多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析
多层模块化钢结构的设计
多层模块化钢结构的设计摘要：装配式建筑设计中，钢结构是主要的结构体系之一。
随着绿色建筑理念的落地和发展，钢结构建筑的应用有着十分广泛的前景，钢材料的材质优势，使得钢结构的抗震性能、环保性能十分突出。
在大型场馆、公共建筑领域钢结构技术已经较为成熟，工业建筑中应用钢结构建筑还存在较大的不足，推广轻钢结构的工业建筑是我国未来工业建筑建筑发展的重要方向。
关键词：多层模块化；钢结构；设计引言：钢结构建筑的推广有利于促进钢铁产业的发展，我国作为世界上钢铁产量最多的国家，提升钢产量的应用能力，对于整个产业的助力是非常明显的，钢结构建筑的环保优势也是实现建筑绿色化的重要保障，符合我国工业升级的目标要求。
基于此，本文就多层模块化钢结构的设计要素进行了分析，为钢结构在工业建筑方向的应用提供几点建议。
1.多层模块化钢结构的概念在工业建筑设计中使用模块化理念是当前建筑的重要设计理念，模块化结构的建筑是为了提升竞争力而产生的一种工业建筑建筑模式，这种建筑模式的适应性较强，能够通过多样性的组合来满足人们对于工业建筑的高品质需求[1]。
多层模块化钢结构不仅仅是构件模块或者空间模块的结构设计，而是以模块化的设计方案实现对整个空间布局的优化，使用模块组合成最佳形式的工业建筑结构。
模块化的工业建筑能够实现对工业建筑设计的分解、组合，将标准的模块进行合理组合实现建筑的设计目标，模块的组合是多层模块化钢结构应用的核心内容，在组合模块的过程中要围绕工业建筑模块的划分、系统组合的有效性以及系统的分解原则来展开。
多层模块化钢结构应用是具有动态性特征的，在运用模块结构进行工业建筑组合的过程中，既要满足建设的需求，又要满足拆除的需求，这是多层模块化钢结构应用的基本流程。
2.多层模块化钢结构的应用形式2.1全模块的钢结构工业建筑全模块的钢结构工业建筑指的是以整体吊装的方式实现对模块的组合，在全模块钢结构中，所有的模块都集中于单元模块内部，当前最常见的全模块钢结构工业建筑是集装箱。
浅谈多层钢结构模块建筑结构设计与分析
浅谈多层钢结构模块建筑结构设计与分析发表时间：2020-04-01T05:29:36.357Z 来源：《防护工程》2019年22期作者：谢绪军[导读] 在合理化设计基础上确保模块建筑结构各项指标都符合规范要求，在实际应用中功能作用充分发挥。
淄博市规划设计研究院山东省 255037摘要：模块建筑属于全新的建筑体系，通过合理化连接以及安装各个模块单元，提升模块建筑结构的安全系数。
因此，本文结合工程实例，从不同角度入手客观分析了多层钢结构模块建筑结构设计，在合理化设计基础上确保模块建筑结构各项指标都符合规范要求，在实际应用中功能作用充分发挥。
关键词：浅谈；多层钢结构；模块建筑结构；设计；分析模块建筑的每个房间都是模块单元，预制生产的同时运输到施工现场，在合理连接各个模块单元过程中进行规范化组装。
设计是模块建筑建设的重要方面，要在确定结构体系的基础上科学设计模块单元以及节点，在结构计算模型确立基础上进行结构、连接件承载力等计算分析，深化完善的同时保证多层钢结构模块建筑设计质量。
一、工程实例以某地区某多层单元式民用钢结构模块建筑为例，建筑总面积4600平方米，建筑结构的主体高度为19.5米，地上有5层，层高为3米，局部为6层，层高为4.5米，没有地下室，采用的是钢模块、钢框架作用下的复合结构体系。
该模块建筑的抗震设防烈度为七度，基本风压是0.5kN/m2，属于丙类建筑，施工场地为Ⅲ类，场地的粗糙程度属于B类，安全等级属于2级。
二、多层钢结构模块建筑结构设计1、明确结构体系以及设计模块单元以建筑功能、模块尺寸、结构设计为切入点 [1]，根据各自需求，明确该多层单元式钢结构模块建筑结构体系。
在建筑功能方面，门厅设在该模块建筑的中部，连通第一层、第二层的同时设立适宜的大开间，楼梯、电梯设在建筑中部以及角部位置。
在模块尺寸方面，通过工厂预制生产钢模块单元，根据运输、吊装两大层面需求，运往现场的钢模块单元宽度范围大都为2.5米到3.5米，高度不能在4.5米以上。
钢结构设计总说明
钢结构设计总说明一、设计概述钢结构设计是建筑工程中的重要环节，其主要目标是确保钢结构的安全性、稳定性和功能性。
本设计总说明旨在为钢结构设计提供全面的指导和说明，以确保设计过程中的规范性、合理性和可行性。
二、设计依据1、国家相关法规、规范和标准，如《钢结构设计规范》、《建筑结构荷载规范》等。
2、工程合同、技术规格书等项目文件。
3、建筑、结构、水暖电等专业设计任务书。
4、地质勘察报告、环境条件等自然条件。
三、设计参数1、钢材材质：本工程采用Q345B、Q235B等钢材。
2、构件截面尺寸：根据结构计算和构造要求确定。
3、连接方式：采用焊接或螺栓连接，具体根据受力情况和使用要求4、涂装材料：采用醇酸防锈漆、防火涂料等。
四、设计流程1、方案设计：根据项目需求和条件，进行结构方案构思和比选。
2、初步设计：进行结构布置，确定主要构件截面尺寸和材料，进行荷载计算和内力分析。
3、施工图设计：根据初步设计结果，进行详细的结构施工图设计和构件加工图设计。
4、深化设计：对施工图进行深化设计，包括节点详图、构件编号和加工要求等。
5、设计审查：进行专业审查和校核，确保设计的安全性和合理性。
五、注意事项1、设计过程中应充分考虑建筑物的使用功能和荷载情况，选择合适的结构形式和材料。
2、严格遵守国家相关法规、规范和标准，保证设计的安全性和合规3、加强与各专业之间的协调与配合，确保设计的整体性和一致性。
4、对设计中出现的问题及时采取措施进行处理，确保设计的顺利进行。
钢结构厂房设计总说明一、概述钢结构厂房是一种以钢材为主要结构材料的工业建筑形式，其设计的主要目的是为了满足工业生产过程的建筑空间需求和环境保护要求。
本设计总说明旨在为相关人员进行钢结构厂房的设计提供全面的指导和建议。
二、设计原则1、满足生产工艺需求：钢结构厂房的设计应首先满足生产工艺的需求，包括生产流程、设备布置、物流运输等。
2、确保结构安全：钢结构厂房的结构设计应确保其在各种可能出现的荷载条件下都是安全的，包括风载、雪载、地震等自然力。
多层钢框架结构设计及分析
多层钢框架结构设计及分析黄戴春;冯剑;张佩;陶晓亮【摘要】the steel frame structure is widely used in civil-ian residential, office buildings, senior high-rise office build-ing business, such as, steel frame structure position arranged flexibly, can achieve the spatial structure of large span and lar-ger space, meet the demand of large space building function, with light weight, high strength steel frame steel structure char-acteristics, high strength, good ductility, structure has good seismic mechanics performance. Through domestic widely used PMCAD modeling and SATWE structure analysis, structure de-sign software can effectively analyze the calculation design, flex-ible structure, to ensure the safety of the structure design, reli-able, and decrease the cost of design, installation, manage-ment, and design to create a good economic benefits for the en-terprise.%钢框架结构广泛应用于民用住宅、办公楼、高层(超高层)写字楼等商业建筑物，钢框架结构位置灵活，能实现大跨度、大开间的空间结构，以满足建筑物大空间功能需求，钢框架结构具有轻质高强性能特点，强度高、延性好，钢结构建筑具有良好的抗震力学性能。
多层钢结构模块建筑结构设计研究
多层钢结构模块建筑结构设计研究摘要：钢结构是我国工程建设过程中应用非常普遍的一种基本框架结构，具有很强的稳固性和耐用性。
应用于多层建筑时，需要基于工程建设的全局进行考虑，确保钢结构设计符合标准规范，同时优化钢结构的资源配置，充分发挥钢结构具有的作用。
实际进行多层钢结构模块建筑结构设计时，难度系数非常大，这在一定程度上制约了模块建筑的发展，本文对多层钢结构模块建筑结构设计进行了探究，希望给有关人员提供参考。
关键词：多层钢结构；模块建筑；结构设计0引言钢结构设计在建筑设计中一直都非常重要。
与传统混凝土结构和砌体结构比较而言，钢结构建筑具有更强的稳定性和可靠性，而且给生态带来的不良影响更少。
不仅如此，使用模块建筑的成本更小、施工时间更短、施工质量更佳，因为这些优点，所以模块建筑结构被广泛应用于建筑设计施工中，而这种模块建筑都是提前在设计工厂中制定好的，然后在实际的施工过程中应受到施工现场进行组装。
模块建筑结构体系设计涉及很多种类的结构体系，有力的推动了我国建筑领域的发展和进步。
1探析多层钢结构模块建筑结构的优势现阶段，多层钢结构模块建筑结构已经是建筑领域的主要发展方向，在满足当代人们住宅需求的同时，对于建筑结构设计方面有了更加严格的标准，可以有效的确保建筑结构的稳固性和可靠性。
在多层建筑结构中应用钢结构，有利的规避了传统砌筑结构存在的不足，具有更大的价值和优势。
1.1美观性钢结构的整体框架具有简洁的优势，应用的原材料也非常单一，在施工时，工作人员需要保证这些钢结构的材料质量符合施工建筑的要求，同时施工人员使用钢结构进行接触设计和建筑布局规划工作，在设计过程中可以对钢结构整体框架进行灵活调整，进而更好的塑造建筑造型，保障建筑结构的安全性和稳定性[1]。
1.2简便性钢结构施工操作非常方便，而且操作流程也很简单，可以事先预制钢结构，采取装配式施工的方式进行钢结构建筑的建设，可以在很大程度上简化施工现场的操作步骤，保障施工的安全可靠，同时操作起来非常方便，可以大幅度减小施工时长，有效提升建筑工程项目的经济效益。
多层钢结构模块的结构设计与力学性能探析
多层钢结构模块的结构设计与力学性能探析摘要：建筑工程施工技术的发展，简化了施工模式，加快了建筑工程的施工速度。
多层钢结构模块在建筑工程施工中的应用，大大缩短建筑工程的施工周期，减少费用支出。
本文从三个方面进行阐述，详细说明多层钢结构模块在建筑工程施工中的应用优势，推动建筑工程的快速发展。
关键词：多层钢结构模块；结构设计；力学性能近几年，国家较为重视住宅产业化的发展，大力推行装配式建筑，模块建筑属于装配式建筑的一种形式，能够有效缩短建筑工程的施工周期，实现建筑施工的绿色环保发展。
多层钢结构设计主要是以建筑设计方案为基础先构建一个符合规定要求的框架，以构建科学的、合理的建筑结构体系，钢结构模块间通过插销螺栓进行连接，与传力路径设计原则保持一致，能够简化方案，简化设计，科学有效的分析设计结果，最大化的展现多层钢结构具备的优势。
一、多层钢结构模块的优势大部分多层钢结构模块是在工厂中进行加工与制作的，属于一种流水线作业，能够有效提高建筑工程的施工质量，大大缩短建筑工程的施工周期。
1.建造时间缩短建筑工程中使用多层钢结构模块在工厂中进行加工制作时，建筑施工现场可进行基础工程的施工建设，而多层钢结构模块在工厂中制作完成后进入施工现场，在施工现场所需的施工操作量较少。
且多层钢结构模块在工厂中进行加工制作时，不用担心气候与温度等天气因素的影响，大大缩短多层钢结构模块的制作时间，缩短工程建造时间，同时也大大减少资金成本的投入。
2.施工质量良好模块化建筑属于一种装配式建筑，装配率超过80%，因此大部分的模块化建筑的配件与建造过程是在工厂中完成施工装配的，通过机械化形式进行操作，能够有效避免误差，大大降低施工差错率，使得建筑工程的施工质量得到有效保证。
3.实现建筑工程施工的绿色环保发展多层钢结构模块是在工厂中加工制作完成的，大大降低建筑工程施工现场丢弃的垃圾量，特别是多层钢结构模块在建筑工程施工中应用时，能够有效避免建筑材料的浪费，能够大大降低建筑工程施工现场的噪音量与粉尘量，有效避免施工现场建筑材料的过量堆积，实现建筑工程的绿色环保发展，同时也有效避免对施工现场周围居民的日常生活产生过多的不良影响。
多层钢框架结构的优化设计分析
3、方法和步骤多层钢框架结构的优化设计方法包括定性优化、定量优化和 敏感性分析等。其中，定性优化是通过改变结构体系、布置和构造等方式来提高 结构的性能；定量优化是通过数学优化算法来寻找最优解；敏感性分析是通过分 析结构参数对目标函数的影响程度来确定最优解的可靠性。具体的优化设计步骤 如下：
（1）明确优化目标：根据实际情况和设计要求，明确优化目标，如最小化 用钢量、最大化结构稳定性等。
3、通过敏感性分析，可以发现对目标函数影响较为显著的结构参数，为进 一步优化设计提供了参考和依据。
展望：未来，随着建筑业的持续发展和人们需求的不断变化，多层钢框架结 构的应用将更加广泛，优化设计显得尤为重要。可以预见，未来的优化设计将更 加注重数字化技术和智能化技术的应用，例如采用基于的优化算法进行自动化优 化设计，以提高优化设计的效率和精度。更加注重结构的可持续性和环保性能， 例如采用绿色材料和节能技术等。
4、通过敏感性分析，我们发现某些结构参数对目标函数的影响较为显著， 需要在设计中特别和优化。
结论：经过对多层钢框架结构的优化设计分析，我们得出以下结论：
1、优化设计可以提高多层钢框架结构的承载能力、稳定性和经济性，具有 重要的现实意义和实际应用价值。
2、关键问题和优化方法是多层钢框架结构优化设计的重点和难点，需要在 设计中给予足够的重视和。
（6）方案实施：将最优方案付诸实施，进行施工图设计和施工。
分析结果：经过优化设计分析，我们可以得到以下结果：
1、钢框架结构的梁柱截面尺寸得到了合理的调整，使得结构承载能力得到 提高，同时减小了用钢量。
2、节点连接方式得到了优化，提高了节点的承载能力和稳定性，减少了构 造细节的复杂性。
3、荷载效应得到了合理的控制，使得结构在承受较大荷载的情况下仍能保 持良好的稳定性。
多层钢框架的结构设计分析
多层钢框架的结构设计分析摘要：本文以模工程为例，主要了介绍了中心支撑和钢框架—支撑体系的构造和性能进行了比较，并提出了两种结构体系在设计中应注意的问题分析。
关键词：钢框架结构；结构设计；要点1工程概况本工程长为56m，宽为25m，共两层，层高均为4.5m。
抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅳ类。
风荷载为0.55KN/m2。
底层为办公和商业，二层为仓库，中间的钢柱均不能升至屋面，活荷载为 5.0KN/m2。
由于需要缩短施工工期，故除屋面大跨度梁采用工厂加工制作，其余构件均采用国标型钢。
在最初确定结构体系时，并不是凭经验确定的，而是在钢框架和钢框架－中心支撑两种结构体系两个结构体系的比较结果的基础上，进行了进一步的分析探讨，又结合了建筑物本身的特点和要求，最后工程确定采用钢框架结构体系，这个结构体系详见图1、图2。
本工程的基础采用的是桩基础，并且基础之间是设置了基础拉梁的，可以保证本工程的基础是非常牢固的。
2钢框架结构和钢框架－中心支撑结构的布置采用钢框架结构体系时(见图1)，在1轴和10轴的钢柱通高采用方管400×12，在A轴和E轴的2至9轴的钢柱通高采用方管300×12，一层其余钢柱采用方管250×12;GKL1采用了400×200×8×13的H型钢，GKL2和GL1均采用了346×174×6×9的H型钢，屋面GJ1采用了变截面的H钢(型号为500～700×180×6×8，每隔3m设置角隅撑);屋面GXG采用了圆管89×4;屋面水平支撑采用了带花篮螺栓的20圆钢。
在屋面B、C、D轴的端跨处，仍然采用钢框架梁，与相邻跨的屋面梁GJ1处设置为铰接，以减少与此相连的框架柱在X方向的长细比过大，避免造成用钢量的加大。
整个建筑物的结构构件均采用Q235B钢材，最终的主钢材用量为103吨，平均用钢量约为40Kg/m2。
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多层钢结构模块与钢框架复合建筑结构设计与分析
发表时间：2018-05-28T11:29:11.480Z 来源：《基层建设》2018年第3期作者：赵阳
[导读] 摘要：随着建筑的使用功能被扩展，很多城市建筑都有多种功能设置需求，为了满足建筑的功能设计，设计人员在会通过将常规建筑结构改造为符合建筑结构，进一步对复合式的建筑进行设计。
黑龙江省纺织工业设计院
摘要：随着建筑的使用功能被扩展，很多城市建筑都有多种功能设置需求，为了满足建筑的功能设计，设计人员在会通过将常规建筑结构改造为符合建筑结构，进一步对复合式的建筑进行设计。
而在搭建这种具有复合型结构的建筑时，设计人员需要结合应用多种设计方法，将钢框架设计法与多层钢结构模块设计法结合应用。
使结构设计工作更具合理性，本文以实际的建筑设计案例为参考，对其该类建筑的结构设计方法进行研究。
关键词：多层钢结构模块；钢框架；复合建筑结构；设计方法
随着城市的现代化程度增强，很多复合式建筑出现在城市之中，虽然复合式建筑可以满足多种建筑应用需求，但是其结构设计工作却比一般的建筑的结构设计更为艰难，设计者需要对建筑的各个部分进行协调，避免建筑的不同部位出现冲突的情况。
在设计复合式建筑的结构时，设计者常常会选择构建出钢框架与多层钢结构模块的复杂结构形式，本文对其设计状况进行分析。
1 案例情况分析
由于复合式结构建筑的设计工作难度系数高，本文将结构设计方法带入到实际的建筑结构设计工作之中，进行具体化分析，本文先对工程概况进行研究。
案例之中建筑属于办公楼，其位于城市新区之中，周围具有极为丰富的旅游资源，周边环境极好，与航海道相连，建筑的总体面积为2536.3m2，建筑总体层数为3层，局部位置为4层，建筑的整体高度为16.4m，建筑标准层的高度为3.9m，首层高度为5.4m，该建筑并没有地下空间，从其层数特点来看，可以被划分到多层建筑范围之中，选用的结构模式为复合式钢框架结构系统为钢结构模块。
2 设计概况
2.1 设计结构系统
在为该建筑提供结构设计时，需要做好模块单元的处理工作，在其他结构设计工作开始之前，先加工好结构单元，再将已经完成加工的结构单元运送到建筑现场，通过吊装的方法来安装模块单元，负责安装结构单元的工作人员需要事先了解吊装规范，按照规范完成安装模块单元，吊装的宽度大约为3m，高度不能超过4m。
建筑的结构设计工作需要以建筑的使用功能为参照，确保结构设计是符合建筑的功能设定的。
由于该建筑为办公楼，因此其内部空间设计极为丰富，在首层位置有展示区、餐厅以及咖啡厅的设置需求，因此需要在首层预先留出比较大的空间，设计人员要将模块设置到相应的位置上。
在该建筑的二层位置，需要搭建天桥，使建筑之中的人可以通过天桥达到西侧工厂之中，如果只使用单一化的控制方法，设计人员是难以完成多种建筑结构设计工作的，因此本文将框架设计法与模块设计法两种设计方法加以结合，在内部结构较为复杂的首层、二层以及三层应用框架设计法，而在对其他建筑空间结构进行设计时，应用单元模块设计法。
2.2 确定模块类型
在这种模块设计系统之中，可选用的设计方法有很多中，包括中柱单元、普通单元、支撑单元等。
四种单元设计情况如图1所示。
图1 模块类型
2.3 设计结构构件
在对钢框架结构进行设计的时候，可以将H型钢梁与矩形钢管柱进行结合使用，在对梁柱的节点进行设计的使用，可以选用隔板贯通型的新型节点，借助隔板来打断梁柱没在连接梁柱的时候，采用焊栓混合连接的方法进行连接。
这种结构连接方法具有受力性能比较好，安装工作也比一般的设工作更为便捷。
2.4 设计结构节点
节点设计也是初期结构设计环节之中的一个重点设计任务，在对连接方式进行选择的时候，可以选择螺栓拉杆、插销、特制铆钉电能几种连接方法，在开展连接节点这项工作的时候，不仅需要确保节点的刚度符合要求，同时还要对节点的强度进行测量，这种节点设计的优势在于，其传力系统较为可靠，在进行施工建设的时候也能降低施工难度。
3 模块设计情况分析
3.1 对节点进行简化
模块连接节点的简化要做到传力与实际的节点构造一致，具体简化方式为：考虑到上下模块之间各构件对模块柱的约束，模型中模块
柱与模块梁连接点到上下模块间柱头节点间用刚性短杆表示；上下模块间柱头柱牌节点为铰接连接，且饺接节点之间进行平动自由度耦合；上下模块梁的拉杆用样单元模拟。
运用ANSYS有服元软件建立简化的十字形节点模型，其中，梁、杜以及短杜用Bean189 单元模拟，拉杆用Link8 单元模拟。
对其柱顶施加位移约束，考虑大变形，绘制荷载-位移骨架曲线，将其与模型尺寸、约束条件以及加载方式均相同的实体模型的骨架曲线进行对比，得到实体模型的极限荷载约为86kN，对应的极限位移为134.1mm，而简化模型的极限荷载约为77kN，对应的极限位移为114.1mm，二者相差不大。
对比者的弹性位移，均约为50mm，且弹性花围内刚度差别不大：简化模型的弹性刚度小于实体模型的弹性闸度，约为实体模型刚度的81.6%。
究其原因应该是在简化模型中未考虑实体模型的各种构造，且简化模型中未考虑板件展曲后的强度。
由于设计中要求材料处于弹性阶段，所以这样的简化对设计来说是可以接受的。
3.2 创建模型
采用有限元软件MIDAS/Gen821建模，整体模型如图2所示。
梁杜采用梁单元建立；支撑、上下模块之间的拉杆水平模块之间的盖板连接采用桁架单元建立。
图2 模型设计
4 结束语
本文以实际的复合式建筑为研究对象，对这一类建筑设计方法进行了简要介绍，设计人员除了需要做好建筑体系的整体构建工作之外，还需要对复杂结构的特殊位置加以细化处理。
明确了建筑的结构形式之后，设计者需要将各个结构模块完整地划分出来，应用模块设计法可以简化结构设计工作，设计人员把握好节点的受力状况就可以提升建筑结构的整体合理性，在计算节点受力数据时，需要对影响节点的因素加以考虑，在对数据进行验算时，不能遗漏地震情况，使复合式建筑结构更为安全。
参考文献：
[1]张亚英，赵春荣，& 崔炜.（2017）.多层砖混建筑的轻钢结构加层设计和抗震计算模式对比研究.工程抗震与加固改造，39（4），136-140.
[2]王惠艳.（2016）.基于物质点法多层钢结构复合建筑研究.辽宁科技大学学报，39（5），385-391.
[3]张鹏飞.（2015）.多层钢结构模块结构设计与力学性能研究.（Doctoral dissertation，天津大学）.。