改造廢舊二手集裝箱房屋的構(gòu)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(dǎo)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(wèn)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(wú)非是集裝箱模塊的重復(fù)累積，這種房子多了不會(huì)對(duì)城市美化起到作用，也不會(huì)吸引更多的人去購(gòu)買(mǎi)，即使便宜，更多的人還是很追求個(gè)性的。雖然有些建筑師對(duì)集裝箱房屋進(jìn)行過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，但還是局限于自己要設(shè)計(jì)的單個(gè)建筑，沒(méi)有人對(duì)這一類(lèi)建筑進(jìn)行更好的實(shí)用性的總結(jié)，以便指導(dǎo)人們?nèi)绾魏侠淼慕M合集裝箱模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)自己滿(mǎn)意的建筑造型。

2) 集裝箱房屋的成本低的確可以緩解高房?jī)r(jià)給人們帶來(lái)的壓力，但是這種房屋還沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范來(lái)保證其安全性，僅僅作為臨時(shí)住所和移動(dòng)設(shè)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(wú)法合理驗(yàn)證的，這與集裝箱特殊的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。就說(shuō)世界上最高的集裝箱建筑 Freitag 旗艦店，到現(xiàn)在人們對(duì)其安全性還是爭(zhēng)論不休。

針對(duì)上面的問(wèn)題，本文展開(kāi)研究并得出合理的解決方法。

1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)后期出現(xiàn)了有關(guān)集裝箱房屋的專(zhuān)利，如1986年美國(guó)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(shí)現(xiàn)建筑功能上提出了針對(duì)于單個(gè)集裝箱的改造方法。

目前世界上最權(quán)威的關(guān)于廢舊二手集裝箱改造的書(shū)籍是 Intermodal shipping container small steel structure，這本書(shū)給出針對(duì)于由2-4個(gè)集裝箱模塊組合成的小型集裝箱房屋實(shí)用的改造方法，從基礎(chǔ)的選擇、空間的擴(kuò)展、集裝箱模塊的連接等方面進(jìn)行的詳細(xì)的介紹，同時(shí)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(shū)著眼于香港的集裝箱房屋的房展情況，對(duì)所有涉及到集裝箱參與的房屋進(jìn)行歸類(lèi)總結(jié)，包括集裝箱作為主體結(jié)構(gòu)和集裝箱作為補(bǔ)充結(jié)構(gòu)或次要結(jié)構(gòu)。書(shū)中將集裝箱建筑定義為集裝箱和附屬結(jié)構(gòu)組合成的整體。

中集集團(tuán)是國(guó)際上最大的集裝箱供應(yīng)商，也是在集裝箱房屋領(lǐng)域具有領(lǐng)先技術(shù)的集團(tuán)。他們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了模塊化的建筑理念，將內(nèi)部改造好的集裝箱模塊進(jìn)行規(guī)則排列，角件之間連接牢固形成整體，將多個(gè)集裝箱模塊進(jìn)行并置打通其中間隔墻進(jìn)行空間擴(kuò)展是主要的兩個(gè)方面。

2005年6月 Brighton 大學(xué)建筑環(huán)境專(zhuān)業(yè)的 J.D.Smith 發(fā)表的論文 shipping container as building components 對(duì)英國(guó)的集裝箱房屋發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行了社會(huì)調(diào)查，提出了解決集裝箱房屋最重要的是解決它的保溫問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)關(guān)于集裝箱房屋的研究更少，僅在青島建工大學(xué)的校報(bào)上發(fā)現(xiàn)了2009年的一篇論文，名為“集裝箱建筑的應(yīng)用與探索——從青島積米涯漁人碼頭概念規(guī)劃說(shuō)起”，這篇文章通過(guò)對(duì)集裝箱建筑的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)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(dòng)和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也希望專(zhuān)業(yè)人士能拋開(kāi)這些表觀的優(yōu)勢(shì)對(duì)集裝箱房屋進(jìn)行更深入的研究。

1.4 本文研究的內(nèi)容

現(xiàn)在對(duì)廢舊二手集裝箱房屋的研究屬于建筑學(xué)和結(jié)構(gòu)工程兩個(gè)學(xué)科交叉領(lǐng)域，而現(xiàn)在從事此方面的研究主要是建筑師，建筑學(xué)和結(jié)構(gòu)工程脫節(jié)，僅僅在于實(shí)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(méi)有結(jié)構(gòu)安全人員的指導(dǎo)和配合，沒(méi)有更加具體的建筑改造理論和確保結(jié)構(gòu)安全的相關(guān)方法，使這種特殊鋼結(jié)構(gòu)房屋使用存在局限性。所以本文研究的主要內(nèi)容，將建筑學(xué)和結(jié)構(gòu)工程兩領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)一起研究，形成有機(jī)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(jié)構(gòu)改造部分從結(jié)構(gòu)受力分析的角度對(duì)之前得到的集裝箱模塊的組合理論進(jìn)行限定，從安全的角度出發(fā)得到合理的實(shí)現(xiàn)多樣建筑造型的方法。具體內(nèi)容如下：

(1) 基于建筑學(xué)要求，總結(jié)出安全實(shí)用的搭建錯(cuò)層集裝箱房屋的指導(dǎo)理論，該理論以充分考慮單個(gè)廢舊二手集裝箱作為主體結(jié)構(gòu)，通過(guò)加上少量必要加固構(gòu)件組成各種復(fù)雜美觀的建筑體系。

(2) 基于結(jié)構(gòu)安全性原理，從豎向荷載和橫向荷載兩個(gè)角度來(lái)研究多層集裝箱房屋應(yīng)該滿(mǎn)足的條件，得到指導(dǎo)確定多層集裝箱房屋初步設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)化公式。

(3) 用有限元軟件進(jìn)行建模分析，鋼框架用梁?jiǎn)卧ǎS護(hù)板用殼單元。建模時(shí)也涉及到波紋板向各向異性板的轉(zhuǎn)化問(wèn)題。通過(guò)建立2個(gè)具有代表性的多層集裝箱房屋來(lái)驗(yàn)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(shè)計(jì)和制造依循統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際的集裝箱尺寸可以根據(jù)不同的貨運(yùn)要求而制定，但必須符合標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)：

1）造型簡(jiǎn)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(shì)，絕對(duì)安全。

但是如果這樣發(fā)展下去，集裝箱建筑出現(xiàn)的場(chǎng)所就與碼頭集裝箱堆場(chǎng)是一樣的，而且這樣沒(méi)有建筑特色的造型也不會(huì)吸引更多的人去選擇，應(yīng)用的范圍也許就與活動(dòng)板房相同了。所以需要根據(jù)建筑藝術(shù)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(yùn)輸貨物的柜子的時(shí)候具有幾個(gè)特點(diǎn)在作為居住的場(chǎng)所時(shí)是不適用的：

1) 完全的鋼結(jié)構(gòu)體系，保溫隔熱性能相當(dāng)差；

2) 完全密閉的空間，排水性能差；

3) 單個(gè)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(fēng)性能差。

其實(shí)還有很多，但是我們發(fā)現(xiàn)最基本的需要滿(mǎn)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(shí)主要針對(duì)上述方面，一個(gè)是實(shí)現(xiàn)合理多樣建筑造型的原則，另一個(gè)是滿(mǎn)足建筑功能。

2.2 建筑構(gòu)造原理

2.2.1 模塊化組合原則

集裝箱作為構(gòu)成建筑體系的模塊，為實(shí)現(xiàn)美觀多樣的建筑外型和營(yíng)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(guò)對(duì)大量的實(shí)例進(jìn)行分析總結(jié)，提出集裝箱房屋的模塊化組合實(shí)用原則。對(duì)于兩個(gè)長(zhǎng)方體模塊相互組合的形式有上千種，但是本文只是針對(duì)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(jié)構(gòu)形式，采用統(tǒng)一規(guī)格的長(zhǎng)方體模塊進(jìn)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(duì)接和疊加兩種，集裝箱之間空間上基本結(jié)合采用平行和正交兩種，基本形式有如圖 2-1 所示8種。

圖 2-1 集裝箱模塊組合示意圖

這個(gè)圖所展示的不是一個(gè)模塊或兩個(gè)模塊的問(wèn)題，而是以最簡(jiǎn)潔抽象的形式表示出在錯(cuò)層集裝箱房屋中集裝箱模塊之間的相互位置關(guān)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(yùn)輸貨物的柜子的時(shí)候是一樣的)，簡(jiǎn)單、規(guī)則、安全。圖 a)~c)中的集裝箱處于并置關(guān)系，可以通過(guò)打通模塊之間的接觸面來(lái)實(shí)現(xiàn)空間的擴(kuò)展形成整體，集裝箱模塊之間具有相關(guān)性，不再是孤立的個(gè)體；而圖 d)就是單個(gè)的集裝箱模塊，就是孤立的個(gè)體，說(shuō)明即使周?chē)€存在其他的集裝箱模塊，但是集裝箱模塊之間沒(méi)有任何關(guān)系，能利用的空間就是自身內(nèi)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(duì)使用空間的進(jìn)一步拓展，不僅僅充分利用內(nèi)部的空間，通過(guò)平面和立面上的錯(cuò)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(guò)對(duì)于圖 e)和 f)存在極大的安全問(wèn)題，因?yàn)檫@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(diǎn)對(duì)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(kuò)展或結(jié)合。

注意：集裝箱的角柱不會(huì)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。

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改造廢舊二手集裝箱房屋的構(gòu)造安全研究(1)

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改造廢舊二手集裝箱房屋的構(gòu)造安全研究(完)

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