装配式集装箱建筑适应性设计与快速建造技术研究

2023-02-24夏巧丽谭筱君

科技创新与应用 2023年4期

夏巧丽，谭筱君

（云南经济管理学院，昆明 650106）

集装箱建筑的整体结构以钢结构为主，是一种在拼接组合作用下形成的建筑形式，可以实现整体前移，拆卸边界，是目前较为常用的一种建筑形式。装配式集装箱主要指在建筑规范要求的基础上，结合相关功能对装配集装箱模块的一种建筑形式，属于建筑结构的单元组成部分，与传统建筑形式相比优势明显，具有极高的集成度，同时安装便利、安全性较高，能够重复利用[1]。但是与常规建筑形式存相比在明显差异，集装箱具有一定的特殊性，其模块空间、尺寸及结构受力均与普通建筑差异明显，建筑设计与施工单位的分属类型不同，因此对装配式集装箱建筑的发展造成阻碍。本文以某工程为实例，分析装配式集装箱的设计要点及快速建造技术，以保证施工质量，提高其应用价值。

1 装配式集装箱概述

1.1 定义

集装箱主要指具备一定强度、刚度与规格，用于周转使用的大型装货容器。规范标准的集装箱符合国家标准化组织规定的长度、高度及体积容量。其结构主要包括钢制框架、底板、附加梁和门扇等，在焊接的作用下形成独立箱体[2]。其内部空间安全封闭，吊装和运输时主要通过四角传递荷载。如图1所示。

图1 集装箱结构示意图

1.2 特征

装配式集装箱建筑的特征主要包括以下几点：①标准化。遵循国际统一标准、箱体尺寸标准，因此也对设计与应用带来一定的限制。其结构和衔接构件也具有标准化的特点，能够为建筑单元运输、装卸和叠放提供便利。②结构的安全性与稳定性。运输业中集装箱的寿命约10～15年，如果对其适度保养，能够维持更久的时间。集装箱的盒子式钢结构具有安全、稳定、抗压和耐用等特点，能够确保其应用的安全性，并且箱体具有较强的水密性与抗腐蚀性，在恶劣环境中仍然具备较强的适应力[3]。③经济性与环保性。集装箱是目前常用的箱体运输单元，其相关配送与装卸设施趋于完善，拆卸转运操作便利，能够避免人力、物力资源的大量消耗。同时箱体结构重量较轻，具备封闭的空间特征，能够适应恶劣的施工环境，进而可有效避免土地资源的浪费，同时可对其进行改造，具有环保性特征。多数构件均在工厂内进行生产，现场搭建完成施工，施工周期较短，能够减少对周围环境的污染。另外其材料主要为钢材、木材，建筑终结寿命时，可以回收废旧材料并再利用，符合循环、可持续经济发展要求。④灵活性。相较于传统建筑形式，集装箱建筑的最大特点便是灵活性，根据不同要求，不但可以整体拆卸、异地重建，同时能够使用新箱体对局部进行改造更换[4]。

2 工程概况

某装配式集装箱工程项目为临时办公建筑项目，占地面积约1 500 m2。在人行道征地进行临时办公建筑的建造，因此该项目总平面设计较为固定，空间前场为不规则空间。项目完工后需转移至后续项目，因此采用集装箱结构形式。

为了确保项目建筑风格与大区整体建筑及景观设计具有良好的协调性，同时具备现代建筑极简风格的特点，通过前场勘察可知建设用地的地势地平，虽然采取填埋等处理措施，但是地基承载性能不佳，所以选择重量轻、整体刚度良好的集装箱模块化建筑。该类建筑拆卸简便，能够重复应用，安装施工周期短，能够减少资源浪费，优势明显，与可持续发展理念相符。

3 装配式集装箱建筑适应性设计

3.1 总平面与建筑适应性设计

项目用地西侧及北侧为城市新建道路，东北方向为停车场。建筑整体布局的大致形状与正方形类似，与展示面道路方向相符。因为周围线路较多，易对视线产生影响，所以外围采用景墙联合形式，构建整体空间。合理的景观设计方法能够将参观者的视线集中在核心区域。同时整合停车位，确保后场具备充足的空间，满足参观通道要求[3]。

多数人对集装箱建筑存在错误的认知，认为其粗糙简陋，为了解决这一问题，设计过程中将后场的6个集装箱模块进行拼装，形成多个功能不同的房间，如办公室、卫生间和洽谈室等，在周围的景观树木中，同时和漫步道交织。前场则采用多构件组合形式，种植花圃，建立人口空间，使人流聚集在建筑内；中场步道中心加强景观设计，种植适宜绿植。通过大理石条对景观进行分区，仿大理石条在各方向作为长凳，提供休憩场所，使参观者能够近距离感受周围景色。另外加强对集装箱建筑外观造型的设计，该项目采用色彩鲜明的咖色波纹板外立面造型，具备现代雕塑感，与周围绿植景观和谐，并无突兀感，能够充分体现建筑的标志性特征。

3.2 模数及模块组合适应性设计

装配式集装箱具有明显的应用优势，如集成度较高、设计及施工高效等。是目前工业生产中应用广泛的模块化建筑形式，在实际应用过程中，需要严格控制模块的数量与规格，避免过多，同时保证箱体功能的模块具备较强的适用性，实现工厂的批量化与规范化生产，达到降本增效的目的[5]。但是这也可能导致建筑造型过于单一，整体空间单调。所以需要结合实际制订灵活、合理的模块化组合设计方案，赋予建筑艺术价值，充分反映其标志性特点。

该项目设计中，共包括14个建筑模块，其中1层模块共6个，2层模块共8个，如图2所示。建筑模块包括3种尺寸规格，长度、宽度及高度稍有不同，3种模数的应用需要以高度要求为依据，结合生产线明确。后场6个集装箱尺寸统一，为工厂生产及运输提供便利，因为该项目是具备展示和服务功能的建筑，对空间的要求较高，所以需要确保其净高满足要求，提高整体舒适度。因此前场使用钢柱、屋盖和挑檐相结合的形式，箱体焊接、拼装等操作均在现场进行，借助型钢柱和横梁框架，满足结构高度。

图2 建筑模块组合形式

为了确保模块化装箱能够充分体现建筑现代雕塑感的标志性形象，需要加强对外立面造型设计的重视。首先要进行挑高局部展示厅的设计，对立面而言，采用幕墙装饰设计理念，将钢龙骨柱作为其主要支撑，空间的隔断封闭则借助中空钢化玻璃实现，将白色铝包在钢龙骨外，强化其性能的同时提高其美观度，箱体风格形成新颖的设计感。对屋檐部分而言，内部嵌入洗墙灯，进一步强化建筑的夜景效果，与周围景观融合，充分体现建筑的地段区位位置[6]。最后，进行檐口模块设计，建立雨坡，保证全体箱体模块体量的平衡性，丰富建筑室内外的层次感。

4 装配式集装箱快速建造的结构与构造设计

4.1 结构设计

目前集装箱这一建筑形式已得到了广泛应用，模块化组装是其突出特点，相较于普通装配式建筑形式，集装箱较为特殊，受力分析与普通建筑差异明显。另外，其波纹钢板围合与钢板剪力墙相似，对稳定结构具有积极作用，具备较强的刚度与承载性能，因此该建筑项目采用悬臂设计理念，最大悬臂为2.7 m。同时为了保证建筑基础功能的发挥，如采光、通风等，需要对整体结构外墙采取开洞措施。除此之外，因为建筑展厅对开放空间面积有一定的要求，因此拼接模块时，需要拆除一定数量的侧墙，该项操作必然会影响箱体整体结构。拼接结束模块单元墙板后，因为墙板刚度分布不均衡，程度有所差异，易受到墙板孔开度、吊升等因素影响，吊装不规范极易引发变形问题，表现为形状不规则[7]。为了进一步确保整体结构的稳定性，满足受力要求，提高结构刚度和承载力，需要积极引进先进技术，如BIM技术等，明确薄弱位置，建模处理，导出单元构件，进行综合分析。通过采取有效的方法，可以帮助工作人员及时了解结构薄弱点的具体位置。分析可知，箱体钢板开洞周边存在变形、局部拉伸等问题，结构受损情况明显。为了解决这些问题，对开洞部位进行加固处理十分必要，多采用增加角钢的方式进行加固，主要操作方法为在窗户的四角上将角钢对角形成点焊进行焊接，保证箱体结构的整体受力情况良好，使顶梁横截面有效增加，确保连接的稳定性，实现结构设计目标。

4.2 节点构造设计

标准模块为集装箱建筑的主要结构，节点构造直接影响建设周期，同时和结构是否稳定、建筑是否具备良好防水及保温性能是否良好等关系密切，节点的受力性是结构功能的重要基础。因此设计人员需要加以重视，这也是装配式集装箱建筑建造成功的重要基础。该项目集装箱建筑形式以矩形钢框箱体整体叠合为主，所以使用轻型连接节点，也就是专用节点。在设计层面，将L型角件焊接在矩形刚框梁柱上，为了确保角件之间连接的稳固性，需要保证各连接件的有效接触。节点由角件连接构成，采用螺栓进行连接。这一连接方式能够确保结构具备良好的抗压、抗剪和承载性能。集装箱的角部处焊接相应的钢板，关键构件与节点连接的熔透焊缝需要符合质量标准要求[1]；角焊缝质量需要符合相关规范标准；同角件处的双头锥联合应用，为上下层集装箱连接稳固性提供保障。集装箱梁处进行工字钢的焊接，解决连接不稳定等问题，另外需要重视工字钢的连接问题，将螺栓拧紧。以上操作均需要结合相关规范要求中集装箱建筑专用节点的适应性改进设计，为后续快速建造的顺利进行夯实基础。

5 集装箱建筑快速建造技术

对集装箱模块进行调配前，首先进行预埋件的预埋处理，将其预埋于混凝土基础上，各方验收确认后方可进行后续作业，完成一个模块的安装作业后，进行模块节点的连接。如图3所示。

图3 节点构造设计

安装与调整时，需要充分考虑基础标高、支架长度等情况，确保其符合标高进度要求；根据图纸中箱体编号，开始预埋件安装；使用相应仪器对箱体参数进行检测，具体包括纵向垂直度等，保证箱体水平、纵向中心线与基础中心线保持一致，之后拧紧地脚螺栓；完成模块安装、调整与检测工作后，焊接加固，之后进行混凝土浇筑作业，定型。箱体安装作业结束后，校准安装精度。合理调整后方可进行下一个模块的安装。首先调整标高，其次为中心位移，最后对垂直偏差进行调整，确保连接节点的稳固性[8]。

连接集装箱模块与基础预埋件的过程中，在验收后，需要在地板上焊接调节垫板。在调节板上安装连接角件，之后进行吊装作业，确保各节点的有效连接。

集装箱模块和模块间连接时，第一层箱体模块的连接节点设置在顶部、底部及左右侧固定不同的模块上。具体流程包括：①完成第一次模块安装后，安装时测量并校准尺寸。比如说首层集装箱模块连接角片和洞孔边的距离。②进行模块顶部安装时，明确销座和角孔安装法兰位置的连接节点。在法兰连接节点上增设垫板，对螺栓孔位置进行核对。③采用吊装法对集装箱模块下角与连接节点的销座进行校准，底板安装结束后，对相邻模块与连接节点孔板的位置进行合理调整。④连接固定。检查翼缘、连接板螺栓孔等情况，使用螺丝扳手拧紧，确保其紧固性。⑤模块化集装箱建筑具有高度集成的特点，机电管道的安装与布置均在工厂完成，只有管道与公共区域接口的连接部分在现场作业，具体方法如下。首先，完成吊装连接后，检查预留管情况，认真调整；其次，确保管线与设备的有效连接；最后，安装模块板的管线接头。