改造废旧二手集装箱房屋的构造安全研究(完)

2013年4月23日

2.3.4 保温

集装箱用于居住，首先要解决的是保温隔热的问题。集装箱可以采用的保温形式有两种：内保温体系和外保温体系。外保温体系不会占用有限的内部空间，但是要解决外层防腐的问题，成本较高；由于集装箱的外皮采用的是耐候结构钢，防腐性能好，所以在采用内保温体系时就不涉及防腐层的设置，但是会占用内部空间，不过我们从经济和集装箱改造成活动房屋后要继续参与运输的角度考虑还是选择内保温体系。

2.3.4.1 聚氨酯发泡内保温系统

聚氨酯泡沫塑料是国际上公认的性能最好的保温隔热材料，聚氨酯硬泡的闭孔率大于92%使其同时具备保温、防水、隔音、吸振等诸多功能。保温性能尤为卓越，是所有建材中导热系数最低，热阻值最高的材料。它不但可以作为芯材，也可采用现场整体发泡来制造，是整体密封性好，从而提高了保温效果。如下从几个方面将主要的建筑保温板进行比较可见发泡聚氨酯的优越性。

表 2-6 三种建筑保温板的性能比较表

	发泡聚氨酯	XPS 板（挤塑板）	EPS 板（苯板）
保温效果	最好	次之	最差
耐冷热性能	最好	次之	最差
吸水率	次之	最低	易吸水
使用寿命	最长	次之	最差

聚氨酯泡沫塑料发泡工艺较为简单，只要将A料（组合聚醚）和B料(PAPI)按1.1：1的比例进行拌合搅拌，再注入泡枪内进行发泡，再发泡过程中有温度要求和脱模时间要求，但比较好把握。A料10500元/吨，B料8500元/吨混合后9548元/吨，我国生产的聚氨酯泡沫塑料一般是0.06t/m³，加上人工和消耗一般为550元/m³。

聚氨酯内保温体系适用于任何形式的箱体，具体优势如下：

1) 保温性能好：聚氨酯硬泡的热传递系数≤0.024W/(m²·K)，模压注射聚氨酯硬泡能适应各种形状截面，形成连续有效的保温层，避免空气通过缝隙或空腔流通而产生冷(热)桥现象。

2) 粘附力强：模压注射聚氨酯硬泡能箱体，内墙装饰板有效结合，即使在最不利的温度湿度以及自重，正常碰撞等诸多因素的影响下，保温层仍保持稳定性，不出现箱体与内墙装饰版的分离，脱落现象。

3) 抗裂性能好：聚氨酯硬泡是一个柔性较好的材料，抗外界变形能力强，在外力，温度湿度等变形作用下，不易发生裂缝。

4) 防火性能好：由于聚氨酯硬泡属于闭孔结构，闭孔率90﹪，吸水率≤4﹪，能很好的阻断水和水蒸气的渗透，使保温系统长期稳定的保持绝热状态。

5) 施工便捷：模压注射的施工可以进行机械化作业，效率高，能够全方位的保证复杂部位的保温效果。

6) 环保：聚氨酯硬泡是三围热固交联材料，其发泡剂可用无氟或半氟型的，化学稳定性高，不会产生有害气体。

7) 耐腐蚀，耐老化，耐寒且电绝缘性好：除弄强酸和氧化剂外聚氨酯硬泡塑料能耐大多数有机溶剂和稀浓度的酸碱溶液的腐蚀；不会霉变和腐烂，不易降解抗老化，在110℃下可使用30年左右，在150℃下可使用20年左右，在-30℃下尺寸变化率小于1％；耐低温性能好，能达到一定的阻燃性。

2.3.4.2 石膏板

石膏板也是集装箱房屋常用的保温材料，在国外集装箱主要的内保温体系首选发泡聚氨酯和石膏板，除了质轻、保温隔热、防火、隔音、环保等基本性能外，最主要的应用原因有两点：

1) 装饰功能好：纸面石膏板表面平整，板与板之间通过接缝处理形成无缝表面，表面可直接进行装饰。

2) 舒适的居住功能：由于石膏板的孔隙率较大，并且孔结构分布适当，所以具有较高的透气性能。当室内湿度较高时，可吸湿，而当空气干燥时，又可放出一部分水分，因而对室内湿度起到一定的调节作用，国外将纸面石膏板的这种功能称为“呼吸”功能，正是由于石膏板具有这种独特的“呼吸”性能，可在一定范围内调节室内湿度，使居住条件更舒适。

当然在价格方面发泡聚氨酯要贵些，所以用石膏板是比较经济的做法。

2.3.5 其他

2.3.5.1 排水和供暖管道

屋面排水系统和管道线路布置

加屋顶的确有助于排水，对于形式规则的集装箱房屋，排水管的布置还是很简单的。如图 2-11，管道可以布置在底横梁上，贯穿于底横梁上的预留空洞中，也可以把管道铺设在集装箱的底板上，上面再铺设架空的地板将管道隐蔽在架空层中，如图 2-11 所示。

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图 2-11 管道布置图

2.3.5.2 节能

如下图所示，通过在屋顶安装太阳能电池板来为活动房屋供能，如图 2-12a)，在屋面上种植花草用来吸收太阳的热量，可以保证室内凉爽,如图 2-12b)。

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图 2-12 节能做法示意图

2.4 本章小结

本章从建筑造型的选择和建筑功能的实现两个方面介绍了如何将废旧二手集装箱改造成即造型美观又能满足居住舒适度的集装箱房屋方法。本章是从集装箱建筑的发展现状出发，将本来没有规律的集装箱模块组合方式加以条件限制得到集装箱模块的组合造型理论。对于相对不安全的因素进行加固处理。同时也总结了如何将一个完全不适合居住的铁盒子经过去掉和填充一些材料变为具有居住功能的房屋的常用方法。本章用了大量的实例图和解说图将理论更形象的表现出来，易看易懂，在这些理论的指导下，一个不懂建筑结构的人也完全可以放心的去建造自己理想的集装箱房屋。

结论

本文对一种近些年来新兴的一种房屋结构体系——废旧二手集装箱房屋展开研究，首先阐述了这种房屋的发展现状，分析了这种房屋的优越性和局限性，从而提出本课题研究的重点，也是要改造的重点。接下来从建筑改造和结构改造两个方面得出了具体的改造理论。建筑改造方面主要针对废旧二手集装箱房屋要立足于民用建筑领域要解决的造型单一的问题，同时包括现在流行的用来实现建筑功能的方法的总结，这部分完全可以作为一个建筑改造手册来参考。结构改造主要针对实现了复杂建筑造型和大空间后带来的结构安全隐患问题，为了使提出的多层废旧二手集装箱房屋的设计方案更安全可靠，我们必须从结构安全的角度入手分析这种特殊的结构体系，从竖向荷载和横向荷载两个方面对这种结构进行简化静力分析，得到使设计方案更合理化的安全验证公式，在这些公式的指导下结合第二章的建筑改造理论就很容易得到即满足了美观的立面造型又可以保证安全性的多层集装箱房屋的设计方案。当然，在修正结构改造公式中相关系数和验证公式的有效时用到了有限元软件 Abaqus，集装箱的钢框架中的梁和柱用三维梁单元建模，维护的钢板用三维壳单元建模分析，模拟值和公式值相差不多，结果比较理想。在如上的研究工作过程中得到了一些有价值的结论，分为一下几点：

(1) 通过对国内外已有集装箱房屋进行分析研究得出通常用来改造的集装箱模块有20ft和40ft两种规格，在实现复杂建筑造型的时候集装箱模块之间的不规则摆放形式主要有平行错位和正交叠加两种，而且不同规格的集装箱模块不会混合搭建集装箱房屋。

(2) 多层废旧二手集装箱房屋经过建筑改造后存在的安全隐患主要有两点：一是集装箱模块的不规则组合改变了原有集装箱多层堆码时的竖向荷载的传力路径——完全靠角柱传递；二是为了实现建筑功能要对集装箱的维护钢板进行不同程度的开洞，如采光通风要开小的门窗洞，扩展空间要将整块板都去掉，这样就破坏了集装箱自身的结构形式——柜体结构，在横向荷载作用下有原先完全靠板来抗侧变为由开洞板或直接有框架来抗侧，这样安全性就会下降。

(3) 在进行竖向荷载作用下结构安全性分析时得到集装箱的上长梁很弱，角柱很强，在集装箱模块不规则组合时，当上层集装箱模块的角柱或下长梁与下层集装箱模块的下长梁接触时就要在相应位置加支撑柱；20英尺的集装箱模块在完全去掉侧面板后要在侧面框架内至少加一个支撑柱，相同情况下40英尺的集装箱模块要至少加两个支撑柱；当集装箱模块的外悬部分超过1.8m左右时就要加外部支撑柱，当超过了4.8m后就要设置桁架支撑。

(4) 在竖向荷载作用下选用的分析模型是集装箱的钢框架，原因是通过分析集装箱的维护板是波纹板，平面内的抗剪能力很强而平面外的抗弯能力比较弱，不做为竖向荷载传递的主要构件，当上长梁作用很大的集中力时无论有没有板都要假设支撑柱。

(5) 对于40英尺的集装箱主要应用于大型建筑，在竖向荷载作用下主要的传力构件是柱子(支撑柱和角柱)，所以在假定了两种合理的支撑布置方式的基础上推导出由40英尺集装箱模块搭建的多层不规则集装箱房屋中任意位置柱子的轴力公式，通过这个公式可以指导设计不同位置支撑柱的截面。

(6) 影响横向荷载作用下多层集装箱房屋安全性的因素就是在维护钢板上不同程度的开洞。验证了不能将废旧二手集装箱房屋等同于普通箱型房，普通箱型房或活动板房可以认为是框架结构，板只是个填充作为安全储备，而集装箱不是，它本身是个柜体结构，板起到了很大的作用，当仅用集装箱的钢框架来抵抗10级风荷载时，单层单个集装箱模块都很难满足变形限值，更不用说多层。于是板的开洞直接影响结构的抗侧能力。

(7) 对集装箱的波纹板进行简化分析，以单位波形为单位将波纹板分割成若干条细长的板带进行分析。对于长宽比在1到5之间的板来说在横向荷载作用下主要以剪切变形为主，而变为细长的板带后就一弯曲变形为主，所以我们用板带的剪切刚度等效为抗弯刚度，对板带的抗弯刚度公式进行修正，这样就把一块波纹板等效成若干个假想柱的形式进行分析，在分析开洞的时候根据开洞面积的不同对假想柱进行不同程度的截断得到了波纹板开洞对板的抗侧刚度的影响规律公式。之后用有限元软件验证欧洲规范中的15％开洞面积对蒙皮效应削减剧烈问题，对已得公式进行修正。根据这个公式我们可以对错层不规则集装箱房屋进行合理开洞。

(8) 用有限元软件建模对公式进行验证时，选取了现实中已有的集装箱建筑的一部分，分别是西班牙的 PumaCity 和英国的 ContainerCity。验证了竖向荷载作用下简化模型的荷载分布和轴力公式，10级风荷载作用下结构的侧移公式，模拟和公式值进行比较，误差控制在10％以内，比较理想。