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北美模块化建筑在建筑规范方面的进展

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2020年


标准研究
高层模块建筑
行业增长涉及的监管环境和注意事项


免责声明

该报告由Arup编写,由CSA集团拥有。其目的是提供有关所涉主题的信息。本出版物表达的观点是作者和受访者的观点。报告中得出的结论是提交人的结论。Arup和CSA集团不承担由于遵循或使用本出版物中受访者提供的数据或建议而可能发生的内容或任何损失或损害的任何责任。

随着快速的城市化和人口增长,更多的人生活和工作在城市。这导致城市环境中对更高建筑的需求增加,城市中缺乏负担得起的住房。由于熟练劳动力短缺和建筑业生产率持续停滞,建筑业继续努力应对劳动力成本的上升。这些市场动态为创新提供了机会。
模块化和场外施工有助于应对这些挑战。模块化结构的起源可以追溯到17年th世纪主要以独栋住宅开始。如今,模块化建设在许多应用中得到了应用,包括住宅、商业、医疗等。大多数现有的模块化建筑都是低层或中层建筑,但在过去十年中建造了几座高层体积模块化建筑,需求似乎在增加。
本研究报告探讨了目前高层体积模块化建设的现状、驱动因素、好处和障碍。本报告包括研讨会的调查结果和对模块化制造商、设计师、监管机构和行业贸易集团的访谈,以及模块化建设方面的现有研究。
北美示范守则和标准组织,包括加拿大标准协会(CSA)和国际守则理事会(ICC),已经认识到需要制定或调整守则和标准,以应对模块化建设的具体挑战。对与模块化结构有关的规范和标准进行审查和差距分析,为加拿大市场提出了若干建议。
以下是通过本研究项目确定的关于模块结构的代码和标准制定的四个最优先项目(详见第7节):
1. 制定场外/模块化施工的新标准。
2. 增加和扩大各省采用CSA标准A277。
3. 审查和更新CSA标准A277。
4. 为场外/模块化建筑制定AHJs指南。
有许多因素有助于采用模块化结构。上述建议将支持模块化建筑的增长,为模块化建筑的设计、建造和批准提供一个更全面和一致的监管环境。



“当尽可能多的工作在场外完成时,可以最大限度地利用体积模块化结构的好处。”

当尽可能多的工作在场外完成时,体积模块化结构的好处可以最大化。虽然所有项目的基础都将采用传统的施工方法建造,但建筑的其余部分可以完全模块化,可达一定数量的层。对于较高的建筑物,可能需要一个常规建造的横向系统。然而,模块化结构不必是一种全部或全部的策略。如果组件(例如浴室吊舱)是模块化建造的,这些组件可以与体积模块化建造或传统的建造方法相结合。
模块化项目可以由结构材料建造,包括钢、混凝土或木材,或这些材料的组合。据估计,在美国和加拿大,木框架、钢和混凝土分别占模块化建筑材料的70%、25%和5。这种分配直接关系到低层建筑的材料选择,这一直是模块化市场的最大部分。在新加坡和香港,混凝土模块比北美更常见。
对于高层建筑来说,钢结构体系在北美一直是主要的类型。预制混凝土地板已在北美的体积应用中得到应用以及国际上。在美国和加拿大,最近和即将进行的法规修改允许在高层应用中使用大量木材(例如交叉层压木材),为结构材料提供了另一种选择。在高层应用中,大量的木材通常是面板化的,尽管也出现了体积系统。

模块化建筑的最初应用可以追溯到1670年,当时预制建筑从英国运到美国[2]。在十九世纪的淘金热和二十世纪四十年代第二次世界大战后的时代,模块化建筑被用来为工人和返回的军人[2]提供快速、低成本的住房。
在20世纪40年代以前,模块化建筑主要用于独栋住宅。正是在这个时候,模块化的建筑方法被应用于商业项目,后来被用于酒店和多家庭住宅建筑[2]。在模块化建筑中,这些历史繁荣的共同主线是对住房的需求不断上升。
1968年,英国伦敦的罗南角22层公寓楼不幸倒塌,导致公众对预制建筑的不信任。一次煤气爆炸导致预制混凝土地板和楼板在建筑物的一个角落失效,造成4人死亡,17人受伤[3]。
模块化建筑已被用于许多不同类型的建筑占用,包括单家庭住宅、多家庭住宅单元、学生住房、招待、保健、办公室、商业和教育。
虽然现有的模块化建筑大多是低层建筑,但在全球范围内已经完成了几座高层体积模块化建筑(见表1)。截至2019年7月,位于新加坡的克莱门特冠层建筑被称为世界上最高的体积模块化建筑。本项目包括两栋40层塔楼,505套住宅公寓。这些塔由1,899个模块组成,需要30个月才能完成。

目前的行业挑战以及对模块化结构的好处的日益认识最近帮助它在市场上获得了吸引力。熟练劳动力短缺目前处于历史最高水平,现场劳动力成本增加反映了这一点。加拿大建筑公司预测,在未来十年[10],将有超过33,000名工人净劳动力损失。住房短缺和希望缩短项目时间表等其他挑战也推动了模块化建筑业的增长。传统建筑“充斥着低效、资源浪费、大量碳足迹以及工人和附近居民的健康相关问题”[8]。相比之下,模块化建筑的手段和方法有可能减轻与可持续性和工人/社区安全有关的问题,并有利于采购和建筑过程的许多其他方面,包括建筑成本和项目时间表的可预测性。

模块化建筑增长的考虑因素

规划

项目适宜性

采购方法

角色和职责

项目融资

项目保险

生产能力

供应链 

设计与施工

侧耳设计

连接-结构

连接-建筑系统

消防组件和结构防火

声学

施工公差

建筑信封和防水

运输、储存和储存

起重、安置、安装和整理

施工期间的消防安全

监护链

批准

具有管辖权的当局)

工厂和产品认证程序

第三方认证机构

检查

教育

其他考虑

一般来说,场外/预制房屋必须遵守与传统建筑相同的规范和标准。许多国家的现行建筑规范没有专门针对场外/预制房屋的规定的一部分。相反,一些国家可能会承认工厂制造的元素,并参考其他有特定场外需求的标准,或者推迟到可能有计划的州和省。场外施工有独特的考虑因素,如运输、提升和放置现有规范和标准未涉及的模块。这些差距和拼凑的监管方法对行业来说是次优的。
代码和标准的制定必须继续跟上模块化、面板化的场外建筑的日益流行和规模,以及新出现的趋势和技术,如重新设计为建筑物的海运集装箱、3D打印建筑物和小型住宅。守则和标准组织面临的挑战是根据这些行业趋势制定或调整条例,以确保公共安全,同时允许继续创新。
以下是对加拿大和其他几个国家和区域与模块化建设有关的适用守则和标准的高级别有针对性的审查。
5.1 加拿大
5.1.1 国家建筑规范
国家建筑规范(NBC)是加拿大的示范建筑规范。全国广播公司由各省和地区采用,允许每个省和地区在实施前审查和考虑是否需要有任何具体管辖范围的差异。NBC和其他构造代码一样,引用了一系列不同的标准,这些标准作为代码的扩展而可以执行。关于模块化结构,NBC的2015年版提到了一些现有标准,如以下各节所述。
 
5.1.2 预制施工认证标准
美国国家广播公司参考了CAN/CSA标准A277-16预制建筑物、模块和面板认证程序(CSA A277。CSA A277规定了预制产品认证程序、工厂质量计划(认证和审核)以及预制产品[30]的工厂检查。本标准的范围包括预制建筑以及任何建筑物占用的体积和面板化模块。
质量体系和程序的认证被处理,并包括那些负责质量程序的人的要求和程序所需的文件,以保持工厂认证。组件(如模块和面板)的认证必须包括适当的标记、规格表和结构组件和服务连接的说明。CSA A277还包括认证机构对工厂监控的要求,以确认质量计划的适当实施和运作以及预制建筑和部件的适当建造。本标准附录涵盖了铝(CSAW47.2)和钢(CSAW47.1)以及预制混凝土(CSAA23.4)的焊接参考标准)。
CSA A277要求设计模块以承受或容纳在运输和放置过程中施加的载荷和应力,但范围不包括工厂以外的其他活动,如运输、提升、放置、安装和现场建造的元件。CSA A277可用于高层体积模块化项目。应该指出,它不是所有省份和所有建筑类型的参考文件。例如,在一些省份,它可以在第9部分(住房和小型建筑)中引用,但在第3部分(其他建筑,通常较大,包括高层建筑)中没有引用,等等。此外,所引用的CSAA277版本因省而异(例如,2015年NBC参考2008年版本)。这些变化为在全国开展工作的模块化利益攸关方提供了不平衡的监管环境。
 
5.1.1 钢建筑系统制造商认证标准
在NBC中的注释是指CSA标准A660-10(R2019)钢建筑系统制造商认证(CSAA660)。CSA A660提供了制造商[31]提供的钢建筑系统设计和制造证书的要求。本标准涵盖了对参与设计和施工过程各阶段人员的要求以及钢构件的设计要求。还包括需要满足的特定焊接标准和结构构件公差等制造要求。最后,提供了关于需要演示适当的包装和运输方法以及安装文件需求的信息。
 
5.1.2 人造住宅标准
在NBC中没有引用CSA标准Z240MH系列-16制造住宅(CSAZ240MH),但包含在本审查中,因为它涉及制造的住宅,并概述了这些结构所需的技术设计、质量控制和标记的一般要求。该CSAZ240MH的范围仅限于一层建筑,不适用于高层体积模块化建筑。
 
5.1 美国
5.1.1 国际建筑规范
在美国,国际法规理事会(ICC)制定了《国际建筑法规》(IBC),这是其一系列I-Codes中的一种,由地方和州司法管辖区通过,有或没有修正案。参考资料
对于批准的制造者,制造者的合规证书和工厂制造的组件是在I-代码的行政部分中制造的;然而,模块化/场外施工没有具体解决。总的来说,目前在I-Codes中很少有特定于模块化结构的代码。
 
5.1.1 国家认证方案
美国国家标准局于1973年[29]发布了一份模型文件,用于评估、批准和检查制造建筑。今天,至少有35个州和一些地方司法机构制定了模块化建设的监管方案。国家计划通常包括工厂认证和产品认证以及质量计划要素,如检验和审计。这些程序通常没有设计要求,模块化建筑必须符合与传统建筑相同的规范和标准。
对于这些由国家主导的项目,项目设计师将其模块的图纸提交给全州的项目进行审查和批准,而不是将其提交给当地市政[29]。个别的州计划可能对过程的哪一阶段需要检查有不同的要求,但一般情况下,如果需要,则使用国家许可的第三方机构来完成检查[29]。
虽然国家计划涵盖了类似的领域,但监管要求和文本因州而异。这对制造商来说是负担。需要统一认证程序,使制造商能够更容易地在全国范围内运作。
 
5.1.2 发展标准
在2019年,ICC开始开发两个新的标准,以支持场外建筑业。这两个标准的标题草案是ICC1200,场外建设标准:规划、设计、制造和装配,ICC1205,场外建设标准:检查和监管合规[30]。国际商会1205的意图将在很大程度上取代国家方案的实质性内容,使各州专注于执行而不是代码开发,并简化模块化制造商和设计师的监管环境。去开车
采用这些标准将需要在ICC模型代码中得到承认,然后由每个州采用。
国际商会G5-2019年安全使用ISO联运集装箱的准则,重新设置为建筑物和建筑部件,于2019年公布,将航运集装箱转换为建筑物。本文件目前是一项准则。
UL LLC3D打印建筑大纲目前正在由承销商实验室(UL)开发,以解决3D打印建筑,这是一项新兴的技术。
 
5.1 欧洲/联合王国
国际标准组织(ISO)和英国标准早在1980年代就制定了模块化协调标准。其中一个是ISO21723:2019建筑和土木工程模块化协调模块,它建立了价值和协调信息,以及首选的垂直模块和多模块尺寸[31]。其他ISO和BS标准已经产生,以解决关节,准确性和公差已被确定为过时或有限的范围[26]。英国标准机构(BSI)目前正在审查BS5606:建筑精度指南,涵盖精度和公差。
建筑研究机构(BRE)已经制作了BPS7014:BRE标准的模块化系统的住宅,概述了系统和组件
性能和验证要求。欧洲标准(EN)也制定了预制混凝土和预制木材的标准。有关公差和协调标准的一些问题已经确定。关于钢结构和框架设计的标准也存在,这些标准可能适用于模块化结构,但没有具体解决这一问题。总体而言,没有解决主要要素的标准,如吊舱或面板化系统,也没有解决模块化建设整体[26]的标准。
BSI于2019年完成了对与场外建设有关的现有标准的审查,并得出结论认为,需要新的标准来解决[26]:
• 设计团队的商定流程
• 供应链关系
• 质量控制、测试和维护
• 精度和公差
 
5.1 澳大利亚
在澳大利亚,莫纳什大学于2017年出版了一份指导文件,题为“模块化结构[32]设计手册。虽然编写本文件的目的不是要成为一个可执行的标准,但它确实涵盖了模块化构建的许多关键考虑因素,这可能为标准开发奠定基础。

1. 结论

模块化建筑完全有能力帮助应对城市化、提供负担得起的住房和熟练的建筑劳动力等社会挑战。本研究报告探讨了高层体积模块化建设的现状、驱动因素、效益和障碍。由于这种新兴的建筑和设计方法的复杂性,更多的指导和教育将大大有助于采用模块化建筑。长期以来,良好的做法和丰富的现有行业守则和标准使人们对传统建筑产生了极大的信心。模块化建筑行业将从更多的方面获得类似的好处
根据这种施工方法量身定做的综合代码和标准框架。目前的规范和标准没有全面地解决高层建筑体积模块化结构的特点。
对与模块化建筑有关的规范和标准的审查和差距分析(第5节)提出了若干建议,以支持加拿大模块化建筑行业。对第6节中提出的拟议行动进行了进一步分析,以确定将对该行业产生最大影响和最大利益的最重要的审议项目。以下是模块化建设利益攸关方在代码和标准制定方面的四个最高优先事项:
1. 制定场外/模块化施工的新标准。该标准的目标应该是解决现有规范和标准中的差距,而不是“双重管制”场外/模块化建筑。更具体地说,该标准应是对CSAA277(涉及工厂和产品认证)和建筑规范的补充。如果发现部分建筑代码对非现场/模块化建筑不太理想,则应通过代码开发周期分别处理这些代码。与NBC一样,建议标准基于性能。还建议在场外/模块化建筑术语中使用标准定义。新标准至少应包括以下领域:
• 角色和责任
• 供应链
• 拘留链
• 横向荷载的设计
• 连接-结构
• 连接-建立系统
• 防火等级组件和结构防火
• 声学,声音传输和振动
• 建筑公差
• 建筑围护及防水
• 运输、分期和储存
• 现场组装整理
• 施工期间的安全
增加和扩大各省对CSAA277的采用。应更新省法规和规则,以直接参考最新版本的标准,并允许其用于所有占用组和任何高度的建筑物。每个省和国家代码都有代码开发周期,这些行动应根据这些时间表进行优先排序。
1. 审查和更新CSAA277。标准的下一次定期更新应考虑以下更新,并审查其他更新,以解决本报告中确定的考虑:
• 统一的任何实质性问题省级要求(例如艾伯塔省)
• 标签、识别和监管做法和程序链
• 国际供应链(扩大A4.1中的指导)
2. 为场外/模块化建筑制定AHJs指南。指导应涵盖以下领域:
• 行政管理
• 计划审查
• 现场检查
• 工厂和产品认证方案
• 地方和省级AHJs之间的协调,如适用
• 第三方认可认证机构
正如第3和第4节所讨论的,有许多因素有助于采用模块化结构。上述建议将为模块化建筑的设计、建造和批准提供一个更全面和一致的监管环境,从而促进模块化建筑的增长。


为了鼓励使用基于共识的标准解决方案来促进安全和鼓励创新,CSA集团支持并开展涉及新的或新兴产业领域的研究,以及影响现有和潜在利益攸关方广泛基础的议题和问题。我们的研究项目的产出将支持制定未来的标准解决方案,为工业发展和采用新技术提供临时指导,并帮助展示我们对建设一个更美好、更安全、更可持续的世界的持续承诺。
模块化建筑是预制装配式建筑的最高表现形式,近几年受到世界各国普遍关注,但实际操作下来,完美的成功案例少之又少……最大的问题不是规范缺失或者有什么技术难度。
个人观察总结,影响模块建筑成功与否的几个关键问题是:
最大的问题可以总结为:
1、模块化建筑与传统建筑业市场环境的不适应——设计招投标、工程计价、材料供应链等。
2、设计深度和预制深度不匹配——这个无解,虽然可以引入BIM等工具,因为设计深度(正向BIM)已经达到指导施工的程度,有几个设计懂施工?
3、精度不匹配——行业普遍认为模块化建筑的精度要达到制造业的水平

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作者: ganggouren

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