改造废旧二手集装箱房屋的构造安全研究(3)

2013年4月22日

1.2 课题的目的和意义

将集装箱改造成房屋是如今很流行并且倡导节能环保的举措，但是这种房屋是否能持续发展还存在很多问题。

1）现有的集装箱房屋大都趋于规整，造型呆板统一，无非是集装箱模块的重复累积，这种房子多了不会对城市美化起到作用，也不会吸引更多的人去购买，即使便宜，更多的人还是很追求个性的。虽然有些建筑师对集装箱房屋进行过创新设计，但还是局限于自己要设计的单个建筑，没有人对这一类建筑进行更好的实用性的总结，以便指导人们如何合理的组合集装箱模块来实现自己满意的建筑造型。

2) 集装箱房屋的成本低的确可以缓解高房价给人们带来的压力，但是这种房屋还没有相关的规范来保证其安全性，仅仅作为临时住所和移动设施还是可以接受，但是作为民用建筑使用还是很难让人们放心。

3）现在世界上比较著名的集装箱建筑中大多数的安全性还是无法合理验证的，这与集装箱特殊的结构形式有关。就说世界上最高的集装箱建筑 Freitag 旗舰店，到现在人们对其安全性还是争论不休。

针对上面的问题，本文展开研究并得出合理的解决方法。

1.3 国内外研究现状

20世纪后期出现了有关集装箱房屋的专利，如1986年美国的 modular container system 和1989年 method for converting one or more steel shipping containers into a habitable building at the building site and the product thereof 中从实现建筑功能上提出了针对于单个集装箱的改造方法。

目前世界上最权威的关于废旧二手集装箱改造的书籍是 Intermodal shipping container small steel structure，这本书给出针对于由2-4个集装箱模块组合成的小型集装箱房屋实用的改造方法，从基础的选择、空间的扩展、集装箱模块的连接等方面进行的详细的介绍，同时也提出了规则的建筑造型是最安全的。

在建筑理论方面最突出的著作就是柏庭卫的《香港集装箱建筑》，这本书着眼于香港的集装箱房屋的房展情况，对所有涉及到集装箱参与的房屋进行归类总结，包括集装箱作为主体结构和集装箱作为补充结构或次要结构。书中将集装箱建筑定义为集装箱和附属结构组合成的整体。

中集集团是国际上最大的集装箱供应商，也是在集装箱房屋领域具有领先技术的集团。他们的研发团队提出了模块化的建筑理念，将内部改造好的集装箱模块进行规则排列，角件之间连接牢固形成整体，将多个集装箱模块进行并置打通其中间隔墙进行空间扩展是主要的两个方面。

2005年6月 Brighton 大学建筑环境专业的 J.D.Smith 发表的论文 shipping container as building components 对英国的集装箱房屋发展的现状进行了社会调查，提出了解决集装箱房屋最重要的是解决它的保温问题。

国内关于集装箱房屋的研究更少，仅在青岛建工大学的校报上发现了2009年的一篇论文，名为“集装箱建筑的应用与探索——从青岛积米涯渔人码头概念规划说起”，这篇文章通过对集装箱建筑的发展现状进行分析，提出了集装箱建筑自身的优越性为：低成本，可移动和标准化设计，同时也希望专业人士能抛开这些表观的优势对集装箱房屋进行更深入的研究。

1.4 本文研究的内容

现在对废旧二手集装箱房屋的研究属于建筑学和结构工程两个学科交叉领域，而现在从事此方面的研究主要是建筑师，建筑学和结构工程脱节，仅仅在于实现基本建筑功能和建筑规划方面，而且十分浅显和概括。由于没有结构安全人员的指导和配合，没有更加具体的建筑改造理论和确保结构安全的相关方法，使这种特殊钢结构房屋使用存在局限性。所以本文研究的主要内容，将建筑学和结构工程两领域结合起来一起研究，形成有机的整体。建筑改造包括建筑功能的改造和建筑造型理论的提出；结构改造部分从结构受力分析的角度对之前得到的集装箱模块的组合理论进行限定，从安全的角度出发得到合理的实现多样建筑造型的方法。具体内容如下：

(1) 基于建筑学要求，总结出安全实用的搭建错层集装箱房屋的指导理论，该理论以充分考虑单个废旧二手集装箱作为主体结构，通过加上少量必要加固构件组成各种复杂美观的建筑体系。

(2) 基于结构安全性原理，从竖向荷载和横向荷载两个角度来研究多层集装箱房屋应该满足的条件，得到指导确定多层集装箱房屋初步设计方案的简化公式。

(3) 用有限元软件进行建模分析，钢框架用梁单元建，维护板用壳单元。建模时也涉及到波纹板向各向异性板的转化问题。通过建立2个具有代表性的多层集装箱房屋来验证之前得到的理论和公式。

第2章集装箱房屋基于建筑功能的理论研究

2.1 引言

集装箱单元体(集装箱模块)的设计和制造依循统一的国际标准，实际的集装箱尺寸可以根据不同的货运要求而制定，但必须符合标准的模度。通用的集装箱尺寸主要有20ft(6058mm)和40ft(12196mm)两种，集装箱的高度大约在2.5m左右，不同的集装箱高度略有一些差别，但是集装箱的宽度是完全一致的，为2.438m。

建筑方面，大多数常用的集装箱房屋的搭建模式还是统一于集装箱传统的堆放形式，这种方式的好处有两点：

1）造型简单规则，受力分析容易；

2）充分发挥集装箱固有的优势，绝对安全。

但是如果这样发展下去，集装箱建筑出现的场所就与码头集装箱堆场是一样的，而且这样没有建筑特色的造型也不会吸引更多的人去选择，应用的范围也许就与活动板房相同了。所以需要根据建筑艺术和安全可靠共同提出合理的建筑改造方案。

除此之外，集装箱作为运输货物的柜子的时候具有几个特点在作为居住的场所时是不适用的：

1) 完全的钢结构体系，保温隔热性能相当差；

2) 完全密闭的空间，排水性能差；

3) 单个集装箱只有2.438m宽，使用空间十分局限；

4) 完全封闭的空间，采光通风性能差。

其实还有很多，但是我们发现最基本的需要满足的居住功能集装箱本身是提供不了的，需要改造的方面也体现在这些方面。

因此在研究建筑改造理论时主要针对上述方面，一个是实现合理多样建筑造型的原则，另一个是满足建筑功能。

2.2 建筑构造原理

2.2.1 模块化组合原则

集装箱作为构成建筑体系的模块，为实现美观多样的建筑外型和营造灵活的使用空间，不能拘泥于其原有的叠放形式。所以我们通过对大量的实例进行分析总结，提出集装箱房屋的模块化组合实用原则。对于两个长方体模块相互组合的形式有上千种，但是本文只是针对于通常情况定性的分析而不是定量的分析。

废旧二手集装箱房屋模块式组合结构形式，采用统一规格的长方体模块进行堆积，同种尺寸的即集装箱组合在一起更规整，保证建筑单元的统一性。模块的摆放基本形式分为对接和叠加两种，集装箱之间空间上基本结合采用平行和正交两种，基本形式有如图 2-1 所示8种。

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图 2-1 集装箱模块组合示意图

这个图所展示的不是一个模块或两个模块的问题，而是以最简洁抽象的形式表示出在错层集装箱房屋中集装箱模块之间的相互位置关系和如何有效拓展使用空间的方法。

2.2.1.1 基本组合原则

图 a)~d)是传统的摆放形式(与集装箱作为运输货物的柜子的时候是一样的)，简单、规则、安全。图 a)~c)中的集装箱处于并置关系，可以通过打通模块之间的接触面来实现空间的扩展形成整体，集装箱模块之间具有相关性，不再是孤立的个体；而图 d)就是单个的集装箱模块，就是孤立的个体，说明即使周围还存在其他的集装箱模块，但是集装箱模块之间没有任何关系，能利用的空间就是自身内部有限的空间，所以就算是自成整体。

2.2.1.2 拓展组合原则

图 e)~h)四种摆放形式是对使用空间的进一步拓展，不仅仅充分利用内部的空间，通过平面和立面上的错位使集装箱模块之间产生了包容空间，这种包容空间也属于有效的使用空间，可以灵活使用的。不过对于图 e)和 f)存在极大的安全问题，因为这两种堆放形式完全违背了集装箱最适合的规则性，是研究的重点对象。

所以集装箱房屋多样的造型就是如上图a)~h)基本形式的扩展或结合。

注意：集装箱的角柱不会直接落在集装箱的顶板上，所以还有一些可能的组合形式被排除。