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笔记《冷弯薄壁型钢模块化建筑系统的可持续性能研究》

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摘要:

模块化建筑系统(MBS)在生产力、可持续性和安全性方面提供了许多好处。因此,mbs被认为是解决英国住房危机的可行选择,并推动英国走向可持续建设。在材料、制造技术、连接类型和结构设计方面的发展对于实现可持续的目标至关重要。与混凝土和木材相比,冷弯钢(CFS)等钢铁制造领域的最新进展显示出其在结构性能方面的潜在优势。同时,通过引入不同截面、组合截面和优化等技术提高CFS截面的结构承载力。组合断面是通过连接多个渠道断面而开发的,并进行了各种研究以评估其结构性能。然而,模块化结构中组合构件的可持续性能仍是未知的。因此,本文打算开发一种使用组合型材的MBS,以获得更好的可持续性能。从经济、环境和社会三个方面对mbs的可持续性效益进行了文献综述。除此之外,研究人员还进行了数值分析,以研究不同螺杆布置的组合截面的抗弯能力,通过引入新截面来解决模块化结构的可持续问题。并给出了数值描述、结果和验证。数值计算结果表明,组合截面的抗弯承载力比单截面提高了156%。最后,在可持续性增强的模块化建筑中,对已建成部分的利用在概念图中进行了阐述和说明。

一些古老的产业,如制造业、纺织业、食品业和农业,不时地通过采用新技术而得到发展。然而,建筑行业仍然固执地采用新技术,除了机械,这是为了减少人力和时间。传统的建筑方法是劳动密集型、耗时、低生产力、低可预测性、高能耗的(建筑占全球能源的32%,与二氧化碳直接排放相关的能源占近10% [1]),在碳排放(建筑行业占全球碳排放的40%[2])、空气污染和噪音污染方面对环境构成威胁,并受到天气限制,但即使在发达国家,如英国(UK),仍然被认为是主要的建筑实践,澳大利亚和美利坚合众国(美国)。包括瑞典、挪威、芬兰、荷兰和日本在内的国家已经转向可持续的现代施工方法,用场外模块化施工取代了70% 95%的现场工程,这是备受赞誉的现代施工方法(MMC)之一。表1列出了发达国家目前的组合式住房百分比。
模块化结构在生产程序方面复制制造业,如模块或单元制造和组装模块以实现最终输出。“非工地”一词表示大部分的建筑工作,即模块制造,是在工厂而不是建筑工地进行的。图1显示了工厂中的模块化制造。模块化结构有许多好处,包括提高质量[7],更快的交付[8](比传统方法[9]快20 70%),降低成本(20%[4,10]),有效的材料使用,在更少的能源消耗方面是环境友好的,减少温室气体排放,减少噪音污染(30% – 50%)和有效用水,减少劳工需求,减少建筑浪费(高达90%[12]),改善健康和安全方面(事故率下降80% [11]),减少了与建筑相关的交通流量(比传统方法减少了70%[13]),并改善了建筑的美学选择。考虑到人口增长,模块化建筑最令人印象深刻的好处是更快地交付建筑物,特别是医院、宿舍和办公楼。例如,随着患者数量持续增加,中国能够在14天内使用模块化建设理念完成1000张床位的医院,以解决COVID-19治疗和住院问题。一个典型建筑的模块化和传统建筑的时间轴比较如图2所示

在传统的建筑方法不能满足需求的情况下,特别是在住房部门,就开发了非传统的方法。第一次和第二次世界大战后,巨大的住房危机和劳动力和材料的短缺导致了创新的非传统方法,这是模块化的起源。图3展示了在1945年[16]伦敦展览会上展示的预制体积模块。20世纪60年代,对工业再开发的关注和高层建筑的繁荣导致了非传统建筑方法的重新出现。1968年,英国有超过42.5万所住宅使用了场外技术[17],这远远超过了英国近年来的年需求(30万)[18]。多年来,与传统方法相比,建筑行业的创新被限制在一个低得多的百分比,考虑到几个障碍,包括高资本成本[19],缺乏供应商,缺乏现场灵活性,误解和缺乏经验来适应[9]。过去40年的房屋建筑业统计数据表明了传统方法对生产力的不利影响,英国房屋完工率持续下降,[5]。然而,近年来建筑行业的可持续性、住房短缺和生产率问题为提高MMC[4]的利用率建立了一个理想的平台。英国政府于2003年启动了可持续发展进程,成立了一个任务小组,以确保环境保护、材料的有效利用以及经济增长和就业的稳定。图4说明了新兴技术的各个阶段。关于Gartner的炒作周期,模块化结构现在正从启蒙阶段的斜坡走向生产率的高原。

Farmer对英国建筑业劳工模式的检讨改变了政府对建筑业的看法。由于指出劳动力持续短缺和劳动力技能开发投资不足将成为未来的关键问题,“现代化或死亡”的主要概念被认为是对建筑业[22]的一个警钟。英国政府通过MMC[23]改善住房供应的做法受到了好评。图5显示了英国的劳动力能力和预测。此外,最近的行业报告[24],政府报告[25],战略计划[26]和研究报告[2]都指出了MMC的可持续效益,这将有利于实现政府和联合国(UN)[28]设定的可持续目标[27]。特别是,英国的“建设2025”战略计划,目标是到2025年,初始成本和全寿命期成本降低33%,建设速度加快50%,排放降低50%,出口改善50%。然而,近期新冠疫情疫情减缓了建筑生产率的进度[29](建筑活动减少25%[30]),年度目标未能按照路线图计划实现。此外,在后英国脱欧时期,建筑业面临着劳动力短缺、材料成本高、资金短缺等巨大问题。复苏计划[30](重启,重启和改造)过程中实现目标在住房需求和可持续性方面,和模块化的建设是突出主题的复苏计划考虑到新规范在大流行方面,如社会距离和更少的人群

尽管模块化结构是实现最终目标的最理想选择,但仍有一些问题需要克服,并有巨大的空间来试验和提出各种不同的方面,如材料、技术、连接和设计指南[3],以提高未来模块化结构的利用。特别是,研究集中在模块的结构性能,以实现高标准和可持续效益,包括成本效益和更少的原材料消耗[19]。MBS依靠混凝土、木材和钢材来生产模块化类型的[32],包括轻规格钢框架(LGSF)、豆荚、预制混凝土、镶板系统和体积结构[5,17]。每种材料都有自己的优点,并被用于适当的模块化结构,以满足特定的需求。钢是MMC的highestrated和杰出的材料考虑它的优点,如可重用性(超过90英国98%的钢是重复使用或回收[13]),安装快,质量控制,成本效益(6%更成本有效而具体的一栋公寓在城市位置[33]),材料消耗更少(比传统混凝土[34]高78%),轻便(比混凝土模块[3]轻20%)。冷弯钢(CFS)作为门式钢框架系统和承重构件在模块化建筑中比热轧钢更受青睐,以提高钢的使用效益,特别是由于其高强度重量比、结构高效截面、材料效率和轻[35]。对CFS截面进行了研究,以研究其在剪切、弯曲和腹板破坏等各种标准下的结构性能[36 44]。在此基础上,提出了新的设计方法、设计方程和新的设计截面。此外,技术的进步和对可持续性[1]的愿景为CFS行业带来了创新的想法,通过优化(搜索结构设计,在满足其他约束条件的同时,对特定的设计标准进行优化)、复合截面、具有高强度和刚度的组合式截面和创新连接,作为改进性能的典范。因此,在模块化建筑中应用这种创新的部分和方法来实现更可持续的效益是被研究人员考虑在内。然而,在这一领域开展的研究有限[36 44]。Satheeskumar等人的[45]研究了交叉交叉的木材CFS组合梁的可持续效益,Gatheeshgar等人的[46]研究了优化的CFS梁在模块化结构中的作用。交错木材CFS复合梁受弯承载能力提高了20%的个人能力相比[45]成员,而优化CFS部分如溢出槽钢(LCB),折叠凸缘部分和超级σ部分时刻能力增加了30%,分别为60%和65%[46]。此外,Gatheeshgar等人[35]研究了优化对LCB截面剪切和腹板破坏能力的影响。优化后,剪切能力和腹板破坏能力分别提高了6%和13%。同时,组合优化在不影响剪切和腹板破坏能力的情况下,使抗弯能力提高了12%。CFS托梁的重量优化方法减少了24%的重量[2],考虑到运输和提升过程,这是模块化结构的理想选择。此外,模块化建筑行业预计更长的跨度,以增加建筑内部的空间(客户的期望),改善室内美学环境和减少材料的利用(可持续性)。因此,为了实现工业化生产,引入组合型钢,将两个型钢腹板作为背合法兰组合成箱形型钢。图6显示了将两个通道部分与自攻[47]组合在一起的创新。刚度由于更高的负载增加跨越距离和更方便的[48],作为可持续发展目标的托梁使用。研究人员考虑了2021年、11460栋建筑中模块化建筑的37个创新部分和方法,以实现更可持续的效益。然而,在这一领域进行的研究有限。Satheeskumar等人的[45]研究了交叉层合木材CFS组合梁的可持续效益,Gatheeshgar等人的[46]研究了优化的CFS梁在模块化结构中的作用。与两个构件[45]相比,交叉的木材CFS组合梁提高了20%的抗弯能力,而优化的CFS截面,如Lipped Channel beam (LCB)、折叠翼缘截面和超级sigma截面分别提高了30%、60%和65%的弯矩能力[46]。此外,Gatheeshgar等人[35]研究了优化对LCB截面剪切和腹板破坏能力的影响。优化后,剪切能力和腹板破坏能力分别提高了6%和13%。同时,组合优化在不影响剪切和腹板破坏能力的情况下,使抗弯能力提高了12%。CFS托梁的重量优化方法减少了24%的重量[2],考虑到运输和提升过程,这是模块化结构的理想选择。此外,模块化建筑行业预计更长的跨度,以增加建筑内部的空间(客户的期望),改善室内美学环境和减少材料的利用(可持续性)。因此,为了实现工业化生产,引入组合型钢,将两个型钢腹板背靠背组合,或将法兰组合成箱形型钢。图6展示了创新的组合型材,由两个通道型材与自攻螺钉[47]组合而成。组合式截面由于其双轴对称的特性,更高的承载能力,更大的跨越距离和更方便的连接,确保了更多的扭转刚度,这是在可持续发展目标方面模块化建筑中作为托梁使用的理想特征。

Wang和Young[47]研究了自攻螺杆布置对封闭和开放组合截面抗弯性能的影响。螺杆布置方式对封闭组合梁的抗弯承载力影响较大,而对开口组合梁的抗弯承载力影响较小。然而,组合构件的抗弯性能以及螺旋布置对模块化结构组合构件抗弯能力的可持续影响尚待分析。因此,本文旨在从模块化施工的需要出发,对模块化施工的概述、模块化施工的类别及其规范、创新组合式截面的抗弯性能以及螺丝的结构对组合式截面抗弯能力的影响进行阐述。实现可持续目标。最后,提出了一个模块化单元的概念设计,采用创新的组合部分,以改善可持续发展。

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作者: ganggouren

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