模塊化集成型箱式活動房的可持續設計與發展

馬 未 劉 鑫 王小安 王慶春

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；

2. 上海高大結構建造工藝與裝備工程技術研究中心 上海 201114；

3. 上海建工裝備工程有限公司 上海 200120

2020年的春節，火神山醫院開始動工，僅僅耗時10 d便急速建成一座應急傳染病醫院，彰顯了中國速度。中國速度來源于各參與單位的通力合作，來源于高效的組織力和執行力，以及主體結構中箱式房的大量使用。不同于2003年小湯山醫院采用的活動板房，此次火神山醫院采用的是模塊化集成型箱式活動房。

模塊化集成型箱式活動房是一種能夠有效減少建筑垃圾排放，極大改善施工現場員工工作及生活環境，大幅提升在建工程工地現場臨時設施的標準化程度及文明施工水平的臨建設施。從小湯山到火神山，我國臨時建筑設施的變革與發展是明顯的。而從活動板房到模塊化集成型箱式活動房的演變過程，也是箱式房可持續設計與發展的一種表現[1-3]。

1 可持續設計體系

箱式房的可持續設計體系是一種“以人為本”的設計體系，其發展是循序漸進的，是持續創新的，是隨著社會和環境的發展而不斷變化的。根據實際應用中產生的問題，改進原有的設計，達到可持續發展的目的。從本質上來講，它表現為3個方面，即制造特性、應用特性和科技特性。以制造特性來說，它尋求的是一種生產加工和使用上的便捷性，使得箱式房生產和使用能夠被持續優化；就應用特性而言，它是在盡量不犧牲箱式房使用功能的前提下，不斷提升箱式房消費者的舒適程度和感官體驗，使箱式房得以被消費者持續使用；而以科技特性來看，它不僅僅要求使用更潔凈的能源技術，還要求盡可能減少能源的損耗，使得箱式房能夠符合社會持續發展和綠色節能的 需要。

2 箱式房的可持續設計與優化

2.1 箱式房的結構組成

模塊化集成型箱式活動房是一種可移動、可重復使用的臨時建筑設施，如圖1所示。其單元模塊主要由頂框、底框、角柱、墻板、門窗等組成。采用模數化設計，并以每個獨立箱體為基本單元，可單獨使用，也可通過不同的組合排列方式合并成較大空間。

2.2 箱式房的功能特點

模塊化集成型箱式活動房一般用于臨時用房、野外作業用房或者是緊急用房。基于綠色施工理念，模塊化集成型箱式活動房需要具備標準化設計、工廠化生產、現場快速組裝和整體轉運等特征。相比于傳統的活動板房或者集裝箱改制房，模塊化集成型箱式活動房的優點如下：

1）模塊化設計和生產。箱式房各主要單元構件使用輕質型鋼制成，通過廠內成批量的加工成標準構件，再焊接或者拼接成標準模塊，結構簡單且具有互換性。

2）材料延性好、塑性變形能力強。所采用的輕質型鋼強度高且自重小，抗風、抗震性能優秀。

3）運輸和使用便利。在工廠預制生產好的構件可以在廠內拼裝好后再運輸至現場，距離較遠或者數量較多時，可以采用扁平化運輸至現場快速拼裝即可。同時，倉儲也可以采取扁平化存儲，同一空間內可以存儲更多產品。

4）隔熱、防潮、防水、密封等性能較好。各種配套設施和裝修可以在廠內配置加工好，現場拼裝好后，僅需外接電源便可立即使用，避免現場裝修引起的漏水、透風等質量問題。

5）節能環保。裝飾裝修全部于工廠預制完成，減少進場和周轉過程中的損耗與建筑垃圾排放。同時，良好的互換性和循環使用率也減少了產品短時間內更替的頻次，減少資源的浪費。

2.3 箱式房的材料選用

模塊化集成型箱式房作為一個可住人的臨時建筑物，需要考慮產品本身的功能、配置、美觀性等設計要求，其結構設計和材料的選用占據著非常重要的位置，直接影響著模塊化集成型箱式房的成本、質量和美觀程度。

現階段模塊化集成型箱式房的材料選擇需要遵循可持續設計的原則，特別需要注意以下兩點。

2.3.1 材料綠色化

材料綠色化不單單是指使用具備綠色屬性的材料，即在設計中選擇環保型與天然材料，還表現在不影響基本功能與強度的前提下通過減少材料的使用，又或者是避免材料的低利用率，以此來減少材料浪費。

在以往箱式房的結構設計中，主體框架的傳統做法是采用標準型鋼焊接或者螺栓拼接而成。這些材料雖然比較常見，但是往往自重比較大。經過不斷的實踐和應用，將模塊化集成型箱式房的材料從原先的標準型鋼替換成了冷彎薄壁型鋼。

冷彎薄壁型鋼是一種以高強冷軋鍍鋅鋼板為原材料，在冷狀態下加工形成各種斷面形狀的成品鋼材。當截面積相同時，它比標準型鋼具有更大的回轉半徑和慣性矩。根據測算，同樣的截面，冷彎薄壁型鋼的回轉半徑可增大50%～80%，慣性矩可增大50%～150%。另外，在成形過程中，通過冷彎效應也可以使強度提高、塑性降低，以較低的鋼材用量承受較大的載荷。通過冷彎效應后的設計強度可以提高10%～15%，可以作為設計中的強度儲備。

同時，作為一種高效截面型鋼，在需要承受較大載荷時，不同于標準型鋼需要通過增大截面面積來提供較大的載荷承載力，冷彎薄壁型鋼可以通過改變截面形狀的方法來獲得較大的承載力。同時，由于現代軋制技術的發展，冷彎薄壁型鋼可以加工成各種復雜的截面造型，并且在實際工程的應用中，這種復雜截面的冷彎薄壁型鋼構件由于折邊和加勁措施的存在，其局部屈曲承載力遠大于傳統的截面形式，受力性能更好。

另外，由于可以加工成各種復雜的截面造型，在箱式房一些功能性構件的設計時，可以直接使用冷彎薄壁型鋼一次成形完成構件加工，不需要另外增加輔助結構。如圖2所示，在模塊化集成型箱式活動房的橫梁制作中，如果需要讓其具備排水功能，傳統的型鋼需要在外側增加排水溝，而采用冷彎薄壁型鋼可以一體成形，既美觀又能滿足功能性的要求。

圖1 模塊化集成型箱式房結構組成

圖2 橫梁截面示意

2.3.2 材料功能化

箱式房要想達到保溫、隔熱、隔聲的效果，其圍護結構材料的選擇至關重要。目前，箱式房常用的圍護結構為彩鋼夾心板，一般以彩色涂層的鋼板為兩側板材，主要起到防腐和耐磨等作用；以聚氨酯泡沫、聚苯乙烯等有機泡沫保溫材料或者巖棉、玻璃棉等無機保溫材料為保溫芯材，主要起到保溫、防火、防潮等作用。

傳統的涂層鋼板經過長時間日曬雨淋容易剝落、生銹，不僅影響美觀，其維護成本也會相應增加。而為了不斷改善使用者的感官體驗，采用陽極氧化鋁板代替原有的彩鋼板，使圍護結構可以充分發揮鋁合金板密度小、質量輕、強度大的特點，并且陽極氧化后的氧化膜非常穩定，可長期處于太陽光線下不變色、不腐蝕、不氧化、不生銹，不會輕易與鋁合金金屬分離，有著自潔功能，維護成本極低，而且能夠較好地起到防腐和耐磨的作用。

對于芯材的選用，如圖3所示，在原有保溫芯材的基礎上，增加改性酚醛泡沫進行封邊，不僅保留了原有芯材在防火、保溫、隔熱和吸聲等方面的特性，還充分發揮了改性酚醛泡沫密閉性好、強度高、吸水率低等優點。

2.4 制作加工

模塊化集成型箱式活動房結構件的制作加工通常采用連續輥彎成形、拉拔彎曲成形、沖壓折彎成形等方法，把卷材、帶材等金屬板帶不斷地進行橫向彎曲，加工制造出熱軋方法難以生產的各種特定斷面的型材和板材。

2.4.1 頂框結構

頂框結構四周橫、縱頂梁采用厚4 mm鍍鋅板制成的特殊截面梁與角件焊接，次梁采用80 mm×40 mm× 15 mm×2.5 mm的C形槽焊接或拼接在橫、縱梁之間。如圖4所示，在C形槽Ⅰ上下分別設置有屋面板和保溫層隔板，2層板之間填充保溫材料。在C形槽Ⅱ下端安裝吊頂板，并在接縫處做防水處理。

圖3 保溫芯材結構示意

圖4 頂框結構示意

2.4.2 底框結構

底框結構四周橫、縱底梁采用厚4 mm鍍鋅板制成的特殊截面梁與角件焊接，次梁同樣采用80 mm×40 mm× 15 mm×2.5 mm的C形槽焊接或拼接在橫、縱梁之間。如圖5所示，在C形槽上部鋪設厚0.5 mm鋼板，用鉚釘錨固，再鋪設厚16 mm的承重基層，最后可根據實際需求加裝厚橡膠板或其他材質的地板；C形槽下部設置有防潮板，同樣在接縫處做防水處理。在防潮板和厚0.5 mm鋼板之間填充保溫材料。

圖5 底框結構示意

2.4.3 角柱

4根角柱采用厚4 mm鍍鋅折邊件，兩頭焊接連接板并磨平去毛刺。由于角柱需要具備互換性，故制作時需要保證角柱的垂直度和尺寸。

2.4.4 墻板

墻板采用厚75 mm的夾心保溫板。內外兩側金屬板采用陽極氧化鋁板，內側金屬板氧化膜厚約3 μm，外側金屬板氧化膜厚約10 μm，經陽極氧化后表面硬度可達到100～ 200 HV，熔點高達2 320 ℃。芯材由內外兩部分構成，內部為傳統巖棉保溫塊拼接排列，四周采用改性酚醛保溫塊進行封邊，各保溫塊之間間隙采用阻燃泡沫填滿。兩側板與保溫層之間使用環氧樹脂或聚氨酯類黏結劑黏合。

如圖6所示，墻板兩側連接口采用企口形式，一端為凹槽，一端為凸臺，接觸表面為斜面接觸。每塊接口處酚醛保溫塊可不完全封閉，需要陽極氧化鋁板進行卷邊處理增加強度，凹槽處卷邊與酚醛保溫塊齊平，凸臺處的卷邊略超出酚醛保溫塊一些。

圖6 墻板企口結構示意

2.4.5 打磨和油漆

所有焊接完成的半成品構件均需對焊縫和邊緣進行打磨和去毛刺。油漆需滿足防腐防銹要求：底框2遍底漆防腐防銹，頂框和角柱1遍底漆防腐防銹；底漆完成后，所有構件需要再完成1遍面漆和1遍清漆。

2.5 施工應用

2.5.1 扁平化存儲及運輸

當模塊化集成型箱式房生產加工完成后，將角柱和墻板整齊排列在底框內，底框四個角件上部用短角柱固定撐起后，將頂框固定在短角柱上，形成一個扁平化的整體，既便于儲存也便于運輸，大大縮減了存儲和運輸所占用的空間，減少存儲和運輸成本。同時，每一個單元都是獨立存儲或運輸，所配備的構件一目了然，避免了出廠構件的漏發和遺失。

2.5.2 中途轉場

模塊化集成型箱式房現場搭建好以后，如遇需中途轉場的情況，無需進行拆除，可直接采用整體吊運，僅需要在新的放置場地上處理好地基即可。如圖7、圖8所示，經過有限元計算分析，整體吊運時框架各構件所產生的應力和變形均很小，不會對原有箱體單元產生影響和破壞。

圖7 整體吊運過程中應力變化

圖8 整體吊運過程中位移變化

2.6 模塊化集成型箱式房的可持續發展

2.6.1 提高保溫墻板的節能功效

在現代模塊化集成型箱式房的使用中，節能指標已悄然成為了人們評判箱式房的重要標準。在保證現有的箱式房保溫墻板功能性的前提下，應盡量使保溫墻板具備更好的隔熱功能，以此來達到節約能源的目的。在今后的設計中，可以考慮借鑒真空絕熱板的隔熱原理，在夾心保溫墻板的面層板與保溫材料之間增設高阻隔薄膜，利用內部真空度的提高來隔絕熱傳導，達到保溫、節能的目的。

2.6.2 復合保溫材料的再生使用

保溫材料在達到規定的使用年限后，需要進行掩埋、堆放等廢棄處理，對環境的污染和負擔巨大。如何對廢棄的保溫材料進行再生利用，以此來達到節約能源的目的，具有重要意義。在今后的設計中，可以對保溫材料的選擇進行優化，盡量選擇一些在達到使用年限后，可以被混合、試制和再加工的材料，經過拉毛—吸料—粘噴—中和—成形—烘干等生產工藝，使更多的廢棄保溫材料轉化為新的復合保溫材料。

2.6.3 雨水收集循環利用系統

在模塊化集成型箱式房框架的設計過程中，可以在箱體結構設計時加入雨水收集及循環利用的功能，通過對雨水的引流—過濾—收集等過程，解決雨季水資源的收集問題，同時也可以有效地對收集的雨水進行過濾處理，得到凈化后可循環利用的水資源，保護城市水環境，節約城市用水。

3 結語

模塊化集成型箱式房作為現今社會各個領域中均被廣泛使用的臨建設施，已經逐漸從單純的功能性需求轉向舒適性和節能性需求，在進行設計時，需要更多地考慮如何保障使用者的身體感受和視覺感受都能得到較好的體驗。在現有模塊化集成型箱式房的基礎上，可持續地改進和開發新的功能，使產品時刻處于使用者的滿意度范圍之內是至關重要的。