改造廢舊二手集裝箱房屋的構造安全研究(3)

2013年4月22日

1.2 課題的目的和意義

將集裝箱改造成房屋是如今很流行并且倡導節(jié)能環(huán)保的舉措，但是這種房屋是否能持續(xù)發(fā)展還存在很多問題。

1）現(xiàn)有的集裝箱房屋大都趨于規(guī)整，造型呆板統(tǒng)一，無非是集裝箱模塊的重復累積，這種房子多了不會對城市美化起到作用，也不會吸引更多的人去購買，即使便宜，更多的人還是很追求個性的。雖然有些建筑師對集裝箱房屋進行過創(chuàng)新設計，但還是局限于自己要設計的單個建筑，沒有人對這一類建筑進行更好的實用性的總結，以便指導人們如何合理的組合集裝箱模塊來實現(xiàn)自己滿意的建筑造型。

2) 集裝箱房屋的成本低的確可以緩解高房價給人們帶來的壓力，但是這種房屋還沒有相關的規(guī)范來保證其安全性，僅僅作為臨時住所和移動設施還是可以接受，但是作為民用建筑使用還是很難讓人們放心。

3）現(xiàn)在世界上比較著名的集裝箱建筑中大多數(shù)的安全性還是無法合理驗證的，這與集裝箱特殊的結構形式有關。就說世界上最高的集裝箱建筑 Freitag 旗艦店，到現(xiàn)在人們對其安全性還是爭論不休。

針對上面的問題，本文展開研究并得出合理的解決方法。

1.3 國內外研究現(xiàn)狀

20世紀后期出現(xiàn)了有關集裝箱房屋的專利，如1986年美國的 modular container system 和1989年 method for converting one or more steel shipping containers into a habitable building at the building site and the product thereof 中從實現(xiàn)建筑功能上提出了針對于單個集裝箱的改造方法。

目前世界上最權威的關于廢舊二手集裝箱改造的書籍是 Intermodal shipping container small steel structure，這本書給出針對于由2-4個集裝箱模塊組合成的小型集裝箱房屋實用的改造方法，從基礎的選擇、空間的擴展、集裝箱模塊的連接等方面進行的詳細的介紹，同時也提出了規(guī)則的建筑造型是最安全的。

在建筑理論方面最突出的著作就是柏庭衛(wèi)的《香港集裝箱建筑》，這本書著眼于香港的集裝箱房屋的房展情況，對所有涉及到集裝箱參與的房屋進行歸類總結，包括集裝箱作為主體結構和集裝箱作為補充結構或次要結構。書中將集裝箱建筑定義為集裝箱和附屬結構組合成的整體。

中集集團是國際上最大的集裝箱供應商，也是在集裝箱房屋領域具有領先技術的集團。他們的研發(fā)團隊提出了模塊化的建筑理念，將內部改造好的集裝箱模塊進行規(guī)則排列，角件之間連接牢固形成整體，將多個集裝箱模塊進行并置打通其中間隔墻進行空間擴展是主要的兩個方面。

2005年6月 Brighton 大學建筑環(huán)境專業(yè)的 J.D.Smith 發(fā)表的論文 shipping container as building components 對英國的集裝箱房屋發(fā)展的現(xiàn)狀進行了社會調查，提出了解決集裝箱房屋最重要的是解決它的保溫問題。

國內關于集裝箱房屋的研究更少，僅在青島建工大學的校報上發(fā)現(xiàn)了2009年的一篇論文，名為“集裝箱建筑的應用與探索——從青島積米涯漁人碼頭概念規(guī)劃說起”，這篇文章通過對集裝箱建筑的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，提出了集裝箱建筑自身的優(yōu)越性為：低成本，可移動和標準化設計，同時也希望專業(yè)人士能拋開這些表觀的優(yōu)勢對集裝箱房屋進行更深入的研究。

1.4 本文研究的內容

現(xiàn)在對廢舊二手集裝箱房屋的研究屬于建筑學和結構工程兩個學科交叉領域，而現(xiàn)在從事此方面的研究主要是建筑師，建筑學和結構工程脫節(jié)，僅僅在于實現(xiàn)基本建筑功能和建筑規(guī)劃方面，而且十分淺顯和概括。由于沒有結構安全人員的指導和配合，沒有更加具體的建筑改造理論和確保結構安全的相關方法，使這種特殊鋼結構房屋使用存在局限性。所以本文研究的主要內容，將建筑學和結構工程兩領域結合起來一起研究，形成有機的整體。建筑改造包括建筑功能的改造和建筑造型理論的提出；結構改造部分從結構受力分析的角度對之前得到的集裝箱模塊的組合理論進行限定，從安全的角度出發(fā)得到合理的實現(xiàn)多樣建筑造型的方法。具體內容如下：

(1) 基于建筑學要求，總結出安全實用的搭建錯層集裝箱房屋的指導理論，該理論以充分考慮單個廢舊二手集裝箱作為主體結構，通過加上少量必要加固構件組成各種復雜美觀的建筑體系。

(2) 基于結構安全性原理，從豎向荷載和橫向荷載兩個角度來研究多層集裝箱房屋應該滿足的條件，得到指導確定多層集裝箱房屋初步設計方案的簡化公式。

(3) 用有限元軟件進行建模分析，鋼框架用梁單元建，維護板用殼單元。建模時也涉及到波紋板向各向異性板的轉化問題。通過建立2個具有代表性的多層集裝箱房屋來驗證之前得到的理論和公式。

第2章集裝箱房屋基于建筑功能的理論研究

2.1 引言

集裝箱單元體(集裝箱模塊)的設計和制造依循統(tǒng)一的國際標準，實際的集裝箱尺寸可以根據(jù)不同的貨運要求而制定，但必須符合標準的模度。通用的集裝箱尺寸主要有20ft(6058mm)和40ft(12196mm)兩種，集裝箱的高度大約在2.5m左右，不同的集裝箱高度略有一些差別，但是集裝箱的寬度是完全一致的，為2.438m。

建筑方面，大多數(shù)常用的集裝箱房屋的搭建模式還是統(tǒng)一于集裝箱傳統(tǒng)的堆放形式，這種方式的好處有兩點：

1）造型簡單規(guī)則，受力分析容易；

2）充分發(fā)揮集裝箱固有的優(yōu)勢，絕對安全。

但是如果這樣發(fā)展下去，集裝箱建筑出現(xiàn)的場所就與碼頭集裝箱堆場是一樣的，而且這樣沒有建筑特色的造型也不會吸引更多的人去選擇，應用的范圍也許就與活動板房相同了。所以需要根據(jù)建筑藝術和安全可靠共同提出合理的建筑改造方案。

除此之外，集裝箱作為運輸貨物的柜子的時候具有幾個特點在作為居住的場所時是不適用的：

1) 完全的鋼結構體系，保溫隔熱性能相當差；

2) 完全密閉的空間，排水性能差；

3) 單個集裝箱只有2.438m寬，使用空間十分局限；

4) 完全封閉的空間，采光通風性能差。

其實還有很多，但是我們發(fā)現(xiàn)最基本的需要滿足的居住功能集裝箱本身是提供不了的，需要改造的方面也體現(xiàn)在這些方面。

因此在研究建筑改造理論時主要針對上述方面，一個是實現(xiàn)合理多樣建筑造型的原則，另一個是滿足建筑功能。

2.2 建筑構造原理

2.2.1 模塊化組合原則

集裝箱作為構成建筑體系的模塊，為實現(xiàn)美觀多樣的建筑外型和營造靈活的使用空間，不能拘泥于其原有的疊放形式。所以我們通過對大量的實例進行分析總結，提出集裝箱房屋的模塊化組合實用原則。對于兩個長方體模塊相互組合的形式有上千種，但是本文只是針對于通常情況定性的分析而不是定量的分析。

廢舊二手集裝箱房屋模塊式組合結構形式，采用統(tǒng)一規(guī)格的長方體模塊進行堆積，同種尺寸的即集裝箱組合在一起更規(guī)整，保證建筑單元的統(tǒng)一性。模塊的擺放基本形式分為對接和疊加兩種，集裝箱之間空間上基本結合采用平行和正交兩種，基本形式有如圖 2-1 所示8種。

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圖 2-1 集裝箱模塊組合示意圖

這個圖所展示的不是一個模塊或兩個模塊的問題，而是以最簡潔抽象的形式表示出在錯層集裝箱房屋中集裝箱模塊之間的相互位置關系和如何有效拓展使用空間的方法。

2.2.1.1 基本組合原則

圖 a)~d)是傳統(tǒng)的擺放形式(與集裝箱作為運輸貨物的柜子的時候是一樣的)，簡單、規(guī)則、安全。圖 a)~c)中的集裝箱處于并置關系，可以通過打通模塊之間的接觸面來實現(xiàn)空間的擴展形成整體，集裝箱模塊之間具有相關性，不再是孤立的個體；而圖 d)就是單個的集裝箱模塊，就是孤立的個體，說明即使周圍還存在其他的集裝箱模塊，但是集裝箱模塊之間沒有任何關系，能利用的空間就是自身內部有限的空間，所以就算是自成整體。

2.2.1.2 拓展組合原則

圖 e)~h)四種擺放形式是對使用空間的進一步拓展，不僅僅充分利用內部的空間，通過平面和立面上的錯位使集裝箱模塊之間產(chǎn)生了包容空間，這種包容空間也屬于有效的使用空間，可以靈活使用的。不過對于圖 e)和 f)存在極大的安全問題，因為這兩種堆放形式完全違背了集裝箱最適合的規(guī)則性，是研究的重點對象。

所以集裝箱房屋多樣的造型就是如上圖a)~h)基本形式的擴展或結合。

注意：集裝箱的角柱不會直接落在集裝箱的頂板上，所以還有一些可能的組合形式被排除。