昆明地區(qū)集裝箱建筑的物理環(huán)境優(yōu)化設(shè)計研究

王高靜 羅 杰 楊宇振 王 佳

早期，一些善于創(chuàng)造的人利用廢棄的集裝箱，經(jīng)過簡單改造變成臨時住所。但是在居住的舒適性方面并不能滿足基本需求，暴露了冬冷夏熱的弊端。經(jīng)過設(shè)計師們的空間處理及功能完善，集裝箱開始被改造成各種建筑，不僅有效利用了空間，且一定程度上節(jié)省了人力、物力資源[1]。集裝箱建筑是一種基于鋼框架結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)墻板結(jié)構(gòu)體系的模塊化建筑產(chǎn)品，具有標準化、模塊化以及通用化等特點。該建筑產(chǎn)品由頂框、底框、角柱和15 塊可互換的墻板組成，箱體為整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)有框架，主要承重結(jié)構(gòu)為4根角柱。墻體為雙層空心鋼板，可在內(nèi)外墻體間的空心層填充不同的材料，并用木板飾面。集裝箱建筑可整體遷移，使用壽命達25 年，并且可根據(jù)不同地區(qū)、不同領(lǐng)域及不同用途需求建成永久或半永久建筑。

1 集裝箱建筑國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外的集裝箱建筑發(fā)展比國內(nèi)早，最早可追溯到1901 年，當(dāng)時俄國首次在世界上使用木材建造箱式房屋。1983年，美國的John M DiMartino 將箱式建筑設(shè)計方法與閑置集裝箱改造相結(jié)合，最先提出了模數(shù)化的集裝箱建筑體系[2]。目前，集裝箱建筑在歐美等地區(qū)已經(jīng)形成規(guī)范的建筑體系，技術(shù)經(jīng)驗也較為豐富。例如，2015 年米蘭世界博覽會上的摩納哥館，創(chuàng)新使用集裝箱作為博覽建筑，打破了傳統(tǒng)集裝箱建筑只作為居住使用的觀念，為該建筑形式的發(fā)展提供了全新的視野。近年來，國外很多建筑事務(wù)所一直在探索集裝箱建筑的組合創(chuàng)新，通過與地區(qū)特性結(jié)合滿足建筑的舒適性要求。水平組合、垂直組合、異形組合等各種組合形式，開創(chuàng)了新的集裝箱建筑模式。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國的集裝箱建筑發(fā)展起步較晚。2002 年，蔡偉杰、蔡仁祥申請了“快速安裝集裝箱式建筑物”的發(fā)明專利，國內(nèi)才開始出現(xiàn)由集裝箱組成的建筑物[3]。在我國，集裝箱建筑面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和機遇，不同地區(qū)、不同氣候條件對集裝建筑的要求有著很大的區(qū)別，如炎熱地區(qū)的隔熱問題、寒冷地區(qū)的保暖問題以及不同用途中對物理環(huán)境的要求差異等。對于寒冷地區(qū)，可以采取墻體等部位填充物加密和加裝地暖等方法，使冬季室內(nèi)溫度維持在3 ～5 ℃；對于炎熱地區(qū)，在箱內(nèi)加裝空調(diào)的情況下，室內(nèi)平均溫度可以維持在15 ℃左右。近年來，以中集集團為代表的集裝箱企業(yè)開始大力發(fā)展集裝箱建筑，并且已經(jīng)形成了一套較為成熟的生產(chǎn)體系。

隨著綠色建筑概念的發(fā)展和使用，如今的集裝箱建筑逐漸在材質(zhì)、設(shè)計、施工技術(shù)上向綠建方向靠攏。主要體現(xiàn)在以下幾點。

（1）建筑材料的優(yōu)化選擇。從傳統(tǒng)的鋼材質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅芨玫匿X合金、玻璃鋼以及不銹鋼等材質(zhì)，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑不同，鋁合金或不銹鋼材質(zhì)的集裝箱建筑可多次拆卸使用，大大提高了老舊建筑的使用率，減少了拆遷、改造老舊建筑時人力、物力的消耗。

（2）模塊化的預(yù)制模式。目前，標準箱體的尺寸為寬2.99 m、長6.05 m。因此，集裝箱建筑保留了集裝箱的工業(yè)模數(shù)化特性和標準化優(yōu)勢，無論是設(shè)計、生產(chǎn)還是施工，均形成了一套基于標準模數(shù)的工法流程。在實際使用中，可根據(jù)具體情況個性化定制箱體尺寸，也可將多個箱體拼接在一起滿足使用需求。這種模塊化的預(yù)制模式，除了具有加快建造速度、減少工程量、快速搭建成型等優(yōu)點外，還能夠減少施工中產(chǎn)生的垃圾和材料損耗，具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢。

（3）規(guī)范化使用。根據(jù)《集裝箱模塊化組合房屋技術(shù)規(guī)程》（CECS 334：2013）、《鋼結(jié)構(gòu)箱式模塊化房屋建筑構(gòu)造》（17CJ 74-1）以及《箱式鋼結(jié)構(gòu)集成模塊建筑技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 641-2019）等技術(shù)規(guī)范進行施工，同時結(jié)合《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019）等相關(guān)規(guī)范，保證安全的同時滿足各種特殊使用需求，打造新型綠色集裝箱建筑。

（4）組合式創(chuàng)新。在集裝箱組合式創(chuàng)新方面，可以通過幾個集裝箱，以不同角度、高度來產(chǎn)生一些架空、陽臺、走廊等空間。一般建筑結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)的空間，集裝箱建筑能夠通過平面的并聯(lián)、錯位、對角等組合方式營造出來。集裝箱建筑主要有5 種箱體組合方式，分別為行列式、附加式、架空式、夾心式以及自由式[4]。這些多變的組合形式可有效改善建筑內(nèi)部的居住環(huán)境，通過自然的通風(fēng)采光減少對于人工調(diào)節(jié)環(huán)境手段的依賴，達到可持續(xù)發(fā)展的目的。

標準化的運輸體系為集裝箱建筑在全國乃至全球各地能夠快速運輸、搭建奠定了基礎(chǔ)。目前，歐美仍是全球集裝箱建筑使用率最高的區(qū)域，但隨著我國國家戰(zhàn)略的推進，借助標準化運輸?shù)膬?yōu)勢也可充分發(fā)揮集裝箱建筑的優(yōu)點，快速調(diào)動相應(yīng)配件進行組裝并投入使用，使集裝箱建筑在未來贏得更廣闊的市場。

2 現(xiàn)狀物理條件調(diào)查與分析

2.1 聲環(huán)境

在聲環(huán)境方面，集裝箱常用的鋼鐵材質(zhì)遠沒有混凝土材質(zhì)隔聲性能強。雖然一些集裝箱通過在雙層箱體間的空隙中加入空氣層或者填充吸音材料來隔絕聲響，但隔聲效果仍舊不佳。一般居住建筑室內(nèi)的噪音，白天不能超過50 dB，夜間應(yīng)低于45 dB，控制在30 dB 左右為最佳。通過大量的走訪調(diào)查得知，昆明市的集裝箱建筑仍主要應(yīng)用于工地的臨時住所，施工現(xiàn)場的嘈雜環(huán)境會影響工人休息，因此集裝箱建筑在噪音方面需采取更好的解決方法。

2.2 光環(huán)境

在光環(huán)境方面，由于集裝箱建筑的形態(tài)一般為固定箱型，不能滿足多方面的自然采光需求。同時，集裝箱的尺寸大小具有一定的局限性，空間組合單一，若需稍大尺度的空間，只能采用將多個箱體拼在一起的做法，而這種拼接方式會嚴重影響房間的采光。雖然集裝箱建筑可以采用人工照明，從屋頂排布電線，但是人們更需要的是自然采光，人工照明只能作為輔助。對于用作展覽的集裝箱建筑，還需要考慮光照對于展品儲存以及游覽體驗的影響。昆明市地處云貴高原南側(cè)，海拔高、晴天多且日照時間長，調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)年日照時數(shù)高達2 400 h。在這樣的日照環(huán)境中，如何充分利用其環(huán)境優(yōu)勢是目前集裝箱建筑在地區(qū)發(fā)展中需要著重考慮的問題。

2.3 熱濕環(huán)境

大部分集裝箱建筑的主要材料是鍍鋅鋼板，具有導(dǎo)熱率高的特點，而集裝箱建筑受金屬材料特性影響，也表現(xiàn)出熱導(dǎo)率高、隔熱性能低的特性，常常出現(xiàn)室內(nèi)溫度不穩(wěn)定的情況。一般來說，冬季人體舒適溫度為18 ～25 ℃，濕度為30%～80%；夏季室內(nèi)溫度應(yīng)為23 ～28 ℃，濕度應(yīng)為40%～50%。通過對昆明一所高校內(nèi)集裝箱建筑的實地監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得知，該區(qū)域6 ～9 月室外平均溫度維持在21.45 ℃左右，但是箱體內(nèi)平均溫度維持在23.85℃左右。箱體內(nèi)外溫差略大，會影響人們的正常工作和生活。同時，該區(qū)域6 ～9 月箱內(nèi)平均濕度為63.324%，室外平均濕度為65.6%，箱體內(nèi)外濕度也有較大差異。

目前，對于集裝箱建筑在保溫隔熱方面存在的問題，有兩種解決措施：一是增加墻體填充物密度；二是在其表面噴涂類似白色陶瓷的保溫隔熱涂料，淺色涂料可減少陽光直射與熱量的吸收。但這兩種措施都存在造價高等問題。

3 解決方法研究

3.1 聲環(huán)境

建筑中的聲學(xué)問題主要是聽音問題，聽音是指人們聽到的聲音效果，包括音質(zhì)和清晰度兩個方面。因此，研究居住集裝箱建筑以及展覽集裝箱建筑的聲環(huán)境改造，應(yīng)從兩方面入手。第一，清晰度問題。清楚地聽到聲音，是諸多建筑空間最基本的要求，如果建筑空間設(shè)計不合理或者界面材料控制不良，就會影響聲音的清晰度。第二，音質(zhì)問題。人們聽到聲音的主觀感覺與室內(nèi)的聲音環(huán)境密切相關(guān)。良好的建筑條件包括合理的空間尺寸、體型角度、材料特性及排布位置等，能使聲音更優(yōu)美、動聽；反之，會破壞聲音的美感[5]。由此可見，應(yīng)選取安靜的地段來放置集裝箱建筑，從聲源上解決聲環(huán)境的問題。

昆明市的大部分居住建筑，可采用不同的空間組合方式分隔出不同的房間，也可選擇安裝雙層隔音玻璃窗戶?；诩b箱建筑墻體結(jié)構(gòu)性質(zhì)，建筑的內(nèi)隔墻為存在空氣層的雙層墻體。這些空氣層可形成聲音的傳播通道，應(yīng)注意封堵。在建筑使用過程中，某些位置可能會產(chǎn)生撞擊噪音，應(yīng)在震源部位采用消音、隔震材料，或者選用彈性減震構(gòu)造、木構(gòu)件等措施減小撞擊噪音對人們生活、工作、學(xué)習(xí)等造成的影響。

對于特殊用途的集裝箱建筑，如臨時展覽、音樂廳、放映室等對聲環(huán)境要求較高的建筑，應(yīng)考慮多個箱體拼接時拼接節(jié)點對聲音傳播的影響，可在內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)表面鋪設(shè)吸音的多孔材料或利于聲音反射的光滑材料來提高使用者的聽音體驗感。

3.2 光環(huán)境

日照是建筑主要的自然光源，合理的日照不僅能提高建筑的舒適度，還能提升建筑使用者的工作學(xué)習(xí)效率。我國建筑設(shè)計相關(guān)規(guī)范對建筑的日照時間進行了規(guī)定。當(dāng)自然光無法滿足要求時，就需要采用人造光源進行輔助，即利用各種發(fā)光燈具，根據(jù)人們的需求進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)預(yù)期的照明效果。

解決光照問題需要研究如何高效利用門窗和室內(nèi)光源來提升室內(nèi)光環(huán)境的質(zhì)量。集裝箱建筑主要通過門窗設(shè)置滿足自然采光需求，由于箱體主要由四角的立柱承重，用戶可以根據(jù)自己的需求自由開設(shè)門窗，通過增加門窗面積、數(shù)量等手段引入自然光，充分利用昆明地區(qū)日照充足的優(yōu)點，減少人工光源的使用。另外也可通過幾個箱體之間不同的組合方式來滿足采光需求。例如，通過錯位、對角等營造空間的方式達成自然光照條件。門窗位置設(shè)計時，要避開主要季風(fēng)方向，并注意引入自然光線來提升室內(nèi)照度。昆明市的建筑最佳朝向為南偏西22.5°，在集裝箱建筑設(shè)計中可參考此參數(shù)來保證建筑采光。

3.3 熱濕環(huán)境

建筑物理中，室內(nèi)熱濕環(huán)境是建筑熱工學(xué)研究的主要內(nèi)容。目前，昆明市的集裝箱建筑主要為居住和辦公使用的小型空間建筑。在舒適的熱濕環(huán)境中，這類建筑可以更好地發(fā)揮人體各項機能；反之，如果偏離舒適條件，工作效率會隨之下降。集裝箱建筑大部分由金屬材料制成，相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑，金屬導(dǎo)熱率較高，因此存在著保溫隔熱方面的問題。影響室內(nèi)熱濕環(huán)境的主要因素有空氣溫度、相對濕度等，要想從建筑構(gòu)造方面改善箱體內(nèi)部的保溫隔熱問題，同時符合綠色建筑的要求，需要從這些主要影響因素入手。

在空氣溫度方面，集裝箱保溫系統(tǒng)分為箱體內(nèi)保溫系統(tǒng)和箱體外保溫系統(tǒng)兩種，既要防止箱體內(nèi)過熱，也要防止箱體內(nèi)過冷?？稍谑覂?nèi)酌情增加采暖設(shè)備等人工采暖措施，以達到箱體內(nèi)保溫的目的。同時，一些海拔較高的寒冷山地區(qū)域應(yīng)確保采暖均勻，防止圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部水蒸氣冷凝對圍護結(jié)構(gòu)造成破壞。在箱體外部使用木板隔層、白色陶瓷保溫隔熱涂料等外保溫材料包裹箱體外部，可以達到箱體外保溫的目的。在相對濕度方面，由于集裝箱建筑圍護結(jié)構(gòu)的吸濕性較弱，可采取措施保證外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面附近氣流暢通，也可在外圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置隔汽層防止室內(nèi)濕度過高或過低。

昆明市的冬季主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)，應(yīng)盡量避免大面積外表面朝向冬季主導(dǎo)風(fēng)向，可在設(shè)計中適當(dāng)增加“陽光房”，利用地區(qū)優(yōu)勢采光采暖。部分高山地區(qū)在冬季寒冷的情況下，可以增加填充層密度來提高保溫性能。為了營造更加舒適的使用環(huán)境，還可在屋頂、墻面等部位增加玻璃絲棉、巖棉、可發(fā)泡性聚苯乙烯（Expandable Polystyrene，EPS）、聚氨酯（Polyurethane，PU）等保溫隔熱、防火防水的材料，減少圍護結(jié)構(gòu)的散熱。

對位于高寒地帶用于特色民宿、酒店的一些集裝箱建筑來說，僅進行建筑層面保溫并不夠，還應(yīng)兼顧心理層面的舒適性。由于集裝箱建筑為全鋼材質(zhì)，會給使用者帶來一種冰冷的感覺，缺少親近性，尤其是在寒冷的冬季[6]。因此可以借助集裝箱建筑的結(jié)構(gòu)特點，配合使用其他建筑材料，如在表面貼木板改變表面肌理或者涂刷暖色油漆提高建筑與人的親和力。

4 結(jié)語

集裝箱建筑兼具工業(yè)化建筑、鋼結(jié)構(gòu)建筑、裝配式建筑、模塊化建筑及綠色建筑等眾多新興建筑體系的屬性，是跨界融合、轉(zhuǎn)型升級的典范。目前，集裝箱建筑還處于探索期，隨著科技的進步，集裝箱建筑將會日趨完善，進而得到更廣泛的應(yīng)用。隨著模塊化集裝箱建筑的推廣，集裝箱建筑的設(shè)計理念、模塊化的設(shè)計標準和3D 建造技術(shù)的結(jié)合，能夠為客戶定制各類型的建筑樣式創(chuàng)造更多的可能性，也將為整個建筑市場開辟新的模式。