模塊化薄壁輕鋼建筑研究*
——以集裝箱建筑為例

陳曉旭 陳兆榮 陳戊榮 楊濤

0 引言

預(yù)制裝配式建筑是指根據(jù)建筑工業(yè)化設(shè)計(jì)要求，采用尺寸精確、符合建筑模數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)制構(gòu)件在工地裝配而成的建筑，具有工期短、受氣候影響小、人力成本低、可抑制粉塵及減少噪聲等優(yōu)點(diǎn)[1]。輕鋼作為建筑的主要材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、靈活、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而集裝箱建筑是典型的薄壁輕鋼建筑。

全球超95%集裝箱在我國生產(chǎn)，每年存在大量廢棄集裝箱，回爐煉鋼易對環(huán)境造成污染，將廢舊集裝箱回收利用是解決該問題的有效方法。在大力推廣裝配式建筑的背景下，模塊化集裝箱建筑發(fā)展是大勢所趨。

1 模塊化集裝箱建筑的應(yīng)用

1.1 災(zāi)后應(yīng)急類建筑

汶川雁門中心學(xué)校是汶川地震后中集集團(tuán)援建的集裝箱學(xué)校，使用171個(gè)集裝箱模塊，歷時(shí)3個(gè)月，總建筑面積3000m2，可滿足教學(xué)需求。火神山醫(yī)院由300多個(gè)集裝箱拼裝而成，僅用10d建成（見圖1）。

1 火神山醫(yī)院（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

1.2 住宅類建筑

WFH house是位于我國無錫市的綠色集裝箱房屋建筑，由3個(gè)40尺廢舊集裝箱拼接而成，建筑面積為180m2。荷蘭阿姆斯特丹的Silodam公寓占地面積600m2，共有142間自購房及15間租賃公寓房屋。

1.3 商業(yè)類建筑

Quadrum集裝箱酒店位于格魯吉亞雪山上，就地取材，根據(jù)金字塔造型拼裝而成（見圖2）。韓國第一家大型集裝箱商場“COMMON GROUND”由200個(gè)大型集裝箱構(gòu)成，總占地面積5280m2，是目前世界上規(guī)模最大的集裝箱商場（見圖3）。

2 Quadrum集裝箱酒店（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

3 集裝箱商場“COMMON GROUND”（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

1.4 其他類建筑

中國南極長城站由集裝箱組裝而成，并采用特殊的重防腐涂料防止房屋在低溫、高鹽霧的環(huán)境中銹蝕（見圖4）。

4 中國南極長城站（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

2 集裝箱建筑研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

1986年，JOHN M D[2]提出集裝箱建筑的概念，并申請了專利。專利中詳細(xì)說明集裝箱建筑由模塊化的海運(yùn)集裝箱組成，每個(gè)集裝箱單元具有特定的建筑功能，設(shè)計(jì)卡鎖連接上下集裝箱單元。1991年海灣戰(zhàn)爭期間，首次大規(guī)模應(yīng)用集裝箱建筑，主要用于運(yùn)送戰(zhàn)俘、充當(dāng)軍用臨時(shí)建筑等。

2008年，SAWYERS P[3]撰寫的Intermodal shippingcontainersmallsteelbuildings，介紹了如何購買、運(yùn)輸集裝箱，以及如何選取最合理的空間擺放形式，以保證建筑物的安全性。KOTNIK J[4]撰寫的Containerarchitecture:this bookcontains6441containers詳細(xì)介紹了將二手集裝箱改造成建筑物的設(shè)計(jì)過程，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)圖紙和施工細(xì)節(jié)，助力集裝箱建筑的推廣與應(yīng)用。

2010年，LAWON R M等[5]提出新型高層模塊化結(jié)構(gòu)，并對模塊化箱體的墻板和模塊柱進(jìn)行了分析。GREEN J E[6]提出將廢舊集裝箱改造成發(fā)電房或水井房，利用太陽能電池板發(fā)電或?qū)⒆匀凰崔D(zhuǎn)化成飲用水，并申請專利，專利中詳細(xì)介紹了集裝箱房屋的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造和節(jié)點(diǎn)連接形式。

2014年，EOM H S[7]提出可變長度角柱，將長棍貫通穿過上下角件和角柱，延伸到基礎(chǔ)下，角件通過螺栓連接固定在基礎(chǔ)上，極大地提高了整體的抗側(cè)力，防止集裝箱因側(cè)向力過大發(fā)生傾覆或側(cè)翻（見圖5）。此種集裝箱建筑適用于沙漠等極端環(huán)境中。BERNARDO L F A等[8]對集裝箱各個(gè)部件的截面面積、尺寸和形狀進(jìn)行了研究，分析2種集裝箱在施加集中力和均布荷載后的變形情況和極限承載力，最終證實(shí)廢舊集裝箱可作為建筑材料。

5 可變長度角柱設(shè)計(jì)（圖片來源：Container house having structural stability）

2020年，BERTOLINI M等[9]對廢舊集裝箱用作建筑材料或回爐煉鋼對環(huán)境的影響進(jìn)行評估，從全球變暖趨勢、臭氧消耗趨勢、雨水酸化趨勢及土壤富營養(yǎng)化趨勢4個(gè)方面進(jìn)行分析，結(jié)果表明將廢舊海運(yùn)集裝箱用作建筑材料能有效降低CO2的排放。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2004年，柏庭衛(wèi)等[10]撰寫的《香港集裝箱建筑》是我國最早關(guān)于集裝箱建筑的書籍。隨后幾年，我國香港出現(xiàn)很多利用廢舊集裝箱改造的房屋，雖設(shè)計(jì)較簡單，層數(shù)不高，但成為當(dāng)時(shí)獨(dú)特的風(fēng)景線，筆者實(shí)地考察并對其綜合對比分析，最終提出較為合理的箱體排列方式和改造設(shè)計(jì)方法。

2009年，紀(jì)尚志等[11]對青島積米崖漁人碼頭的集裝箱建筑進(jìn)行了探討，分析集裝箱建筑的優(yōu)勢和帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。黃科[12]對歐美、東南亞、中東、非洲、拉美地區(qū)和中國的集裝箱建筑應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)和分析，并對集裝箱建筑的未來應(yīng)用趨勢和市場發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)估。

2014年，查曉雄等[13]對集裝箱模塊進(jìn)行簡化計(jì)算，得出在建筑理論限定范圍內(nèi)隨意搭建的多層集裝箱房屋中任意柱子的軸力計(jì)算公式，以及在水平荷載作用下的側(cè)移計(jì)算公式。同時(shí)基于蒙皮理論分析了20英尺、40英尺集裝箱的單箱抗側(cè)剛度，并利用位移協(xié)調(diào)和經(jīng)典力學(xué)理論，推導(dǎo)得出單層多跨、多層單跨和多層多跨的集裝箱房屋縱向剛度公式。

2020年，吳從曉等[14]提出外框內(nèi)箱結(jié)構(gòu)，提升裝配式集裝箱建筑的安全性，可在高層建筑中應(yīng)用。外框內(nèi)箱結(jié)構(gòu)由外框柱、外框梁和模塊化集裝箱組成。模塊化集裝箱通過角件與外框梁連接，該種連接可使每個(gè)模塊化集裝箱的內(nèi)力先由箱體的柱傳遞到外框梁上，再傳遞到外框柱，可避免傳統(tǒng)集裝箱結(jié)構(gòu)在地震和豎向荷載作用時(shí)出現(xiàn)豎向構(gòu)件與水平構(gòu)件的承載力和剛度不足的問題，從而提升模塊化集裝箱建筑的適用性。

3 集裝箱建筑優(yōu)勢與不足

3.1 優(yōu)勢

1）安全性強(qiáng)，牢固耐用 集裝箱作為貨運(yùn)載體，由鋼質(zhì)材料組成，抗形變能力較強(qiáng)，抗震性能較好，負(fù)荷性能強(qiáng)大，既能承受波濤洶涌的海上顛簸，又能抵抗惡劣的氣候條件，可輕易疊加堆放。

2）符合模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化要求 集裝箱作為建筑基本模塊時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可實(shí)現(xiàn)全裝配式，適應(yīng)工業(yè)建筑發(fā)展要求，在場外建造，根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)展安排工廠生產(chǎn)，然后運(yùn)送至項(xiàng)目現(xiàn)場組合裝配，或在當(dāng)?shù)毓S生產(chǎn)集裝箱，將成品直接送至項(xiàng)目現(xiàn)場。

3）施工方式簡單、周期短、速度快 可實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化施工，節(jié)約人工成本。在我國，將集裝箱重新設(shè)計(jì)改造成具備住宅的功能及結(jié)構(gòu)需2～3周，而用磚瓦和水泥建造同樣大小的建筑結(jié)構(gòu)則需4～6個(gè)月，可極大節(jié)省成本。

4）靈活性強(qiáng)，移動方便 可在任何地方進(jìn)行快速建造或拆卸。傳統(tǒng)房屋若要去掉某扇內(nèi)墻需要考慮很多因素，且工程量極大，但集裝箱建筑僅需切除中間的板材即可實(shí)現(xiàn)想要的空間。

5）節(jié)能減材，低碳環(huán)保 集裝箱建筑可干式施工，節(jié)約用水，施工占地少，噪聲小，粉塵少，工廠內(nèi)進(jìn)行加工改造，在施工現(xiàn)場只需簡單拼裝，不產(chǎn)生建筑垃圾，減少了環(huán)境污染和噪聲，是國際公認(rèn)的環(huán)保建筑材料，同時(shí)還可減少磚塊和水泥的使用，極大地減少CO2的排放。

6）可回收利用，成本低 集裝箱建筑的箱體大部分是二次利用，當(dāng)建筑使用壽命到期，可對結(jié)構(gòu)拆除產(chǎn)生的廢鋼進(jìn)行回收。同時(shí)集裝箱無需經(jīng)過復(fù)雜加工，可直接投入使用。

7）空間開放強(qiáng)，可自由調(diào)整 集裝箱建筑空間開放性強(qiáng)，其建筑結(jié)構(gòu)與功能可按照使用者自身要求調(diào)整。集裝箱建筑的實(shí)際使用面積比磚塊結(jié)構(gòu)多出10%。而薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)保證了在不同環(huán)境條件下均能保持良好的穩(wěn)定性。

3.2 不足

1）建筑高度限制 現(xiàn)有集裝箱建筑一般不超過6層，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范也只適用于6層及6層以下、建筑高度小于24m的低層或多層房屋。

2）對于多層集裝箱建筑的抗震性能研究不充分 在地震作用下，箱體之間易發(fā)生錯(cuò)位和碰撞，引發(fā)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)倒塌?，F(xiàn)有技術(shù)規(guī)程中規(guī)定應(yīng)用于8度區(qū)以上的地區(qū)，需要采用特殊的構(gòu)造措施以滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

3）節(jié)點(diǎn)連接形式有限 當(dāng)前對集裝箱建筑連接節(jié)點(diǎn)的研究較少。大體量的集裝箱建筑對連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求極高，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響集裝箱建筑的傳力性能和抗震性能。

4）現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對集裝箱建筑不適用 集裝箱構(gòu)件種類多，構(gòu)件截面形式復(fù)雜，現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中并無對應(yīng)的構(gòu)件截面，不利于建模。

5）耐火、耐腐蝕性能差 集裝箱建筑屬于輕鋼結(jié)構(gòu)，故耐熱不耐火，應(yīng)用于特殊環(huán)境的集裝箱建筑需要對箱體改造以適應(yīng)環(huán)境要求。

4 結(jié)語

發(fā)展裝配式建筑是推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措，既能節(jié)約資源、減少施工污染、提升勞動生產(chǎn)效率，又能促進(jìn)培育新產(chǎn)業(yè)新動能。本文研究分析集裝箱建筑的應(yīng)用類型，梳理國內(nèi)外集裝箱建筑研究現(xiàn)狀，總結(jié)集裝箱建筑存在的優(yōu)勢與不足，為裝配式建筑發(fā)展提供參考。