集裝箱建筑性能優(yōu)化設(shè)計研究與實踐

劉剛 原野 侯丹 黨睿 / LIU Gang, YUAN Ye, HOU Dan, DANG Rui

集裝箱建筑性能優(yōu)化設(shè)計研究與實踐

劉剛 原野 侯丹 黨睿 / LIU Gang, YUAN Ye, HOU Dan, DANG Rui

通過對我國集裝箱建筑的設(shè)計現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及集裝箱建筑特殊性的闡釋，針對集裝箱這一新興建筑類型，研究并提出其建筑性能優(yōu)化設(shè)計策略；并將該設(shè)計策略應(yīng)用到天津大學(xué)閱讀體驗艙的建筑設(shè)計中，通過設(shè)計前后的數(shù)據(jù)實測以及軟件模擬來驗證性能優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果，得到集裝箱建筑適宜的性能優(yōu)化設(shè)計策略，促進集裝箱建筑的發(fā)展并走向成熟。

集裝箱建筑 改造設(shè)計 性能優(yōu)化設(shè)計

1 引言

隨著運輸業(yè)與經(jīng)濟的發(fā)展，每年世界各地港口集裝箱的吞吐量不斷增加。2014年我國集裝箱吞吐量已突破2億標箱（Twenty-foot Equivalent Unit，簡稱TEU），2015年達到2.16億標箱，連續(xù)22年蟬聯(lián)世界集裝箱產(chǎn)銷冠軍（中華人民共和國交通運輸部，2016）。單個集裝箱的平均壽命為10年左右，每年有大量集裝箱因無法達到運輸業(yè)規(guī)范要求而被廢棄，若將這些廢棄的集裝箱應(yīng)用到其他領(lǐng)域，則會產(chǎn)生巨大的生態(tài)意義（王偉男，2011）。

作為封閉的容器，集裝箱本身就具有建筑的特性。早在2009年，美國《商業(yè)周刊》列舉了最有可能改變?nèi)祟愇磥?0年生活方式的20項重要發(fā)明，其中集裝箱建筑排在第19位（楊先碧，2009）。近年來，模塊化裝配式建筑發(fā)展迅速，為集裝箱建筑的發(fā)展提供了新的機遇，促進其迅速發(fā)展并走向成熟。

1.1 設(shè)計現(xiàn)狀

集裝箱建筑從出現(xiàn)至今，功能和空間形式不斷豐富，其發(fā)展歷程可分為3個階段：（1）萌芽階段（1980年之前），利用集裝箱的封閉特性，做有限程度的改造，多用于臨時搭建的輔助用房；（2）探索階段（1980～2000年），利用少量箱體組合成形式較為簡易的建筑形體，多用于住宅以及小型公共建筑；（3）成熟階段（2000年至今），多箱體、復(fù)雜形體的集裝箱建筑不斷涌現(xiàn)，建筑類型從低端、臨時類建筑向高端、體驗類建筑擴展，包括住宅、辦公、交通、商業(yè)、文化教育等各個領(lǐng)域（表1）。

1.2 發(fā)展趨勢

隨著集裝箱建筑應(yīng)用范圍的擴大，越來越多的專業(yè)人士參與到集裝箱建筑的開發(fā)、設(shè)計與建造過程中，對集裝箱建筑在功能、結(jié)構(gòu)、形式等各方面的拓展創(chuàng)新起到了巨大的推動作用?；仡欉@些設(shè)計實踐，集裝箱建筑的綠色化以及性能優(yōu)化設(shè)計卻一直沒有受到重視。

建筑領(lǐng)域的“綠色革命”從上世紀提出至今一直是人們關(guān)注的焦點，集裝箱建筑的綠色化也必將對其發(fā)展提出更高的要求，并引導(dǎo)其進入第4階段——綠色化階段。將二手集裝箱運用到建筑設(shè)計符合綠色設(shè)計的核心“3R”（Reduce、Recycle、Reuse，即減量、重復(fù)使用、循環(huán)使用）標準（張峻霞，2008）。雖然集裝箱本身就具有綠色性，但要使其成為能夠滿足使用者舒適度需求的建筑，還要進行性能優(yōu)化設(shè)計。因此，在第4階段集裝箱建筑應(yīng)充分發(fā)揮其模塊化的先天優(yōu)勢，不斷完善并達到各個部件由內(nèi)而外的一體化設(shè)計，實現(xiàn)集裝箱建筑的標準化、一體化、工業(yè)化；并通過對建筑功能、空間的優(yōu)化整合，以及各項適宜建筑技術(shù)的篩選與運用，實現(xiàn)建筑性能與質(zhì)量的提高。

1.3 特殊性

國際標準化組織（International Organization for Standardization，簡稱ISO）ISO668文件確立了集裝箱的全球統(tǒng)一標準，為集裝箱建筑的發(fā)展提供了相同尺寸的基本模塊，在一定程度上滿足了其在未來發(fā)展的全球標準化設(shè)計與施工的要求。單個集裝箱模塊由地基梁、頂端框架梁、端墻、角部框架柱、頂側(cè)框架梁、屋面、側(cè)墻、角部吊裝節(jié)點等構(gòu)件組合而成（圖1）。

與傳統(tǒng)建筑相比，集裝箱建筑還具有一些特殊性：在建造方式方面，集裝箱建筑箱體之間通過鋼構(gòu)件或焊接方式相互連接，在保證圍護功能連續(xù)性的同時，氣密性的好壞將對建筑內(nèi)部環(huán)境產(chǎn)生影響；在結(jié)構(gòu)特征方面，集裝箱的角柱、梁和波形板均為承重構(gòu)件，因此當以箱壁板作為外墻表面時，內(nèi)部連接應(yīng)采用焊接、栓釘焊接和粘接等緊固件不穿透箱壁的做法，且箱體上開設(shè)的門窗等洞口均應(yīng)采取補強加固措施，以保證結(jié)構(gòu)整體性不受破壞，這就要求集裝箱建筑的采光、通風設(shè)計應(yīng)與其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性緊密結(jié)合；在建筑物理屬性方面，與傳統(tǒng)建筑相比，集裝箱材料的特殊性導(dǎo)致其保溫隔熱性能、采光通風性能、隔聲性能均較差，因此其建筑設(shè)計在追求建筑造型與功能的同時，應(yīng)針對物理屬性進行合理的性能優(yōu)化設(shè)計改造，以保證建筑的舒適度要求。

表1 集裝箱建筑設(shè)計現(xiàn)狀

圖1 集裝箱結(jié)構(gòu)組成

圖2 天津大學(xué)閱讀體驗艙

綜上，綠色化是集裝箱建筑未來發(fā)展的必然趨勢。但集裝箱建筑的特殊性導(dǎo)致其性能優(yōu)化設(shè)計既不能直接套用傳統(tǒng)建筑性能優(yōu)化設(shè)計的方法，也不能簡單參照傳統(tǒng)建筑性能優(yōu)化設(shè)計研究的先進經(jīng)驗，在被動式建筑技術(shù)的選擇上，應(yīng)針對自身特點選擇適宜的建筑技術(shù)策略，才能真正達到性能優(yōu)化的目的。

為了解決上述問題，本文通過案例分析、實踐總結(jié)以及原理研究，針對集裝箱建筑的特殊性，對其熱環(huán)境、光環(huán)境和風環(huán)境等性能優(yōu)化設(shè)計進行專項研究，得到集裝箱建筑適宜的性能優(yōu)化設(shè)計策略；同時將其應(yīng)用于天津大學(xué)閱讀體驗艙（圖2），并通過優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)實測與軟件模擬驗證性能優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果，最終得到天津大學(xué)閱讀體驗艙性能優(yōu)化設(shè)計方案。

2 集裝箱建筑熱環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計研究與實踐

2.1 熱環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計

集裝箱建筑的保溫形式亦可分為內(nèi)保溫和外保溫兩種（柳孝圖，2010）。兩者各有優(yōu)缺點：外保溫設(shè)計隔熱性能好、易消除冷熱橋，但在外觀上將集裝箱的本質(zhì)特征完全隱藏了，且施工過程中保溫材料易遭到破壞；內(nèi)保溫設(shè)計造價低、施工方便，并且可以保留集裝箱的原本面貌，但會占用集裝箱有限的內(nèi)部空間。

集裝箱建筑在建造過程中需要進行吊裝施工等工序，為避免破壞保溫材料的完整性，便于施工且保留集裝箱表皮的工業(yè)化特質(zhì)，天津大學(xué)閱讀體驗艙的保溫設(shè)計采用內(nèi)保溫形式。為節(jié)省室內(nèi)空間，在保溫材料的選擇上，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189-2015），通過計算選用50mm保溫玻璃棉+30mm擠塑板+10mm歐松板的輕質(zhì)、高效保溫材料組合，既起到保溫隔熱的作用，也對聲環(huán)境性能進行優(yōu)化。并且，為了避免破壞箱體外表面以及產(chǎn)生冷熱橋，充分利用集裝箱外表面波形板的凸起設(shè)置木龍骨固定保溫材料（圖3）。

與傳統(tǒng)建筑不同，集裝箱建筑底部與大地直接接觸，也需要進行保溫隔熱設(shè)計。其保溫隔熱設(shè)計除與內(nèi)外保溫共同設(shè)計以外，也可結(jié)合基礎(chǔ)固定形式進行設(shè)計。常見的集裝箱基礎(chǔ)固定形式主要有角鋼鉚固、鋼纜固定、鋪設(shè)地梁、預(yù)埋基礎(chǔ)等（郭雪婷，2013，圖4）。天津大學(xué)閱讀體驗艙的基礎(chǔ)保溫設(shè)計中，一方面，將建筑所在場地基質(zhì)改為導(dǎo)熱性相對較差的沙石材質(zhì)，并通過預(yù)埋混凝土墊塊支撐基礎(chǔ)；另一方面，利用基礎(chǔ)固定時鋪設(shè)的地梁，將其完全封閉，形成密閉空腔以阻斷建筑與大地的熱量傳遞（圖5）。

圖3 內(nèi)保溫做法

圖4 集裝箱基礎(chǔ)形式

圖5 基礎(chǔ)保溫

2.2 熱環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

天津大學(xué)閱讀體驗艙的整個建筑建造過程歷時一個月，在建造完成前后分別使用HOBO溫濕度記錄儀對建筑4個朝向不同功能房間的室內(nèi)外溫度進行監(jiān)測，以對比熱環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計前后各房間室內(nèi)外溫差（T外－T內(nèi)）變化。通過數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后室內(nèi)外溫差明顯增大，在夏季室內(nèi)外溫差最大值達8.6℃，且室內(nèi)溫度低于室外溫度的時間段明顯延長，即建筑內(nèi)部熱環(huán)境性能明顯提高（圖6）。

圖6 優(yōu)化前后室外與室內(nèi)溫差變化

3 集裝箱建筑光環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計研究與實踐

3.1 光環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計

光環(huán)境性能優(yōu)化主要是對建筑門窗進行合理設(shè)計。集裝箱建筑的開窗設(shè)計，在滿足采光要求的前提下應(yīng)首選在端墻面開窗，以免對集裝箱結(jié)構(gòu)的整體性造成較大的破壞。當需要在側(cè)墻進行開窗設(shè)計時，必須做好開窗洞口的加固措施，以抵御荷載作用造成的局部結(jié)構(gòu)破壞。此外，為營造良好的采光及空間效果，天窗也是集裝箱建筑中的優(yōu)選開窗形式，因為箱體頂部的開窗不會影響豎向荷載對建筑結(jié)構(gòu)造成的破壞。天津大學(xué)閱讀體驗艙是多箱體組合的集裝箱建筑，為營造良好的采光效果，除結(jié)合入口門廳的天窗以及箱體側(cè)窗設(shè)計進行光環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計外，在建筑形體設(shè)計階段即考慮通過合理的箱體組合以達到光環(huán)境性能優(yōu)化的目的。建筑首層平行錯動擺放5個箱體，其上為4個縱向擺放的箱體，兩層箱體呈“T”形或“L”形組合關(guān)系，不僅避免了各箱體之間的相互遮擋以及大進深空間的形成，還在建筑內(nèi)部形成4個開敞的室外庭院，營造了良好的建筑環(huán)境及閱讀體驗（圖7）。

圖7 天津大學(xué)閱讀體驗艙形體設(shè)計

3.2 光環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

使用Ecotect和Radiance軟件對建筑室內(nèi)光環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計進行模擬計算，分別選擇圖書館中對采光有特殊要求的閱覽室和書庫為模擬對象，得到冬至日室內(nèi)天然采光系數(shù)標準值模擬結(jié)果（圖8），以及采光照度標準值模擬結(jié)果（圖9）。對比《建筑采光設(shè)計標準》（GBT 5033-2013）中的相關(guān)規(guī)定（表2），可以發(fā)現(xiàn)，即使在冬至日，閱覽室以及書庫的采光系數(shù)標準值也均遠高于規(guī)范規(guī)定；在照度值方面，書庫在冬至日從09:00am到16:00pm均可在天然采光條件下滿足規(guī)范要求，而閱覽室則從09:00am到15:00pm可滿足要求，說明即使在冬至日，該建筑全天大部分時間也可以通過天然采光滿足室內(nèi)的閱覽需求，即建筑光環(huán)境性能良好。

圖8 采光系數(shù)標準值冬至日模擬結(jié)果

圖9 采光照度標準值模擬結(jié)果

表2 圖書館建筑采光標準值

4 集裝箱建筑風環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計研究與實踐

4.1 風環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計

考慮到集裝箱基本模塊的尺寸，單箱體建筑的自然通風較容易實現(xiàn)，但當建筑由多箱體組合構(gòu)成時，則需要對室內(nèi)風環(huán)境進行性能優(yōu)化設(shè)計。建筑通風的優(yōu)化設(shè)計主要從增加風壓通風和熱壓通風兩個角度考慮（王漢青，2005），因此建筑開窗設(shè)計不僅要考慮光環(huán)境性能，還應(yīng)盡量使建筑內(nèi)部空氣利用風壓通風形成對流。此外，利用天窗進行熱壓通風也是集裝箱建筑通風適宜的設(shè)計手法，雖然由于結(jié)構(gòu)原因大多數(shù)集裝箱建筑高度有限，但其外表面受熱升溫，易形成較大的熱壓差以利于熱壓通風。

除利用集裝箱四周與頂部外，還應(yīng)充分發(fā)掘建筑周圍環(huán)境條件并利用建筑基礎(chǔ)部分進行通風設(shè)計。天津大學(xué)閱讀體驗艙位于天津大學(xué)建筑學(xué)院西樓籃球場上（圖10），在夏季，建筑北側(cè)是炎熱空曠的硬質(zhì)籃球場，南側(cè)為茂盛樹木遮擋的陰涼草地。根據(jù)簡化的“地道風”原理，利用天津地區(qū)夏季南向盛行風，在建筑南側(cè)地基梁上開設(shè)洞口，使經(jīng)過草地、地基空腔兩次降溫之后的涼風通過地板上的開口吹入建筑，為讀者帶來良好的閱讀體驗（圖11）。

4.2 風環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

使用Airpak軟件對風環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計前后夏季室內(nèi)通風情況進行對比模擬發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)風環(huán)境得到明顯改善（圖12），尤其是閱讀區(qū)，簡化后的“地道風”經(jīng)過多次降溫后從地板吹向閱覽者，大大提高了閱讀的愉悅度。

圖10 天津大學(xué)閱讀體驗艙基地現(xiàn)狀

圖11 簡化的“地道風”通風示意

圖12 室內(nèi)風環(huán)境模擬結(jié)果

5 結(jié)語

雖然集裝箱建筑存在因其特殊性而造成的缺點，但是具有堅固、防風、防震、防潮、環(huán)保、低碳、經(jīng)濟、標準化等優(yōu)點，完全可以成為綠色建筑發(fā)展的一個嶄新思路。伴隨著建筑工業(yè)化、綠色化革命的到來，集裝箱建筑必將迅速發(fā)展。通過集裝箱建筑性能優(yōu)化設(shè)計的研究與實踐發(fā)現(xiàn)，性能優(yōu)化設(shè)計可以彌補集裝箱建筑作為新興建筑類型在設(shè)計上存在的許多不成熟之處，并大大提高其建筑環(huán)境舒適度，同時為集裝箱建筑的推廣與發(fā)展提供支持。

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劉剛，天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室

原野，天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室

侯丹，天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室

黨睿，通訊作者，天津大學(xué)建筑學(xué)院副教授

2016-05-09

RESEARCH AND PRACTICE: THE PERFORMANCE OPTIMIZATION DESIGN FOR CONTAINER BUILDINGS

Through the analysis of current design conditions, prospective trends and particularities of container buildings, the paper researches and proposes performance optimization design strategies for this new building type. Then the strategies are applied to Tianjin University reading cabin, and the optimization results are verified by measurements and software simulations compared before and after the optimization design. Therefore, the appropriate performance optimization design strategies are obtained, which will promote the development and mature of container buildings.

Container Building, Transformation Design, Performance Optimization Design

國家自然科學(xué)基金項目“寒冷氣候區(qū)低能耗公共建筑空間設(shè)計理論與方法”（編號：51338006）。