模塊化集裝箱住宅建造優化研究
——以棗莊翼云湖度假區為例

■ 張 能 ZHANG Neng 俞然剛 YU Rangang 張培峰 ZHANG Peifeng

0 引言

模塊化集裝箱住宅是利用標準海運集裝箱改造為居住和使用空間的特殊住宅類型之一，具有明顯的模塊化特征：①集裝箱住宅滿足3R（reduce、reuse、recycle）原則，可有效減少碳排放，符合我國資源節約型、環境友好型的發展戰略[1]；②利用集裝箱形成標準化住宅單元，在工廠集成內裝模塊，便于移動裝配和拆裝重組；③集裝箱住宅層數通常為4層及以下，體量小巧、造型豐富且便于施工建造，應用范圍廣泛。目前，國內外學者的研究方向大多集中在集裝箱建筑的發展與應用[2]、生態化及參數化設計策略[3-4]、設計理念與低碳，集裝箱結構安全和抗側剛度[5-6]、力學性能及抗震性能[7-8]等方面，但對集裝箱住宅建造過程中的模塊化和裝配構造問題的關注較少。雖有關于集裝箱建筑的連接方式及節點研究[9]，但均以焊接方式為基礎進行探討，或局限于對集裝箱專用連接件的探討[10]；而對于基本模塊建構的合理性、集裝箱住宅構造適用性、裝配構件的多樣性，以及對集裝箱殘留有害物質的處理[11-12]等方面，均無深入研究，一定程度上制約了模塊化集裝箱住宅的推廣和發展。我國的模塊化集裝箱住宅發展仍處于粗放階段，研究集裝箱住宅的設計和建造過程，對于模塊化集裝箱住宅的發展具有重要意義。

1 工程概況

棗莊翼云湖度假區是一個以集裝箱房屋為主的特色旅游度假區，功能單元包含青年旅社、度假別墅等住宿單元56 套（共120 張床位），以及餐廳、水上高爾夫、休閑會所、公共衛生間、接待中心等一系列建筑群組，建筑面積約4500 m2（圖1）。全部集裝箱房屋的建設周期為47 d，其中，現場施工組裝周期19 d，占到整個工程周期的40%。模塊化體系不完善和裝配化程度低是影響現場施工進度的主要原因，本文以翼云湖度假項目實踐經驗為基礎，從集裝箱模塊選型到結構及構造優化，系統地探討模塊化集裝箱住宅在施工、裝配全過程的性能優化。

圖1 翼云湖集裝箱度假區

2 模塊選型

作為模塊化建筑，集裝箱住宅的基本模塊體系由空間模塊、基礎模塊及構配件功能模塊構成。其中，空間模塊即形成住宅空間的集裝箱基本單元；基礎模塊是與集裝箱相配套的承重構件，包括不同類型和材料的基礎；構配件功能模塊主要指滿足集裝箱住宅各種功能需求的標準化成品構配件，如樓梯、雨棚、欄桿扶手、集成衛浴等。

2.1 空間模塊選型

2.1.1 箱型選擇

集裝箱住宅建造前，首先需要選擇合適的集裝箱模塊。據統計，我國每年集裝箱制造企業總產銷量在200萬TEU～300 萬TEU，每年還有將近200 萬個集裝箱從運輸業退役。大量新、舊集裝箱被用于建造模塊化住宅，但在建造過程中，卻回避了集裝箱本身獨特的結構體系與住宅建筑之間的矛盾，忽視了原集裝箱殘留污染物對使用者的危害、空間大小對使用者的心理影響等諸多問題。因此，有必要先對集裝箱住宅的基本模塊進行優選。

標準海運集裝箱有冷藏集裝箱和干貨集裝箱兩種。作為冷鏈運輸的冷藏箱具有優越的保溫效果，在集裝箱建筑市場備受青睞；但因其四壁和頂板無結構承重能力，不滿足建筑結構安全要求，故不應作為居住空間使用，若要作為居住空間，則必須重新進行結構設計。干貨集裝箱則具有結構強度高、剛度好、自重輕、防火和抗震性能良好等優點，因此，集裝箱住宅項目應優先選擇干貨集裝箱，本文即以干貨集裝箱為研究對象。

干貨集裝箱按高度分為2603 mm（凈高2390 mm）和2896 mm（凈高2690 mm）兩種規格，根據現行國家標準《住宅設計規范》（GB 50096——2019）中規定，“住宅類室內凈高不應低于2400 mm”，而集裝箱住宅內裝構造厚度約200 mm，因此，作為居住類空間使用時，應選擇2896 mm規格的集裝箱進行施工（圖2）。此外，標準箱還有20 尺柜和40 尺柜之分，其中，20 尺柜使用面積為15 m2，40尺柜面積約30 m2。通過多箱組合,可以調整住宅空間大小及布局形式。

圖2 干貨集裝箱住宅施工過程

2.1.2 箱況選擇

（1）應選擇箱況良好、結構無破壞、表觀無破損的箱體，必要時需做滲漏試驗。

（2）由于集裝箱在生產或運輸使用過程中會殘留或沾染有害物質，應對箱體內部構件進行除菌、除重金屬等有害物質；并在清污后，重新噴涂無毒封閉底漆；另外，集裝箱原木地板含有殺蟲劑，需更換新地板。

（3）有些退役集裝箱側板變形較嚴重，表面凹凸不平，此時，可以通過靈活調整立面開窗、開洞位置切除變形部位，形成活潑的立面造型。

2.2 基礎模塊選型

目前，很多集裝箱建筑項目會使用條形基礎或筏型基礎，不但增加了大量的現場施工作業，而且與模塊化裝配式建筑的發展理念相悖。

集裝箱具有優越的整體性及輕盈的自重，一個40 尺柜在載重36 t 的情況下，僅需要4 個角部獨立支撐即可，因此，獨立柱式基礎完全適用于集裝箱住宅項目。獨立柱式基礎有諸多優勢：調整基礎柱高度即可實現集裝箱住宅底部架空，不僅無需對基地進行“三通一平”處理，而且可以與基地自然環境有機結合，最大程度地保護土地資源，保持原有地面植被或水體，符合生態建筑可持續發展的理念。

集裝箱住宅通常用的獨立柱式基礎有：鋼筋混凝土現澆基礎、預制H型鋼基礎和地螺絲鋼基礎等。其中，鋼筋混凝土現澆獨立柱式基礎需要現場加工及養護，施工周期長，通常在地基承載力薄弱的情況下使用；預制H 型鋼獨立柱式基礎由H 型鋼預制加工而成，需要在現場開挖基坑并埋置，通常適用于建筑體量較小、基礎埋置較淺的情況；地螺絲基礎（圖3）是工廠預制生產的螺絲形鍍鋅鋼基礎，無需開挖基坑，由專門機械施加載荷將地螺絲鉆入地基，可視為摩擦樁，其埋置深度由機械控制，承載力的大小可控可測，最大限度地保持基地原貌，也使得地螺絲基礎具有廣泛的適應性。

圖3 地螺絲獨立基礎

為防止地基不均勻沉降而導致箱體變形，首先需要增加聯系梁以加強獨立基礎的整體性；此外，增加基礎埋深、增大基礎底面積、增加基礎與地基的摩擦力也是防止不均勻沉降發生的有效措施。

2.3 其他功能模塊選型

集裝箱住宅中，功能需求多樣、構配件類型眾多，如室外的樓梯、雨棚、欄桿扶手構件及室內的衛浴、餐廚設備等，在模塊化建筑設計和施工中都占有重要比重，因此，合理選型是建構模塊化裝配體系的重要環節。其選型原則為：以標準化成品構配件為主體（圖4），以栓接方式為連接手段，以完善裝配體系、提升裝配速度、優化空間體驗為其他構配件的選型目標。

圖4 標準化成品構配件模塊

3 結構優化

3.1 主體結構主要承重構件

集裝箱結構體系清晰明確，其主要承重構件為角柱、底梁和側板（圖5）。其中，角柱承受上部荷載，并與底梁共同承受箱內荷載；側板具有較高的水平承載力和抗側剛度，同時承受部分豎向荷載，可視為一種波紋鋼板剪力墻。集裝箱頂梁和頂板承載力差，不屬于主要受力構件。因此，當集裝箱上部出現集中荷載時，側板成為主要受力構件，會產生形變破壞，此時，需要完善結構體系，在集中荷載處增加結構柱和承重梁，與側板共同承受上部荷載，以減小側板形變，提升整體抗側能力。

圖5 標準海運集裝箱結構

在對集裝箱側板開洞時，需考慮其剛度和承重要求。一般情況下，側板局部開洞對剛度破壞小，當頂梁下部保留200 mm 以上寬度時，其整體剛度保持較好。開洞的大小和形式會對剛度有影響，相同面積情況下，長方形優于方形，方形又優于圓形；另外，增加門窗構件的洞口優于開敞的洞口。當側板被全部切割時，需要增加支撐柱加強整體剛度。

3.2 結構優化的3 種基本原型

集裝箱住宅結構優化組合大致可歸納為3 種基本原型，即：正交疊加、對位疊加和錯位疊加（圖6）。

圖6 基本組合原型及案例

3.2.1 正交疊加

正交疊加組合方式呈十字形或X形疊加布置，可以形成屋頂活動平臺和底部架空空間。由于下層頂梁和側板不具備承重能力，疊加時，下層承重部位側板需保留，同時增加結構柱支撐。有兩種做法：①結構柱需穿透頂板與上層箱體底梁連接，這種做法結構整體性好，但破壞了底層箱體頂板的完整性，需要增加防水層；②相對簡單的做法是在上下層之間增加金屬墊板，此做法雖可避免在頂板開洞，但結構整體性較差，通常只在底層多箱組合結構中使用。

3.2.2 對位疊加

這種組合方式由集裝箱專用連接件在角件處連接上下層箱體，受力符合集裝箱原結構特征，理論上無需對結構進行補強。但通過實踐項目發現，改造后的箱體完整性被破壞，底縱梁在長度方向撓度變大，箱體局部剛度變弱，底板振幅較大，影響使用時的舒適度。因此，實際施工時，應在箱體中部或1/3 處增加支撐錨固點，在保證上層底板剛度的同時，加強結構整體性。

3.2.3 錯位疊加

在對位疊加的基礎上進行前后錯位，形成局部懸挑和屋頂活動平臺，空間形態豐富。錯位疊加狀態下，懸挑尺寸與結構關系呈動態變化：當懸挑尺寸較小時，上下層箱體間增加連接加固點；當懸挑繼續增大時，上層懸挑箱體應增加斜拉桿或構造柱進行結構補強；當懸挑尺寸超出一定范圍時，應在懸挑角柱下方增加結構梁、柱等附加結構體系。錯位疊加懸挑距離與結構優化方式的關系如表1所示。

表1 懸挑尺寸與結構優化關系

集裝箱住宅模塊在以上3 種原型的基礎上進行組合，可以營造多變的建筑形態，形成豐富的空間層次，達到建筑獨特的設計效果。隨著組合層數的增加及體型的日益復雜，集裝箱自身的結構體系已不再滿足建筑結構的需求，此時，可以采用框架結構與模塊化集裝箱相結合的外框內箱式結構模式，保證集裝箱住宅的整體強度和剛度，提高集裝箱住宅的安全性，同時，有效地降低建造成本，縮短施工周期。

4 構造優化

構造標準化和節點模塊化是提高模塊化建筑裝配效率的關鍵。2016年，行業主管部門組織專家嘗試提出了裝配式混凝土建筑標準規范體系，構建裝配式混凝土建筑的基礎標準、通用標準和專用標準[13]。集裝箱建筑模塊化的構配件可減少現場復雜作業，有利于建筑快速裝配，構件便于維修和更換，并對居住舒適度、建筑耐久性等方面都有決定性影響；構造處理的關鍵節點涉及保溫隔熱和連接做法等方面。

4.1 保溫構造

與冷凍箱一體成型的集成保溫做法不同，集裝箱住宅采用的干貨集裝箱需要附加保溫層，根據保溫層位置不同，分為外保溫和內保溫兩種做法。外保溫做法是將集裝箱表皮全部包裹在保溫層內（圖7），以避免冷橋現象發生，同時，節約室內凈空高度，提高空間利用率，使室內裸露集裝箱表皮便于裝修施工；不足之處是，保溫層外增加圍護面層等構造層會導致角件等連接件隱藏在內部，不利于模塊化施工作業，因而在集裝箱住宅中較少使用。內保溫做法是在集裝箱表皮內部附加保溫層，且不改變箱體外觀及連接構造，便于施工、運輸及安裝。在實際項目中，應綜合考慮空間需求、保溫效果及施工難易程度來選擇保溫方式。

圖7 外保溫構造及案例

根據保溫材料不同，保溫層做法有噴涂發泡聚氨酯或填充硬質保溫板（XPS）兩種。噴涂聚氨酯發泡的構造方式整體性較好，但不利于裝配式施工，在模塊化集裝箱住宅中，應優先選擇填充硬質保溫板（XPS）的裝配式做法。

4.1.1 底板保溫

模塊化集裝箱住宅保溫構造中，底板保溫做法最為特殊：為減少占用內部空間，保證室內凈高，需采用外保溫做法；為降低“冷橋”傳導，在集裝箱地板底部噴涂聚氨酯發泡作為保溫層；同時，為防火、防蛀，需在保溫層外增加鍍鋅鋼板圍護面層進行封堵。底板保溫在工廠預制加工完成（圖8）。根據功能需要，可在集裝箱木地板內側附加電加熱膜片（地暖層）及防水層和地板面層。

圖8 底板保溫構造

4.1.2 側板及頂板保溫

集裝箱側板采用內保溫做法；至于頂板，實踐證明，采用內、外雙保溫做法有很好的效果，即內部采用60 mm 聚氨酯發泡，外部采取膨脹蛭石混凝土保溫層兼做找坡層的做法（圖9）。其中，內保溫具體構造為：在集裝箱側板和頂板增加螺栓固定件，在螺栓端部用調平件調整吊頂龍骨呈水平狀態；中間采用聚氨酯發泡保溫，厚度為頂板50 mm、側板80 mm；增加竹木纖維板面層，并在面層與保溫層間設置20 mm 厚土工膜防潮層。經實際觀測發現，該構造可使冬季室內溫度提高5℃～7℃，保溫效果明顯。

圖9 側板和頂板保溫構造

4.2 通風隔熱

通風隔熱效果是影響集裝箱住宅舒適度和能耗的重要指標。封閉的集裝箱模塊內部空間較狹小，若沒有良好的通風和隔熱措施，則會導致通風不暢、空氣齡長、溫度升高等問題，而機械通風和空調制冷浪費能源且不符合生態可持續發展理念，因此，被動式通風隔熱手段在集裝箱住宅中具有廣泛的適應性。

4.2.1 自然通風

集裝箱空間呈筒狀矩形結構，箱體前后端開窗有利于風壓通風的形成；側板上下側開窗有利于熱壓通風的形成。通過實測和CFD 風壓模擬驗證通風效果（圖10），結果表明：集裝箱住宅前后端開窗能有效降低空調的使用時長、節約能耗，通風效果最好。對翼云湖度假區6 套單箱度假屋使用情況進行問卷調查，發現自然通風時，舒適度更高。由于集裝箱優異的整體性，在箱體側板任意位置開常規門窗洞口一般不會對箱體結構產生破壞性影響，因此，集裝箱住宅立面設計改造步驟為：①在選定的集裝箱上劃定側板變形、破損部位；②進行自然通風組織設計，確定擬開設門窗洞口位置；③對擬開設門窗洞口位置與變形、破損部位進行耦合，并優化立面設計；④確定門窗洞口的最終位置并完成改造。

圖10 集裝箱單元模塊通風模擬云圖

4.2.2 隔熱手段

受集裝箱金屬表皮導熱性能影響，需對頂板及西向和南向側板采取隔熱措施，防止集裝箱表皮熱傳導，致使住宅內部夏季過熱。隔熱措施主要有貼反射膜、增加遮陽構件、覆蓋大阻熱材料等。

（1）頂板貼鋁箔反射膜可以有效減少太陽輻射熱，宜與屋面防水卷材結合使用；若采用遮陽構造，宜采用成品遮陽構架如屋頂格柵等，也可以與上人平臺相結合。

（2）側板的隔熱措施主要采用遮陽構架的形式，結合植物花架等手段增加立面效果；此外，在側板外掛帶空氣間層的飾面板也有良好的隔熱效果。在解決好結構承重的前提下，采用覆土方式是較為生態的做法，宜與基地環境結合。

4.3 連接構造

目前，集裝箱住宅構配件的連接方式主要采用焊接。焊接構造簡單，結構剛度大，但焊接結構低溫冷脆問題較為突出，容易產生銹蝕、滲漏等問題；同時，集裝箱模塊焊接為整體，產品靈活度差，無法重新拆裝移動，與裝配式理念相悖。因此，項目中嘗試采用栓接工藝（圖11），即以集裝箱鎖件連接為基礎，以螺栓連接為主導的標準工藝流程。與焊接工藝相比，栓接工藝具有安裝快捷、可減少現場作業、方便多次拆裝并重復使用等優點，更符合標準化生產、裝配的特征。

圖11 栓接法連接構造

栓接過程中，需注意對滲漏問題的解決。在項目中，除常規防水做法外，采用栓接止水帶的構造做法，防水效果好，且易于更換。具體做法為：①在需要連接的部位開規則孔洞，鍍鋅螺栓加成品膨脹止水帶固定；②結合企口縫導流槽排水構件，將雨水或滲漏水排出。

5 結語

綜上所述，本研究結合實際項目經驗，對集裝箱住宅的模塊體系、結構體系和構造體系進行完善和優化，得出以下結論。

（1）明確模塊單元的選取原則，根據集裝箱特點及住宅需求，選擇不同規格的空間模塊、基礎模塊及構配件功能模塊。標準模塊體系的建立促進了集裝箱住宅的模塊化發展。

（2）明確標準集裝箱組合基本原型，并總結其結構優化規律，提出結構補強措施。這有助于簡化結構計算，提高集裝箱住宅設計和施工速度。

（3）良好的構造做法是模塊化住宅高效發展的核心。本項目在明確集裝箱住宅不同部位的標準化保溫構造做法的基礎上，提出自然通風隔熱的優化手段，創新集裝箱箱體螺栓連接構造，從而進一步提升集裝箱住宅的裝配比例，形成了標準化的構造體系。