当代集装箱建筑模块化设计策略研究(2)

2013年4月3日

第一章绪论

1.1 研究的对象、背景和意义

在物流领域中流转的集装箱，长期使用后会产生油漆脱落、箱体锈蚀或变形等损耗，由于针对这些损耗的维修成本较高，造成了每年有大量的集装箱因箱体的完整性无法达到运输业规范的要求而“退役”。目前全球流转的集装箱逾2400万TEU，每年从运输业淘汰的集装箱逾100万TEU。这些集装箱只有少量作为二手集装箱转卖继续用于低标准的运输，大多数还是闲置在码头，一般的处理方式为回炉炼钢，但会造成严重的环境污染。事实上，这些退役集装箱的主体框架依然良好，如果可以通过转换使用方式将这些废弃集装箱应用到其他领域，将会产生很好的生态效益。

此外，运输业与经济发展的节奏有着紧密的联系，集装箱作为一种服务于运输业的载货容器，其使用与分布情况受到了东西方贸易失衡的严重影响。据统计，每年有大约3亿只集装箱在全球流转，而在这其中有26%是由中国发出的；2005年从亚洲发往美国的集装箱数量达1288万只，而在这其中只有大约454万只集装箱返回发送地，致使800多万个集装箱闲置在欧美港口。将这些集装箱空置运回出发地需要产生相应的运输成本，而由于全球经济发展的不平衡，使得在某些地区每运返一个集装箱所产生的成本比购买一个全新的集装箱还要多，因此闲置在欧美码头的集装箱有增无减。

所谓集装箱建筑，就是把回收集装箱或新集装箱作为一种建筑组件，应用到各种类型的建筑中去，换句话说，就是使用集装箱建造房屋。通过前述的两点，可以看出集装箱建筑是一种很好的废品回收利用方式，它可以为那些既难找到利用价值又占用堆放场地的闲置集装箱找到一条新的出路——建筑组件。可以说，集装箱建筑这种建造体系呼应了当前全球可持续发展这一趋势。集装箱具有坚固的结构和完整的形式，能够满足各类建筑功能对于形式与结构的要求，将集装箱作为建筑组件使用，还具有以下优点：

1. 建造浪费少。集装箱房屋与砖混结构房屋相比，砖混结构房屋的施工用水量是集装箱房屋的30倍，混凝土损耗是50倍，减少施工垃圾和装修垃圾约99%。

2. 建造成本较低。二手集装箱的价格较低，如一个40英尺的标准海运集装箱价格大概为15000元，能提供约29m²的建筑面积。而要获得相同的面积，砖混建筑的成本价格约为17400元；钢混建筑的成本价格至少为29000元。使用二手集装箱的建设成本是砖混建筑86%，是钢混建筑的52%。

3. 集装箱作为建筑组件，其标准化程度较高，具有清晰的模数化特征，能够提高设计与装配的效率。

4. 集装箱的运输与吊装十分方便快捷。集装箱能够严格适应海陆运输的要求，且箱体内还可装载其他建筑材料与构件；而针对集装箱吊装也有非常完备的技术。因此，使用集装箱建造体系能大大提升建造速度。

5. 集装箱的结构整体性好，组成的建筑坚固耐用，安全性高。集装箱建筑的承重能力达到1.7吨/平方米，抗风性达到10级，抗震等级8级，即使遇到恶劣自然灾害，箱体模块单元也不会发生粉碎性破坏。

6. 拆除简单，回收率高。集装箱建筑的拆卸对比其他结构建筑要简单许多，且拆卸下来的箱体组件还可以重复使用，回收率高达90%，大大减少了建筑垃圾的产生。

7. 有一定的耐久性。许多人认为集装箱建筑只能作为临时性过渡建筑使用，实际上集装箱建筑的使用年限可以达到30年，而通过各种维护措施，可以将集装箱建筑的使用年限提升至50年。

当然，由于受到箱体结构、材料、形式等多方面的限制，集装箱建筑也具有一定局限性，将集装箱作为建筑组件使用，必须解决以下几个方面的问题：

1. 箱体结构约束了箱体空间的体积、尺寸与形状，因此集装箱建筑在空间形式上具有一定的局限性。

2. 箱体金属外壳保温、隔热、防火性能差，需要通过对箱体外壳进行改造处理来使集装箱建筑具有足够的保温、隔热、防火性能。

3. 对吊装设备以及公路运输条件有一定的要求。

4. 作为一种新型建造体系，集装箱建筑在满足各地建筑规范的过程中可能会遇到方方面面的矛盾。此外，不少人可能对这种类型的建筑比较陌生，对集装箱建筑的接受可能需要一个过程。

集装箱建筑在建造效率、经济性以及可持续性方面的优势使得世界各地出现了越来越多的利用集装箱作为建筑组件的尝试，产生了丰富多彩的集装箱建筑。在这一过程中，开发方、设计方与承建方都突破了种种经营与技术局限，开创了各种解决问题的方法，积累了丰富的经验。随着集装箱建筑应用范围的扩大与建造手段的拓展，中国也逐渐出现了有专业的设计人员参与的集装箱建筑项目。但从目前的发展水平来看，中国的建筑设计从业人员对这种新型建造体系的了解与认识尚不够全面与深入，国内项目的设计水平不高。

集装箱建筑既有着自己的优势，也在许多方面具有其局限性。本研究以集装箱建筑设计作为研究对象，希望从设计者的角度出发，探讨集装箱建筑在功能、结构与形式上的可能性，分析集装箱建筑设计中可能遇到的各种问题，并提出相应的解决方案，让国内外的建筑设计从业人员对这种建造体系的优点与缺陷有一个更全面和深入的了解，并掌握集装箱建筑设计的基本原理，以提高集装箱建筑的设计水平。

1.2 相关领域的研究现状

1.2.1 国外针对集装箱建筑的研究状况

集装箱建筑在国外的应用已有了一定的时间，各地出现了大量的集装箱建筑项目。有人收集了这些项目的概况与图片，并将这些信息整理成书。例如 Jure Kotnik 的《集装箱建筑》（Container Architecture）就是这样一本介绍性的著作，书中虽然没有针对集装箱建筑的项目开发、设计原理或建造策略作抽象的分析与概括，但对在国外出现的一些集装箱建筑项目作了基本的介绍。

英国布莱顿大学建造环境学院的 J.D.Smith ，在2005年完成了一篇名为“Shipping Containers as Building Components”的学位论文。论文分析了使用集装箱作为建筑构件的特点与可行性，搜集了英国以及世界上的一些使用集装箱作为建筑构件的工程实例。在集装箱建筑的应用情况方面，作者汇集了一定数量的案例资料，通过图表的形式对不同规格、功能类型的集装箱在选用基础类型、与一般建造的结合程度以及在不同地段的使用情况等方面进行了整理与分析。关于集装箱建筑在应用中所遇到的政策与规范问题，论文指出，目前英国尚未有专门针对集装箱建筑的规范，但作者以英国的普通建筑规范为例，大致罗列出了集装箱建筑的设计与建造过程可能会对应到的规范条款，并从宏观上提出了应对策略。对于集装箱建筑设计的深入研究，作者使用一种计算模型测算了标准集装箱原型与加隔热层后的U值，根据结果提出了几种构造方案，并对比了这些方案中构造结构的厚度及其对内部空间尺度的影响。文章虽然没有给出实例应用或构造详图，但提出了使用何种材料与构造方式作为防潮、隔热或隔音层的设想，并附上了产品说明书。

国外的设计人员在集装箱建筑的尝试与探索中积累了不少宝贵的经验，一些从事集装箱建筑设计的机构与个人在实践的基础上总结了集装箱建筑设计的方法与步骤，出版了一系列指导建筑师进行集装箱建筑设计的书籍。这类著作包括由 Alastair Gordon 与 Adam Kalkin 等人共同写作的“Quick Build: Adam Kalkin's ABC of Container Architecture”、由 H.Slawik 写作的“Container Atlas: A Practical Guide to Container Architecture”以及由 Paul Sawyers 写作的“Intermodal Shipping Container Small Steel Buildings”等书籍。

可以看到，国外针对集装箱建筑的研究不仅有概括性的介绍，也出现了较为深入的设计与建造策略研究，这些研究涉及到了集装箱建筑的设计与建造过程中可能碰到的多方面问题。

1.2.2 国内针对集装箱建筑的研究状况

相对于国外，国内针对集装箱建筑的研究大多数停留在对概念的解释以及对现象的观察上，不少文章从集装箱建筑的特点与应用概况上介绍了这种建造体系。如由天津大学建筑学院的贡小雷和张玉坤发表的文章“集装箱的建筑改造——一种可持续建筑的发展尝试”，文章概括性地介绍了集装箱建筑的特点，集装箱建筑在世界上的应用现状，以及一些工程实例和先锋建筑师的尝试，简单说明了集装箱建筑的技术改造特点，展望了集装箱建筑在中国的发展前景。

在设计研究方面，香港中文大学建筑学系的柏庭卫、顾大庆、胡佩玲的著作《香港集装箱建筑》介绍了香港的民间对集装箱建筑的应用。香港繁忙的港口的集装箱吞吐量居世界之冠，人们利用集装箱自发地进行了许多建设，这些在民间广泛采用集装箱作为临时性建筑的做法与其他地区有很大的不同。作者搜集了大量香港的集装箱建筑案例，这些没有建筑师参与的民间建筑展现出了组合上的无限可能性以及简洁的美学。在此基础上，作者对这些案例进行了系统的整理，探究了集装箱建筑的基本建造原理、组合变化以及形式类型等等。由于书中收集的案例多为临时性的简易建筑，因此对细部构造的研究并没有被纳入此书的内容当中。由于集装箱建筑在国内成规模的应用尚不算多，参与的设计人员较少，因此目前对此类针对集装箱建筑设计方面的研究是比较缺乏的。

在解决集装箱建筑在建造中所遇到的难题方面，有哈尔滨工业大学查晓雄、王璐璐、钟善桐发表的文章“构建多层集装箱改造房的方法及确保其安全性实用公式推导”，文章从建筑和结构两个方面对这一新兴的钢结构房屋进行了研究。一方面给出了以常见的用于改造的两种集装箱模块为基础的建筑组合原则；另一方面通过对集装箱模块的合理简化得出了在建筑理论限定范围内在竖向荷载下随意搭建的多层集装箱房屋中任意柱子的轴力计算公式和保证其在水平荷载作用下的稳定性的侧移计算公式。

另外，张玉津的两篇文章：“集装箱式活动房围护结构的保温设计”和“严寒地区集装箱式活动房的热工性能”，针对集装箱围护结构的热工性能处理进行了讨论。

从国内研究的现状可以看到，国内对于集装箱建筑的设计分析较少，缺乏全面、系统的设计研究。虽然出现了一些针对集装箱的结构安全以及箱体热工性能的讨论，但目前缺乏将此类建造问题与建筑的功能与形式设计结合起来分析的文献。