模塊化集成型箱式活動(dòng)房的可持續(xù)設(shè)計(jì)與發(fā)展

馬 未 劉 鑫 王小安 王慶春

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；

2. 上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心 上海 201114；

3. 上海建工裝備工程有限公司 上海 200120

2020年的春節(jié)，火神山醫(yī)院開始動(dòng)工，僅僅耗時(shí)10 d便急速建成一座應(yīng)急傳染病醫(yī)院，彰顯了中國速度。中國速度來源于各參與單位的通力合作，來源于高效的組織力和執(zhí)行力，以及主體結(jié)構(gòu)中箱式房的大量使用。不同于2003年小湯山醫(yī)院采用的活動(dòng)板房，此次火神山醫(yī)院采用的是模塊化集成型箱式活動(dòng)房。

模塊化集成型箱式活動(dòng)房是一種能夠有效減少建筑垃圾排放，極大改善施工現(xiàn)場員工工作及生活環(huán)境，大幅提升在建工程工地現(xiàn)場臨時(shí)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化程度及文明施工水平的臨建設(shè)施。從小湯山到火神山，我國臨時(shí)建筑設(shè)施的變革與發(fā)展是明顯的。而從活動(dòng)板房到模塊化集成型箱式活動(dòng)房的演變過程，也是箱式房可持續(xù)設(shè)計(jì)與發(fā)展的一種表現(xiàn)[1-3]。

1 可持續(xù)設(shè)計(jì)體系

箱式房的可持續(xù)設(shè)計(jì)體系是一種“以人為本”的設(shè)計(jì)體系，其發(fā)展是循序漸進(jìn)的，是持續(xù)創(chuàng)新的，是隨著社會(huì)和環(huán)境的發(fā)展而不斷變化的。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的問題，改進(jìn)原有的設(shè)計(jì)，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。從本質(zhì)上來講，它表現(xiàn)為3個(gè)方面，即制造特性、應(yīng)用特性和科技特性。以制造特性來說，它尋求的是一種生產(chǎn)加工和使用上的便捷性，使得箱式房生產(chǎn)和使用能夠被持續(xù)優(yōu)化；就應(yīng)用特性而言，它是在盡量不犧牲箱式房使用功能的前提下，不斷提升箱式房消費(fèi)者的舒適程度和感官體驗(yàn)，使箱式房得以被消費(fèi)者持續(xù)使用；而以科技特性來看，它不僅僅要求使用更潔凈的能源技術(shù)，還要求盡可能減少能源的損耗，使得箱式房能夠符合社會(huì)持續(xù)發(fā)展和綠色節(jié)能的 需要。

2 箱式房的可持續(xù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 箱式房的結(jié)構(gòu)組成

模塊化集成型箱式活動(dòng)房是一種可移動(dòng)、可重復(fù)使用的臨時(shí)建筑設(shè)施，如圖1所示。其單元模塊主要由頂框、底框、角柱、墻板、門窗等組成。采用模數(shù)化設(shè)計(jì)，并以每個(gè)獨(dú)立箱體為基本單元，可單獨(dú)使用，也可通過不同的組合排列方式合并成較大空間。

2.2 箱式房的功能特點(diǎn)

模塊化集成型箱式活動(dòng)房一般用于臨時(shí)用房、野外作業(yè)用房或者是緊急用房?；诰G色施工理念，模塊化集成型箱式活動(dòng)房需要具備標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場快速組裝和整體轉(zhuǎn)運(yùn)等特征。相比于傳統(tǒng)的活動(dòng)板房或者集裝箱改制房，模塊化集成型箱式活動(dòng)房的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。箱式房各主要單元構(gòu)件使用輕質(zhì)型鋼制成，通過廠內(nèi)成批量的加工成標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，再焊接或者拼接成標(biāo)準(zhǔn)模塊，結(jié)構(gòu)簡單且具有互換性。

2）材料延性好、塑性變形能力強(qiáng)。所采用的輕質(zhì)型鋼強(qiáng)度高且自重小，抗風(fēng)、抗震性能優(yōu)秀。

3）運(yùn)輸和使用便利。在工廠預(yù)制生產(chǎn)好的構(gòu)件可以在廠內(nèi)拼裝好后再運(yùn)輸至現(xiàn)場，距離較遠(yuǎn)或者數(shù)量較多時(shí)，可以采用扁平化運(yùn)輸至現(xiàn)場快速拼裝即可。同時(shí)，倉儲(chǔ)也可以采取扁平化存儲(chǔ)，同一空間內(nèi)可以存儲(chǔ)更多產(chǎn)品。

4）隔熱、防潮、防水、密封等性能較好。各種配套設(shè)施和裝修可以在廠內(nèi)配置加工好，現(xiàn)場拼裝好后，僅需外接電源便可立即使用，避免現(xiàn)場裝修引起的漏水、透風(fēng)等質(zhì)量問題。

5）節(jié)能環(huán)保。裝飾裝修全部于工廠預(yù)制完成，減少進(jìn)場和周轉(zhuǎn)過程中的損耗與建筑垃圾排放。同時(shí)，良好的互換性和循環(huán)使用率也減少了產(chǎn)品短時(shí)間內(nèi)更替的頻次，減少資源的浪費(fèi)。

2.3 箱式房的材料選用

模塊化集成型箱式房作為一個(gè)可住人的臨時(shí)建筑物，需要考慮產(chǎn)品本身的功能、配置、美觀性等設(shè)計(jì)要求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選用占據(jù)著非常重要的位置，直接影響著模塊化集成型箱式房的成本、質(zhì)量和美觀程度。

現(xiàn)階段模塊化集成型箱式房的材料選擇需要遵循可持續(xù)設(shè)計(jì)的原則，特別需要注意以下兩點(diǎn)。

2.3.1 材料綠色化

材料綠色化不單單是指使用具備綠色屬性的材料，即在設(shè)計(jì)中選擇環(huán)保型與天然材料，還表現(xiàn)在不影響基本功能與強(qiáng)度的前提下通過減少材料的使用，又或者是避免材料的低利用率，以此來減少材料浪費(fèi)。

在以往箱式房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主體框架的傳統(tǒng)做法是采用標(biāo)準(zhǔn)型鋼焊接或者螺栓拼接而成。這些材料雖然比較常見，但是往往自重比較大。經(jīng)過不斷的實(shí)踐和應(yīng)用，將模塊化集成型箱式房的材料從原先的標(biāo)準(zhǔn)型鋼替換成了冷彎薄壁型鋼。

冷彎薄壁型鋼是一種以高強(qiáng)冷軋鍍鋅鋼板為原材料，在冷狀態(tài)下加工形成各種斷面形狀的成品鋼材。當(dāng)截面積相同時(shí)，它比標(biāo)準(zhǔn)型鋼具有更大的回轉(zhuǎn)半徑和慣性矩。根據(jù)測算，同樣的截面，冷彎薄壁型鋼的回轉(zhuǎn)半徑可增大50%～80%，慣性矩可增大50%～150%。另外，在成形過程中，通過冷彎效應(yīng)也可以使強(qiáng)度提高、塑性降低，以較低的鋼材用量承受較大的載荷。通過冷彎效應(yīng)后的設(shè)計(jì)強(qiáng)度可以提高10%～15%，可以作為設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

同時(shí)，作為一種高效截面型鋼，在需要承受較大載荷時(shí)，不同于標(biāo)準(zhǔn)型鋼需要通過增大截面面積來提供較大的載荷承載力，冷彎薄壁型鋼可以通過改變截面形狀的方法來獲得較大的承載力。同時(shí)，由于現(xiàn)代軋制技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼可以加工成各種復(fù)雜的截面造型，并且在實(shí)際工程的應(yīng)用中，這種復(fù)雜截面的冷彎薄壁型鋼構(gòu)件由于折邊和加勁措施的存在，其局部屈曲承載力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的截面形式，受力性能更好。

另外，由于可以加工成各種復(fù)雜的截面造型，在箱式房一些功能性構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接使用冷彎薄壁型鋼一次成形完成構(gòu)件加工，不需要另外增加輔助結(jié)構(gòu)。如圖2所示，在模塊化集成型箱式活動(dòng)房的橫梁制作中，如果需要讓其具備排水功能，傳統(tǒng)的型鋼需要在外側(cè)增加排水溝，而采用冷彎薄壁型鋼可以一體成形，既美觀又能滿足功能性的要求。

圖1 模塊化集成型箱式房結(jié)構(gòu)組成

圖2 橫梁截面示意

2.3.2 材料功能化

箱式房要想達(dá)到保溫、隔熱、隔聲的效果，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇至關(guān)重要。目前，箱式房常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為彩鋼夾心板，一般以彩色涂層的鋼板為兩側(cè)板材，主要起到防腐和耐磨等作用；以聚氨酯泡沫、聚苯乙烯等有機(jī)泡沫保溫材料或者巖棉、玻璃棉等無機(jī)保溫材料為保溫芯材，主要起到保溫、防火、防潮等作用。

傳統(tǒng)的涂層鋼板經(jīng)過長時(shí)間日曬雨淋容易剝落、生銹，不僅影響美觀，其維護(hù)成本也會(huì)相應(yīng)增加。而為了不斷改善使用者的感官體驗(yàn)，采用陽極氧化鋁板代替原有的彩鋼板，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮鋁合金板密度小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，并且陽極氧化后的氧化膜非常穩(wěn)定，可長期處于太陽光線下不變色、不腐蝕、不氧化、不生銹，不會(huì)輕易與鋁合金金屬分離，有著自潔功能，維護(hù)成本極低，而且能夠較好地起到防腐和耐磨的作用。

對(duì)于芯材的選用，如圖3所示，在原有保溫芯材的基礎(chǔ)上，增加改性酚醛泡沫進(jìn)行封邊，不僅保留了原有芯材在防火、保溫、隔熱和吸聲等方面的特性，還充分發(fā)揮了改性酚醛泡沫密閉性好、強(qiáng)度高、吸水率低等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 制作加工

模塊化集成型箱式活動(dòng)房結(jié)構(gòu)件的制作加工通常采用連續(xù)輥彎成形、拉拔彎曲成形、沖壓折彎成形等方法，把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進(jìn)行橫向彎曲，加工制造出熱軋方法難以生產(chǎn)的各種特定斷面的型材和板材。

2.4.1 頂框結(jié)構(gòu)

頂框結(jié)構(gòu)四周橫、縱頂梁采用厚4 mm鍍鋅板制成的特殊截面梁與角件焊接，次梁采用80 mm×40 mm× 15 mm×2.5 mm的C形槽焊接或拼接在橫、縱梁之間。如圖4所示，在C形槽Ⅰ上下分別設(shè)置有屋面板和保溫層隔板，2層板之間填充保溫材料。在C形槽Ⅱ下端安裝吊頂板，并在接縫處做防水處理。

圖3 保溫芯材結(jié)構(gòu)示意

圖4 頂框結(jié)構(gòu)示意

2.4.2 底框結(jié)構(gòu)

底框結(jié)構(gòu)四周橫、縱底梁采用厚4 mm鍍鋅板制成的特殊截面梁與角件焊接，次梁同樣采用80 mm×40 mm× 15 mm×2.5 mm的C形槽焊接或拼接在橫、縱梁之間。如圖5所示，在C形槽上部鋪設(shè)厚0.5 mm鋼板，用鉚釘錨固，再鋪設(shè)厚16 mm的承重基層，最后可根據(jù)實(shí)際需求加裝厚橡膠板或其他材質(zhì)的地板；C形槽下部設(shè)置有防潮板，同樣在接縫處做防水處理。在防潮板和厚0.5 mm鋼板之間填充保溫材料。

圖5 底框結(jié)構(gòu)示意

2.4.3 角柱

4根角柱采用厚4 mm鍍鋅折邊件，兩頭焊接連接板并磨平去毛刺。由于角柱需要具備互換性，故制作時(shí)需要保證角柱的垂直度和尺寸。

2.4.4 墻板

墻板采用厚75 mm的夾心保溫板。內(nèi)外兩側(cè)金屬板采用陽極氧化鋁板，內(nèi)側(cè)金屬板氧化膜厚約3 μm，外側(cè)金屬板氧化膜厚約10 μm，經(jīng)陽極氧化后表面硬度可達(dá)到100～ 200 HV，熔點(diǎn)高達(dá)2 320 ℃。芯材由內(nèi)外兩部分構(gòu)成，內(nèi)部為傳統(tǒng)巖棉保溫塊拼接排列，四周采用改性酚醛保溫塊進(jìn)行封邊，各保溫塊之間間隙采用阻燃泡沫填滿。兩側(cè)板與保溫層之間使用環(huán)氧樹脂或聚氨酯類黏結(jié)劑黏合。

如圖6所示，墻板兩側(cè)連接口采用企口形式，一端為凹槽，一端為凸臺(tái)，接觸表面為斜面接觸。每塊接口處酚醛保溫塊可不完全封閉，需要陽極氧化鋁板進(jìn)行卷邊處理增加強(qiáng)度，凹槽處卷邊與酚醛保溫塊齊平，凸臺(tái)處的卷邊略超出酚醛保溫塊一些。

圖6 墻板企口結(jié)構(gòu)示意

2.4.5 打磨和油漆

所有焊接完成的半成品構(gòu)件均需對(duì)焊縫和邊緣進(jìn)行打磨和去毛刺。油漆需滿足防腐防銹要求：底框2遍底漆防腐防銹，頂框和角柱1遍底漆防腐防銹；底漆完成后，所有構(gòu)件需要再完成1遍面漆和1遍清漆。

2.5 施工應(yīng)用

2.5.1 扁平化存儲(chǔ)及運(yùn)輸

當(dāng)模塊化集成型箱式房生產(chǎn)加工完成后，將角柱和墻板整齊排列在底框內(nèi)，底框四個(gè)角件上部用短角柱固定撐起后，將頂框固定在短角柱上，形成一個(gè)扁平化的整體，既便于儲(chǔ)存也便于運(yùn)輸，大大縮減了存儲(chǔ)和運(yùn)輸所占用的空間，減少存儲(chǔ)和運(yùn)輸成本。同時(shí)，每一個(gè)單元都是獨(dú)立存儲(chǔ)或運(yùn)輸，所配備的構(gòu)件一目了然，避免了出廠構(gòu)件的漏發(fā)和遺失。

2.5.2 中途轉(zhuǎn)場

模塊化集成型箱式房現(xiàn)場搭建好以后，如遇需中途轉(zhuǎn)場的情況，無需進(jìn)行拆除，可直接采用整體吊運(yùn)，僅需要在新的放置場地上處理好地基即可。如圖7、圖8所示，經(jīng)過有限元計(jì)算分析，整體吊運(yùn)時(shí)框架各構(gòu)件所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形均很小，不會(huì)對(duì)原有箱體單元產(chǎn)生影響和破壞。

圖7 整體吊運(yùn)過程中應(yīng)力變化

圖8 整體吊運(yùn)過程中位移變化

2.6 模塊化集成型箱式房的可持續(xù)發(fā)展

2.6.1 提高保溫墻板的節(jié)能功效

在現(xiàn)代模塊化集成型箱式房的使用中，節(jié)能指標(biāo)已悄然成為了人們?cè)u(píng)判箱式房的重要標(biāo)準(zhǔn)。在保證現(xiàn)有的箱式房保溫墻板功能性的前提下，應(yīng)盡量使保溫墻板具備更好的隔熱功能，以此來達(dá)到節(jié)約能源的目的。在今后的設(shè)計(jì)中，可以考慮借鑒真空絕熱板的隔熱原理，在夾心保溫墻板的面層板與保溫材料之間增設(shè)高阻隔薄膜，利用內(nèi)部真空度的提高來隔絕熱傳導(dǎo)，達(dá)到保溫、節(jié)能的目的。

2.6.2 復(fù)合保溫材料的再生使用

保溫材料在達(dá)到規(guī)定的使用年限后，需要進(jìn)行掩埋、堆放等廢棄處理，對(duì)環(huán)境的污染和負(fù)擔(dān)巨大。如何對(duì)廢棄的保溫材料進(jìn)行再生利用，以此來達(dá)到節(jié)約能源的目的，具有重要意義。在今后的設(shè)計(jì)中，可以對(duì)保溫材料的選擇進(jìn)行優(yōu)化，盡量選擇一些在達(dá)到使用年限后，可以被混合、試制和再加工的材料，經(jīng)過拉毛—吸料—粘噴—中和—成形—烘干等生產(chǎn)工藝，使更多的廢棄保溫材料轉(zhuǎn)化為新的復(fù)合保溫材料。

2.6.3 雨水收集循環(huán)利用系統(tǒng)

在模塊化集成型箱式房框架的設(shè)計(jì)過程中，可以在箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)加入雨水收集及循環(huán)利用的功能，通過對(duì)雨水的引流—過濾—收集等過程，解決雨季水資源的收集問題，同時(shí)也可以有效地對(duì)收集的雨水進(jìn)行過濾處理，得到凈化后可循環(huán)利用的水資源，保護(hù)城市水環(huán)境，節(jié)約城市用水。

3 結(jié)語

模塊化集成型箱式房作為現(xiàn)今社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中均被廣泛使用的臨建設(shè)施，已經(jīng)逐漸從單純的功能性需求轉(zhuǎn)向舒適性和節(jié)能性需求，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要更多地考慮如何保障使用者的身體感受和視覺感受都能得到較好的體驗(yàn)。在現(xiàn)有模塊化集成型箱式房的基礎(chǔ)上，可持續(xù)地改進(jìn)和開發(fā)新的功能，使產(chǎn)品時(shí)刻處于使用者的滿意度范圍之內(nèi)是至關(guān)重要的。