金 鑒，賀 曉，魏文豪，吳雨杭，李元齊（.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京 00048；.同濟(jì)大學(xué)，上海 0009）

1 概述

近年，國家大力促進(jìn)裝配式建筑及其結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展，積極推進(jìn)傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。模塊建筑因其系統(tǒng)高度集成化、產(chǎn)品化、部品與工廠化生產(chǎn)的要求相適配而引起廣泛關(guān)注，并在國外已經(jīng)進(jìn)行了多年的發(fā)展。模塊建筑體系，以單個(gè)模塊為基本單元，每個(gè)模塊單元采用型鋼框架或冷彎薄壁型鋼龍骨式復(fù)合墻體為主要受力構(gòu)件，并在工廠進(jìn)行預(yù)制，形成建筑功能完備的模塊單體，然后將其運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行模塊連接，使其成為整體建筑［1］。另一方面，數(shù)據(jù)中心（見圖1）作為5G、人工智能、云計(jì)算等新一代信息通信技術(shù)的重要載體［2?3］，對(duì)于經(jīng)濟(jì)數(shù)字化具有重要的戰(zhàn)略意義；數(shù)據(jù)中心是一類平面布置規(guī)則且重復(fù)的建筑類型，與模塊建筑體系具有高度的適配性。因此，數(shù)據(jù)中心的模塊化建造已成為行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。

圖1 模塊化數(shù)據(jù)中心建筑［2］

1.1 數(shù)據(jù)中心的模塊化建造技術(shù)現(xiàn)狀

模塊單元是鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑體系的重要建筑部品，根據(jù)傳力路徑可分為柱承重模塊和墻承重模塊2類。為適用低層到高層的建筑需求，由模塊拼裝成的結(jié)構(gòu)體系可歸納為：純模塊結(jié)構(gòu)體系、模塊?鋼框架結(jié)構(gòu)體系、模塊?筒體結(jié)構(gòu)體系、平臺(tái)?模塊結(jié)構(gòu)體系以及框架?嵌入式模塊結(jié)構(gòu)體系等。

對(duì)于數(shù)據(jù)中心的模塊單元，各企業(yè)都力圖使其覆蓋所有的建筑功能，即實(shí)現(xiàn)設(shè)備機(jī)房的模塊化、樓梯走廊等輔助單元的模塊化、建筑屋面體系的模塊化［2?3］。但是，由于國內(nèi)廠商眾多，且沒有統(tǒng)一的規(guī)范指導(dǎo)數(shù)據(jù)中心模塊化建筑的設(shè)計(jì)，各模塊化的功能單元種類繁多，缺乏可參考的合理模數(shù)，有悖于模塊建筑標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化和系列化的原則，過多種類的模塊單元使得數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的建造效率大為降低，也不利于數(shù)據(jù)中心模塊化建造的推廣。盡可能實(shí)現(xiàn)模塊單元的標(biāo)準(zhǔn)化，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心模塊化建造的關(guān)鍵。

目前的模塊化數(shù)據(jù)中心建筑多為3層及以下的低層建筑［4?7］，多層模塊化數(shù)據(jù)中心的推廣將緩解用地緊張的局面。但是，由于單個(gè)數(shù)據(jù)中心模塊荷載較大，多層純模塊結(jié)構(gòu)體系數(shù)據(jù)中心的抗側(cè)力體系難以達(dá)到抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；此外，缺乏模塊單元之間傳力簡潔、安裝方便、承載性能良好的連接構(gòu)造［8?16］，也是阻礙數(shù)據(jù)中心模塊建筑向多層建筑體系發(fā)展的原因之一。對(duì)于模塊建筑的連接設(shè)計(jì)，陳志華等［13］提出的一種自鎖榫卯式連接節(jié)點(diǎn)，利用上部模塊的重力作用將上下模塊鎖住，從而使節(jié)點(diǎn)達(dá)到抗彎、剪的性能要求。鄧恩峰等［15］提出一種箱式模塊間的鑄頭?十字板連接節(jié)點(diǎn)，柱插入焊接在十字形節(jié)點(diǎn)板上的鑄頭中，并通過螺栓將相鄰模塊框架梁連接。在進(jìn)一步的研發(fā)中，可將上述節(jié)點(diǎn)形式應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心模塊建筑。

在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)階段，已采用BIM 對(duì)機(jī)柜、橋架、管路等設(shè)備進(jìn)行空間精準(zhǔn)定位，提前識(shí)別干涉位置，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，減少因方案設(shè)計(jì)不完善造成的現(xiàn)場施工返工［2］。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的廣泛展開以及建筑信息化模型的高速發(fā)展，建筑一體化管理平臺(tái)已成為提高工程管理水平，降低成本，加快工期，提高工程質(zhì)量的最優(yōu)方案。此外，國外已經(jīng)涉及了模塊建筑的智能設(shè)計(jì)以及全過程管理。Sharafi等［17］提出將多層模塊建筑采用三維矩陣的形式進(jìn)行描述，并綜合考慮建造、建筑及結(jié)構(gòu)等方面的因素，最終求解出該矩陣的最優(yōu)解作為模塊建筑的智能設(shè)計(jì)方案。Hsu等［18］建立了涵蓋模塊生產(chǎn)、儲(chǔ)存、組裝3個(gè)方面物流過程的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，案例研究表明該模型有效地為模塊建造中的物流優(yōu)化提供支撐。Hsu 等［19］進(jìn)一步研究了模塊建造中供應(yīng)鏈的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避問題，考慮了不確定性因素的影響，并通過一個(gè)實(shí)際案例體現(xiàn)出該模型的可操作性。Zhai等［20］為了充分實(shí)現(xiàn)BIM 技術(shù)在模塊建造中的精確信息收集、按時(shí)信息交互、自動(dòng)決策支持，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與BIM 相結(jié)合，提出IBIMP 管理平臺(tái)。將一體化管理平臺(tái)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的模塊化建造已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

針對(duì)數(shù)據(jù)中心的模塊化建造技術(shù)現(xiàn)狀，需要進(jìn)一步深入研究的重點(diǎn)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心的模塊化建造技術(shù)研究重點(diǎn)

1.2 模塊運(yùn)輸和吊裝的損傷問題研究現(xiàn)狀

在數(shù)據(jù)中心的模塊化建造實(shí)現(xiàn)中，因其單個(gè)模塊具有設(shè)備荷載大、單元規(guī)格長、集成化程度高的特點(diǎn)，還應(yīng)考慮其在運(yùn)輸和吊裝過程中的安全性問題。實(shí)際上，對(duì)模塊單元運(yùn)輸過程中的損害進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，紙面石膏板作為模塊單元的外墻板，其在運(yùn)輸過程中的開裂是建筑模塊常見的破損模式［21］。針對(duì)模塊在運(yùn)輸過程中受到的動(dòng)力荷載，Godbole［22］建立了包括路面、車輛、模塊單元的整體數(shù)學(xué)分析模型，提出其動(dòng)力荷載的主要影響因素為模塊單元的堆疊高度、質(zhì)心位置、掛車懸架放置方式以及振動(dòng)部分的阻尼數(shù)量，基于此進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)分析。另一方面，Bai［23］則針對(duì)運(yùn)輸荷載進(jìn)行了實(shí)測研究，考察對(duì)象為采用三軸半掛平板車以及船用拖車運(yùn)輸?shù)? 種模塊單元，測量結(jié)果以功率譜密度的形式呈現(xiàn)；Bai［21］在后續(xù)的研究中，利用上述實(shí)測運(yùn)輸荷載作為輸入評(píng)估了模塊單元非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在運(yùn)輸過程種的損傷狀況，該研究利用模塊的有限元模型進(jìn)行頻域上的隨機(jī)振動(dòng)分析，并結(jié)合非結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗(yàn)獲取的疲勞材性，評(píng)價(jià)其損傷程度；然而，上述損傷分析僅在單次實(shí)測荷載試驗(yàn)作為輸入的條件下進(jìn)行，無法定量考慮多種路面的情況。

此外，由于數(shù)據(jù)中心模塊質(zhì)量較大，在模塊單元形成整體建筑的安裝過程中，單元的防損問題需要引起重視。在模塊吊裝過程中，跌落和碰撞產(chǎn)生的沖擊荷載將對(duì)模塊單元中的易碎構(gòu)件產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致其破損。Godbole 等［24］對(duì)模塊單元跌落的沖擊荷載進(jìn)行了理論、模擬及試驗(yàn)研究，結(jié)果表明沖擊過程可以簡化理論模型，即Hunt&Crossley（H&C）模型；通過建立運(yùn)動(dòng)方程，可獲得沖擊荷載的解析解；該模型同樣表明，對(duì)于數(shù)據(jù)中心這類質(zhì)量較大的模塊單元，其沖擊荷載也會(huì)相應(yīng)增大。

1.3 解決模塊的運(yùn)輸和吊裝損傷問題的意義

保證數(shù)據(jù)中心模塊在運(yùn)輸和吊裝過程中的完好性，有利于節(jié)省建筑建造總體工程造價(jià)、減少材料浪費(fèi)、提升建造效率和質(zhì)量安全水平，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、裝配化和信息化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。因此，對(duì)于數(shù)據(jù)中心模塊在運(yùn)輸和吊裝中的安全性問題應(yīng)進(jìn)行深入分析。

2 模塊單元的運(yùn)輸和吊裝損害分析

2.1 運(yùn)輸過程中引起損害的原因及其破壞機(jī)理

模塊建造的整體流程可分為：模塊工程制造、模塊運(yùn)輸至現(xiàn)場、模塊現(xiàn)場拼裝。對(duì)于完成度高的單體模塊，在運(yùn)輸過程中的動(dòng)力荷載或?qū)⒃斐善浞墙Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的嚴(yán)重破損，這是導(dǎo)致模塊建造成本增加的主要原因之一。路面不平度［25］作為運(yùn)輸模塊單元車輛上動(dòng)力荷載產(chǎn)生的根本原因，根據(jù)ISO 8608?1995 標(biāo)準(zhǔn)，其豎向高程被簡化為理想的功率譜密度形式，并分為A～H 8個(gè)等級(jí)。

紙面石膏板作為模塊單元的外墻板，其在運(yùn)輸過程中的開裂是建筑模塊常見的破損模式。此處以紙面石膏板為例說明其在運(yùn)輸中動(dòng)力荷載下的破壞機(jī)理。

在A～E 等級(jí)道路下內(nèi)紙面石膏板的最大應(yīng)力如圖3 所示?？梢钥吹剑Y(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均位于石膏板開洞一側(cè)的邊緣，該位置即是紙面石膏板最易于發(fā)生破損的位置。此外，在E等級(jí)道路下，紙面石膏板的最大應(yīng)力為2.39 MPa，超過材料的極限抗拉強(qiáng)度2.1 MPa，說明在該工況下，結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了強(qiáng)度破壞。

圖3 A～E等級(jí)道路下內(nèi)紙面石膏板的最大應(yīng)力

進(jìn)一步地，根據(jù)紙面石膏板的應(yīng)力時(shí)程進(jìn)行疲勞分析，獲得其疲勞壽命，如圖4 所示。結(jié)果表明，在A、B 等級(jí)道路下，紙面石膏板材無損傷發(fā)生，由圖3（a）和圖3（b）可知，材料的最大應(yīng)力均小于1.1 MPa（彈性極限）；在C 等級(jí)道路下，紙面石膏板材的疲勞壽命為172 h，大于一般的運(yùn)輸時(shí)長，該道路等級(jí)下發(fā)生破損的可能性較低；在D、E 等級(jí)道路下發(fā)生破損的可能性較高，其中，D 等級(jí)道路下的疲勞壽命為6.78 h，E 等級(jí)道路下材料的最大應(yīng)力已大于2.1 MPa（極限強(qiáng)度），破損模式為強(qiáng)度破壞。

圖4 A～E等級(jí)道路下紙面石膏板的疲勞壽命

實(shí)際上，A、B 等級(jí)道路均屬于城市道路；C 等級(jí)道路屬于鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路；D、E 等級(jí)道路則屬于路面狀況糟糕的鄉(xiāng)村道路，且為運(yùn)輸過程中應(yīng)該避免的路段。圖4給出了A～E等級(jí)道路下紙面石膏板的疲勞壽命。

2.2 吊裝過程中引起損害的原因及其破壞機(jī)理

在模塊吊裝過程中，跌落和碰撞產(chǎn)生的沖擊荷載是導(dǎo)致模塊單元易碎構(gòu)件及設(shè)備破損的主要原因。

模塊單元的跌落過程可以簡化為如圖5（a）所示的理論模型。并由此可計(jì)算出模塊單元所受到的沖擊荷載，如圖5（b）所示。由于沖擊荷載短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的巨大加速度，模塊單元中的易碎構(gòu)件或設(shè)備將首先發(fā)生破壞。以安裝在模塊單元上不同厚度的普通浮法退火玻璃為例，各厚度玻璃發(fā)生破壞的時(shí)間如圖6所示。

圖5 模塊單元的跌落過程模擬

圖6 不同厚度玻璃在沖擊荷載下的開裂情況

綜上所述，數(shù)據(jù)中心模塊單元在運(yùn)輸過程發(fā)生損傷的原因?yàn)槁访娌黄蕉纫鸬某謺r(shí)較長的動(dòng)力荷載，構(gòu)件破壞機(jī)理為低等級(jí)道路下的疲勞損傷或高等級(jí)道路下的強(qiáng)度破壞；模塊單元在安裝過程中，易碎的構(gòu)件或設(shè)備可能由于跌落和碰撞產(chǎn)生的沖擊荷載而破損，破壞機(jī)理為持時(shí)短、強(qiáng)度大的沖擊荷載引起的斷裂。

3 模塊單元運(yùn)輸和吊裝過程防損研究

3.1 運(yùn)輸過程中防損的主要問題及對(duì)策

由2.1 節(jié)的分析可知，對(duì)于道路運(yùn)輸中的數(shù)據(jù)中心模塊，防損的關(guān)鍵是減小模塊單元受到的動(dòng)力荷載和加強(qiáng)模塊單元在動(dòng)力荷載下的結(jié)構(gòu)承載力。

為了減小模塊單元的動(dòng)力荷載，首先應(yīng)考慮避免運(yùn)輸車輛行駛于路面狀況糟糕的鄉(xiāng)村道路（D、E 等級(jí)），確保行駛路線為城市道路（A、B等級(jí)）及路面狀況良好的鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路（C等級(jí)）。其次，F(xiàn)erdous［26］指出，采用具有減振器的地面運(yùn)輸裝備，可有效減少因地面不平度產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)對(duì)建筑典型部品引起的損傷。此外，在設(shè)備隔振領(lǐng)域，隔振技術(shù)的應(yīng)用同樣可以達(dá)到減小模塊單元受到的動(dòng)力荷載的效果。

對(duì)于加強(qiáng)模塊單元在動(dòng)力荷載下的結(jié)構(gòu)承載力，《輕鋼龍骨式復(fù)合墻體》（JG/T 544?2018）［27］中對(duì)于二維墻板在運(yùn)輸過程中的防損保護(hù)規(guī)定如下：包裝箱應(yīng)牢固，避免產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中損壞、產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中應(yīng)輕裝卸、防沖擊、防變形等；《鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 507?2018）［28］則規(guī)定：模塊單元的寬度及高度宜符合大件運(yùn)輸?shù)南拗狄?guī)定，在運(yùn)輸過程應(yīng)固定牢固，設(shè)置墊木防止運(yùn)輸過程中造成損壞，必要時(shí)，應(yīng)進(jìn)行運(yùn)輸過程中強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算，采取專門的防振措施。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的防損技術(shù)及措施如表1所示。

表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的防損技術(shù)及措施

3.2 吊裝過程中防損的主要問題及對(duì)策

對(duì)于數(shù)據(jù)中心模塊單元吊裝過程中的防損，應(yīng)避免模塊單元在吊裝時(shí)發(fā)生跌落和碰撞，相應(yīng)的對(duì)策總結(jié)如下。

a）使用合理的吊裝工具。模塊安裝應(yīng)合理選擇起重吊裝設(shè)備，當(dāng)選用非定型產(chǎn)品作為起重設(shè)備時(shí)，應(yīng)編制專項(xiàng)吊裝施工方案，并通過施工單位技術(shù)負(fù)責(zé)人審核通過后，方可組織實(shí)施；根據(jù)模塊形狀、尺寸及重量要求選擇合適的吊具，吊裝過程，吊索水平夾角不宜大于60°，不應(yīng)小于45°；對(duì)于尺寸較大或形狀復(fù)雜的模塊，應(yīng)選擇設(shè)有分配梁或分配桁架的吊具，并應(yīng)保證起重設(shè)備主鉤位置、吊具及模塊單元重心在豎直方向上重合。

b）優(yōu)化吊點(diǎn)位置。模塊應(yīng)設(shè)計(jì)吊點(diǎn)供起吊設(shè)備對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)。吊點(diǎn)的數(shù)量及位置由保護(hù)易碎構(gòu)件的容許撓度值來控制，比較典型的點(diǎn)位設(shè)于模塊的兩端；對(duì)于依靠模塊自身結(jié)構(gòu)不能滿足吊裝工況受力的情況，考慮布置臨時(shí)結(jié)構(gòu)，吊裝完成后此臨時(shí)結(jié)構(gòu)還能用于數(shù)據(jù)中心其他部位。

c）安裝的容許偏差。模塊結(jié)構(gòu)安裝的允許偏差應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50205）［33］的有關(guān)規(guī)定。

4 存在的問題及研究建議

本文對(duì)數(shù)據(jù)中心模塊單元在運(yùn)輸和吊裝過程中的常見損害及其破損機(jī)理進(jìn)行了分析，基于上述分析提出了防損研究的主要問題及相應(yīng)對(duì)策。就目前的研究現(xiàn)狀而言，仍需要對(duì)引發(fā)模塊單元在運(yùn)輸和吊裝過程中破損的原因，即路面不平度引起的動(dòng)力荷載和跌落與碰撞產(chǎn)生的沖擊荷載進(jìn)行深入研究。

此外，針對(duì)數(shù)據(jù)中心模塊運(yùn)輸過程中防損對(duì)策的進(jìn)一步研究給出如下建議。

a）運(yùn)輸線路的智能優(yōu)化。合理的運(yùn)輸路線規(guī)劃是防止數(shù)據(jù)中心模塊在運(yùn)輸過程中損傷的最有效途徑，使用智能優(yōu)化算法，可使運(yùn)輸路線規(guī)避路面狀況糟糕的鄉(xiāng)村道路，主要集中于路面狀況良好的城市道路。

b）運(yùn)輸時(shí)的臨時(shí)支撐設(shè)置。綜合考慮應(yīng)用減、隔振技術(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心模塊在運(yùn)輸時(shí)的臨時(shí)支撐，減小模塊單元產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)。

對(duì)數(shù)據(jù)中心模塊吊裝裝過程中防損對(duì)策的進(jìn)一步研究給出如下建議。

a）安裝結(jié)合節(jié)點(diǎn)連接。在建筑模塊的吊裝及安放過程中，結(jié)合構(gòu)造簡潔、連接方便的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，使建筑模塊平穩(wěn)地固定到相應(yīng)位置，避免跌落與碰撞的發(fā)生。

b）布置臨時(shí)結(jié)構(gòu)緩沖跌落與碰撞。在數(shù)據(jù)中心模塊上設(shè)計(jì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)防止其吊裝時(shí)的破壞；在模塊需要安放的位置也可設(shè)置臨時(shí)支撐緩沖由于跌落與碰撞產(chǎn)生的沖擊荷載。