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当代集装箱建筑模块化设计策略研究(23)
2013年4月5日
第七章 集装箱建筑的结构组成及其安全性设计
结构是建筑的一大要素之一，任何建筑物都必须具有稳固、安全的结构。建筑的结构设计涉及到组成结构的基本单元组件的材料与形式，每一种结构体系都具有不同的受力特点与构成方法。使用不同的结构体系所生成的建筑空间，在具有其自身独特的优越性的同时，也必然具有一定的局限性。作为建筑师，在使用集装箱结构体系进行设计时，必须对集装箱结构的优越性与局限性具有充分的理解，才能将集装箱结构体系的特点与建筑功能的要求协调好，充分发挥集装箱结构的优越性，避开其局限性。
集装箱是一种针对运输使用而设计产品，将这种产品作为建筑组件使用，必须考虑其结构强度是否满足建筑用途的要求。此外，在集装箱建筑中，集装箱需要结合其他的构件或结构体系才能创造出更加丰富多样的功能与形式，这就涉及到集装箱这种建筑组件与其他组件的协调与配合。本章将介绍集装箱的结构特点，分析在箱体开洞和上下箱体不对齐搭接的情况下如何保证集装箱建筑的结构稳定与安全，另外还将讨论集装箱模块与其他结构组件之间的结合问题。
7.1 集装箱的结构特点
组成集装箱的主要构件包括耐候钢板、钢梁、钢柱以及角件等，其结构是由框架与钢板共同形成的整体结构，具有很高的抗压、抗弯能力（图 7-1）。集装箱作为运输容器在码头或轮船上堆积时，为节省用地通常采用多层叠置的方式，标准集装箱装上货物后可堆放至6-8层的高度。多箱体上下叠置时的垂直荷载主要由集装箱的4根角柱承担。
图 7-1 单箱体的组成部分
集装箱箱体的设计强度能够抵御很强的冲击与荷载，集装箱的结构设计强度要大于一般建筑的结构设计强度，因此，完整的集装箱能够较好地满足建筑结构对强度的要求。然而在实际操作中主要有两种情况可能会削弱箱体的结构强度，对结构安全造成隐患。
一方面，在集装箱建筑中，箱体的搭接方式往往不同于码头集装箱上下对齐的规则堆放，运输集装箱的堆放通常采用上下箱体的4根角柱对齐的方式，竖向荷载主要通过角柱来传递。而集装箱建筑为使功能、空间以及形体的组合产生一定的变化，常常需要通过多个箱体之间的错动、交叉或悬挑等方式进行搭接，这时竖向荷载可能作用在除角柱外的其他部位上，这些部位未必具备和角柱一样的承载能力，因此可能造成结构的失稳。
另一方面，运输中的集装箱都具有完整的箱体结构，而将集装箱作为建筑组件使用时，往往需要对箱体外壳进行开洞处理，这时箱体结构的整体性会受到一定程度的破坏。尤其是需要移除整面侧墙来拓展空间时，会大大削弱集装箱模块的抗弯和抗剪能力，如果不进行加固处理，会对箱体模块的起吊与平日使用造成安全隐患。
由于上述的两种情况在集装箱建筑中极为常见，因此作为集装箱建筑的设计人员，必须掌握应对这两种情况的解决办法，以保证集装箱建筑的结构稳定与安全。
7.2 箱体开口部位的设计原则与加固措施
将集装箱作为建筑组件使用需要在箱体上开设门窗等洞口，有时甚至需要移除整面侧墙使箱体内部空间得以延伸与拓展，这些处理都会破坏集装箱箱体结构的整体性，为保证结构的安全，常常需要对箱体开口进行加固，集装箱箱体的开口以及加固处理需要遵循以下的原则：
1. 控制开口的数量、大小与形状。很明显，开口的数量越多，面积越大，对箱体结构的影响就越大，为尽量保持箱体结构的完整，减轻开设洞口对箱体抗剪与抗弯性能的削弱，应当尽量减少开口的数量与面积。此外，根据箱体模块的受力特点，在条件允许的情况下，开窗形式应首选竖向条窗，以减轻对箱体抗弯与抗剪能力的削弱（图 7-2）。
图 7-2 集装箱上的竖向条形窗
2. 由于箱体横向截面的宽度比纵向截面的宽度要小，横梁比纵梁短，在两端山墙面上开洞对结构整体稳定性的影响要弱于在侧墙面上开洞，因此，在可以选择的情况下，可以首先考虑在山墙面上开设洞口（图 7-3）。
图7-3 集装箱山墙面上的落地窗
3. 当在箱体墙面上开口时，需要在开口四周设置钢框加固，钢框一般由矩形或 L 形槽钢制成。如果开口面积很大，还需根据开口的尺寸以及屋面荷载、风荷载决定是否需要设置梁、柱等支撑构件（图 7-4、7-5）。
图 7-4 箱体结构的失稳
图 7-5 箱体大面积开洞的加固措施
4. 在室内空间尺寸允许的情况下，在靠近梁、柱的部位，开口的切割最好留下100～200mm宽的的边缘，这样做可以优化洞口的强度与整体性。否则需要根据情况增设横梁或增大原有横梁的截面高度。凸出的边缘可用吊顶与架空地板遮盖。
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