裝配式集裝箱建筑適應性設計與快速建造技術

陳 錦

(1.中建海峽建設發展有限公司 福建福州 350014; 2.福建工程學院管理學院 福建福州 350118)

0 引言

裝配式集裝箱模塊化建筑，是根據建筑規范，按照使用功能要求對集裝箱模塊進行裝配的建筑類型。集裝箱模塊作為建筑單元，具有集成度高、建造快速、安全耐用、可重復使用等諸多優點。但是，集裝箱模塊的空間格局尺寸、結構受力分析與傳統建筑的差異、建筑設計與施工分屬單位的類別不同，這些都影響著這個有價值的建筑結構體系的進一步發展。本文介紹福州市榕發夏荷郡項目營銷中心的適應性設計與快速建造情況，探討了優化集裝箱模塊化建筑設計和節點施工、提高建筑適用性和藝術價值的途徑。

1 場地策略

場地位于福建省福州市晉安區，西側緊鄰龍頭路，南側臨近秀山路，定位為其東側的榕發夏荷郡樓盤的臨時營銷中心。榕發夏荷郡項目緊鄰地鐵1號線，擁有 25.25 萬 m2建筑面積，以東方韻致、西方匠藝相融合的設計理念，建成后將為福州帶來全新的高品質居住體驗。

項目營銷中心屬于臨時性辦公建筑，占地為1500 m2的臨時租地。營銷中心預算含在大區項目暫列金額內，營銷中心立項時包括室內和景觀的設計方案未定，但對使用品質以及投入使用時間有嚴格要求，且造價不可追加。

在 55 m城市人行道退界征地內建造臨時營銷中心，在房地產行業中存在一定的普遍性，這也讓這個項目的總平面設計有一定的固定模式，空間前場不規則的異形空間，對外顯示面僅有25 m 長邊界，業主又對沙盤展示區以及主背景墻的布置規定需求。并且，業主希望臨時營銷中心在榕發夏荷郡項目完成任務后能夠整體轉移到下一個項目，并要求以集裝箱為主要結構形式進行設計。

圖1 營銷中心場地實景

2 前期分析

為了在營銷中心建筑風格上與項目大區整體建筑和景觀設計相協調，具有現代風格“極簡整潔，打造干練精英空間氛圍”的定位最終得到各方的認可。考慮到營銷中心建設用地地勢低，經過填埋、數月沉降和一定處理，地基承載力仍然較低。因此，采用重量輕、整體剛度好的集裝箱模塊化建筑也是最佳選擇。集裝箱建筑還具有拆除建筑模塊簡單、可重復使用、安裝施工快、施工和裝飾浪費少、混凝土和水的消耗少等優點，是一種具有良好可持續性的新興裝配式建筑體系。裝配式模塊化集裝箱建筑完全符合福州市城市建筑節水綠色環保可持續發展理念。

3 總平面與建筑適應性設計

營銷中心建設用地位于項目大區西入口軸線東側路角處，西面和北面是城市新建的主要道路，東北是停車場。建筑的整體布局(圖2)大致形狀像一個方正的“口”的形狀，符合展示面和道路的方向。建筑面積350 m2，營銷中心示范區出入口市政僅允許開一個口且與施工通道合用，結合出入口設置儀式大門，進行人車分流管理，體現住戶未來社區的管理形式。營銷中心示范區周邊不確定因素較多，諸多的強電弱電線路影響參觀者的視線，所以外圍采用景墻結合圍墻的形式進行空間圍合，把不利因素阻擋在示范區的外圍，沉浸式景觀設計手法使參觀者的視線全部集中在核心景觀區。并對停車位進行整合，保證后場盡量有足夠的空間滿足看房通道需求。

圖2 營銷中心總平面圖

為在周邊區域凸顯營銷中心的形象，打破人們對集裝箱建筑粗糙簡陋的刻板印象，設計中將后場約3 m×6 m的6個集裝箱模塊拼裝，形成樓梯間、辦公室、VIP洽談室、衛生間等功能房間，蔭蔽在周邊高低有序、錯落有致的景觀樹木中，與漫步道的竹林相交織(圖3)。前場采用“型鋼柱+屋蓋+挑檐”的形式，2.7 m挑出雨披模塊下方種植花圃組團，自然形成了入口空間將人流匯聚于建筑內；在中場景觀步道中心設計鏡面水景，不規則地放置5處睡蓮，點題“夏荷”。景觀分區均采用仿大理石條圈邊，伸展的仿大理石條又在各個方向形成了長凳，引人駐足，訪客可以在上面小憩，享受營銷中心的美景。同時，集裝箱建筑個性鮮明的咖色波紋板外立面造型、現代雕塑感的形象，與綠色樹木相得益彰，透過水紋玻璃景墻顯得格外引人入勝，彰顯了營銷中心應有的標志性(圖4)。

圖3 營銷中心設計效果圖

圖4 營銷中心實景照片

4 建筑模數與模塊組合適應性設計

裝配式模塊化集裝箱建筑具有集成度高、設計與裝配效率高等鮮明的特征。作為用于工業生產的裝配式模塊化建筑，建筑模塊的種類和規格應盡可能少，同時相同功能的基本模塊應具有通用性和互換性，有利于工廠批量化生產，節約成本，提高效率。但這也帶來了另一個問題，如何避免建筑造型死板，建筑空間單調。這需要巧妙和創造性的模塊化組合設計，以反映建筑組成的標志性和藝術性。

在榕發夏荷郡項目營銷中心的設計中，共有14個建筑模塊，包括6個1層模塊、8個2層模塊(圖5)。所有這些建筑模塊僅有3種模數尺寸規格：長寬高=6000 mm×3000 mm×6000 mm，長寬高=9000 mm×3000 mm×6000 mm，長寬高=6000 mm×3000 mm×3000 mm。 設計采用這三種模數是根據開間及高度要求，結合標準化生產線條件而定。后場6個集裝箱其尺寸均為6000 mm×3000 mm×3000 mm標準箱，這樣既可以采用工廠的標準件來生產又方便運輸。考慮到營銷中心作為一個具有展示及服務要求的辦公建筑，前場對空間要求大，前場需要適當增加凈高，以提高舒適度。因此，前場采取“型鋼柱+屋蓋+挑檐”的形式，把標準尺寸箱體進行現場拼裝焊接，通過型鋼柱以及箱體橫梁框架，來達到6 000 mm的結構高度。為什么不直接在工廠里直接加工6000 mm箱體高度進行現場拼裝呢？根據2016年公布的《高速公路超限運輸車輛管理規定》(交通運輸部令2016年第62號)，“車貨總高度從地面算起超過4 m”被列為超限運輸車輛,超過4.2 m時受到更嚴格的限制，許多道路和橋梁無法通過。3000 mm模塊高度加上運載集裝箱的半掛車裝載平臺高度基本在4.12 m左右，3000 mm已是工廠到現場的路線通過性與模塊建筑模數的綜合考慮[1]。

圖5 建筑模塊組合形式

為了使模塊化集裝箱組合能凸顯出營銷中心建筑個性鮮明的現代雕塑感標志性形象，設計上在外立面造型做文章。在挑高部分展示廳區域，立面借鑒幕墻裝飾設計理念，采用鋼龍骨柱支撐屋架體系，并用中空鋼化玻璃做空間隔斷封閉，鋼龍骨柱外包白色鋁方通線條造型，與箱體咖色波紋板形成“風浪揚帆”的設計感。屋檐部分，設計內嵌式洗墻燈，增加營銷中心的夜景效果，與周圍景觀交相輝映，突出營銷中心的地段區位位置。最后，2.7 m長的外挑出檐口模塊，形成建筑雨披，最終完成了這個由14個箱體建筑模塊組成的體量平衡、室內外空間層次感豐富的建筑組合(圖6)。

圖6 立面夜景效果

5 實現快速建造的結構與構造設計

5.1 結構設計

集裝箱作為一種模塊化組裝建筑，其受力分析與一般的裝配式建筑不同。集裝箱的波紋鋼板圍合類似鋼板剪力墻，在結構中可以起到一定的作用，有良好的剛度和承載力，使營銷中心可以采用較大的懸臂方案(最大懸臂2.7 m)。但是為了滿足建筑的采光、通風和交通功能，箱體結構的外墻需要大量采用開洞措施。另外，由于營銷中心展廳需要較大的開放空間，在模塊拼接時需要拆除部分側墻。這不可避免地削弱了原有的箱體結構。當模塊單元墻板完成后，由于墻剛度分布不均勻程度、墻板孔開度和吊升等原因，吊裝時，墻板會產生不規則的變形。為了保證結構的整體的剛度和承載力，保證受力的穩定性，對薄弱點進行了BIM建模，并導出元單位構件，進行有限元分析(圖7)。通過這種方法，找出了結構薄弱環節，找出了鋼板和鋼板對墻體和樓板的壓力最大處。由圖7可知，箱體鋼板開洞的邊角部位會出現部分拉伸、剪切變形，這種變形是箱體建筑在內部裝修以及長期使用過程中出現結構破壞的因素。為避免上述情況發生，通常要對箱體開洞部位進行一定加固，通常采用增加角鋼加固，加固方式一般是將角鋼對角形成點焊在窗戶的四個角上。其中角鋼端部與板節點需要節點耦合，連接方式為鉸接。借鑒鋼結構補強設計，箱體結構的整體受力是通過有效地加強開口部位的斜撐,增加頂梁橫截面,加強框架頂梁連接,焊接內部金屬墻龍骨,從而保證懸臂結構撓度減少，完成結構設計[2]。

圖7 墻體開洞部位SAP2000有限元分析

5.2 節點構造設計

集裝箱建筑由標準模塊組合成整體，連接節點的構造決定其建造周期的長短，也關系到結構完整性、建筑防水保溫等諸多方面，節點的受力性能也是影響結構正常使用的重要因素。因此，節點構造設計的合理性是模塊化裝配式集裝箱建筑建造成功的關鍵。榕發夏荷郡營銷中心集裝箱建筑主要采用矩形鋼框箱體整體疊合的形式，因此采用輕型連接節點，即集裝箱建筑專用節點。在設計上，矩形鋼框梁柱上焊接L型角件，箱體角件間的連接應保證角件對齊并與連接件間緊密接觸。其節點采用角件連接構造(圖 8)，然后用螺栓直接連接。這種節點連接保證有可靠的抗剪、抗壓與抗拔承載力；框架與集裝箱體間的水平。然后，在集裝箱的角部處焊接鋼板，重要構件或節點連接的熔透焊縫不應低于二級質量等級要求；角焊縫質量應符合外觀檢查二級焊縫的要求；配合角件處的雙頭錐使用，連接緊固上下兩層集裝箱。在集裝箱梁處焊接工字鋼，將集裝箱之間的連接問題轉換成鋼結構中工字鋼之間的連接，規避螺栓無法擰緊的問題，將螺栓緊固的操作空間轉移到角件之外，同時可以通過連接面配合鋼結構建筑連接做法，將節點的鉸接做法轉換成剛接節點。以上通過《集裝箱模塊化組合房屋技術規程》中集裝箱建筑專用節點的適應性改進設計，從而保證箱體建筑的快速建造以及結構的安全、穩定[3]。

圖8 節點構造設計

6 集裝箱建筑快速建造技術

在裝配式集裝箱模塊吊裝前，應先把預埋件預埋于混凝土基礎上，經各方驗收合格后設置連接定位板，在一個集裝箱模塊安裝完成后，連接模塊節點(圖9)。

圖9 節點構造設計

根據基礎標高的復測情況和預埋件、支架的實際長度，進行箱體底板安裝和調整，以保證相應的標高精度；按照圖紙上的集裝箱箱體的編號順序，安裝預埋件；并利用全站儀測量箱體框架水平、縱向垂直度，使集裝箱箱體的水平、縱向中心線與基礎中心線保持一致，并擰緊地腳螺栓；各模塊安裝、調整、檢測合格后，進行柱腳焊接加固，并二次澆注混凝土定型。

在每個箱體模塊安裝完畢后，進行安裝精度校準。調整到位后，方可進行下一個模塊安裝。模塊安裝校準，調整時先調整標高，再進行中心位移的水平校準，最后調整垂直偏差。校準完成后，連接節點應固定牢靠[4]。

圖10 二層箱體吊裝

6.1 集裝箱模塊與基礎預埋件連接

基礎驗收后，將調節墊板焊接安裝在底板上(圖11)。連接角件安裝在調節板上。完成后，將集裝箱模塊吊裝，并最終連接矩形框架模塊節點。具體操作要點如下:

在測量定位后，將集裝箱模塊的螺栓連接接頭焊接到調節板上，然后按照上述吊裝和校準方法將連接節點上的定位銷座固定到集裝箱模塊上。將高強度螺栓與角件連接，對接后擰緊螺栓。

圖11 調節墊板

6.2 集裝箱模塊與模塊間的連接

在集裝箱的模塊化建筑中，首層箱體模塊的連接節點需要在頂部、底部和左、右兩側固定不同的模塊。具體連接步驟如下:

(1)首層集裝箱模塊安裝完成后，在安裝過程中及時測量并校準相關尺寸，如首層集裝箱模塊連接角片與洞孔邊的距離等(圖12)。對于部分有偏差的部件，采用墊板來調整偏差大小，以滿足后序集裝箱模塊安裝的要求。

圖12 首層模塊校正

(2)正在進行安裝的模塊頂部，通過定位銷座和角孔安裝法蘭位置的螺栓連接節點。對于法蘭連接節點，應注意增加墊板，快速校正螺栓孔位置。對于可旋轉的連接節點，應注意將相鄰節點的固定板部分焊接成一個整體(圖13)。

圖13 模塊間連接

(3)在集裝箱模塊的下角和連接節點的銷座，通過上述吊裝方法校準到位。安裝相應的箱體底板后，對相鄰模塊與連接節點的孔板之間的位置進行微調。

(4)最后，進行連接固定(圖 14)。通過矩形框架翼緣板的固定模塊，檢查翼緣與連接板螺栓孔的對應關系，檢查附加底板的穩定性與適應性，采用螺栓扳手擰緊；可旋轉接頭部位，箱體模塊就位后，通過轉角一側預留孔，將接頭旋轉部分旋轉90°，然后用工具通過轉角孔擰緊螺栓，實現緊固。

圖14 連接固定校正

(5)模塊化集裝箱建筑是一個高度集成的裝配式建筑(圖15)，其安裝和布置的機電管道的模塊在工廠預制完成,只有管道連接建筑的公共區域的接口部分，可進行現場施工和安裝。操作步驟如下:

①模塊吊裝連接完成后，檢查預留管道位置并按規范進行相應調整。

②管線連接設備端的準備。

③進行集裝箱箱體模塊管線接頭的快裝連接。

圖15 管線安裝

7 結語

通過對裝配式集裝箱建筑的場地策略的分析，結合使用功能進行適應性模塊化設計，并使用仿真分析施工過程中的薄弱節點受力情況，合理調整設計節點構造，機電管線工廠預留、現場接口，實現榕發夏荷郡項目營銷中心31d精裝交付的快速建造、品質建造，成功完成一項集裝箱模塊化建筑適用性設計及工業化施工研究。