Por dentro da College Road: Engineering the Modules of One of the Tallest Modular Buildings (Engenharia dos módulos de um dos edifícios modulares mais altos do mundo)
Michael Hough é o diretor da MJH Structural Engineers.
A oportunidade perdida no design modular
College Road é um empreendimento residencial inovador em East Croydon, no sul de Londres, desenvolvido pela incorporadora e empreiteira Tide, sua empresa modular Vision Volumetric (VV), e projetado pela MJH Structural Engineers. O projeto é composto por dois dos edifícios modulares mais altos do mundo, que oferecem quase 1.000 novas residências. Uma torre de 35 andares oferece 120 residências econômicas, e uma torre de 50 andares oferece 817 residências coletivas, um dos maiores empreendimentos coletivos do mundo. Ambas têm espaços de lazer significativos e um porão de dois andares. Fundamentalmente, esse empreendimento foi entregue em um terreno restrito de 2.000 m2 em apenas 28 meses, do início ao fim, devido à sua entrega modular. As torres foram construídas com 1.725 módulos Vision envolvendo dois núcleos de concreto, colocados em uma estrutura de transferência de concreto de quatro andares, contendo instalações de lazer para o edifício.
Descrição do sistema
Esse projeto foi concebido pelos arquitetos da MJH, Tide, Vision e HTA com uma solução modular em mente desde o início, maximizando as capacidades do sistema em um estágio inicial para garantir a eficiência. A flexibilidade do sistema Vision permite que toda a placa do piso fora do núcleo central seja construída como módulos individuais interconectados de fechamento de salas.
Cada módulo é fabricado com uma série de painéis de parede, um piso e um teto. Os painéis de parede são montados com estruturas de aço soldadas entre os principais membros estruturais. Essas paredes são projetadas para fornecer a estrutura para o edifício final com considerações para os estágios temporários da construção. As paredes precisam ser fortes e rígidas o suficiente para suportar o manuseio, a movimentação e as forças resultantes que ocorrem antes da montagem completa em módulos 3D.
Depois de montados em módulos, o levantamento e o manuseio devem considerar a rigidez dos componentes montados e evitar distorções. Um piso de concreto é colocado na fábrica e acrescenta rigidez e peso ao módulo.
Projeto e cargas
Cada laje de concreto é projetada para o módulo específico com base no vão e nas aberturas com detalhes locais para transferir as forças de conexão para a laje de concreto. Na posição permanente, as lajes só têm tensão na superfície inferior, mas pode ocorrer tensão na superfície superior nos estágios temporários. Se um módulo estiver acima do leito de um caminhão, as lajes podem precisar de um cantilever lateral ou na parte traseira do reboque. Com a construção modular, a carga e a situação do projeto nem sempre podem ocorrer no local ou no edifício concluído.
Uma foto da College Road, à esquerda, em construção. Foto: Michael Hough.
As forças críticas em vários membros de um sistema modular ocorrem em momentos diferentes. As paredes modulares, especialmente as internas do perímetro do edifício, são protegidas da carga em sua localização permanente. O caso de projeto pode ser o vento devido ao transporte ou durante a colocação no local, onde ficam expostas. No reboque, pode haver pressões e sucções geradas pela velocidade que excedem em muito as experimentadas no local.
Para a altura de construção da College Road, usamos avaliações em túnel de vento que identificam as pressões e sucções do vento. Essas avaliações são usadas principalmente para informar o projeto de estabilidade, mas também podem fornecer forças locais.
As cargas verticais do projeto variam ao longo da altura do edifício e são avaliadas por meio de modelagem estrutural detalhada. O projeto da MJH considera cada coluna por andar individualmente, de modo que cada coluna em cada posição do edifício é projetada para ser eficiente. Isso é essencial para gerenciar a tonelagem de aço em construções altas. As forças de análise são retiradas do modelo do edifício e consideradas juntamente com outras considerações de projeto fora dos programas de projeto de engenharia padrão, pois eles não consideram todos os requisitos do projeto modular. Os tamanhos projetados são adicionados novamente ao modelo e um processo de projeto iterativo resulta em tamanhos de projeto e análise compatíveis.
Há uma distribuição complexa de carga na construção modular relacionada à rigidez do piso e da construção da parede, que é influenciada pela rigidez do piso em particular. Outros efeitos ocorrem em estruturas altas, nas quais a rigidez da fundação e da estrutura de transferência pode influenciar a distribuição da carga axial pelo edifício. Para investigar melhor a eficiência do projeto, realizamos uma análise de construção em etapas do edifício, à medida que os módulos são colocados nível por nível. Isso permite compreender as forças de conexão que surgem à medida que os módulos são colocados e as condições de carga mudam.
Há vários elementos do módulo que são projetados para o uso pretendido e que não variam significativamente em um edifício. Os membros de suporte do teto têm uma base de projeto razoavelmente padronizada em seu vão, e as condições de carga não variam de acordo com o andar ou o cômodo. Esses membros suportam os acabamentos internos, os serviços e os acabamentos externos para os estágios temporários de transporte e colocação e precisam ser rígidos e fortes o suficiente para permitir o acesso da equipe durante a operação de colocação. É provável que o acesso ao local dite o projeto desses membros, pois essa será a carga mais alta e todos os acabamentos frágeis estarão no lugar, portanto, as deflexões precisam ser restritas. Requisitos de projeto semelhantes ocorrem para vigas de enchimento em paredes em que elas não formam um elemento principal da estrutura completa projetada.
Há muitos itens em um sistema modular que podem ser projetados para atingir um determinado nível de capacidade que, na maioria das vezes, é suficiente e requer uma avaliação adicional mínima. Quando as capacidades são excedidas, são necessárias soluções adicionais para essas áreas. Determinar a construção mais eficiente para atender à maioria dos requisitos é essencial para uma fabricação eficiente.
Automação e fabricação
A Vision configurou seu sistema modular e o processo de fabricação para abranger a maior variedade possível de tamanhos e formas. Isso permite maior liberdade arquitetônica para maximizar o conteúdo modular de um empreendimento, mas também, se utilizado em alto nível, pode pressionar a entrega do sistema durante todo o projeto, detalhamento, aquisição e fabricação.
Ao longo dos anos, na MJH, trabalhamos para adicionar níveis de automação aos nossos fluxos de trabalho por meio de engenharia computacional e codificação. A padronização dentro do sistema é feita em nível de componente, em que construímos os módulos a partir de elementos que são bem compreendidos em módulos que variam significativamente. A automação nos estágios de projeto e detalhamento permite reduções no tempo do caminho crítico que leva à fabricação, especialmente quando há um grande número de variações nos layouts modulares em uma planta baixa.
Cargas complexas
O DfMA é uma ferramenta poderosa, mas somente quando utilizada a serviço do fluxo enxuto. O setor modular não pode se dar ao luxo de tratar o projeto e a fabricação como domínios separados. Quando estão integrados, as fábricas funcionam, os projetos são entregues no prazo e os clientes recebem exatamente o que lhes foi prometido.
Se quisermos que a construção modular atinja seu potencial, devemos ir além do projeto para montagem e começar a projetar para o fluxo. Isso significa incorporar os princípios de fluxo nas primeiras conversas de projeto, capacitar as equipes de produção para moldar esses projetos e visualizar cada produto pelas lentes do ajuste e do sequenciamento de fábrica.
O futuro do modular não é apenas um design mais inteligente - é um design sincronizado. E isso começa com o DfMA que flui.
Incêndio
As considerações sobre incêndios em construções modulares mais altas estão fora da área prática de incêndios anteriores e, felizmente, não temos experiência de incêndios reais em edifícios modulares. Como resultado, há critérios de avaliação adicionais para avaliar as consequências de altas temperaturas em uma área de um edifício adjacente a outra onde prevalece a temperatura ambiente. Na construção tradicional, é mais provável que os membros estruturais sejam compartilhados entre essas áreas, mas na construção modular, seja ela boa ou ruim, a estrutura é, em sua maioria, separada por uma parede de compartimento.
As temperaturas extremas tentarão expandir os membros estruturais, como as colunas, e essa expansão é resistida pelo peso do edifício, pela conectividade com outros elementos da estrutura e pela resistência adjacente dos membros mais frios. Os modelos termomecânicos são criados e analisados para todos os nossos edifícios modulares a fim de avaliar os movimentos e as forças, e são baseados em testes de incêndio de módulos completos, paredes, conjuntos de pisos e componentes e em rigidezes geradas em testes digitais e físicos. Essas avaliações não alteram nossos projetos e layouts gerais de construção para o sistema Vision, mas oferecem altos níveis de confiança nessa forma de construção devido às temperaturas extremas usadas na modelagem, que vão além do que é praticamente possível obter em edifícios.
Um esboço do exterior da College Road.
Colaboração
Um fator essencial para essa flexibilidade e eficiência do projeto é a estreita colaboração entre a MJH, a Vision e nossos parceiros de fabricação. O modelo estrutural completo é desenvolvido no Tekla Structures e compartilhado em tempo real com o nosso fabricante de aço, permitindo que os detalhes de fabricação sejam coordenados diretamente a partir de um modelo ativo e centralizado. Essa troca aberta de informações elimina os silos e garante que todas as partes estejam trabalhando com os dados de projeto mais recentes. Paralelamente, a Vision modela e coordena todos os elementos arquitetônicos e de MEP no Autodesk Revit, que é continuamente alinhado com o modelo estrutural para identificar e resolver possíveis conflitos antes da fabricação.
Esse fluxo de trabalho digital integrado, sustentado por uma coordenação robusta de BIM, garantiu um alto nível de precisão e consistência em toda a cadeia de suprimentos durante a entrega do projeto da College Road.
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