应急功能模块组合模式与评估分析.pdf

Jun.20232023年6 月Structural EngineersVol.39,No.3第3 9 卷第3 期程师构结应急功能模块组合模式与评估分析谷子1卢文胜1杨剑华2，*（1.同济大学土木工程学院结构防灾减灾工程系，上海2 0 0 0 9 2；2.中南建筑设计院股份有限公司，武汉43 0 0 7 1）摘要基于快速模块化建造应用实践，研究探索应急功能模块类型及其组合模式；开展以功能目标为导向的应急功能模块选择、生产及运维的全过程功能演化分析；对突发公共事件下的功能模块目标达成度与功能余量提出了评估分析方法，并给出了案例验证其可行性。关键词应急功能模块，组合模式，功能目标，功能演化，评估分析Assembly Modes and Evaluation Theory of EmergencyFunctional ModulesGU Zil LU WenshengYANG Jianhua2*(1.Department of Disaster Mitigation for Structures,College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Central-south Architectural Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China)AbstractThe emergency functional modules were classified and their assembly modes to acheieve specificfunctions were also presented based on the rapid modual construction technology.The function goal orientedselection method for the emergency modules was put forward,and the functional evolution analysis duringtheir whole service life,including the periods of the manufacturing and the operation and maintenance,wereperformed.The evaluation method on the agreement to the functional goal achievement and the relatedfunctional margins were proposed and studied,and a case was also studied to prove the feasibility.Keywordsemergency functional module,assembly mode,function goal orientation,functional evolution,evaluation method0引 言“非典”和新冠病毒骤然爆发与蔓延，使得具有诊疗收治和隔离观察等功能的应急医疗设施快速建造与安全运维成为疫情联防联控、阻断传播的关键环节和重要依托。国务院颁布的国家突发公共事件总体应急预案中要求建立健全物资监测网络和应急物资生产、储备、调拨及紧急配送体系，完善应急工作程序，也为具有特定功能的应急功能模块的设计、施工、运维和管理指明了方向。应急功能模块是集安全运维与使用功能于一体、融合先进感知与数字信息技术的高集成度建筑部件。在近几次突发公共卫生事件时，应急功能模块建筑以其建设周期短、防疫标准高、平战结合等特点牵动全国人民的心弦，充分体现出建立一套快速化、标准化与智能化的应急快速建造技术与系统的重要性2 。应急功能模块可在工厂规模制造，通过路网收稿日期：2 0 2 2-0 2-13基金项目：上海市科委高水平咨询项目，山东省高校土木结构防灾减灾协同创新中心重点课题(XTZ201903)作者简介：谷子（19 9 6-），男，本科，在读博士研究生，主要从事结构工程与抗震研究。E-mail：a l b e r t g u t o n g j i e d u.c n*联系作者：杨剑华（19 6 6-），女，硕士，国家一级注册结构工程师、正高职高级工程师、高级经济师，主要从事大型综合功能设施设计分析。E-mail:40Structural AnalysisStructural EngineersVol.39,No.3快捷运输，在现场快速拼装，高效形成具有特定应急功能、安全可靠的建筑系统（图1)3 。模块化快速建造技术适用于各类应急救灾建筑4，近年来研发应用蓬勃多样，是建筑行业未来重要趋势之一5-6 箱顶墙板箱底立柱图1标准建筑模块3 Fig.1Standard module周璇7 利用SAP2000进行带腰桁架的模块化结构设计，确定了安全与经济最优的建筑模块尺寸。Shan等8 对香港地区高层钢框架模块化结构提出了设计方法并进行了案例研究。Feng等9 基于中国规范对模块化结构进行了抗震验算，证明应对模块化结构节点的力学性能提出更高要求。Alembagheri等10 l的研究证明节点的抗剪性能是维持模块化结构稳定的关键。张季超等结合某10 层模块化综合办公楼工程，研究模块吊装连接中需要解决的力学问题，并提出施工安全措施在抗击新冠疫情中，某应急传染病医院是应急功能模块建筑的典型代表，如图2 所示图2 某应急传染病医院Fig.2A emergency hospital for infectious disease然而在突发公共事件应急时，大量社会公共资源投人也伴随着资源短缺与浪费共存，应急模块化建筑功能目标混沌不清、建造运维成本难以控制、设计理论和评估决策方法乏等瓶颈短板日益明显12 。目前，功能模块的功能目标需求和组合模式尚不明确，应急期间的功能模块承受的多作用及其耦合方式复杂多变，应急模块的功能演化规律与评估方法尚待研究，等等。这需要运用低碳环保、高质量持续发展以及跨学科跨领域融合发展新理念开展更深层次探讨。应急模块功能需求与运维过程11.1突发公共事件下功能模块需求功能模块目前广泛应用在突发公共事件应急场景下，但不同场景下的功能目标需求、多作用耦合机制、功能演化机理及评估决策等关键技术问题远落后于工程实际。为健全功能模块的产能储备和物资储备提供技术支持，从而切实提高突发公共卫生事件的应急响应速度和效率，确保应急安全和功能，有效拓展应急资源，保障突发公共事件下的防御需求，应开展研究功能模块多种功能组合运维模式，研发不同目标的功能模块。1.2突发公共事件下功能模块运维过程突发公共事件往往具有相当的破坏性、突发性和复杂性，一旦发生后需要相关部门迅速做出准确的应急处置。功能模块可以预制作为储备。应急条件下功能模块可以与模块化结构快速组合，满足特定功能目标，其应急使用过程总体上分为四个阶段，如图3 所示。1.2.1确定功能目标在突发公共事件发生后应对事件现场情况迅速做出灾情评估。根据现场存在或可能存在的危险因素及维持基本生活的必需条件，确定若干应急模块的功能目标，并选取相应的功能需求参数。1.2.2选择功能模块依据确定的功能需求参数，对库存物资和社会资源能提供的功能模块进行组合筛查和选择确定。首先分析建筑功能模块是否能满足功能需求目标参数；然后根据功能需求考虑合适的使用功能模块，通过合理组合来增加功能；最后可选用特定的应急功能模块，通过功能模块优化组合，综合判断能否满足全部功能需求的目标参数。1.2.3生产、建造并运维应急组合系统在充分调集和利用现有应急功能模块的基础上，可根据需求应急生产短缺的模块。在功能模块实际使用过程中应考虑运输便捷性，功能模块几何尺寸应符合相关道路、水路运输尺寸要求，以及现场吊装、运转的能力要求。尺寸过大或质量41结构分析结构工程师第3 9 卷第3 期选择功能模块否设计并制造相应功能1确定功能目标模块灾害应急确定功能确定功能基本模块否是否含有是厂增加1个模块组合灾情评估目标需求参数是否满足合适的功能功能模块是否满足是需求？模块？需求？-是开始是否发生是灾害？否功能模块的应急组合模块的功能模块组合结构的模块的是模块数量11性能余量的储存拆除运输结构的组合运输是否满足1评估使用安装需求？生产对应回收并评估功能余量1需求数量的1否生产、建造并运维应急组合系统功能模块图3不同功能需求下功能模块运维过程Fig.3Operational process for the functional module过重的模块可进行合理拆分和细化设计，或者组织专项施工配合现场组装应重点验收模块间接口、接缝处的完整性与密闭性，保证模块自身功能与组合功能有效发挥。1.2.4回收并评估功能余量在单次突发公共事件应急响应正式结束后，应对建筑功能模块进行功能余量评估，按所处功能状态分级处置。有缺损、退化的可在考虑经济性后采取不修复、修复或者废弃的适当处置；可封仓回收的需安置储存。在平常处置期间，可按各模块预设生命周期和功能定期进行功能余量评估和分级工作，以便下一次应急再次快速调集并组合启用。2应急功能模块类型与组合模式2.1应急功能模块类型基于对国内外快速建造建筑的深度剖析，将应急功能模块分为建筑功能模块、使用功能模块和事件功能模块三种类型建筑功能模块包括结构构件和围护构件，满足工厂预制、便捷运输、快速建造、节约人工的效果。建筑功能模块上预留的连接件连接后可以充分发挥特定的功能组合。建筑功能模块是实现建筑基础功能的部分，针对不同需求通过在其上附加使用功能模块和事件功能模块可扩展其功能。使用功能模块附加在建筑功能模块上，用于在不同事件工况下提供或增强模块化结构自身的常见基础使用功能，如智能控温、特种防渗、承载力增强、结构与基础锚固增强、负压、扩容连接作用等。相比于事件功能模块的强特种性，使用功能模块面向量大面广的事件工况。事件功能模块面向四类重点突发公共事件（自然灾害、事故灾难、公共卫生事件、社会安全事件），提供针对性的特种功能，满足特殊的防御需求。例如，在面对公共卫生事件时，事件功能模块包含负压新风系统模块、特种防渗漏模块等。事件功能模块的应用场景固定，但在特定事件工况下会发挥至关重要的作用。事件功能模块的缺失可能会造成大量的非必要人员或财产损失。2.2功能组合模式功能模块之间通过功能互补、协同工作实现功能组合。通常，典型组合方式有以下三种模式，如图4所示：A模式（附加模式）：使用、事件功能模块附加在建筑功能模块外围，不改变建筑功能模块密闭性的同时，改进建筑功能模块单元之间或其与环境的相互作用；S模式（叠加模式）：使建筑功能模块通过使用、事件功能模块与环境相互作用，可产生建筑功能模块单元与外界环境的物质交换；E模式（嵌人模式）：使用、事件功能模块嵌人建筑功能模块内部，为建筑功能模块附加功能。实际使用过程中A+S+E组合方式兼有上述三种模式。42Structural AnalysisStructural EngineersVol.39,No.3建筑功能模块A模式S模式(附加模式)(叠加模式）使用功能模块事件功能模块E模式实际使用过程中(嵌入模式）A+S+E组合模式图4功能组合模式Fig.4Function assembly modes3应急功能模块功能演化分析3.1应急功能模块建筑功能特征区别一般的建筑结构,应急功能模块建筑的使用具有以下功能特征：一般为临时性建筑，使用年限设计值低于一般建筑；一个生命周期内经历多次安装、运输和拆除等特殊荷载和作用；一个生命周期内将在不同突发公共事件工况下（如自然灾害和公共卫生事件下荷载不同）进行数月的短暂工作；在不同突发公共事件工况下经历不同荷载作用和组合；在不同工况下典型功能演化路径与时间的关系差别很大。3.2应急功能模块功能统计与反馈机制功能模块的功能状态演化是一个非线性下降过程13 。伴随着应急模块化结构体系全生命周期，使用特定额外附加智慧感知模块对普遍的功能模块-外部环境的相互关系进行检测、监测：收集在不同工况、环境条件下模块的功能变化趋势，为模块功能演化理论及未来的模块设计做好基础资料收集工作；检测、监测使用过程中特定功能是否得到发挥，达到设计的使用目的；检测、监测在使用过程中结构的舒适性与完整性，预防重大事故的发生。如图5所示，在与1个应用场景与外部环境作用的互动中，智慧感知功能模块可以收集环境、结构、结构-环境相互作用中产生的信息，并对信息变化进行提示和预警，形成应急功能模块建筑信息感知反馈机制。1作用！十作角22智慧感知十功能模块作用.十1作用特定信息感知应急场景与基本功能功能组合反馈机制环境作用图5反馈机制Fig.5Feedback mechanism3.3功能模块功能演化模型一一以事件功能模块为例基于应急模块五大使用特征，事件功能模块一个生命周期可能经历w个事件工况，相应演化模型如图6 所示初始性能状态事件工况0性能状态P个事件工况1事件工况2终止性能状态事件工况W一个生命周期内P个事件工况，Eo(to)Ei(t)典型性能演化过程P最大性能时间PE2(t2)APiEw(tw)toP2T。tio15_0T5_0P3P4t2PsP616W12P2终止性能时间状态平面图6 事件功能模块功能状态演化模型Fig.6Functional evolution model for case oriented functional modules从0（待命工况）到w事件工况代表事件模块在不同工作环境发生的功能演化规律。事件功能模块在不同的事件工况下功能状态P随时间t的变化遵循不同的演化规律，第工况下可以用独43结构工程师第3 9 卷第3 期结构分析立的功能函数E（t)描述其随局部时间坐标t.演化的规律。事件功能模块的功能状态由制作完成后的初始功能状态值P开始连续下降，最终到达终止功能状态P停止使用。P为满足设计功能的最低功能水平,应考虑修护或报废。在一个生命周期内事件功能模块将经历多次事件工况转换，从事件工况0 经过运输、组装到任一事件工况j，并在事件工况j拆除回收后返回事件工况0。图6中虚线部分即是表达了运输、组装、拆除等过程存在的功能下降3.4功能模块功能数学表达一一以事件功能模块为例一个模块典型生命周期的功能演化过程，在T。时刻以功能状态P被制造完成后的一段时间内其将被储存在仓库内,其功能状态将以E。（t)的形式演化工况时间t。的事件工况0 局部时间，功能下降PI。在工况时刻T。发生突发公共事件后模块被运送到场地进行组装使用，在事件工况2的条件下以E,（t)的形式演化工况时间to2的事件工况2 局部时间，功能下降P2。工况时刻T,2结束使用后应急组合结构将被拆除、运输并在事件工况0 下进行储存。以此类推，最终模块功能状态下降达到终止功能状态P。在一个典型生命周期的功能演化过程中,单一工况内功能状态变化P应计算为，Ew(tw)d(tw)(1)工其中，T。=0(2)TTj+1_w=T,w+tj.wj0)从工况w转换到工况m的时候，考虑运输、组装、和拆除过程中功能的额外损耗效应导致的功能下降应计为8，在工况w和工况m对应的工况时刻转换公式为E=(T,m)=Ewl(T,w)-0,(3)由式（1)一式(3）,在经历n个工况后，任意时刻的相对于初始功能状态P的变化量为AP,+o77AP=(4)1式中,P是相对于初始时刻的功能变化量。任意时刻功能状态为P=P;-P(5)最大变化量Pm为APmax=P,-Pu(6)当应急模块达到终止功能状态P.时，始终应保证功能状态Z不小于0，即Z=Pu-oS.0(7)式中：。为结构重要性系数；S.为应急模块发挥功能克服的外界作用外界作用的效应设计值，按建筑结构荷载规范14取用。4应急功能模块功能评估分析4.1功能余量评估方法根据建筑结构可靠性设计统一标准15,应急建筑结构和易于替换的结构构件设计使用年限为5年和2 5年，体现出不同构造特征对应不同的演化规律。应对三种应急功能模块分开展开评估。建筑功能模块，通常为不同表面处理方法、不同形式和功能的钢构件，工作机理与传统建筑构件相同。对于传统建筑构件在不同环境下的工作功能目前已经有大量的数据积累。不发生偶然损伤的情况下，在某种环境条件下建筑功能模块功能变化稳定，因此可以应用功能演化理论，认为其功能在使用期间以某一功能函数E(tw)稳定下降。使用基于智慧感知系统抽样检测并逐渐迭代更新功能函数，做到准确评估。使用功能模块涉及模块化结构运维期间多种功能的发挥，实现这些功能的设备在一般环境下的功能函数E（t)是成熟的。在应急特殊环境下需定期检测其功能变化趋势对应急环境下E.（t）做校正。事件功能模块涉及特种需求和特种设备。突发公共事件下事件功能模块功能的发挥关系到人员和财产安全且由于事件模块在不同环境下的功能函数E（t w）目前还是模糊的，应对事件功能模块实时监测并确定其功能函数另外，也可以采用数值分析的方法辅助确定三类模块的功能函数进行评估后的应急模块按照功能余量S评分等级，P-PS=(8)P-PuS为功能余量的归一化表达，可依据S的数值大小对模块进行针对某项特定功能的功能评级44Structural AnalysisStructural EngineersVol.39,No.3对S数值低即评级差的功能构件应注意维修或废止。4.2案例分析为应对新冠病毒疫情建立的某应急传染病医院已建成2 2 个月，并在封舱前运营2.2 个月。以该医院所用模块化集装箱房为例（图7），对设计应急模块及其功能评估进行案例研究。该医院案例中包含的典型建筑功能模块为箱式模块化病房；典型使用功能模块为提供生活热水、排水、机电设备；典型事件功能模块为防止病毒外泄的负压新风系统。功能函数由智慧感知模块统计得到，目前尚不明确功能函数E（t w）的条件下采用按时间直线图7 某模块化应急传染病医院Fig.7A emergency hospital for infectious disease usingemergency functional modules型折减的功能函数计算功能模块使用期功能下降，不计闲置期，确定功能余量。该传染病医院应急功能模块功能余量如表1所示表1某应急传染病医院应急功能模块功能余量Table 1Functional margins for the emergency hospital for infectious disease模块类型名称使用年限使用期/月闲置期/月S0.5mm彩钢单板522063.3%建筑功能模块点支撑型钢锚固件1522087.8%HDPE膜3022093.8%生活水箱变频加压供水系统102.219.898.2%使用功能模块空气源热泵机组102.219.898.2%重力流排水系统102.219.898.2%直膨式全空气型净化空调机组122.219.898.5%事件功能模块噪声高效离心风机122.219.898.5%由表1可知，由于该医院建成时间中运营时间只占其中较少部分，所以其各建筑功能模块功能余量S低于使用功能模块和事件功能模块依据现状推测，超过5年的设计及使用期15,即在未来2 8 个月后建议重点开展针对建筑功能模块的检测工作。而对于使用功能模块和事件功能模块的功能余量短期内尚在安全范围之内，建议逐步开展检测、监测工作研究各功能函数Ew(tw）的表达形式。5结语基于公共突发事件下快速建造的应急功能模块建筑实践探索，本文研究探索应急功能模块的分类及其组合模式,开展了以功能目标导向的应急功能模块选择、生产、运维全过程功能演化分析，并对突发公共事件下的功能模块目标达成与功能余量进行评估分析，获得了以下研究成果：（1）目前快速发展的模块化建筑尚存在功能模块的功能目标需求等级的划分和确定不明确的问题；全寿命周期内多作用历经和耦合方式尚待研究；功能状态演化规律和评估方法需要结合新发展理念被更深层次探讨。（2）将突发公共事件下功能目标与运维过程分为确定功能目标，选择功能模块，生产、建造并运维应急组合系统以及回收并评估功能余量四步。（3）提出应急模块化结构在不同事件作用下的功能演化模型及其演化机制，分析其功能目标达成度及其功能余量，并通过某应急医院案例分析验证其可行性。参考文献1袁理明，侯国求，罗海兵，等.武汉雷神山医院结构设计J.建筑结构，2 0 2 0,50(8)：1-8.Yuan Liming,Hou Guoqiu,Luo Haibing,et al.Structural design of the Leishenshan Hospital in45结构工程师第3 9 卷第3 期结构分析WuhanJ.Building Structures,2020,50(8):1-8.(inChinese)【2 肖绪文，卢昱杰，肖建庄.加强应对重大疫情应急医疗设施建设与管理的若干建议N.中国建设报，2020-03-23(5).Xiao Xuwen,Lu Yujie,Xiao Jiangzhuang.Suggestionsfor strengthening the construction and management ofemergency medical facilities to deal with majorepidemics N.China Construction News.2020-03-23(5).(in Chinese)3 中华人民共和国住房和城乡建设部.轻型模块化钢结构组合房屋技术标准：JGJ/T4662019S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 19.Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe Peoples Republic of China.Technical standard forlight steel modular building:JGJ/T 4662019 S.Beijing:China Building Industry Press,2019.(inChinese)【4王文静，李志武，于春义，等.模块化钢结构建筑结构体系研究进展J.施工技术，2 0 2 0 49（11）：2 4-30,36.Wang Wenjing,Li Zhiwu,Yu Chunyi,et al.State of artof modular steel building system J.ConstructionTechnology,2020,49(11):24-30,36.(in Chinese)5刘文燕，罗隆震，耿耀明，等.多层装配式钢框架减震结构动力弹塑性响应分析J.结构工程师，2 0 2 1，37(1):97-105.Liu Wenyan,Luo Longzhen,Geng Yaoming,et al.Dynamic elastoplastic response analysis of multistoryfabricatedd steel frame damping structuresJ.StructuralEngineers，2 0 2 1,3 7（1）：9 7-10 5.（i nChinese)6 Ferdous W,Bai Y,Ngo T D,et al.New advancement,challenges and opportunities of multi-storey modularbuildings-a state-of-the-art review J.EngineeringStructures,2019,183:883-893.7 周璇.带腰桁架的集装箱叠箱结构设计与研究J.结构工程师，2 0 2 0,3 6(5）：2 0 3-2 0 8.Zhou Xuan.Design and research on the structure ofcontainer stacking box with waist truss J.StructuralEngineers,2020,36(5):203-208.(in Chinese)8 Shan S,Pan W.Structural design of high-rise buildingusing steel-framed modules:a case study in Hong KongJ.Structural Design of Tall and Special Building,2020,29:e1788.9 Feng R,Shen L,Yun Q.Seismic performance of multi-storymodular boxbuildings J.Journal ofConstructional Steel Research,2020,168:106002.10 Alembagheri M,Sharafi P,Hajirezaei R,et al.Anti-collapse resistance mechanisms in corner-supportedmodular steel buildings J.Journal of ConstructionalSteel Research,2020,170(2):106083.11张季超，沈冬儿，张岩，等.预制装配整体式模块化结构施工技术研究J.施工技术（中英文），2 0 2 1,50(13):139-142.Zhang Jichao,Shen Donger,Zhang Yan,et al.Researchon construction technology of prefabricated integralmodular structureJ.Construction Technology,2021,50(13):139-142.(in Chinese)12丁阳，邓恩峰，宗亮，等模块化钢结构建筑连接节点研究进展J.建筑结构学报，2 0 19,40（3）：3 3-40.Ding Yang,Deng Enfeng,Zong Liang,et al.State-of-the-art on connection in modular steel construction J.Journal of Building Structures,2019,40(3):33-40.(in Chinese)13王祥.基于症状可靠度既有网架结构维护策略及寿命预测研究D.杭州：浙江大学，2 0 13.Wang Xiang.Maintenance strategyandlifetimeprediction research of existing spacelatticedstructures based on the reliability of symptoms D.Hangzhou:Zhejiang University,2013.(in Chinese)14中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范：GB500092012S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 12.Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe Peoples Republic of China.Load code for thedesign of building structures:GB 500092012 S.Beijing:China Building Industry Press,2012.(inChinese)15中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构可靠性设计统一标准：GB50068一2 0 18 S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 18.Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe Peoples Republic of China.Unified standard forreliability design of building structures:CB 500682018S.Beijing:China Building Industry Press,2018.(in Chinese)