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改造廢舊二手集裝箱房屋的構(gòu)造安全研究(完)
2013年4月23日
2.3.4 保溫
集裝箱用于居住，首先要解決的是保溫隔熱的問題。集裝箱可以采用的保溫形式有兩種：內(nèi)保溫體系和外保溫體系。外保溫體系不會占用有限的內(nèi)部空間，但是要解決外層防腐的問題，成本較高；由于集裝箱的外皮采用的是耐候結(jié)構(gòu)鋼，防腐性能好，所以在采用內(nèi)保溫體系時就不涉及防腐層的設(shè)置，但是會占用內(nèi)部空間，不過我們從經(jīng)濟和集裝箱改造成活動房屋后要繼續(xù)參與運輸?shù)慕嵌瓤紤]還是選擇內(nèi)保溫體系。
2.3.4.1 聚氨酯發(fā)泡內(nèi)保溫系統(tǒng)
聚氨酯泡沫塑料是國際上公認的性能最好的保溫隔熱材料，聚氨酯硬泡的閉孔率大于92%使其同時具備保溫、防水、隔音、吸振等諸多功能。保溫性能尤為卓越，是所有建材中導(dǎo)熱系數(shù)最低，熱阻值最高的材料。它不但可以作為芯材，也可采用現(xiàn)場整體發(fā)泡來制造，是整體密封性好，從而提高了保溫效果。如下從幾個方面將主要的建筑保溫板進行比較可見發(fā)泡聚氨酯的優(yōu)越性。
表 2-6 三種建筑保溫板的性能比較表
| 發(fā)泡聚氨酯 | XPS 板（擠塑板） | EPS 板（苯板） | |
| 保溫效果 | 最好 | 次之 | 最差 |
| 耐冷熱性能 | 最好 | 次之 | 最差 |
| 吸水率 | 次之 | 最低 | 易吸水 |
| 使用壽命 | 最長 | 次之 | 最差 |
聚氨酯泡沫塑料發(fā)泡工藝較為簡單，只要將A料（組合聚醚）和B料(PAPI)按1.1：1的比例進行拌合攪拌，再注入泡槍內(nèi)進行發(fā)泡，再發(fā)泡過程中有溫度要求和脫模時間要求，但比較好把握。A料10500元/噸，B料8500元/噸混合后9548元/噸，我國生產(chǎn)的聚氨酯泡沫塑料一般是0.06t/m3，加上人工和消耗一般為550元/m3。
聚氨酯內(nèi)保溫體系適用于任何形式的箱體，具體優(yōu)勢如下：
1) 保溫性能好：聚氨酯硬泡的熱傳遞系數(shù)≤0.024W/(m2·K)，模壓注射聚氨酯硬泡能適應(yīng)各種形狀截面，形成連續(xù)有效的保溫層，避免空氣通過縫隙或空腔流通而產(chǎn)生冷(熱)橋現(xiàn)象。
2) 粘附力強：模壓注射聚氨酯硬泡能箱體，內(nèi)墻裝飾板有效結(jié)合，即使在最不利的溫度濕度以及自重，正常碰撞等諸多因素的影響下，保溫層仍保持穩(wěn)定性，不出現(xiàn)箱體與內(nèi)墻裝飾版的分離，脫落現(xiàn)象。
3) 抗裂性能好：聚氨酯硬泡是一個柔性較好的材料，抗外界變形能力強，在外力，溫度濕度等變形作用下，不易發(fā)生裂縫。
4) 防火性能好：由于聚氨酯硬泡屬于閉孔結(jié)構(gòu)，閉孔率90﹪，吸水率≤4﹪，能很好的阻斷水和水蒸氣的滲透，使保溫系統(tǒng)長期穩(wěn)定的保持絕熱狀態(tài)。
5) 施工便捷：模壓注射的施工可以進行機械化作業(yè)，效率高，能夠全方位的保證復(fù)雜部位的保溫效果。
6) 環(huán)保：聚氨酯硬泡是三圍熱固交聯(lián)材料，其發(fā)泡劑可用無氟或半氟型的，化學(xué)穩(wěn)定性高，不會產(chǎn)生有害氣體。
7) 耐腐蝕，耐老化，耐寒且電絕緣性好：除弄強酸和氧化劑外聚氨酯硬泡塑料能耐大多數(shù)有機溶劑和稀濃度的酸堿溶液的腐蝕；不會霉變和腐爛，不易降解抗老化，在110℃下可使用30年左右，在150℃下可使用20年左右，在-30℃下尺寸變化率小于1％；耐低溫性能好，能達到一定的阻燃性。
2.3.4.2 石膏板
石膏板也是集裝箱房屋常用的保溫材料，在國外集裝箱主要的內(nèi)保溫體系首選發(fā)泡聚氨酯和石膏板，除了質(zhì)輕、保溫隔熱、防火、隔音、環(huán)保等基本性能外，最主要的應(yīng)用原因有兩點：
1) 裝飾功能好：紙面石膏板表面平整，板與板之間通過接縫處理形成無縫表面，表面可直接進行裝飾。
2) 舒適的居住功能：由于石膏板的孔隙率較大，并且孔結(jié)構(gòu)分布適當，所以具有較高的透氣性能。當室內(nèi)濕度較高時，可吸濕，而當空氣干燥時，又可放出一部分水分，因而對室內(nèi)濕度起到一定的調(diào)節(jié)作用，國外將紙面石膏板的這種功能稱為“呼吸”功能，正是由于石膏板具有這種獨特的“呼吸”性能，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，使居住條件更舒適。
當然在價格方面發(fā)泡聚氨酯要貴些，所以用石膏板是比較經(jīng)濟的做法。
2.3.5 其他
2.3.5.1 排水和供暖管道
屋面排水系統(tǒng)和管道線路布置
加屋頂?shù)拇_有助于排水，對于形式規(guī)則的集裝箱房屋，排水管的布置還是很簡單的。如圖 2-11，管道可以布置在底橫梁上，貫穿于底橫梁上的預(yù)留空洞中，也可以把管道鋪設(shè)在集裝箱的底板上，上面再鋪設(shè)架空的地板將管道隱蔽在架空層中，如圖 2-11 所示。
圖 2-11 管道布置圖
2.3.5.2 節(jié)能
如下圖所示，通過在屋頂安裝太陽能電池板來為活動房屋供能，如圖 2-12a)，在屋面上種植花草用來吸收太陽的熱量，可以保證室內(nèi)涼爽,如圖 2-12b)。
圖 2-12 節(jié)能做法示意圖
2.4 本章小結(jié)
本章從建筑造型的選擇和建筑功能的實現(xiàn)兩個方面介紹了如何將廢舊二手集裝箱改造成即造型美觀又能滿足居住舒適度的集裝箱房屋方法。本章是從集裝箱建筑的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，將本來沒有規(guī)律的集裝箱模塊組合方式加以條件限制得到集裝箱模塊的組合造型理論。對于相對不安全的因素進行加固處理。同時也總結(jié)了如何將一個完全不適合居住的鐵盒子經(jīng)過去掉和填充一些材料變?yōu)榫哂芯幼」δ艿姆课莸某Ｓ梅椒?。本章用了大量的實例圖和解說圖將理論更形象的表現(xiàn)出來，易看易懂，在這些理論的指導(dǎo)下，一個不懂建筑結(jié)構(gòu)的人也完全可以放心的去建造自己理想的集裝箱房屋。
結(jié)論
本文對一種近些年來新興的一種房屋結(jié)構(gòu)體系——廢舊二手集裝箱房屋展開研究，首先闡述了這種房屋的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了這種房屋的優(yōu)越性和局限性，從而提出本課題研究的重點，也是要改造的重點。接下來從建筑改造和結(jié)構(gòu)改造兩個方面得出了具體的改造理論。建筑改造方面主要針對廢舊二手集裝箱房屋要立足于民用建筑領(lǐng)域要解決的造型單一的問題，同時包括現(xiàn)在流行的用來實現(xiàn)建筑功能的方法的總結(jié)，這部分完全可以作為一個建筑改造手冊來參考。結(jié)構(gòu)改造主要針對實現(xiàn)了復(fù)雜建筑造型和大空間后帶來的結(jié)構(gòu)安全隱患問題，為了使提出的多層廢舊二手集裝箱房屋的設(shè)計方案更安全可靠，我們必須從結(jié)構(gòu)安全的角度入手分析這種特殊的結(jié)構(gòu)體系，從豎向荷載和橫向荷載兩個方面對這種結(jié)構(gòu)進行簡化靜力分析，得到使設(shè)計方案更合理化的安全驗證公式，在這些公式的指導(dǎo)下結(jié)合第二章的建筑改造理論就很容易得到即滿足了美觀的立面造型又可以保證安全性的多層集裝箱房屋的設(shè)計方案。當然，在修正結(jié)構(gòu)改造公式中相關(guān)系數(shù)和驗證公式的有效時用到了有限元軟件 Abaqus，集裝箱的鋼框架中的梁和柱用三維梁單元建模，維護的鋼板用三維殼單元建模分析，模擬值和公式值相差不多，結(jié)果比較理想。在如上的研究工作過程中得到了一些有價值的結(jié)論，分為一下幾點：
(1) 通過對國內(nèi)外已有集裝箱房屋進行分析研究得出通常用來改造的集裝箱模塊有20ft和40ft兩種規(guī)格，在實現(xiàn)復(fù)雜建筑造型的時候集裝箱模塊之間的不規(guī)則擺放形式主要有平行錯位和正交疊加兩種，而且不同規(guī)格的集裝箱模塊不會混合搭建集裝箱房屋。
(2) 多層廢舊二手集裝箱房屋經(jīng)過建筑改造后存在的安全隱患主要有兩點：一是集裝箱模塊的不規(guī)則組合改變了原有集裝箱多層堆碼時的豎向荷載的傳力路徑——完全靠角柱傳遞；二是為了實現(xiàn)建筑功能要對集裝箱的維護鋼板進行不同程度的開洞，如采光通風(fēng)要開小的門窗洞，擴展空間要將整塊板都去掉，這樣就破壞了集裝箱自身的結(jié)構(gòu)形式——柜體結(jié)構(gòu)，在橫向荷載作用下有原先完全靠板來抗側(cè)變?yōu)橛砷_洞板或直接有框架來抗側(cè)，這樣安全性就會下降。
(3) 在進行豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)安全性分析時得到集裝箱的上長梁很弱，角柱很強，在集裝箱模塊不規(guī)則組合時，當上層集裝箱模塊的角柱或下長梁與下層集裝箱模塊的下長梁接觸時就要在相應(yīng)位置加支撐柱；20英尺的集裝箱模塊在完全去掉側(cè)面板后要在側(cè)面框架內(nèi)至少加一個支撐柱，相同情況下40英尺的集裝箱模塊要至少加兩個支撐柱；當集裝箱模塊的外懸部分超過1.8m左右時就要加外部支撐柱，當超過了4.8m后就要設(shè)置桁架支撐。
(4) 在豎向荷載作用下選用的分析模型是集裝箱的鋼框架，原因是通過分析集裝箱的維護板是波紋板，平面內(nèi)的抗剪能力很強而平面外的抗彎能力比較弱，不做為豎向荷載傳遞的主要構(gòu)件，當上長梁作用很大的集中力時無論有沒有板都要假設(shè)支撐柱。
(5) 對于40英尺的集裝箱主要應(yīng)用于大型建筑，在豎向荷載作用下主要的傳力構(gòu)件是柱子(支撐柱和角柱)，所以在假定了兩種合理的支撐布置方式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出由40英尺集裝箱模塊搭建的多層不規(guī)則集裝箱房屋中任意位置柱子的軸力公式，通過這個公式可以指導(dǎo)設(shè)計不同位置支撐柱的截面。
(6) 影響橫向荷載作用下多層集裝箱房屋安全性的因素就是在維護鋼板上不同程度的開洞。驗證了不能將廢舊二手集裝箱房屋等同于普通箱型房，普通箱型房或活動板房可以認為是框架結(jié)構(gòu)，板只是個填充作為安全儲備，而集裝箱不是，它本身是個柜體結(jié)構(gòu)，板起到了很大的作用，當僅用集裝箱的鋼框架來抵抗10級風(fēng)荷載時，單層單個集裝箱模塊都很難滿足變形限值，更不用說多層。于是板的開洞直接影響結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力。
(7) 對集裝箱的波紋板進行簡化分析，以單位波形為單位將波紋板分割成若干條細長的板帶進行分析。對于長寬比在1到5之間的板來說在橫向荷載作用下主要以剪切變形為主，而變?yōu)榧氶L的板帶后就一彎曲變形為主，所以我們用板帶的剪切剛度等效為抗彎剛度，對板帶的抗彎剛度公式進行修正，這樣就把一塊波紋板等效成若干個假想柱的形式進行分析，在分析開洞的時候根據(jù)開洞面積的不同對假想柱進行不同程度的截斷得到了波紋板開洞對板的抗側(cè)剛度的影響規(guī)律公式。之后用有限元軟件驗證歐洲規(guī)范中的15％開洞面積對蒙皮效應(yīng)削減劇烈問題，對已得公式進行修正。根據(jù)這個公式我們可以對錯層不規(guī)則集裝箱房屋進行合理開洞。
(8) 用有限元軟件建模對公式進行驗證時，選取了現(xiàn)實中已有的集裝箱建筑的一部分，分別是西班牙的 PumaCity 和英國的 ContainerCity。驗證了豎向荷載作用下簡化模型的荷載分布和軸力公式，10級風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移公式，模擬和公式值進行比較，誤差控制在10％以內(nèi)，比較理想。
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