裝配式集裝箱建筑適應性設計與快速建造技術研究

夏巧麗，譚筱君

（云南經濟管理學院，昆明 650106）

集裝箱建筑的整體結構以鋼結構為主，是一種在拼接組合作用下形成的建筑形式，可以實現整體前移，拆卸邊界，是目前較為常用的一種建筑形式。裝配式集裝箱主要指在建筑規范要求的基礎上，結合相關功能對裝配集裝箱模塊的一種建筑形式，屬于建筑結構的單元組成部分，與傳統建筑形式相比優勢明顯，具有極高的集成度，同時安裝便利、安全性較高，能夠重復利用[1]。但是與常規建筑形式存相比在明顯差異，集裝箱具有一定的特殊性，其模塊空間、尺寸及結構受力均與普通建筑差異明顯，建筑設計與施工單位的分屬類型不同，因此對裝配式集裝箱建筑的發展造成阻礙。本文以某工程為實例，分析裝配式集裝箱的設計要點及快速建造技術，以保證施工質量，提高其應用價值。

1 裝配式集裝箱概述

1.1 定義

集裝箱主要指具備一定強度、剛度與規格，用于周轉使用的大型裝貨容器。規范標準的集裝箱符合國家標準化組織規定的長度、高度及體積容量。其結構主要包括鋼制框架、底板、附加梁和門扇等，在焊接的作用下形成獨立箱體[2]。其內部空間安全封閉，吊裝和運輸時主要通過四角傳遞荷載。如圖1所示。

圖1 集裝箱結構示意圖

1.2 特征

裝配式集裝箱建筑的特征主要包括以下幾點：①標準化。遵循國際統一標準、箱體尺寸標準，因此也對設計與應用帶來一定的限制。其結構和銜接構件也具有標準化的特點，能夠為建筑單元運輸、裝卸和疊放提供便利。②結構的安全性與穩定性。運輸業中集裝箱的壽命約10～15年，如果對其適度保養，能夠維持更久的時間。集裝箱的盒子式鋼結構具有安全、穩定、抗壓和耐用等特點，能夠確保其應用的安全性，并且箱體具有較強的水密性與抗腐蝕性，在惡劣環境中仍然具備較強的適應力[3]。③經濟性與環保性。集裝箱是目前常用的箱體運輸單元，其相關配送與裝卸設施趨于完善，拆卸轉運操作便利，能夠避免人力、物力資源的大量消耗。同時箱體結構重量較輕，具備封閉的空間特征，能夠適應惡劣的施工環境，進而可有效避免土地資源的浪費，同時可對其進行改造，具有環保性特征。多數構件均在工廠內進行生產，現場搭建完成施工，施工周期較短，能夠減少對周圍環境的污染。另外其材料主要為鋼材、木材，建筑終結壽命時，可以回收廢舊材料并再利用，符合循環、可持續經濟發展要求。④靈活性。相較于傳統建筑形式，集裝箱建筑的最大特點便是靈活性，根據不同要求，不但可以整體拆卸、異地重建，同時能夠使用新箱體對局部進行改造更換[4]。

2 工程概況

某裝配式集裝箱工程項目為臨時辦公建筑項目，占地面積約1 500 m2。在人行道征地進行臨時辦公建筑的建造，因此該項目總平面設計較為固定，空間前場為不規則空間。項目完工后需轉移至后續項目，因此采用集裝箱結構形式。

為了確保項目建筑風格與大區整體建筑及景觀設計具有良好的協調性，同時具備現代建筑極簡風格的特點，通過前場勘察可知建設用地的地勢地平，雖然采取填埋等處理措施，但是地基承載性能不佳，所以選擇重量輕、整體剛度良好的集裝箱模塊化建筑。該類建筑拆卸簡便，能夠重復應用，安裝施工周期短，能夠減少資源浪費，優勢明顯，與可持續發展理念相符。

3 裝配式集裝箱建筑適應性設計

3.1 總平面與建筑適應性設計

項目用地西側及北側為城市新建道路，東北方向為停車場。建筑整體布局的大致形狀與正方形類似，與展示面道路方向相符。因為周圍線路較多，易對視線產生影響，所以外圍采用景墻聯合形式，構建整體空間。合理的景觀設計方法能夠將參觀者的視線集中在核心區域。同時整合停車位，確保后場具備充足的空間，滿足參觀通道要求[3]。

多數人對集裝箱建筑存在錯誤的認知，認為其粗糙簡陋，為了解決這一問題，設計過程中將后場的6個集裝箱模塊進行拼裝，形成多個功能不同的房間，如辦公室、衛生間和洽談室等，在周圍的景觀樹木中，同時和漫步道交織。前場則采用多構件組合形式，種植花圃，建立人口空間，使人流聚集在建筑內；中場步道中心加強景觀設計，種植適宜綠植。通過大理石條對景觀進行分區，仿大理石條在各方向作為長凳，提供休憩場所，使參觀者能夠近距離感受周圍景色。另外加強對集裝箱建筑外觀造型的設計，該項目采用色彩鮮明的咖色波紋板外立面造型，具備現代雕塑感，與周圍綠植景觀和諧，并無突兀感，能夠充分體現建筑的標志性特征。

3.2 模數及模塊組合適應性設計

裝配式集裝箱具有明顯的應用優勢，如集成度較高、設計及施工高效等。是目前工業生產中應用廣泛的模塊化建筑形式，在實際應用過程中，需要嚴格控制模塊的數量與規格，避免過多，同時保證箱體功能的模塊具備較強的適用性，實現工廠的批量化與規范化生產，達到降本增效的目的[5]。但是這也可能導致建筑造型過于單一，整體空間單調。所以需要結合實際制訂靈活、合理的模塊化組合設計方案，賦予建筑藝術價值，充分反映其標志性特點。

該項目設計中，共包括14個建筑模塊，其中1層模塊共6個，2層模塊共8個，如圖2所示。建筑模塊包括3種尺寸規格，長度、寬度及高度稍有不同，3種模數的應用需要以高度要求為依據，結合生產線明確。后場6個集裝箱尺寸統一，為工廠生產及運輸提供便利，因為該項目是具備展示和服務功能的建筑，對空間的要求較高，所以需要確保其凈高滿足要求，提高整體舒適度。因此前場使用鋼柱、屋蓋和挑檐相結合的形式，箱體焊接、拼裝等操作均在現場進行，借助型鋼柱和橫梁框架，滿足結構高度。

圖2 建筑模塊組合形式

為了確保模塊化裝箱能夠充分體現建筑現代雕塑感的標志性形象，需要加強對外立面造型設計的重視。首先要進行挑高局部展示廳的設計，對立面而言，采用幕墻裝飾設計理念，將鋼龍骨柱作為其主要支撐，空間的隔斷封閉則借助中空鋼化玻璃實現，將白色鋁包在鋼龍骨外，強化其性能的同時提高其美觀度，箱體風格形成新穎的設計感。對屋檐部分而言，內部嵌入洗墻燈，進一步強化建筑的夜景效果，與周圍景觀融合，充分體現建筑的地段區位位置[6]。最后，進行檐口模塊設計，建立雨坡，保證全體箱體模塊體量的平衡性，豐富建筑室內外的層次感。

4 裝配式集裝箱快速建造的結構與構造設計

4.1 結構設計

目前集裝箱這一建筑形式已得到了廣泛應用，模塊化組裝是其突出特點，相較于普通裝配式建筑形式，集裝箱較為特殊，受力分析與普通建筑差異明顯。另外，其波紋鋼板圍合與鋼板剪力墻相似，對穩定結構具有積極作用，具備較強的剛度與承載性能，因此該建筑項目采用懸臂設計理念，最大懸臂為2.7 m。同時為了保證建筑基礎功能的發揮，如采光、通風等，需要對整體結構外墻采取開洞措施。除此之外，因為建筑展廳對開放空間面積有一定的要求，因此拼接模塊時，需要拆除一定數量的側墻，該項操作必然會影響箱體整體結構。拼接結束模塊單元墻板后，因為墻板剛度分布不均衡，程度有所差異，易受到墻板孔開度、吊升等因素影響，吊裝不規范極易引發變形問題，表現為形狀不規則[7]。為了進一步確保整體結構的穩定性，滿足受力要求，提高結構剛度和承載力，需要積極引進先進技術，如BIM技術等，明確薄弱位置，建模處理，導出單元構件，進行綜合分析。通過采取有效的方法，可以幫助工作人員及時了解結構薄弱點的具體位置。分析可知，箱體鋼板開洞周邊存在變形、局部拉伸等問題，結構受損情況明顯。為了解決這些問題，對開洞部位進行加固處理十分必要，多采用增加角鋼的方式進行加固，主要操作方法為在窗戶的四角上將角鋼對角形成點焊進行焊接，保證箱體結構的整體受力情況良好，使頂梁橫截面有效增加，確保連接的穩定性，實現結構設計目標。

4.2 節點構造設計

標準模塊為集裝箱建筑的主要結構，節點構造直接影響建設周期，同時和結構是否穩定、建筑是否具備良好防水及保溫性能是否良好等關系密切，節點的受力性是結構功能的重要基礎。因此設計人員需要加以重視，這也是裝配式集裝箱建筑建造成功的重要基礎。該項目集裝箱建筑形式以矩形鋼框箱體整體疊合為主，所以使用輕型連接節點，也就是專用節點。在設計層面，將L型角件焊接在矩形剛框梁柱上，為了確保角件之間連接的穩固性，需要保證各連接件的有效接觸。節點由角件連接構成，采用螺栓進行連接。這一連接方式能夠確保結構具備良好的抗壓、抗剪和承載性能。集裝箱的角部處焊接相應的鋼板，關鍵構件與節點連接的熔透焊縫需要符合質量標準要求[1]；角焊縫質量需要符合相關規范標準；同角件處的雙頭錐聯合應用，為上下層集裝箱連接穩固性提供保障。集裝箱梁處進行工字鋼的焊接，解決連接不穩定等問題，另外需要重視工字鋼的連接問題，將螺栓擰緊。以上操作均需要結合相關規范要求中集裝箱建筑專用節點的適應性改進設計，為后續快速建造的順利進行夯實基礎。

5 集裝箱建筑快速建造技術

對集裝箱模塊進行調配前，首先進行預埋件的預埋處理，將其預埋于混凝土基礎上，各方驗收確認后方可進行后續作業，完成一個模塊的安裝作業后，進行模塊節點的連接。如圖3所示。

圖3 節點構造設計

安裝與調整時，需要充分考慮基礎標高、支架長度等情況，確保其符合標高進度要求；根據圖紙中箱體編號，開始預埋件安裝；使用相應儀器對箱體參數進行檢測，具體包括縱向垂直度等，保證箱體水平、縱向中心線與基礎中心線保持一致，之后擰緊地腳螺栓；完成模塊安裝、調整與檢測工作后，焊接加固，之后進行混凝土澆筑作業，定型。箱體安裝作業結束后，校準安裝精度。合理調整后方可進行下一個模塊的安裝。首先調整標高，其次為中心位移，最后對垂直偏差進行調整，確保連接節點的穩固性[8]。

連接集裝箱模塊與基礎預埋件的過程中，在驗收后，需要在地板上焊接調節墊板。在調節板上安裝連接角件，之后進行吊裝作業，確保各節點的有效連接。

集裝箱模塊和模塊間連接時，第一層箱體模塊的連接節點設置在頂部、底部及左右側固定不同的模塊上。具體流程包括：①完成第一次模塊安裝后，安裝時測量并校準尺寸。比如說首層集裝箱模塊連接角片和洞孔邊的距離。②進行模塊頂部安裝時，明確銷座和角孔安裝法蘭位置的連接節點。在法蘭連接節點上增設墊板，對螺栓孔位置進行核對。③采用吊裝法對集裝箱模塊下角與連接節點的銷座進行校準，底板安裝結束后，對相鄰模塊與連接節點孔板的位置進行合理調整。④連接固定。檢查翼緣、連接板螺栓孔等情況，使用螺絲扳手擰緊，確保其緊固性。⑤模塊化集裝箱建筑具有高度集成的特點，機電管道的安裝與布置均在工廠完成，只有管道與公共區域接口的連接部分在現場作業，具體方法如下。首先，完成吊裝連接后，檢查預留管情況，認真調整；其次，確保管線與設備的有效連接；最后，安裝模塊板的管線接頭。

6 結束語

本文以實際工程項目為例，通過對場地測量的分析，結合項目實際制訂合理的設計方案，明確施工階段薄弱節點受力情況，合理調整，在保證質量的基礎上實現項目的快速建造，完成裝配式集裝箱建筑適應性設計及快速建造的研究。