模塊化薄壁輕鋼建筑研究*
——以集裝箱建筑為例

陳曉旭 陳兆榮 陳戊榮 楊濤

0 引言

預制裝配式建筑是指根據建筑工業化設計要求，采用尺寸精確、符合建筑模數化和標準化的預制構件在工地裝配而成的建筑，具有工期短、受氣候影響小、人力成本低、可抑制粉塵及減少噪聲等優點[1]。輕鋼作為建筑的主要材料，具有輕質、高強、靈活、環保等優點，而集裝箱建筑是典型的薄壁輕鋼建筑。

全球超95%集裝箱在我國生產，每年存在大量廢棄集裝箱，回爐煉鋼易對環境造成污染，將廢舊集裝箱回收利用是解決該問題的有效方法。在大力推廣裝配式建筑的背景下，模塊化集裝箱建筑發展是大勢所趨。

1 模塊化集裝箱建筑的應用

1.1 災后應急類建筑

汶川雁門中心學校是汶川地震后中集集團援建的集裝箱學校，使用171個集裝箱模塊，歷時3個月，總建筑面積3000m2，可滿足教學需求。火神山醫院由300多個集裝箱拼裝而成，僅用10d建成（見圖1）。

1 火神山醫院（圖片來源：網絡）

1.2 住宅類建筑

WFH house是位于我國無錫市的綠色集裝箱房屋建筑，由3個40尺廢舊集裝箱拼接而成，建筑面積為180m2。荷蘭阿姆斯特丹的Silodam公寓占地面積600m2，共有142間自購房及15間租賃公寓房屋。

1.3 商業類建筑

Quadrum集裝箱酒店位于格魯吉亞雪山上，就地取材，根據金字塔造型拼裝而成（見圖2）。韓國第一家大型集裝箱商場“COMMON GROUND”由200個大型集裝箱構成，總占地面積5280m2，是目前世界上規模最大的集裝箱商場（見圖3）。

2 Quadrum集裝箱酒店（圖片來源：網絡）

3 集裝箱商場“COMMON GROUND”（圖片來源：網絡）

1.4 其他類建筑

中國南極長城站由集裝箱組裝而成，并采用特殊的重防腐涂料防止房屋在低溫、高鹽霧的環境中銹蝕（見圖4）。

4 中國南極長城站（圖片來源：網絡）

2 集裝箱建筑研究現狀

2.1 國外研究現狀

1986年，JOHN M D[2]提出集裝箱建筑的概念，并申請了專利。專利中詳細說明集裝箱建筑由模塊化的海運集裝箱組成，每個集裝箱單元具有特定的建筑功能，設計卡鎖連接上下集裝箱單元。1991年海灣戰爭期間，首次大規模應用集裝箱建筑，主要用于運送戰俘、充當軍用臨時建筑等。

2008年，SAWYERS P[3]撰寫的Intermodal shippingcontainersmallsteelbuildings，介紹了如何購買、運輸集裝箱，以及如何選取最合理的空間擺放形式，以保證建筑物的安全性。KOTNIK J[4]撰寫的Containerarchitecture:this bookcontains6441containers詳細介紹了將二手集裝箱改造成建筑物的設計過程，并給出了詳細的設計圖紙和施工細節，助力集裝箱建筑的推廣與應用。

2010年，LAWON R M等[5]提出新型高層模塊化結構，并對模塊化箱體的墻板和模塊柱進行了分析。GREEN J E[6]提出將廢舊集裝箱改造成發電房或水井房，利用太陽能電池板發電或將自然水源轉化成飲用水，并申請專利，專利中詳細介紹了集裝箱房屋的節點連接構造和節點連接形式。

2014年，EOM H S[7]提出可變長度角柱，將長棍貫通穿過上下角件和角柱，延伸到基礎下，角件通過螺栓連接固定在基礎上，極大地提高了整體的抗側力，防止集裝箱因側向力過大發生傾覆或側翻（見圖5）。此種集裝箱建筑適用于沙漠等極端環境中。BERNARDO L F A等[8]對集裝箱各個部件的截面面積、尺寸和形狀進行了研究，分析2種集裝箱在施加集中力和均布荷載后的變形情況和極限承載力，最終證實廢舊集裝箱可作為建筑材料。

5 可變長度角柱設計（圖片來源：Container house having structural stability）

2020年，BERTOLINI M等[9]對廢舊集裝箱用作建筑材料或回爐煉鋼對環境的影響進行評估，從全球變暖趨勢、臭氧消耗趨勢、雨水酸化趨勢及土壤富營養化趨勢4個方面進行分析，結果表明將廢舊海運集裝箱用作建筑材料能有效降低CO2的排放。

2.2 國內研究現狀

2004年，柏庭衛等[10]撰寫的《香港集裝箱建筑》是我國最早關于集裝箱建筑的書籍。隨后幾年，我國香港出現很多利用廢舊集裝箱改造的房屋，雖設計較簡單，層數不高，但成為當時獨特的風景線，筆者實地考察并對其綜合對比分析，最終提出較為合理的箱體排列方式和改造設計方法。

2009年，紀尚志等[11]對青島積米崖漁人碼頭的集裝箱建筑進行了探討，分析集裝箱建筑的優勢和帶來的經濟價值。黃科[12]對歐美、東南亞、中東、非洲、拉美地區和中國的集裝箱建筑應用情況進行了總結和分析，并對集裝箱建筑的未來應用趨勢和市場發展前景進行了預估。

2014年，查曉雄等[13]對集裝箱模塊進行簡化計算，得出在建筑理論限定范圍內隨意搭建的多層集裝箱房屋中任意柱子的軸力計算公式，以及在水平荷載作用下的側移計算公式。同時基于蒙皮理論分析了20英尺、40英尺集裝箱的單箱抗側剛度，并利用位移協調和經典力學理論，推導得出單層多跨、多層單跨和多層多跨的集裝箱房屋縱向剛度公式。

2020年，吳從曉等[14]提出外框內箱結構，提升裝配式集裝箱建筑的安全性，可在高層建筑中應用。外框內箱結構由外框柱、外框梁和模塊化集裝箱組成。模塊化集裝箱通過角件與外框梁連接，該種連接可使每個模塊化集裝箱的內力先由箱體的柱傳遞到外框梁上，再傳遞到外框柱，可避免傳統集裝箱結構在地震和豎向荷載作用時出現豎向構件與水平構件的承載力和剛度不足的問題，從而提升模塊化集裝箱建筑的適用性。

3 集裝箱建筑優勢與不足

3.1 優勢

1）安全性強，牢固耐用 集裝箱作為貨運載體，由鋼質材料組成，抗形變能力較強，抗震性能較好，負荷性能強大，既能承受波濤洶涌的海上顛簸，又能抵抗惡劣的氣候條件，可輕易疊加堆放。

2）符合模數化、標準化要求 集裝箱作為建筑基本模塊時，標準化程度高，可實現全裝配式，適應工業建筑發展要求，在場外建造，根據項目進展安排工廠生產，然后運送至項目現場組合裝配，或在當地工廠生產集裝箱，將成品直接送至項目現場。

3）施工方式簡單、周期短、速度快 可實現全機械化施工，節約人工成本。在我國，將集裝箱重新設計改造成具備住宅的功能及結構需2～3周，而用磚瓦和水泥建造同樣大小的建筑結構則需4～6個月，可極大節省成本。

4）靈活性強，移動方便 可在任何地方進行快速建造或拆卸。傳統房屋若要去掉某扇內墻需要考慮很多因素，且工程量極大，但集裝箱建筑僅需切除中間的板材即可實現想要的空間。

5）節能減材，低碳環保 集裝箱建筑可干式施工，節約用水，施工占地少，噪聲小，粉塵少，工廠內進行加工改造，在施工現場只需簡單拼裝，不產生建筑垃圾，減少了環境污染和噪聲，是國際公認的環保建筑材料，同時還可減少磚塊和水泥的使用，極大地減少CO2的排放。

6）可回收利用，成本低 集裝箱建筑的箱體大部分是二次利用，當建筑使用壽命到期，可對結構拆除產生的廢鋼進行回收。同時集裝箱無需經過復雜加工，可直接投入使用。

7）空間開放強，可自由調整 集裝箱建筑空間開放性強，其建筑結構與功能可按照使用者自身要求調整。集裝箱建筑的實際使用面積比磚塊結構多出10%。而薄壁輕鋼結構保證了在不同環境條件下均能保持良好的穩定性。

3.2 不足

1）建筑高度限制 現有集裝箱建筑一般不超過6層，現行設計規范也只適用于6層及6層以下、建筑高度小于24m的低層或多層房屋。

2）對于多層集裝箱建筑的抗震性能研究不充分 在地震作用下，箱體之間易發生錯位和碰撞，引發主要結構構件損壞，導致整體結構倒塌。現有技術規程中規定應用于8度區以上的地區，需要采用特殊的構造措施以滿足抗震設計要求。

3）節點連接形式有限 當前對集裝箱建筑連接節點的研究較少。大體量的集裝箱建筑對連接節點的設計要求極高，節點設計質量直接影響集裝箱建筑的傳力性能和抗震性能。

4）現行結構設計軟件對集裝箱建筑不適用 集裝箱構件種類多，構件截面形式復雜，現行結構設計軟件中并無對應的構件截面，不利于建模。

5）耐火、耐腐蝕性能差 集裝箱建筑屬于輕鋼結構，故耐熱不耐火，應用于特殊環境的集裝箱建筑需要對箱體改造以適應環境要求。

4 結語

發展裝配式建筑是推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措，既能節約資源、減少施工污染、提升勞動生產效率，又能促進培育新產業新動能。本文研究分析集裝箱建筑的應用類型，梳理國內外集裝箱建筑研究現狀，總結集裝箱建筑存在的優勢與不足，為裝配式建筑發展提供參考。