块单元，至少两个互相拼接的所述模块单元组成整个建筑，每个所述模块单元包括模块单元角柱、模块底板、模块墙板和模块顶板；所述箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系还包括仅在所述整个建筑的其中一部分区域设置的抗侧力子结构和所述整个建筑的其余区域设置的铰接框架结构两部分，其中：

所述箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系中的受力构件包括拼接组合框架柱、槽钢双拼框架梁和钢支撑；所述拼接组合框架柱包括相邻的所述模块单元角柱拼接而成的模块拼接节点；所述槽钢双拼框架梁由相邻的所述模块底板中的楼面槽钢主梁采用高强螺栓拼接而成；所述钢支撑可为普通钢支撑、防屈曲约束支撑；

所述抗侧力子结构包括所述钢支撑和与其两端相连的垂直于地表的两个所述拼接组合框架柱及平行于地表的所述槽钢双拼框架梁；所述钢支撑采用斜向对角方式安装于所述钢支撑两端的所述拼接组合框架柱及两个所述槽钢双拼框架梁所形成的矩形空间区域内；所述抗侧力子结构的数量应根据建筑物高度、所在地区的抗震设防烈度综合确定，所述抗侧力子结构的布置位置应不影响建筑物的使用功能；所述抗侧力子结构承担所有的水平荷载；

所述铰接框架结构由所述拼接组合框架柱及所述槽钢双拼框架梁构成，所述拼接组合框架柱及所述槽钢双拼框架梁两者采用高强螺栓铰接连接，用于承担竖向荷载。

2.根据权利要求1所述的箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，其特征在于：所述模块拼接节点由待拼接的所述模块单元角柱、连接内芯、拼接节点板、缀板、上排高强螺栓、下排高强螺栓、缀板高强螺栓构成；下层四个所述模块单元角柱实现贴合后，将所述连接内芯与下层的四个所述模块单元角柱插接，所述下排高强螺栓穿过所述拼接节点板及所述模块单元角柱上的螺栓孔后，拧入所述连接内芯的内螺纹孔，实现下层四个相邻所述模块单元角柱的水平向拼接，形成所述拼接组合框架柱；然后，上层四个所述模块单元角柱依次插入所述连接内芯，所述上排高强螺栓将所述拼接节点板和所述模块单元角柱连接在一起，在实现上层四个相邻所述模块单元角柱的水平向拼接的同时也实现了所述拼接组合框架柱的竖向拼接；另外，所述缀板高强螺栓穿过所述缀板上的螺栓孔后拧入所述模块单元角柱的内螺纹孔，所述缀板及所述缀板高强螺栓在同一水平标高沿所述拼接组合框架柱的四边均有设置，对所述拼接组合框架柱产生水平向的闭合约束，且所述缀板及所述缀板高强螺栓沿所述拼接组合框架柱轴向的间距不大于1米，从而确保所述拼接组合框架柱整体受力的力学性能。

3.根据权利要求2所述的箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，其特征在于：所述连接内芯包括水平钢板、抗剪键、内螺纹孔；所述水平钢板把所述抗剪键分为上下两部分，所述内螺纹孔开设于所述抗剪键的侧板内；所述抗剪键，在现场安装阶段，具有导向功能、便于拼装定位，在受力阶段，所述抗剪键与所述模块单元角柱的内壁接触，可确保拼接完成后的所述拼接组合框架柱具有较高的抗弯、抗剪承载能力。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，其特征在于，所述模块底板包括周边的所述楼面槽钢主梁、工字形次梁及配筋轻质楼板；三者的顶部处于同一标高, 所述配筋轻质楼板安装于所述工字形次梁的上下翼缘之间；在所述模块底板的顶部预浇筑不小于30mm的钢筋混凝土面层，确保所述配筋轻质楼板具有足够的面内刚度。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，其特征在于：所述模块顶板包括下封板、约束C型钢、C型钢檩条、保温隔热材料、钢筋对角斜撑、上封板；其中，所述约束C型钢、所述C型钢檩条及所述保温隔热材料的顶部位于同一标高，所述保温隔热材料安装于相邻所述C型钢檩条之间；所述钢筋对角斜撑位于所述C型钢檩条与所述上封板之间，所述钢筋对角斜撑的两端与所述模块单元角柱之间采用花篮螺丝连接，张紧后的所述钢筋对角斜撑可确保所述模块单元具有较强的整体稳定性和较高的楼层平面内刚度。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的箱式模块化钢结构组合柱铰接框架-支撑结构体系，其特征在于：上层的所述模块单元的所述模块底板和下层的所述模块单元的所述模块顶板之间设置有设备层，用于各类柔性管线的集中铺设。

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