集装箱建筑性能优化设计研究与实践

刘刚 原野 侯丹 党睿 / LIU Gang, YUAN Ye, HOU Dan, DANG Rui

集装箱建筑性能优化设计研究与实践

刘刚 原野 侯丹 党睿 / LIU Gang, YUAN Ye, HOU Dan, DANG Rui

通过对我国集装箱建筑的设计现状、发展趋势以及集装箱建筑特殊性的阐释，针对集装箱这一新兴建筑类型，研究并提出其建筑性能优化设计策略；并将该设计策略应用到天津大学阅读体验舱的建筑设计中，通过设计前后的数据实测以及软件模拟来验证性能优化设计的结果，得到集装箱建筑适宜的性能优化设计策略，促进集装箱建筑的发展并走向成熟。

集装箱建筑 改造设计 性能优化设计

1 引言

随着运输业与经济的发展，每年世界各地港口集装箱的吞吐量不断增加。2014年我国集装箱吞吐量已突破2亿标箱（Twenty-foot Equivalent Unit，简称TEU），2015年达到2.16亿标箱，连续22年蝉联世界集装箱产销冠军（中华人民共和国交通运输部，2016）。单个集装箱的平均寿命为10年左右，每年有大量集装箱因无法达到运输业规范要求而被废弃，若将这些废弃的集装箱应用到其他领域，则会产生巨大的生态意义（王伟男，2011）。

作为封闭的容器，集装箱本身就具有建筑的特性。早在2009年，美国《商业周刊》列举了最有可能改变人类未来10年生活方式的20项重要发明，其中集装箱建筑排在第19位（杨先碧，2009）。近年来，模块化装配式建筑发展迅速，为集装箱建筑的发展提供了新的机遇，促进其迅速发展并走向成熟。

1.1 设计现状

集装箱建筑从出现至今，功能和空间形式不断丰富，其发展历程可分为3个阶段：（1）萌芽阶段（1980年之前），利用集装箱的封闭特性，做有限程度的改造，多用于临时搭建的辅助用房；（2）探索阶段（1980～2000年），利用少量箱体组合成形式较为简易的建筑形体，多用于住宅以及小型公共建筑；（3）成熟阶段（2000年至今），多箱体、复杂形体的集装箱建筑不断涌现，建筑类型从低端、临时类建筑向高端、体验类建筑扩展，包括住宅、办公、交通、商业、文化教育等各个领域（表1）。

1.2 发展趋势

随着集装箱建筑应用范围的扩大，越来越多的专业人士参与到集装箱建筑的开发、设计与建造过程中，对集装箱建筑在功能、结构、形式等各方面的拓展创新起到了巨大的推动作用。回顾这些设计实践，集装箱建筑的绿色化以及性能优化设计却一直没有受到重视。

建筑领域的“绿色革命”从上世纪提出至今一直是人们关注的焦点，集装箱建筑的绿色化也必将对其发展提出更高的要求，并引导其进入第4阶段——绿色化阶段。将二手集装箱运用到建筑设计符合绿色设计的核心“3R”（Reduce、Recycle、Reuse，即减量、重复使用、循环使用）标准（张峻霞，2008）。虽然集装箱本身就具有绿色性，但要使其成为能够满足使用者舒适度需求的建筑，还要进行性能优化设计。因此，在第4阶段集装箱建筑应充分发挥其模块化的先天优势，不断完善并达到各个部件由内而外的一体化设计，实现集装箱建筑的标准化、一体化、工业化；并通过对建筑功能、空间的优化整合，以及各项适宜建筑技术的筛选与运用，实现建筑性能与质量的提高。

1.3 特殊性

国际标准化组织（International Organization for Standardization，简称ISO）ISO668文件确立了集装箱的全球统一标准，为集装箱建筑的发展提供了相同尺寸的基本模块，在一定程度上满足了其在未来发展的全球标准化设计与施工的要求。单个集装箱模块由地基梁、顶端框架梁、端墙、角部框架柱、顶侧框架梁、屋面、侧墙、角部吊装节点等构件组合而成（图1）。

与传统建筑相比，集装箱建筑还具有一些特殊性：在建造方式方面，集装箱建筑箱体之间通过钢构件或焊接方式相互连接，在保证围护功能连续性的同时，气密性的好坏将对建筑内部环境产生影响；在结构特征方面，集装箱的角柱、梁和波形板均为承重构件，因此当以箱壁板作为外墙表面时，内部连接应采用焊接、栓钉焊接和粘接等紧固件不穿透箱壁的做法，且箱体上开设的门窗等洞口均应采取补强加固措施，以保证结构整体性不受破坏，这就要求集装箱建筑的采光、通风设计应与其结构稳定性紧密结合；在建筑物理属性方面，与传统建筑相比，集装箱材料的特殊性导致其保温隔热性能、采光通风性能、隔声性能均较差，因此其建筑设计在追求建筑造型与功能的同时，应针对物理属性进行合理的性能优化设计改造，以保证建筑的舒适度要求。

表1 集装箱建筑设计现状

图1 集装箱结构组成

图2 天津大学阅读体验舱

综上，绿色化是集装箱建筑未来发展的必然趋势。但集装箱建筑的特殊性导致其性能优化设计既不能直接套用传统建筑性能优化设计的方法，也不能简单参照传统建筑性能优化设计研究的先进经验，在被动式建筑技术的选择上，应针对自身特点选择适宜的建筑技术策略，才能真正达到性能优化的目的。

为了解决上述问题，本文通过案例分析、实践总结以及原理研究，针对集装箱建筑的特殊性，对其热环境、光环境和风环境等性能优化设计进行专项研究，得到集装箱建筑适宜的性能优化设计策略；同时将其应用于天津大学阅读体验舱（图2），并通过优化前后的数据实测与软件模拟验证性能优化设计的结果，最终得到天津大学阅读体验舱性能优化设计方案。

2 集装箱建筑热环境性能优化设计研究与实践

2.1 热环境性能优化设计

集装箱建筑的保温形式亦可分为内保温和外保温两种（柳孝图，2010）。两者各有优缺点：外保温设计隔热性能好、易消除冷热桥，但在外观上将集装箱的本质特征完全隐藏了，且施工过程中保温材料易遭到破坏；内保温设计造价低、施工方便，并且可以保留集装箱的原本面貌，但会占用集装箱有限的内部空间。

集装箱建筑在建造过程中需要进行吊装施工等工序，为避免破坏保温材料的完整性，便于施工且保留集装箱表皮的工业化特质，天津大学阅读体验舱的保温设计采用内保温形式。为节省室内空间，在保温材料的选择上，根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015），通过计算选用50mm保温玻璃棉+30mm挤塑板+10mm欧松板的轻质、高效保温材料组合，既起到保温隔热的作用，也对声环境性能进行优化。并且，为了避免破坏箱体外表面以及产生冷热桥，充分利用集装箱外表面波形板的凸起设置木龙骨固定保温材料（图3）。

与传统建筑不同，集装箱建筑底部与大地直接接触，也需要进行保温隔热设计。其保温隔热设计除与内外保温共同设计以外，也可结合基础固定形式进行设计。常见的集装箱基础固定形式主要有角钢铆固、钢缆固定、铺设地梁、预埋基础等（郭雪婷，2013，图4）。天津大学阅读体验舱的基础保温设计中，一方面，将建筑所在场地基质改为导热性相对较差的沙石材质，并通过预埋混凝土垫块支撑基础；另一方面，利用基础固定时铺设的地梁，将其完全封闭，形成密闭空腔以阻断建筑与大地的热量传递（图5）。

图3 内保温做法

图4 集装箱基础形式

图5 基础保温

2.2 热环境性能优化设计结果

天津大学阅读体验舱的整个建筑建造过程历时一个月，在建造完成前后分别使用HOBO温湿度记录仪对建筑4个朝向不同功能房间的室内外温度进行监测，以对比热环境性能优化设计前后各房间室内外温差（T外－T内）变化。通过数据对比分析发现，优化后室内外温差明显增大，在夏季室内外温差最大值达8.6℃，且室内温度低于室外温度的时间段明显延长，即建筑内部热环境性能明显提高（图6）。

图6 优化前后室外与室内温差变化

3 集装箱建筑光环境性能优化设计研究与实践

3.1 光环境性能优化设计

光环境性能优化主要是对建筑门窗进行合理设计。集装箱建筑的开窗设计，在满足采光要求的前提下应首选在端墙面开窗，以免对集装箱结构的整体性造成较大的破坏。当需要在侧墙进行开窗设计时，必须做好开窗洞口的加固措施，以抵御荷载作用造成的局部结构破坏。此外，为营造良好的采光及空间效果，天窗也是集装箱建筑中的优选开窗形式，因为箱体顶部的开窗不会影响竖向荷载对建筑结构造成的破坏。天津大学阅读体验舱是多箱体组合的集装箱建筑，为营造良好的采光效果，除结合入口门厅的天窗以及箱体侧窗设计进行光环境性能优化设计外，在建筑形体设计阶段即考虑通过合理的箱体组合以达到光环境性能优化的目的。建筑首层平行错动摆放5个箱体，其上为4个纵向摆放的箱体，两层箱体呈“T”形或“L”形组合关系，不仅避免了各箱体之间的相互遮挡以及大进深空间的形成，还在建筑内部形成4个开敞的室外庭院，营造了良好的建筑环境及阅读体验（图7）。

图7 天津大学阅读体验舱形体设计

3.2 光环境性能优化设计结果

使用Ecotect和Radiance软件对建筑室内光环境性能优化设计进行模拟计算，分别选择图书馆中对采光有特殊要求的阅览室和书库为模拟对象，得到冬至日室内天然采光系数标准值模拟结果（图8），以及采光照度标准值模拟结果（图9）。对比《建筑采光设计标准》（GBT 5033-2013）中的相关规定（表2），可以发现，即使在冬至日，阅览室以及书库的采光系数标准值也均远高于规范规定；在照度值方面，书库在冬至日从09:00am到16:00pm均可在天然采光条件下满足规范要求，而阅览室则从09:00am到15:00pm可满足要求，说明即使在冬至日，该建筑全天大部分时间也可以通过天然采光满足室内的阅览需求，即建筑光环境性能良好。

图8 采光系数标准值冬至日模拟结果

图9 采光照度标准值模拟结果

表2 图书馆建筑采光标准值

4 集装箱建筑风环境性能优化设计研究与实践

4.1 风环境性能优化设计

考虑到集装箱基本模块的尺寸，单箱体建筑的自然通风较容易实现，但当建筑由多箱体组合构成时，则需要对室内风环境进行性能优化设计。建筑通风的优化设计主要从增加风压通风和热压通风两个角度考虑（王汉青，2005），因此建筑开窗设计不仅要考虑光环境性能，还应尽量使建筑内部空气利用风压通风形成对流。此外，利用天窗进行热压通风也是集装箱建筑通风适宜的设计手法，虽然由于结构原因大多数集装箱建筑高度有限，但其外表面受热升温，易形成较大的热压差以利于热压通风。

除利用集装箱四周与顶部外，还应充分发掘建筑周围环境条件并利用建筑基础部分进行通风设计。天津大学阅读体验舱位于天津大学建筑学院西楼篮球场上（图10），在夏季，建筑北侧是炎热空旷的硬质篮球场，南侧为茂盛树木遮挡的阴凉草地。根据简化的“地道风”原理，利用天津地区夏季南向盛行风，在建筑南侧地基梁上开设洞口，使经过草地、地基空腔两次降温之后的凉风通过地板上的开口吹入建筑，为读者带来良好的阅读体验（图11）。

4.2 风环境性能优化设计结果

使用Airpak软件对风环境性能优化设计前后夏季室内通风情况进行对比模拟发现，室内风环境得到明显改善（图12），尤其是阅读区，简化后的“地道风”经过多次降温后从地板吹向阅览者，大大提高了阅读的愉悦度。

图10 天津大学阅读体验舱基地现状

图11 简化的“地道风”通风示意

图12 室内风环境模拟结果

5 结语

虽然集装箱建筑存在因其特殊性而造成的缺点，但是具有坚固、防风、防震、防潮、环保、低碳、经济、标准化等优点，完全可以成为绿色建筑发展的一个崭新思路。伴随着建筑工业化、绿色化革命的到来，集装箱建筑必将迅速发展。通过集装箱建筑性能优化设计的研究与实践发现，性能优化设计可以弥补集装箱建筑作为新兴建筑类型在设计上存在的许多不成熟之处，并大大提高其建筑环境舒适度，同时为集装箱建筑的推广与发展提供支持。

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刘刚，天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室

原野，天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室

侯丹，天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室

党睿，通讯作者，天津大学建筑学院副教授

2016-05-09

RESEARCH AND PRACTICE: THE PERFORMANCE OPTIMIZATION DESIGN FOR CONTAINER BUILDINGS

Through the analysis of current design conditions, prospective trends and particularities of container buildings, the paper researches and proposes performance optimization design strategies for this new building type. Then the strategies are applied to Tianjin University reading cabin, and the optimization results are verified by measurements and software simulations compared before and after the optimization design. Therefore, the appropriate performance optimization design strategies are obtained, which will promote the development and mature of container buildings.

Container Building, Transformation Design, Performance Optimization Design

国家自然科学基金项目“寒冷气候区低能耗公共建筑空间设计理论与方法”（编号：51338006）。