香港模块化集成建筑MIC的关键注意事项

由香港理工大学国家钢结构工程技术研究中心香港分中心(简称香港分中心)和香港建筑金属结构协会共同组织的组装合成建筑法(MiC)技术研讨会于 2019 年 7 月 11 日在海景嘉福洲际酒店举行，并有一共350名参加者出席。

研讨会是「设计及建造工程师专业进修课程」的一部分，旨在促进MiC在香港的有效采用。为一众知名设计师、工程师和研究人员提供一个技术平台，以传播他们在MiC先进建筑技术方面的经验和研究成果，从而实现公共和私人建筑中MiC的创新应用。此技术研讨会由建造业创新及科技基金赞助。

钟国辉教授工程师  香港理工大学

国家钢结构工程技术研究中心香港分中心(简称香港分中心)合作者
伦敦帝国理工学院，结构工程师学会，钢结构研究所，清华大学，同济大学，北京科技大学。

目的：

推动香港的可持续基建发展

促进香港和中国钢结构行业

在现代钢结构中推广先进的结构工程技术

建筑结构的结构效率
采用高性能钢材进行有效设计和施工

香港建造业面临的挑战

·施工生产率、现场安全和质量。
·劳动力需求、熟练劳动力老龄化、年轻人缺乏。

模块自重
·普通混凝土、轻质混凝土
·钢模块、混凝土模块和混合模块

模块之间的连接
·强度、刚度和可建造性

柱的承载能力
·3层，20层和40层

连续倒塌
·抗意外载荷的结构完整性

新的建筑形式需要新的材料和新的设计。

创新性应用的探索性研究!

香港模块化集成建筑(MiC)创新

在车间制造全套组件

在现场使用模块化单元建造高层建筑

项目金额:2600万港元，25%的资金来自工业合作伙伴
2019年7月至2021年6月

在香港采用MiC的挑战
香港的建筑工程高度发达，受规管，需要大量的技术和管理技能，以及财务管理。
建筑施工采用常规钢筋混凝土施工，经过30年的实践和发展，仍不完美
创新的结构工程设计需要为MiC高层建筑开发新的结构系统，使用高性能材料交付相同质量的建筑。

在设计、审批、成本和施工中，很难获得竞争需求的最佳解决方案。
模块化部件供应商发现很难进入香港市场。

技术壁垒具有挑战性:
建筑设计最大化建筑面积
限制的布局，以服务于各种建筑用途。
由于双层墙的存在减少了可用的地板面积。
结构工程设计，以实现高结构完整性
许多小尺寸的柱和墙抵抗重力和风荷载。
在建筑系统中存在许多施工缝。

MiC高层建筑的创新
用于高层MiC建筑的高性能建筑材料及工程研究
住宅建筑先进结构工程创新:

i) 3 ~ 6层

ii) 8 ~ 20层

iii)至40层

技术因素:
模块化单元的自重/减小构件尺寸和增加楼面可用面积/抗荷载系统/施工缝/耐火/耐久性
结果:
有效使用材料/高层建筑的结构框架/有效接缝/施工方法和程序/技术指南/实例和案例研究

在本项目中，研究工作应分以下几个阶段进行:
A阶段初步研究
B1期高性能材料
B2创新结构工程设计
C阶段设计指南编写

香港所有MiC建筑的设计及建造均须符合当地的建筑管制规定。
需要注意的是:

a)香港对抗风荷载的要求是世界上最高的。
b)香港要求模块化楼宇的消防安全与传统楼宇的标准相同。

阶段A:初步研究
布局设计:
建筑平面设计应使重复单元有效模块化，同时最大限度地扩大可用面积。
我们会确定下列典型建筑类型的发展蓝图:

a)学生宿舍、青年旅舍及酒店

b)公共住宅

c)私人住宅及商业楼宇

学生宿舍典型平面图的模块化

B1期高性能材料

楼板用高强度泡沫混凝土
目标:30 MPa @ 1200 ~ 1400 kg/m 3
目前状态:15 ~ 25mpa @ 1200 ~ 1400kg /m 3

气泡聚结，气孔大(> 0.1 mm)，尺寸分布宽。
   当引入的空气含量超过40%(相当于密度约1300 ~ 1400 kg/m 3)时，气泡聚结更显著

通过减小空隙尺寸，即0.1mm以下，缩小空隙尺寸分布来制作高强度泡沫混凝土

朱明点评：引入气泡作为轻质混凝土的研发方向，难度非常大，关键是后期成果转化困难。最好的方式是利用轻骨料轻质混凝土

B1期高性能材料

墙体用高强混凝土
目标:C80混凝土，耐火时间至少1小时(限剥落)，抗水、氯离子渗透能力增强。

为钢构件提供防火和防腐保护

发展混凝土配合比设计的技术途径
粘结剂含量高，水胶比低
硅粉和/或纳米颗粒的用途
优化颗粒堆积
聚合物和/或钢纤维介绍

结构致密，强度高，渗透性低
纤维提供蒸汽蒸发路径和桥接以减少剥落

B2阶段创新结构工程设计
设计问题
模块单元之间的连接

案例1:两个角连接的接头-上单元和下单元

案例2:四个角连接的接头-上单元和下单元

设计问题
相邻模块单元之间的连续性
由于使用模块单元，相邻模块单元之间几乎没有结构连续性，因此，这些单元在水平荷载作用下倾向于单独表现。

为提高结构效率，应在连接处设置相邻模块单元之间的耦合，并改进施工方法，以确定结构设计中实际假定的高度耦合。

有效的抗水平力系统

设计问题
模块单元之间的连接
建立精确的预测模型来确定MiC中常用的各种实际连接的强度和刚度是至关重要的。还应改进连接处，提高强度和刚度。

确定MiC连接强度和刚度的预测模型

计算机模拟:
应该开发新的建模技术来模拟以下情况:
堆积过程中荷载、荷载路径和结构形式的变化
不同结构形式的模块化单元和不同强度和刚度的高性能材料的不同组合
建筑系统的连接和连接处具有局部连续性，对抗全局和局部的活动

阶段C -技术指南的编写

将编写若干技术指南，以提出:
·高效使用高性能材料
·创新的结构形式和连接
·耐火和耐久性
·施工方法和程序
·典型的模块化部件和技术规格

为建筑及工程设计提供明确的技术指引
(包括建筑、结构、消防、声学、建筑服务等方面的考虑)，在青年宿舍、学生宿舍、青年家庭和过渡性社会福利住房等方面展示MiC技术。

可交付成果
提供首个技术指南，以通知建筑专业人员
编译例子来演示MiC技术及其多优点
建筑和工程设计要求汇总

MiC高层建筑的高性能材料

高性能材料用于有效设计

i) 30 ~ 60层的高层建筑，或

ii)具有重负荷柱的建筑系统

将规范的设计规则扩展到:

高强度钢S460、S690和S960高强度混凝土C100 ~ C150

物理试验:冷弯矩形空心型材:
尺寸:250 x 150 x 16
粗壮的柱/细长的柱/焊接断裂连接

对多个MiC单元进行系统测试，以确认部分连接的连续性

设计规则:
截面分类，轴向屈曲，压缩和弯曲组合

挑战:
巨大的装载要求，因此很难实施，
高强度钢材和混凝土的质量控制

渐进崩溃/不成比例的崩溃
结构完整性/抗意外负载的稳定性

这次坍塌是由塔楼18层的气体泄漏引发的。该建筑系统由相互支撑的预制混凝土板组成，爆炸炸掉了一块墙板，导致上下楼层倒塌。

都是快速发生的动态效应
非弹性和严重变形
构件和连接在复杂载荷下的响应
获得一种新的平衡位置的能力决定了这种渐进崩溃是否会发生。
防止构件分离梁与柱连接的健壮性完整性是必要的

设计并提供梁柱连接的抗拉能力
为了识别这些纽带的加载路径，并提供一个考虑周全的方法来进行总体安排。

替代荷载路径被认为是最合适的方法，通过这种方法，轻钢模块化结构可以符合有关坚固性的建筑法规。

人工智能与机器人技术模块化集成结构实验室

任务
提供
·集成和优化的建筑和工程设计，协调制造，交付和现场安装MiC建筑，其对建筑环境的传感和监测在环境影响和负载下的结构行为
·人工智能和机器人技术的开发和应用，以创造新的工具来加强MiC建筑的设计、施工和监控过程

拟议的实验室将大大促进人工智能技术在MiC的发展和应用:
·为MiC建筑和工程设计提供基于人工智能的知识平台。
·智能结构系统和MiC建筑连接，使用建筑信息实现完全数字化的施工过程模拟平台。
·用于MiC建筑的有效钢-混凝土混合系统，优化功能、安全性、可施工性和耐久性。

高强度结构性能的研究
·S690钢及其焊接截面

S690钢的力学性能
·S690焊接H型和i型截面的残余应力
·结实的焊接S690 h型钢柱
·焊接S690 h型钢的细长柱
·焊接S690工字形钢梁
·S690焊接接头强度降低和软化
·焊接对S690焊接接头组织的影响
·结实的S690焊接h型钢柱与接头(对接焊接接头)

S690焊接接头强度降低和软化

人工智能焊接缺陷视觉检测

图像处理，模式识别
神经网络，深度学习和分类
第三方(独立)人工智能辅助检查记录