模塊化集裝箱建筑研究現(xiàn)狀

徐小皓

（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

0 引言

早期的集裝箱主要是在物流領(lǐng)域中被大量使用，但因長期使用導(dǎo)致集裝箱油漆脫落、生銹變形而達不到運輸業(yè)的規(guī)范要求，不得不閑置在碼頭。建筑設(shè)計人員研究發(fā)現(xiàn)，這些閑置的集裝箱主體框架性能仍良好，如果將這些二手的集裝箱加工改造應(yīng)用在建筑領(lǐng)域，將具有良好的經(jīng)濟效益。因為集裝箱建筑搭建和拆卸方便，因此一般用于臨時性場所，如我國搭建的雷神山和火神山醫(yī)院及地震災(zāi)害后房屋破損嚴重地區(qū)的房屋重建。國內(nèi)外的集裝箱建筑多為用二手集裝箱改造的低層臨時住房、展廳、酒吧、商店等[1]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，設(shè)計人員不單單只用二手的集裝箱來建造一些臨時性場所。國內(nèi)外的一些企業(yè)已經(jīng)開始生產(chǎn)可永久居住、適應(yīng)性更高、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的集裝箱建筑房屋。

我國的集裝箱房屋建筑起步較晚，由于技術(shù)、經(jīng)驗等不豐富，起初只在碼頭等地方有簡易的集裝箱房屋，而在其他領(lǐng)域應(yīng)用集裝箱房屋則較少。但隨著經(jīng)驗、理論、技術(shù)的逐漸成熟，我國對集裝箱建筑的研究水平得到了很大的提高。如深圳的天安數(shù)碼城、常州龍湖山外有山集裝箱接待中心、棗莊市的翼云湖貴族部落度假村等。集裝箱房屋建筑具有較多的優(yōu)點，如綜合造價較為便宜，結(jié)構(gòu)強度大、整體性好，且有很好的抗風、抗震性能[2]，可以通過改變集裝箱建筑組合來創(chuàng)造豐富的幾何外形[3]。模塊化集裝箱建筑擁有較為廣闊的發(fā)展前景，應(yīng)大力發(fā)展。本文主要總結(jié)近幾年模塊化集裝箱建筑在建筑層面與結(jié)構(gòu)層面的研究現(xiàn)狀。

1 建筑層面的研究

曹偉煒等[4]為分析集裝箱建筑是否可以應(yīng)用在變電站設(shè)計中，以110kV戶外AIS變電站為例，分別分析變電站的各種功能房的空間需求，并對集裝箱的材料屬性、力學(xué)性能進行討論分析，論述變電站集裝箱建筑概念的可行性。但存在對集裝箱進行改造后的問題，改造后的集裝箱的力學(xué)性能等是否會發(fā)生變化還需要進一步的實驗研究。

劉立峰等[5]闡述集裝箱建筑的發(fā)展與特點，并討論集裝箱建筑在未來城變電站的應(yīng)用，分析集裝箱變電站的應(yīng)用前景。得出目前集裝箱更適用于小型戶外變電站，仍需要優(yōu)化集裝箱的設(shè)計和輔助功能的配置后才適合應(yīng)用在大型變電站的結(jié)論。

毛磊等[6]回顧集裝箱建筑在我國的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)集裝箱建筑的優(yōu)點和用處，闡述集裝箱建筑在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀，得出集裝箱建筑的發(fā)展符合我國可持續(xù)發(fā)展的理念，符合我國現(xiàn)階段發(fā)展要求，發(fā)展前景廣闊。

方珍珍[7]基于綠色可持續(xù)發(fā)展的理念，從建筑的住宅和功能兩方面出發(fā)，對集裝箱建筑的改造進行研究，研究集裝箱建筑的改造方式、室內(nèi)設(shè)計、組合方式、施工原則等方面，總結(jié)集裝箱住宅改造的各個階段的改造原則，并提出改造策略，使集裝箱滿足住宅的功能、建造等要求，為集裝箱住宅未來的研究提供方向。

王蔚等[8]分析集裝箱建筑的特點，探討集裝箱在建筑領(lǐng)域模塊設(shè)計中的功能、形式、綠色環(huán)保等的發(fā)展趨勢，闡述集裝箱建筑對我國低碳建筑發(fā)展模式的啟示，強調(diào)集裝箱建筑為人類在新世紀的低碳生活提供重要的保障和啟示。

郭雪婷[9]基于建筑設(shè)計的角度分析集裝箱建筑的特點，討論集裝箱建筑的空間改造和設(shè)計策略，并進一步闡述集裝箱建筑體系可以為生產(chǎn)條件差、建造水平低以及生產(chǎn)落后的地區(qū)提供新的建造方式。

崔海蘋[10]分析大量的集裝箱建筑案例，總結(jié)影響集裝箱建筑設(shè)計的因素和原則，闡述集裝箱建筑在造型設(shè)計和創(chuàng)意模式方面的應(yīng)用，并對集裝箱建筑的組合方式、藝術(shù)價值、綠色環(huán)保價值、美學(xué)價值進行探索。

郭浩元[11]在對比國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對集裝箱建筑的特征及適應(yīng)性功能進行探索分析，并對單箱體和多箱體集裝箱建筑空間和適應(yīng)性進行研究分析。同時還分析箱體改造、建造過程等，為建造設(shè)計提供了一定的參考。

2 結(jié)構(gòu)層面的研究

任煒[12]總結(jié)集裝箱箱體之間的組合方式，從理論和實例層面進行論述。并對集裝箱箱體間組合節(jié)點分類進行總結(jié)，參考鋼結(jié)構(gòu)抗震節(jié)點設(shè)計和鋼筋混凝土抗震設(shè)計，進一步對集裝箱建筑的節(jié)點進行加固改造，使改造后的節(jié)點更加適合于集裝箱建筑。

王海鵬[13]以集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，研究平行布置和交錯布置的集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。用ABAQUS對波紋板剪力墻進行簡化建模分析，分析其骨架曲線和滯回曲線，并用ABAQUS子程序?qū)喕Ｐ偷臏蚀_性進行驗證；通過對平行布置的集裝箱式鋼結(jié)構(gòu)進行抗震模擬，分析波紋板剪力墻布置的數(shù)量對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，對交錯布置的集裝箱進行同樣的抗震分析，發(fā)現(xiàn)可以改善平行布置中縱向剛度不足，層間位移角不均勻的現(xiàn)象。

張閃閃[14]對開洞集裝箱房屋進行力學(xué)性能和抗震性能分析，運用ABAQUS有限元分析軟件對不同開洞形式的單體集裝箱房屋模型，施加水平荷載，分析不同開洞形式下集裝箱建筑的抗側(cè)剛度和極限承載能力；分析一個兩箱六層的集裝箱房屋在風荷載、地震荷載作用下的最大位移和層間位移角，雖然不同的地震頻譜作用下，結(jié)構(gòu)的位移變形不一致，但結(jié)構(gòu)的最大層間位移角都滿足規(guī)范的要求，并比純框架鋼結(jié)構(gòu)小。

吳從曉等[15-16]將鉛黏彈阻尼器與集裝箱的節(jié)點相結(jié)合，構(gòu)成集裝箱減震連接節(jié)點，分析對比20ft和40ft兩種規(guī)格下減震連接節(jié)點和普通連接節(jié)點的抗震性能。結(jié)果表明在減震節(jié)點的作用下，結(jié)構(gòu)的滯回曲線更加飽滿，可以保證結(jié)構(gòu)在地震的作用下具有較好的承載力和滯回耗能能力。楊淵[17]在常用的連接節(jié)點基礎(chǔ)上，結(jié)合減隔震的設(shè)計思想，設(shè)計了一種用于集裝箱建筑的減隔震連接節(jié)點。將節(jié)點與集裝箱建筑相結(jié)合，構(gòu)成集裝箱建筑減震結(jié)構(gòu)體系，再通過分析對比常規(guī)連接節(jié)點和減隔震連接節(jié)點，結(jié)果表明減震節(jié)點可以有效地降低應(yīng)力集中現(xiàn)象；同時對集裝箱進行一定的適應(yīng)性改造，建立雙層集裝箱建筑模型，對比分析集裝箱建筑減震結(jié)構(gòu)體系和集裝箱建筑常規(guī)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。集裝箱建筑中節(jié)點是至關(guān)重要的一環(huán)，常規(guī)節(jié)點在地震作用較強時，極易發(fā)生破壞，限制了集裝箱建筑的發(fā)展，將減隔震應(yīng)用在集裝箱建筑節(jié)點中，可以促進集裝箱建筑在高烈度地區(qū)的發(fā)展。但只對雙層集裝箱建筑進行分析，無法驗證集裝箱建筑減震結(jié)構(gòu)體系是否適合于多、高層建筑，還需要進一步試驗分析。

朱國棟[18]分別對未開洞和開洞的波紋板進行抗側(cè)剛度的分析，分析波紋板高寬比、子板的厚度、高厚比和傾角對未開洞集裝箱波紋板抗側(cè)剛度的影響；研究開洞后洞口的大小、形狀等與波紋板抗側(cè)剛度的關(guān)系，得出開洞對集裝箱波紋板滯回性能的影響規(guī)律。

李英磊等[19]運用ANSYS有限元分析軟件分析不同開洞率、頂梁剛度對標準20ft和40ft集裝箱縱向抗剪強度的影響，得出縱向剛度擬合公式。并對集裝箱在不同開洞率下的極限承載能力和縱向屈服進行分析，給出相應(yīng)的建議。王化杰等[20]以一個集裝箱建筑案例為基礎(chǔ)，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)體系并對節(jié)點性能進行多尺度的分析。分別增設(shè)了輔助拉桿、橫梁立柱等構(gòu)件，研究其抗震性能的變化。

邱韻[21]對標準20ft的集裝箱進行適應(yīng)性改造，并驗證改造后模型的正確性；簡述集裝箱建筑常用的連接節(jié)點，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種X型卡件節(jié)點，用于連接多層集裝箱建筑；最后對五層集裝箱式房屋進行抗震分析，在開洞的情況下，模型不滿足大震作用下的抗震規(guī)范要求，還需要對模型進行進一步的改造。若想在高烈度地區(qū)推廣集裝箱建筑，單單依靠原有的標準模型是不行的，需要對其進行一定的改造，改造后的箱體與減隔震體系相結(jié)合，共同抵抗地震作用。

王璐璐[22]基于結(jié)構(gòu)和建筑安全性的角度出發(fā)，從豎向荷載和橫向荷載兩個方面對20ft和40ft的集裝箱進行簡化靜力分析，得到指導(dǎo)多層集裝箱改造房的安全公式。范坤杰[23]基于能量的角度出發(fā)，分析集裝箱在均布荷載和集中荷載作用下的變形組成，得到抗側(cè)剛度計算公式。借助歐洲蒙皮原理，分析開洞對集裝箱側(cè)板抗側(cè)剛度的影響，推導(dǎo)出相應(yīng)的折減系數(shù)，最后運用有限元分析軟件ABAQUS進行驗證。

3 結(jié)束語

目前集裝箱建筑在我國應(yīng)用得越來越廣泛，建筑外型具有較高的美學(xué)價值，同時在力學(xué)性能上也十分優(yōu)越。通過對集裝箱建筑的節(jié)點、側(cè)壁波紋板等方面的研究，發(fā)現(xiàn)為使集裝箱建筑得到更好的應(yīng)用，需要進行一定的適應(yīng)性改造或?qū)⒐?jié)點進行創(chuàng)新。對于集裝箱建筑的探究還有一條較為漫長的道路，需加強對可持續(xù)發(fā)展重要節(jié)點的重視，還需要加強對集裝箱建筑整體性的研究，促進集裝箱建筑得到更好的發(fā)展。