裝配式集裝箱建筑適應(yīng)性設(shè)計與快速建造技術(shù)

陳 錦

(1.中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司 福建福州 350014; 2.福建工程學(xué)院管理學(xué)院 福建福州 350118)

0 引言

裝配式集裝箱模塊化建筑，是根據(jù)建筑規(guī)范，按照使用功能要求對集裝箱模塊進行裝配的建筑類型。集裝箱模塊作為建筑單元，具有集成度高、建造快速、安全耐用、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)點。但是，集裝箱模塊的空間格局尺寸、結(jié)構(gòu)受力分析與傳統(tǒng)建筑的差異、建筑設(shè)計與施工分屬單位的類別不同，這些都影響著這個有價值的建筑結(jié)構(gòu)體系的進一步發(fā)展。本文介紹福州市榕發(fā)夏荷郡項目營銷中心的適應(yīng)性設(shè)計與快速建造情況，探討了優(yōu)化集裝箱模塊化建筑設(shè)計和節(jié)點施工、提高建筑適用性和藝術(shù)價值的途徑。

1 場地策略

場地位于福建省福州市晉安區(qū)，西側(cè)緊鄰龍頭路，南側(cè)臨近秀山路，定位為其東側(cè)的榕發(fā)夏荷郡樓盤的臨時營銷中心。榕發(fā)夏荷郡項目緊鄰地鐵1號線，擁有 25.25 萬 m2建筑面積，以東方韻致、西方匠藝相融合的設(shè)計理念，建成后將為福州帶來全新的高品質(zhì)居住體驗。

項目營銷中心屬于臨時性辦公建筑，占地為1500 m2的臨時租地。營銷中心預(yù)算含在大區(qū)項目暫列金額內(nèi)，營銷中心立項時包括室內(nèi)和景觀的設(shè)計方案未定，但對使用品質(zhì)以及投入使用時間有嚴格要求，且造價不可追加。

在 55 m城市人行道退界征地內(nèi)建造臨時營銷中心，在房地產(chǎn)行業(yè)中存在一定的普遍性，這也讓這個項目的總平面設(shè)計有一定的固定模式，空間前場不規(guī)則的異形空間，對外顯示面僅有25 m 長邊界，業(yè)主又對沙盤展示區(qū)以及主背景墻的布置規(guī)定需求。并且，業(yè)主希望臨時營銷中心在榕發(fā)夏荷郡項目完成任務(wù)后能夠整體轉(zhuǎn)移到下一個項目，并要求以集裝箱為主要結(jié)構(gòu)形式進行設(shè)計。

圖1 營銷中心場地實景

2 前期分析

為了在營銷中心建筑風(fēng)格上與項目大區(qū)整體建筑和景觀設(shè)計相協(xié)調(diào)，具有現(xiàn)代風(fēng)格“極簡整潔，打造干練精英空間氛圍”的定位最終得到各方的認可?？紤]到營銷中心建設(shè)用地地勢低，經(jīng)過填埋、數(shù)月沉降和一定處理，地基承載力仍然較低。因此，采用重量輕、整體剛度好的集裝箱模塊化建筑也是最佳選擇。集裝箱建筑還具有拆除建筑模塊簡單、可重復(fù)使用、安裝施工快、施工和裝飾浪費少、混凝土和水的消耗少等優(yōu)點，是一種具有良好可持續(xù)性的新興裝配式建筑體系。裝配式模塊化集裝箱建筑完全符合福州市城市建筑節(jié)水綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展理念。

3 總平面與建筑適應(yīng)性設(shè)計

營銷中心建設(shè)用地位于項目大區(qū)西入口軸線東側(cè)路角處，西面和北面是城市新建的主要道路，東北是停車場。建筑的整體布局(圖2)大致形狀像一個方正的“口”的形狀，符合展示面和道路的方向。建筑面積350 m2，營銷中心示范區(qū)出入口市政僅允許開一個口且與施工通道合用，結(jié)合出入口設(shè)置儀式大門，進行人車分流管理，體現(xiàn)住戶未來社區(qū)的管理形式。營銷中心示范區(qū)周邊不確定因素較多，諸多的強電弱電線路影響參觀者的視線，所以外圍采用景墻結(jié)合圍墻的形式進行空間圍合，把不利因素阻擋在示范區(qū)的外圍，沉浸式景觀設(shè)計手法使參觀者的視線全部集中在核心景觀區(qū)。并對停車位進行整合，保證后場盡量有足夠的空間滿足看房通道需求。

圖2 營銷中心總平面圖

為在周邊區(qū)域凸顯營銷中心的形象，打破人們對集裝箱建筑粗糙簡陋的刻板印象，設(shè)計中將后場約3 m×6 m的6個集裝箱模塊拼裝，形成樓梯間、辦公室、VIP洽談室、衛(wèi)生間等功能房間，蔭蔽在周邊高低有序、錯落有致的景觀樹木中，與漫步道的竹林相交織(圖3)。前場采用“型鋼柱+屋蓋+挑檐”的形式，2.7 m挑出雨披模塊下方種植花圃組團，自然形成了入口空間將人流匯聚于建筑內(nèi)；在中場景觀步道中心設(shè)計鏡面水景，不規(guī)則地放置5處睡蓮，點題“夏荷”。景觀分區(qū)均采用仿大理石條圈邊，伸展的仿大理石條又在各個方向形成了長凳，引人駐足，訪客可以在上面小憩，享受營銷中心的美景。同時，集裝箱建筑個性鮮明的咖色波紋板外立面造型、現(xiàn)代雕塑感的形象，與綠色樹木相得益彰，透過水紋玻璃景墻顯得格外引人入勝，彰顯了營銷中心應(yīng)有的標(biāo)志性(圖4)。

圖3 營銷中心設(shè)計效果圖

圖4 營銷中心實景照片

4 建筑模數(shù)與模塊組合適應(yīng)性設(shè)計

裝配式模塊化集裝箱建筑具有集成度高、設(shè)計與裝配效率高等鮮明的特征。作為用于工業(yè)生產(chǎn)的裝配式模塊化建筑，建筑模塊的種類和規(guī)格應(yīng)盡可能少，同時相同功能的基本模塊應(yīng)具有通用性和互換性，有利于工廠批量化生產(chǎn)，節(jié)約成本，提高效率。但這也帶來了另一個問題，如何避免建筑造型死板，建筑空間單調(diào)。這需要巧妙和創(chuàng)造性的模塊化組合設(shè)計，以反映建筑組成的標(biāo)志性和藝術(shù)性。

在榕發(fā)夏荷郡項目營銷中心的設(shè)計中，共有14個建筑模塊，包括6個1層模塊、8個2層模塊(圖5)。所有這些建筑模塊僅有3種模數(shù)尺寸規(guī)格：長寬高=6000 mm×3000 mm×6000 mm，長寬高=9000 mm×3000 mm×6000 mm，長寬高=6000 mm×3000 mm×3000 mm。 設(shè)計采用這三種模數(shù)是根據(jù)開間及高度要求，結(jié)合標(biāo)準化生產(chǎn)線條件而定。后場6個集裝箱其尺寸均為6000 mm×3000 mm×3000 mm標(biāo)準箱，這樣既可以采用工廠的標(biāo)準件來生產(chǎn)又方便運輸?？紤]到營銷中心作為一個具有展示及服務(wù)要求的辦公建筑，前場對空間要求大，前場需要適當(dāng)增加凈高，以提高舒適度。因此，前場采取“型鋼柱+屋蓋+挑檐”的形式，把標(biāo)準尺寸箱體進行現(xiàn)場拼裝焊接，通過型鋼柱以及箱體橫梁框架，來達到6 000 mm的結(jié)構(gòu)高度。為什么不直接在工廠里直接加工6000 mm箱體高度進行現(xiàn)場拼裝呢？根據(jù)2016年公布的《高速公路超限運輸車輛管理規(guī)定》(交通運輸部令2016年第62號)，“車貨總高度從地面算起超過4 m”被列為超限運輸車輛,超過4.2 m時受到更嚴格的限制，許多道路和橋梁無法通過。3000 mm模塊高度加上運載集裝箱的半掛車裝載平臺高度基本在4.12 m左右，3000 mm已是工廠到現(xiàn)場的路線通過性與模塊建筑模數(shù)的綜合考慮[1]。

圖5 建筑模塊組合形式

為了使模塊化集裝箱組合能凸顯出營銷中心建筑個性鮮明的現(xiàn)代雕塑感標(biāo)志性形象，設(shè)計上在外立面造型做文章。在挑高部分展示廳區(qū)域，立面借鑒幕墻裝飾設(shè)計理念，采用鋼龍骨柱支撐屋架體系，并用中空鋼化玻璃做空間隔斷封閉，鋼龍骨柱外包白色鋁方通線條造型，與箱體咖色波紋板形成“風(fēng)浪揚帆”的設(shè)計感。屋檐部分，設(shè)計內(nèi)嵌式洗墻燈，增加營銷中心的夜景效果，與周圍景觀交相輝映，突出營銷中心的地段區(qū)位位置。最后，2.7 m長的外挑出檐口模塊，形成建筑雨披，最終完成了這個由14個箱體建筑模塊組成的體量平衡、室內(nèi)外空間層次感豐富的建筑組合(圖6)。

圖6 立面夜景效果

5 實現(xiàn)快速建造的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造設(shè)計

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

集裝箱作為一種模塊化組裝建筑，其受力分析與一般的裝配式建筑不同。集裝箱的波紋鋼板圍合類似鋼板剪力墻，在結(jié)構(gòu)中可以起到一定的作用，有良好的剛度和承載力，使?fàn)I銷中心可以采用較大的懸臂方案(最大懸臂2.7 m)。但是為了滿足建筑的采光、通風(fēng)和交通功能，箱體結(jié)構(gòu)的外墻需要大量采用開洞措施。另外，由于營銷中心展廳需要較大的開放空間，在模塊拼接時需要拆除部分側(cè)墻。這不可避免地削弱了原有的箱體結(jié)構(gòu)。當(dāng)模塊單元墻板完成后，由于墻剛度分布不均勻程度、墻板孔開度和吊升等原因，吊裝時，墻板會產(chǎn)生不規(guī)則的變形。為了保證結(jié)構(gòu)的整體的剛度和承載力，保證受力的穩(wěn)定性，對薄弱點進行了BIM建模，并導(dǎo)出元單位構(gòu)件，進行有限元分析(圖7)。通過這種方法，找出了結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，找出了鋼板和鋼板對墻體和樓板的壓力最大處。由圖7可知，箱體鋼板開洞的邊角部位會出現(xiàn)部分拉伸、剪切變形，這種變形是箱體建筑在內(nèi)部裝修以及長期使用過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞的因素。為避免上述情況發(fā)生，通常要對箱體開洞部位進行一定加固，通常采用增加角鋼加固，加固方式一般是將角鋼對角形成點焊在窗戶的四個角上。其中角鋼端部與板節(jié)點需要節(jié)點耦合，連接方式為鉸接。借鑒鋼結(jié)構(gòu)補強設(shè)計，箱體結(jié)構(gòu)的整體受力是通過有效地加強開口部位的斜撐,增加頂梁橫截面,加強框架頂梁連接,焊接內(nèi)部金屬墻龍骨,從而保證懸臂結(jié)構(gòu)撓度減少，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。

圖7 墻體開洞部位SAP2000有限元分析

5.2 節(jié)點構(gòu)造設(shè)計

集裝箱建筑由標(biāo)準模塊組合成整體，連接節(jié)點的構(gòu)造決定其建造周期的長短，也關(guān)系到結(jié)構(gòu)完整性、建筑防水保溫等諸多方面，節(jié)點的受力性能也是影響結(jié)構(gòu)正常使用的重要因素。因此，節(jié)點構(gòu)造設(shè)計的合理性是模塊化裝配式集裝箱建筑建造成功的關(guān)鍵。榕發(fā)夏荷郡營銷中心集裝箱建筑主要采用矩形鋼框箱體整體疊合的形式，因此采用輕型連接節(jié)點，即集裝箱建筑專用節(jié)點。在設(shè)計上，矩形鋼框梁柱上焊接L型角件，箱體角件間的連接應(yīng)保證角件對齊并與連接件間緊密接觸。其節(jié)點采用角件連接構(gòu)造(圖 8)，然后用螺栓直接連接。這種節(jié)點連接保證有可靠的抗剪、抗壓與抗拔承載力；框架與集裝箱體間的水平。然后，在集裝箱的角部處焊接鋼板，重要構(gòu)件或節(jié)點連接的熔透焊縫不應(yīng)低于二級質(zhì)量等級要求；角焊縫質(zhì)量應(yīng)符合外觀檢查二級焊縫的要求；配合角件處的雙頭錐使用，連接緊固上下兩層集裝箱。在集裝箱梁處焊接工字鋼，將集裝箱之間的連接問題轉(zhuǎn)換成鋼結(jié)構(gòu)中工字鋼之間的連接，規(guī)避螺栓無法擰緊的問題，將螺栓緊固的操作空間轉(zhuǎn)移到角件之外，同時可以通過連接面配合鋼結(jié)構(gòu)建筑連接做法，將節(jié)點的鉸接做法轉(zhuǎn)換成剛接節(jié)點。以上通過《集裝箱模塊化組合房屋技術(shù)規(guī)程》中集裝箱建筑專用節(jié)點的適應(yīng)性改進設(shè)計，從而保證箱體建筑的快速建造以及結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定[3]。

圖8 節(jié)點構(gòu)造設(shè)計

6 集裝箱建筑快速建造技術(shù)

在裝配式集裝箱模塊吊裝前，應(yīng)先把預(yù)埋件預(yù)埋于混凝土基礎(chǔ)上，經(jīng)各方驗收合格后設(shè)置連接定位板，在一個集裝箱模塊安裝完成后，連接模塊節(jié)點(圖9)。

圖9 節(jié)點構(gòu)造設(shè)計

根據(jù)基礎(chǔ)標(biāo)高的復(fù)測情況和預(yù)埋件、支架的實際長度，進行箱體底板安裝和調(diào)整，以保證相應(yīng)的標(biāo)高精度；按照圖紙上的集裝箱箱體的編號順序，安裝預(yù)埋件；并利用全站儀測量箱體框架水平、縱向垂直度，使集裝箱箱體的水平、縱向中心線與基礎(chǔ)中心線保持一致，并擰緊地腳螺栓；各模塊安裝、調(diào)整、檢測合格后，進行柱腳焊接加固，并二次澆注混凝土定型。

在每個箱體模塊安裝完畢后，進行安裝精度校準。調(diào)整到位后，方可進行下一個模塊安裝。模塊安裝校準，調(diào)整時先調(diào)整標(biāo)高，再進行中心位移的水平校準，最后調(diào)整垂直偏差。校準完成后，連接節(jié)點應(yīng)固定牢靠[4]。

圖10 二層箱體吊裝

6.1 集裝箱模塊與基礎(chǔ)預(yù)埋件連接

基礎(chǔ)驗收后，將調(diào)節(jié)墊板焊接安裝在底板上(圖11)。連接角件安裝在調(diào)節(jié)板上。完成后，將集裝箱模塊吊裝，并最終連接矩形框架模塊節(jié)點。具體操作要點如下:

在測量定位后，將集裝箱模塊的螺栓連接接頭焊接到調(diào)節(jié)板上，然后按照上述吊裝和校準方法將連接節(jié)點上的定位銷座固定到集裝箱模塊上。將高強度螺栓與角件連接，對接后擰緊螺栓。

圖11 調(diào)節(jié)墊板

6.2 集裝箱模塊與模塊間的連接

在集裝箱的模塊化建筑中，首層箱體模塊的連接節(jié)點需要在頂部、底部和左、右兩側(cè)固定不同的模塊。具體連接步驟如下:

(1)首層集裝箱模塊安裝完成后，在安裝過程中及時測量并校準相關(guān)尺寸，如首層集裝箱模塊連接角片與洞孔邊的距離等(圖12)。對于部分有偏差的部件，采用墊板來調(diào)整偏差大小，以滿足后序集裝箱模塊安裝的要求。

圖12 首層模塊校正

(2)正在進行安裝的模塊頂部，通過定位銷座和角孔安裝法蘭位置的螺栓連接節(jié)點。對于法蘭連接節(jié)點，應(yīng)注意增加墊板，快速校正螺栓孔位置。對于可旋轉(zhuǎn)的連接節(jié)點，應(yīng)注意將相鄰節(jié)點的固定板部分焊接成一個整體(圖13)。

圖13 模塊間連接

(3)在集裝箱模塊的下角和連接節(jié)點的銷座，通過上述吊裝方法校準到位。安裝相應(yīng)的箱體底板后，對相鄰模塊與連接節(jié)點的孔板之間的位置進行微調(diào)。

(4)最后，進行連接固定(圖 14)。通過矩形框架翼緣板的固定模塊，檢查翼緣與連接板螺栓孔的對應(yīng)關(guān)系，檢查附加底板的穩(wěn)定性與適應(yīng)性，采用螺栓扳手擰緊；可旋轉(zhuǎn)接頭部位，箱體模塊就位后，通過轉(zhuǎn)角一側(cè)預(yù)留孔，將接頭旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)90°，然后用工具通過轉(zhuǎn)角孔擰緊螺栓，實現(xiàn)緊固。

圖14 連接固定校正

(5)模塊化集裝箱建筑是一個高度集成的裝配式建筑(圖15)，其安裝和布置的機電管道的模塊在工廠預(yù)制完成,只有管道連接建筑的公共區(qū)域的接口部分，可進行現(xiàn)場施工和安裝。操作步驟如下:

①模塊吊裝連接完成后，檢查預(yù)留管道位置并按規(guī)范進行相應(yīng)調(diào)整。

②管線連接設(shè)備端的準備。

③進行集裝箱箱體模塊管線接頭的快裝連接。

圖15 管線安裝

7 結(jié)語

通過對裝配式集裝箱建筑的場地策略的分析，結(jié)合使用功能進行適應(yīng)性模塊化設(shè)計，并使用仿真分析施工過程中的薄弱節(jié)點受力情況，合理調(diào)整設(shè)計節(jié)點構(gòu)造，機電管線工廠預(yù)留、現(xiàn)場接口，實現(xiàn)榕發(fā)夏荷郡項目營銷中心31d精裝交付的快速建造、品質(zhì)建造，成功完成一項集裝箱模塊化建筑適用性設(shè)計及工業(yè)化施工研究。