裝配式模塊化可拆集裝箱房屋應(yīng)用與發(fā)展

彭志豐 張偉

隨著我國(guó)建筑工人老齡化和精湛技工短缺問題日益嚴(yán)重，優(yōu)先發(fā)展工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的綠色裝配式建筑體系成為我國(guó)構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的重大戰(zhàn)略。傳統(tǒng)的裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)房屋分為K形房和T形房，雖然其標(biāo)準(zhǔn)化程度相對(duì)較高，但施工安裝速度受到構(gòu)件種類繁多的限制，且重復(fù)利用率較低，容易造成材料浪費(fèi)。裝配式模塊化集裝箱房屋是一種能夠快速安裝的綠色建筑體系，能夠滿足人們?cè)诒睾凸δ芏鄻踊确矫娴男枨?。裝配式模塊化集裝箱房屋分為整體式集裝箱房屋和可拆集裝箱房屋：前者主要由退役的運(yùn)輸集裝箱改裝而成;后者的長(zhǎng)、寬、高均模數(shù)化，可直接在工廠或施工現(xiàn)場(chǎng)組裝，且其自身結(jié)構(gòu)可以作為高度較低的運(yùn)輸載體，從而大幅降低運(yùn)輸成本。裝配式模塊化可拆集裝箱房屋現(xiàn)已成為我國(guó)集裝箱房屋發(fā)展的趨勢(shì)。本文結(jié)合工程實(shí)踐，介紹裝配式模塊化可拆集裝箱房屋的結(jié)構(gòu)、工程內(nèi)容、研究現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域，并展望未來裝配式模塊化可拆集裝箱房屋的發(fā)展趨勢(shì)。

1 裝配式模塊化可拆集裝箱房屋結(jié)構(gòu)

裝配式模塊化可拆集裝箱房屋主要由頂胎架梁、底胎架梁、箱角、L形角柱、節(jié)能夾芯板、門窗裝置、電氣裝置和供排水裝置等組成。頂胎架梁、底胎架梁、箱角和L形角柱通常由鋼板冷彎軋制而成，厚度為3～4 mm，材質(zhì)為Q235或SGC340。節(jié)能夾芯板材質(zhì)通常為新型巖棉夾芯板、新型玻璃絲棉夾芯板或聚氨酯夾芯板等，厚度一般為50 mm、或100 mm;夾芯板外側(cè)金屬涂層彩鋼板可設(shè)計(jì)為純平、浮雕等多種效果，外墻可設(shè)計(jì)為咖啡色、林地迷彩、紅磚紋、木條紋等。標(biāo)準(zhǔn)的裝配式模塊化可拆集裝箱分為兩種常用規(guī)格：其一，尺寸為6 055 mm？？ 896 mm，適合國(guó)內(nèi)外運(yùn)輸，其中，由頂胎架、底胎架、打包柱、膠合板組裝而成的打包集裝箱因其本身的模數(shù)與運(yùn)輸集裝箱相同，特別適合國(guó)外運(yùn)輸;其二，尺寸為6 055 mm？ 000 mm？ 896 mm，具有較大的空間，適合國(guó)內(nèi)運(yùn)輸，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)深受歡迎。

2 裝配式模塊化可拆集裝箱房屋工程內(nèi)容

裝配式模塊化可拆集裝箱房屋的集成程度和安裝速度取決于其模塊和工程內(nèi)容設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度。裝配式模塊化可拆集裝箱房屋標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模塊包括標(biāo)準(zhǔn)模塊、衛(wèi)生間模塊、走廊模塊、樓梯模塊和雨棚模塊等[1]，各個(gè)模塊之間通過螺栓連接，無須焊接，便于施工操作。裝配式模塊化可拆集裝箱房屋主要工程內(nèi)容包括地面工程、屋面工程和拼箱工程：地面工程從下至上依次為彩色涂層鋼板、帶鋁箔的厚度為100 mm的玻璃絲棉卷氈、厚度為18～20 mm的水泥纖維壓力板、厚度為2 mm的聚氯乙烯地板革或厚度為11 mm的木地板;屋面工程從下至上依次為金屬條形吊頂板或聚氯乙烯吊頂板、帶鋁箔的厚度為100 mm的玻璃絲棉卷氈、360耙Э諼薅ば突蠣鞫ば筒釋扛職澹？和圖2）;拼箱工程指對(duì)10.9級(jí)M20高強(qiáng)螺栓施加張緊力，以縮緊頂胎架之間的間隙，并在箱角間安裝厚度為10 mm的橡膠片，以保證間隙縮緊到位，使模塊之間特定橡膠條處在壓縮狀態(tài)，滿足拼箱連接處的密封要求，從而達(dá)到防雨和保溫的目的。對(duì)于超長(zhǎng)裝配式模塊化可拆集裝箱，為了防止L形鋼柱發(fā)生屈曲導(dǎo)致鋼柱之間密封性差，需要沿箱體鋼柱設(shè)置8.8級(jí)M16螺栓。

3 裝配式模塊化集裝箱房屋研究現(xiàn)狀

（1）針對(duì)整體式集裝箱房屋的研究 劉淑芬等[2]對(duì)整體式集裝箱房屋強(qiáng)度較弱的側(cè)板開洞部分采取支撐柱和斜拉梁增強(qiáng)措施，以抵抗沖擊載荷的影響，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證有限元軟件Workbench數(shù)值模擬的可行性，增加整體式集裝箱房屋的安全性，降低整體式集裝箱房屋加工制造成本。李英磊等[3]通過有限元軟件ANSYS數(shù)值模擬6 m和12 m整體式集裝箱房屋在不同開洞率和頂梁剛度下的縱向抗剪剛度，并給縱向抗剪剛度的計(jì)算擬合公式。查曉雄等[4-5]基于整體式集裝箱的波紋板蒙皮效應(yīng)和側(cè)板開洞因素影響推導(dǎo)集裝箱房屋的抗側(cè)剛度公式，便于指導(dǎo)整體式集裝箱房屋的設(shè)計(jì)工作。劉樂[6]通過有限元軟件建立整體式集裝箱房屋模型，驗(yàn)證集裝箱單箱、單層多跨集裝箱房屋結(jié)構(gòu)、多層單跨集裝箱房屋結(jié)構(gòu)和多層多跨集裝箱房屋結(jié)構(gòu)在水平集中力作用下的側(cè)移公式，從而為工程設(shè)計(jì)提供借鑒。曾毓鑫[7]基于ABAQUS軟件對(duì)集裝箱房屋進(jìn)行熱力耦合分析，研究集裝箱房屋的抗側(cè)和防火性能。查曉雄等[8]采用ABAQUS軟件對(duì)整體式集裝箱房屋頂端荷載位移曲線進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明十字板卡件不僅便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，而且有利于增強(qiáng)整體式集裝箱房屋的安全性。此外，CECS 334―2013《集裝箱模塊化組合房屋技術(shù)規(guī)程》系統(tǒng)地規(guī)范整體運(yùn)輸集裝箱房屋的材料、工程內(nèi)容、抗風(fēng)和地震作用計(jì)算，可為相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供準(zhǔn)則。

（2）針對(duì)可拆集裝箱房屋的研究 余術(shù)剛等[9]通過分析裝配式模塊化可拆集裝箱在嚴(yán)寒地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)的熱工性能，證明節(jié)能夾芯板能夠有效提升集裝箱房屋節(jié)能效果，并分析不同芯材保溫材料的能耗情況。田磊等[10]對(duì)三層裝配式模塊化可拆集裝箱房屋受力情況進(jìn)行ANSYS有限元模擬計(jì)算，支持柱腳剛接。張俊峰等[11-12]對(duì)裝配式模塊化可拆集裝箱房屋進(jìn)行1∶1足尺底框受力性能試驗(yàn)和豎向承載力試驗(yàn)，研究表明：底框架梁叉車開洞處截面下翼緣因焊接加強(qiáng)板導(dǎo)致中性軸上移，雖然梁上翼緣發(fā)生輕微局部變形，但截面強(qiáng)度仍能滿足要求;立柱與頂?shù)滋ゼ苓B接點(diǎn)為半剛性節(jié)點(diǎn)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)承載力有一定影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的半剛性性能;可拆集裝箱立柱在施加豎向荷載初期發(fā)生輕微的扭轉(zhuǎn)變形，但隨著豎向荷載的增加，立柱以彎曲變形為主，并表現(xiàn)出明顯的極值點(diǎn)屈曲特性。楊大雍[13]針對(duì)立柱與頂?shù)滋ゼ馨雱傂怨?jié)點(diǎn)建立只考慮連接螺栓變形的彎矩-轉(zhuǎn)角模型，該模型僅能用于線彈性階段的工程分析計(jì)算，同時(shí)忽略了連接板變形對(duì)半剛性力學(xué)模型的影響。陳世云[14]對(duì)裝配式模塊化可拆集裝箱房屋進(jìn)行力學(xué)分析，以梁的截面尺

寸為變量，以強(qiáng)度和剛度作為約束條件，以總質(zhì)量最輕為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出臨界屈服荷載為主要約束條件，優(yōu)化后總質(zhì)量減少23%。尹靜等[15]對(duì)裝配式模塊化可拆集裝箱房屋單元進(jìn)行整體剛性試驗(yàn)，并通過有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，試驗(yàn)和數(shù)值模擬表明可拆集裝箱房屋單元在橫向和縱向具有良好的抗側(cè)剛度，在運(yùn)輸過程中能夠滿足集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范的要求，可以采用船舶運(yùn)輸。王新亮等[16]采用有限元軟件ABAQUS針對(duì)模塊化集裝箱房屋堆垛和吊裝作業(yè)工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，指出頂胎架梁、底胎架梁及角柱與角件連接處容易發(fā)生屈服，在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取加強(qiáng)措施。霸州市萬順彩鋼鋼構(gòu)制造有限公司依據(jù)GB/T 18883―2002 《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)可拆集裝箱房屋室內(nèi)甲醛、苯、二甲苯等5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明：可拆集裝箱房屋室內(nèi)空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良，適合居住與辦公。

綜上可見，我國(guó)對(duì)裝配式整體式集裝箱的研究相對(duì)較為成熟，但對(duì)裝配式模塊化可拆集裝箱的理論和試驗(yàn)研究較少，并且缺少行業(yè)規(guī)范指導(dǎo)可拆集裝箱行業(yè)健康發(fā)展。

4裝配式模塊化可拆集裝箱房屋應(yīng)用領(lǐng)域

裝配式模塊化可拆集裝箱房屋具有標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化、輕質(zhì)高強(qiáng)、綠色環(huán)保、施工便捷、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于便利店、兒童醫(yī)院、閱兵村、辦公樓、宿舍、別墅、學(xué)校等場(chǎng)所（見圖3），滿足人們?cè)诒?、美觀和快裝等方面的多樣化需求。不過，需要注意的是，當(dāng)前裝配式模塊化可拆集裝箱房屋產(chǎn)品面臨國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失的局面，市場(chǎng)上的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，這就需要我國(guó)相關(guān)大型企業(yè)（如多維聯(lián)合集團(tuán)有限公司、霸州市萬順彩鋼鋼構(gòu)制造有限公司、雅致集成房屋有限公司等）加強(qiáng)行業(yè)自律，促進(jìn)裝配式模塊化可拆集裝箱房屋產(chǎn)業(yè)健康協(xié)調(diào)發(fā)展。裝配式模塊化可拆集裝箱房屋是預(yù)制裝配化和模塊化程度較高的新型工業(yè)化建筑，對(duì)我國(guó)裝配式低多層鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)和安裝具有十分重要的工程參考和借鑒意義;此外，裝配式模塊化可拆集裝箱房屋模塊高度標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)對(duì)折疊快裝模塊房屋也具有重要的參考價(jià)值。

5 結(jié)束語

裝配式模塊化可拆集裝箱房屋具有高度標(biāo)準(zhǔn)化、便于運(yùn)輸和安裝等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。不過，值得關(guān)注的是，裝配式模塊化可拆集裝箱房屋產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失，導(dǎo)致市場(chǎng)上產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，需要行業(yè)盡快出臺(tái)相關(guān)規(guī)范規(guī)程，保證裝配式模塊化可拆集裝箱房屋產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。此外，裝配式模塊化可拆集裝箱房屋底梁與立柱連接點(diǎn)屬于半剛性節(jié)點(diǎn)，需要建立考慮連接板變形、螺栓受拉變形等因素的力學(xué)模型;因此，考慮節(jié)點(diǎn)半剛性對(duì)可拆式集裝箱房屋模塊整體抗側(cè)剛度的影響，以保證裝配式模塊化可拆集裝箱房屋的安全性，是研發(fā)工程師須重點(diǎn)關(guān)注的問題。

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（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2019-01-23）