裝配式集裝箱建筑適應(yīng)性設(shè)計(jì)與快速建造技術(shù)研究

夏巧麗，譚筱君

（云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，昆明 650106）

集裝箱建筑的整體結(jié)構(gòu)以鋼結(jié)構(gòu)為主，是一種在拼接組合作用下形成的建筑形式，可以實(shí)現(xiàn)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(guī)范要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)功能對裝配集裝箱模塊的一種建筑形式，屬于建筑結(jié)構(gòu)的單元組成部分，與傳統(tǒng)建筑形式相比優(yōu)勢明顯，具有極高的集成度，同時(shí)安裝便利、安全性較高，能夠重復(fù)利用[1]。但是與常規(guī)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(jié)構(gòu)受力均與普通建筑差異明顯，建筑設(shè)計(jì)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(fā)展造成阻礙。本文以某工程為實(shí)例，分析裝配式集裝箱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及快速建造技術(shù)，以保證施工質(zhì)量，提高其應(yīng)用價(jià)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(qiáng)度、剛度與規(guī)格，用于周轉(zhuǎn)使用的大型裝貨容器。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱符合國家標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)定的長度、高度及體積容量。其結(jié)構(gòu)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(dú)立箱體[2]。其內(nèi)部空間安全封閉，吊裝和運(yùn)輸時(shí)主要通過四角傳遞荷載。如圖1所示。

圖1 集裝箱結(jié)構(gòu)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(diǎn)：①標(biāo)準(zhǔn)化。遵循國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、箱體尺寸標(biāo)準(zhǔn)，因此也對設(shè)計(jì)與應(yīng)用帶來一定的限制。其結(jié)構(gòu)和銜接構(gòu)件也具有標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，能夠?yàn)榻ㄖ卧\(yùn)輸、裝卸和疊放提供便利。②結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。運(yùn)輸業(yè)中集裝箱的壽命約10～15年，如果對其適度保養(yǎng)，能夠維持更久的時(shí)間。集裝箱的盒子式鋼結(jié)構(gòu)具有安全、穩(wěn)定、抗壓和耐用等特點(diǎn)，能夠確保其應(yīng)用的安全性，并且箱體具有較強(qiáng)的水密性與抗腐蝕性，在惡劣環(huán)境中仍然具備較強(qiáng)的適應(yīng)力[3]。③經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。集裝箱是目前常用的箱體運(yùn)輸單元，其相關(guān)配送與裝卸設(shè)施趨于完善，拆卸轉(zhuǎn)運(yùn)操作便利，能夠避免人力、物力資源的大量消耗。同時(shí)箱體結(jié)構(gòu)重量較輕，具備封閉的空間特征，能夠適應(yīng)惡劣的施工環(huán)境，進(jìn)而可有效避免土地資源的浪費(fèi)，同時(shí)可對其進(jìn)行改造，具有環(huán)保性特征。多數(shù)構(gòu)件均在工廠內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)，現(xiàn)場搭建完成施工，施工周期較短，能夠減少對周圍環(huán)境的污染。另外其材料主要為鋼材、木材，建筑終結(jié)壽命時(shí)，可以回收廢舊材料并再利用，符合循環(huán)、可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。④靈活性。相較于傳統(tǒng)建筑形式，集裝箱建筑的最大特點(diǎn)便是靈活性，根據(jù)不同要求，不但可以整體拆卸、異地重建，同時(shí)能夠使用新箱體對局部進(jìn)行改造更換[4]。

2 工程概況

某裝配式集裝箱工程項(xiàng)目為臨時(shí)辦公建筑項(xiàng)目，占地面積約1 500 m2。在人行道征地進(jìn)行臨時(shí)辦公建筑的建造，因此該項(xiàng)目總平面設(shè)計(jì)較為固定，空間前場為不規(guī)則空間。項(xiàng)目完工后需轉(zhuǎn)移至后續(xù)項(xiàng)目，因此采用集裝箱結(jié)構(gòu)形式。

為了確保項(xiàng)目建筑風(fēng)格與大區(qū)整體建筑及景觀設(shè)計(jì)具有良好的協(xié)調(diào)性，同時(shí)具備現(xiàn)代建筑極簡風(fēng)格的特點(diǎn)，通過前場勘察可知建設(shè)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(fù)應(yīng)用，安裝施工周期短，能夠減少資源浪費(fèi)，優(yōu)勢明顯，與可持續(xù)發(fā)展理念相符。

3 裝配式集裝箱建筑適應(yīng)性設(shè)計(jì)

3.1 總平面與建筑適應(yīng)性設(shè)計(jì)

項(xiàng)目用地西側(cè)及北側(cè)為城市新建道路，東北方向?yàn)橥＼噲?。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?yàn)橹車€路較多，易對視線產(chǎn)生影響，所以外圍采用景墻聯(lián)合形式，構(gòu)建整體空間。合理的景觀設(shè)計(jì)方法能夠?qū)⒂^者的視線集中在核心區(qū)域。同時(shí)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(shù)人對集裝箱建筑存在錯誤的認(rèn)知，認(rèn)為其粗糙簡陋，為了解決這一問題，設(shè)計(jì)過程中將后場的6個(gè)集裝箱模塊進(jìn)行拼裝，形成多個(gè)功能不同的房間，如辦公室、衛(wèi)生間和洽談室等，在周圍的景觀樹木中，同時(shí)和漫步道交織。前場則采用多構(gòu)件組合形式，種植花圃，建立人口空間，使人流聚集在建筑內(nèi)；中場步道中心加強(qiáng)景觀設(shè)計(jì)，種植適宜綠植。通過大理石條對景觀進(jìn)行分區(qū)，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(qiáng)對集裝箱建筑外觀造型的設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目采用色彩鮮明的咖色波紋板外立面造型，具備現(xiàn)代雕塑感，與周圍綠植景觀和諧，并無突兀感，能夠充分體現(xiàn)建筑的標(biāo)志性特征。

3.2 模數(shù)及模塊組合適應(yīng)性設(shè)計(jì)

裝配式集裝箱具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，如集成度較高、設(shè)計(jì)及施工高效等。是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的模塊化建筑形式，在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要嚴(yán)格控制模塊的數(shù)量與規(guī)格，避免過多，同時(shí)保證箱體功能的模塊具備較強(qiáng)的適用性，實(shí)現(xiàn)工廠的批量化與規(guī)范化生產(chǎn)，達(dá)到降本增效的目的[5]。但是這也可能導(dǎo)致建筑造型過于單一，整體空間單調(diào)。所以需要結(jié)合實(shí)際制訂靈活、合理的模塊化組合設(shè)計(jì)方案，賦予建筑藝術(shù)價(jià)值，充分反映其標(biāo)志性特點(diǎn)。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，共包括14個(gè)建筑模塊，其中1層模塊共6個(gè)，2層模塊共8個(gè)，如圖2所示。建筑模塊包括3種尺寸規(guī)格，長度、寬度及高度稍有不同，3種模數(shù)的應(yīng)用需要以高度要求為依據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)線明確。后場6個(gè)集裝箱尺寸統(tǒng)一，為工廠生產(chǎn)及運(yùn)輸提供便利，因?yàn)樵擁?xiàng)目是具備展示和服務(wù)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(jié)合的形式，箱體焊接、拼裝等操作均在現(xiàn)場進(jìn)行，借助型鋼柱和橫梁框架，滿足結(jié)構(gòu)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(xiàn)建筑現(xiàn)代雕塑感的標(biāo)志性形象，需要加強(qiáng)對外立面造型設(shè)計(jì)的重視。首先要進(jìn)行挑高局部展示廳的設(shè)計(jì)，對立面而言，采用幕墻裝飾設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，將白色鋁包在鋼龍骨外，強(qiáng)化其性能的同時(shí)提高其美觀度，箱體風(fēng)格形成新穎的設(shè)計(jì)感。對屋檐部分而言，內(nèi)部嵌入洗墻燈，進(jìn)一步強(qiáng)化建筑的夜景效果，與周圍景觀融合，充分體現(xiàn)建筑的地段區(qū)位位置[6]。最后，進(jìn)行檐口模塊設(shè)計(jì)，建立雨坡，保證全體箱體模塊體量的平衡性，豐富建筑室內(nèi)外的層次感。

4 裝配式集裝箱快速建造的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前集裝箱這一建筑形式已得到了廣泛應(yīng)用，模塊化組裝是其突出特點(diǎn)，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(wěn)定結(jié)構(gòu)具有積極作用，具備較強(qiáng)的剛度與承載性能，因此該建筑項(xiàng)目采用懸臂設(shè)計(jì)理念，最大懸臂為2.7 m。同時(shí)為了保證建筑基礎(chǔ)功能的發(fā)揮，如采光、通風(fēng)等，需要對整體結(jié)構(gòu)外墻采取開洞措施。除此之外，因?yàn)榻ㄖ箯d對開放空間面積有一定的要求，因此拼接模塊時(shí)，需要拆除一定數(shù)量的側(cè)墻，該項(xiàng)操作必然會影響箱體整體結(jié)構(gòu)。拼接結(jié)束模塊單元墻板后，因?yàn)閴Π鍎偠确植疾痪?，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(guī)范極易引發(fā)變形問題，表現(xiàn)為形狀不規(guī)則[7]。為了進(jìn)一步確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，滿足受力要求，提高結(jié)構(gòu)剛度和承載力，需要積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，如BIM技術(shù)等，明確薄弱位置，建模處理，導(dǎo)出單元構(gòu)件，進(jìn)行綜合分析。通過采取有效的方法，可以幫助工作人員及時(shí)了解結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)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(jié)構(gòu)受損情況明顯。為了解決這些問題，對開洞部位進(jìn)行加固處理十分必要，多采用增加角鋼的方式進(jìn)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(diǎn)焊進(jìn)行焊接，保證箱體結(jié)構(gòu)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(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4.2 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)模塊為集裝箱建筑的主要結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造直接影響建設(shè)周期，同時(shí)和結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、建筑是否具備良好防水及保溫性能是否良好等關(guān)系密切，節(jié)點(diǎn)的受力性是結(jié)構(gòu)功能的重要基礎(chǔ)。因此設(shè)計(jì)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(chǔ)。該項(xiàng)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(jié)點(diǎn)，也就是專用節(jié)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)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(wěn)固性，需要保證各連接件的有效接觸。節(jié)點(diǎn)由角件連接構(gòu)成，采用螺栓進(jìn)行連接。這一連接方式能夠確保結(jié)構(gòu)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(yīng)的鋼板，關(guān)鍵構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)連接的熔透焊縫需要符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求[1]；角焊縫質(zhì)量需要符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；同角件處的雙頭錐聯(lián)合應(yīng)用，為上下層集裝箱連接穩(wěn)固性提供保障。集裝箱梁處進(jìn)行工字鋼的焊接，解決連接不穩(wěn)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(jié)合相關(guān)規(guī)范要求中集裝箱建筑專用節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)，為后續(xù)快速建造的順利進(jìn)行夯實(shí)基礎(chǔ)。

5 集裝箱建筑快速建造技術(shù)

對集裝箱模塊進(jìn)行調(diào)配前，首先進(jìn)行預(yù)埋件的預(yù)埋處理，將其預(yù)埋于混凝土基礎(chǔ)上，各方驗(yàn)收確認(rèn)后方可進(jìn)行后續(xù)作業(yè)，完成一個(gè)模塊的安裝作業(yè)后，進(jìn)行模塊節(jié)點(diǎn)的連接。如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

安裝與調(diào)整時(shí)，需要充分考慮基礎(chǔ)標(biāo)高、支架長度等情況，確保其符合標(biāo)高進(jìn)度要求；根據(jù)圖紙中箱體編號，開始預(yù)埋件安裝；使用相應(yīng)儀器對箱體參數(shù)進(jìn)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(chǔ)中心線保持一致，之后擰緊地腳螺栓；完成模塊安裝、調(diào)整與檢測工作后，焊接加固，之后進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)，定型。箱體安裝作業(yè)結(jié)束后，校準(zhǔn)安裝精度。合理調(diào)整后方可進(jìn)行下一個(gè)模塊的安裝。首先調(diào)整標(biāo)高，其次為中心位移，最后對垂直偏差進(jìn)行調(diào)整，確保連接節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)固性[8]。

連接集裝箱模塊與基礎(chǔ)預(yù)埋件的過程中，在驗(yàn)收后，需要在地板上焊接調(diào)節(jié)墊板。在調(diào)節(jié)板上安裝連接角件，之后進(jìn)行吊裝作業(yè)，確保各節(jié)點(diǎn)的有效連接。

集裝箱模塊和模塊間連接時(shí)，第一層箱體模塊的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置在頂部、底部及左右側(cè)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(shí)測量并校準(zhǔn)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(jìn)行模塊頂部安裝時(shí)，明確銷座和角孔安裝法蘭位置的連接節(jié)點(diǎn)。在法蘭連接節(jié)點(diǎn)上增設(shè)墊板，對螺栓孔位置進(jìn)行核對。③采用吊裝法對集裝箱模塊下角與連接節(jié)點(diǎn)的銷座進(jìn)行校準(zhǔn)，底板安裝結(jié)束后，對相鄰模塊與連接節(jié)點(diǎn)孔板的位置進(jìn)行合理調(diào)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?jǐn)Q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(diǎn)，機(jī)電管道的安裝與布置均在工廠完成，只有管道與公共區(qū)域接口的連接部分在現(xiàn)場作業(yè)，具體方法如下。首先，完成吊裝連接后，檢查預(yù)留管情況，認(rèn)真調(diào)整；其次，確保管線與設(shè)備的有效連接；最后，安裝模塊板的管線接頭。

6 結(jié)束語

本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為例，通過對場地測量的分析，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際制訂合理的設(shè)計(jì)方案，明確施工階段薄弱節(jié)點(diǎn)受力情況，合理調(diào)整，在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的快速建造，完成裝配式集裝箱建筑適應(yīng)性設(shè)計(jì)及快速建造的研究。