装配式集装箱建筑适应性设计与快速建造技术

陈 锦

(1.中建海峡建设发展有限公司 福建福州 350014; 2.福建工程学院管理学院 福建福州 350118)

0 引言

装配式集装箱模块化建筑，是根据建筑规范，按照使用功能要求对集装箱模块进行装配的建筑类型。集装箱模块作为建筑单元，具有集成度高、建造快速、安全耐用、可重复使用等诸多优点。但是，集装箱模块的空间格局尺寸、结构受力分析与传统建筑的差异、建筑设计与施工分属单位的类别不同，这些都影响着这个有价值的建筑结构体系的进一步发展。本文介绍福州市榕发夏荷郡项目营销中心的适应性设计与快速建造情况，探讨了优化集装箱模块化建筑设计和节点施工、提高建筑适用性和艺术价值的途径。

1 场地策略

场地位于福建省福州市晋安区，西侧紧邻龙头路，南侧临近秀山路，定位为其东侧的榕发夏荷郡楼盘的临时营销中心。榕发夏荷郡项目紧邻地铁1号线，拥有 25.25 万 m2建筑面积，以东方韵致、西方匠艺相融合的设计理念，建成后将为福州带来全新的高品质居住体验。

项目营销中心属于临时性办公建筑，占地为1500 m2的临时租地。营销中心预算含在大区项目暂列金额内，营销中心立项时包括室内和景观的设计方案未定，但对使用品质以及投入使用时间有严格要求，且造价不可追加。

在 55 m城市人行道退界征地内建造临时营销中心，在房地产行业中存在一定的普遍性，这也让这个项目的总平面设计有一定的固定模式，空间前场不规则的异形空间，对外显示面仅有25 m 长边界，业主又对沙盘展示区以及主背景墙的布置规定需求。并且，业主希望临时营销中心在榕发夏荷郡项目完成任务后能够整体转移到下一个项目，并要求以集装箱为主要结构形式进行设计。

图1 营销中心场地实景

2 前期分析

为了在营销中心建筑风格上与项目大区整体建筑和景观设计相协调，具有现代风格“极简整洁，打造干练精英空间氛围”的定位最终得到各方的认可。考虑到营销中心建设用地地势低，经过填埋、数月沉降和一定处理，地基承载力仍然较低。因此，采用重量轻、整体刚度好的集装箱模块化建筑也是最佳选择。集装箱建筑还具有拆除建筑模块简单、可重复使用、安装施工快、施工和装饰浪费少、混凝土和水的消耗少等优点，是一种具有良好可持续性的新兴装配式建筑体系。装配式模块化集装箱建筑完全符合福州市城市建筑节水绿色环保可持续发展理念。

3 总平面与建筑适应性设计

营销中心建设用地位于项目大区西入口轴线东侧路角处，西面和北面是城市新建的主要道路，东北是停车场。建筑的整体布局(图2)大致形状像一个方正的“口”的形状，符合展示面和道路的方向。建筑面积350 m2，营销中心示范区出入口市政仅允许开一个口且与施工通道合用，结合出入口设置仪式大门，进行人车分流管理，体现住户未来社区的管理形式。营销中心示范区周边不确定因素较多，诸多的强电弱电线路影响参观者的视线，所以外围采用景墙结合围墙的形式进行空间围合，把不利因素阻挡在示范区的外围，沉浸式景观设计手法使参观者的视线全部集中在核心景观区。并对停车位进行整合，保证后场尽量有足够的空间满足看房通道需求。

图2 营销中心总平面图

为在周边区域凸显营销中心的形象，打破人们对集装箱建筑粗糙简陋的刻板印象，设计中将后场约3 m×6 m的6个集装箱模块拼装，形成楼梯间、办公室、VIP洽谈室、卫生间等功能房间，荫蔽在周边高低有序、错落有致的景观树木中，与漫步道的竹林相交织(图3)。前场采用“型钢柱+屋盖+挑檐”的形式，2.7 m挑出雨披模块下方种植花圃组团，自然形成了入口空间将人流汇聚于建筑内；在中场景观步道中心设计镜面水景，不规则地放置5处睡莲，点题“夏荷”。景观分区均采用仿大理石条圈边，伸展的仿大理石条又在各个方向形成了长凳，引人驻足，访客可以在上面小憩，享受营销中心的美景。同时，集装箱建筑个性鲜明的咖色波纹板外立面造型、现代雕塑感的形象，与绿色树木相得益彰，透过水纹玻璃景墙显得格外引人入胜，彰显了营销中心应有的标志性(图4)。

图3 营销中心设计效果图

图4 营销中心实景照片

4 建筑模数与模块组合适应性设计

装配式模块化集装箱建筑具有集成度高、设计与装配效率高等鲜明的特征。作为用于工业生产的装配式模块化建筑，建筑模块的种类和规格应尽可能少，同时相同功能的基本模块应具有通用性和互换性，有利于工厂批量化生产，节约成本，提高效率。但这也带来了另一个问题，如何避免建筑造型死板，建筑空间单调。这需要巧妙和创造性的模块化组合设计，以反映建筑组成的标志性和艺术性。

在榕发夏荷郡项目营销中心的设计中，共有14个建筑模块，包括6个1层模块、8个2层模块(图5)。所有这些建筑模块仅有3种模数尺寸规格：长宽高=6000 mm×3000 mm×6000 mm，长宽高=9000 mm×3000 mm×6000 mm，长宽高=6000 mm×3000 mm×3000 mm。 设计采用这三种模数是根据开间及高度要求，结合标准化生产线条件而定。后场6个集装箱其尺寸均为6000 mm×3000 mm×3000 mm标准箱，这样既可以采用工厂的标准件来生产又方便运输。考虑到营销中心作为一个具有展示及服务要求的办公建筑，前场对空间要求大，前场需要适当增加净高，以提高舒适度。因此，前场采取“型钢柱+屋盖+挑檐”的形式，把标准尺寸箱体进行现场拼装焊接，通过型钢柱以及箱体横梁框架，来达到6 000 mm的结构高度。为什么不直接在工厂里直接加工6000 mm箱体高度进行现场拼装呢？根据2016年公布的《高速公路超限运输车辆管理规定》(交通运输部令2016年第62号)，“车货总高度从地面算起超过4 m”被列为超限运输车辆,超过4.2 m时受到更严格的限制，许多道路和桥梁无法通过。3000 mm模块高度加上运载集装箱的半挂车装载平台高度基本在4.12 m左右，3000 mm已是工厂到现场的路线通过性与模块建筑模数的综合考虑[1]。

图5 建筑模块组合形式

为了使模块化集装箱组合能凸显出营销中心建筑个性鲜明的现代雕塑感标志性形象，设计上在外立面造型做文章。在挑高部分展示厅区域，立面借鉴幕墙装饰设计理念，采用钢龙骨柱支撑屋架体系，并用中空钢化玻璃做空间隔断封闭，钢龙骨柱外包白色铝方通线条造型，与箱体咖色波纹板形成“风浪扬帆”的设计感。屋檐部分，设计内嵌式洗墙灯，增加营销中心的夜景效果，与周围景观交相辉映，突出营销中心的地段区位位置。最后，2.7 m长的外挑出檐口模块，形成建筑雨披，最终完成了这个由14个箱体建筑模块组成的体量平衡、室内外空间层次感丰富的建筑组合(图6)。

图6 立面夜景效果

5 实现快速建造的结构与构造设计

5.1 结构设计

集装箱作为一种模块化组装建筑，其受力分析与一般的装配式建筑不同。集装箱的波纹钢板围合类似钢板剪力墙，在结构中可以起到一定的作用，有良好的刚度和承载力，使营销中心可以采用较大的悬臂方案(最大悬臂2.7 m)。但是为了满足建筑的采光、通风和交通功能，箱体结构的外墙需要大量采用开洞措施。另外，由于营销中心展厅需要较大的开放空间，在模块拼接时需要拆除部分侧墙。这不可避免地削弱了原有的箱体结构。当模块单元墙板完成后，由于墙刚度分布不均匀程度、墙板孔开度和吊升等原因，吊装时，墙板会产生不规则的变形。为了保证结构的整体的刚度和承载力，保证受力的稳定性，对薄弱点进行了BIM建模，并导出元单位构件，进行有限元分析(图7)。通过这种方法，找出了结构薄弱环节，找出了钢板和钢板对墙体和楼板的压力最大处。由图7可知，箱体钢板开洞的边角部位会出现部分拉伸、剪切变形，这种变形是箱体建筑在内部装修以及长期使用过程中出现结构破坏的因素。为避免上述情况发生，通常要对箱体开洞部位进行一定加固，通常采用增加角钢加固，加固方式一般是将角钢对角形成点焊在窗户的四个角上。其中角钢端部与板节点需要节点耦合，连接方式为铰接。借鉴钢结构补强设计，箱体结构的整体受力是通过有效地加强开口部位的斜撑,增加顶梁横截面,加强框架顶梁连接,焊接内部金属墙龙骨,从而保证悬臂结构挠度减少，完成结构设计[2]。

图7 墙体开洞部位SAP2000有限元分析

5.2 节点构造设计

集装箱建筑由标准模块组合成整体，连接节点的构造决定其建造周期的长短，也关系到结构完整性、建筑防水保温等诸多方面，节点的受力性能也是影响结构正常使用的重要因素。因此，节点构造设计的合理性是模块化装配式集装箱建筑建造成功的关键。榕发夏荷郡营销中心集装箱建筑主要采用矩形钢框箱体整体叠合的形式，因此采用轻型连接节点，即集装箱建筑专用节点。在设计上，矩形钢框梁柱上焊接L型角件，箱体角件间的连接应保证角件对齐并与连接件间紧密接触。其节点采用角件连接构造(图 8)，然后用螺栓直接连接。这种节点连接保证有可靠的抗剪、抗压与抗拔承载力；框架与集装箱体间的水平。然后，在集装箱的角部处焊接钢板，重要构件或节点连接的熔透焊缝不应低于二级质量等级要求；角焊缝质量应符合外观检查二级焊缝的要求；配合角件处的双头锥使用，连接紧固上下两层集装箱。在集装箱梁处焊接工字钢，将集装箱之间的连接问题转换成钢结构中工字钢之间的连接，规避螺栓无法拧紧的问题，将螺栓紧固的操作空间转移到角件之外，同时可以通过连接面配合钢结构建筑连接做法，将节点的铰接做法转换成刚接节点。以上通过《集装箱模块化组合房屋技术规程》中集装箱建筑专用节点的适应性改进设计，从而保证箱体建筑的快速建造以及结构的安全、稳定[3]。

图8 节点构造设计

6 集装箱建筑快速建造技术

在装配式集装箱模块吊装前，应先把预埋件预埋于混凝土基础上，经各方验收合格后设置连接定位板，在一个集装箱模块安装完成后，连接模块节点(图9)。

图9 节点构造设计

根据基础标高的复测情况和预埋件、支架的实际长度，进行箱体底板安装和调整，以保证相应的标高精度；按照图纸上的集装箱箱体的编号顺序，安装预埋件；并利用全站仪测量箱体框架水平、纵向垂直度，使集装箱箱体的水平、纵向中心线与基础中心线保持一致，并拧紧地脚螺栓；各模块安装、调整、检测合格后，进行柱脚焊接加固，并二次浇注混凝土定型。

在每个箱体模块安装完毕后，进行安装精度校准。调整到位后，方可进行下一个模块安装。模块安装校准，调整时先调整标高，再进行中心位移的水平校准，最后调整垂直偏差。校准完成后，连接节点应固定牢靠[4]。

图10 二层箱体吊装

6.1 集装箱模块与基础预埋件连接

基础验收后，将调节垫板焊接安装在底板上(图11)。连接角件安装在调节板上。完成后，将集装箱模块吊装，并最终连接矩形框架模块节点。具体操作要点如下:

在测量定位后，将集装箱模块的螺栓连接接头焊接到调节板上，然后按照上述吊装和校准方法将连接节点上的定位销座固定到集装箱模块上。将高强度螺栓与角件连接，对接后拧紧螺栓。

图11 调节垫板

6.2 集装箱模块与模块间的连接

在集装箱的模块化建筑中，首层箱体模块的连接节点需要在顶部、底部和左、右两侧固定不同的模块。具体连接步骤如下:

(1)首层集装箱模块安装完成后，在安装过程中及时测量并校准相关尺寸，如首层集装箱模块连接角片与洞孔边的距离等(图12)。对于部分有偏差的部件，采用垫板来调整偏差大小，以满足后序集装箱模块安装的要求。

图12 首层模块校正

(2)正在进行安装的模块顶部，通过定位销座和角孔安装法兰位置的螺栓连接节点。对于法兰连接节点，应注意增加垫板，快速校正螺栓孔位置。对于可旋转的连接节点，应注意将相邻节点的固定板部分焊接成一个整体(图13)。

图13 模块间连接

(3)在集装箱模块的下角和连接节点的销座，通过上述吊装方法校准到位。安装相应的箱体底板后，对相邻模块与连接节点的孔板之间的位置进行微调。

(4)最后，进行连接固定(图 14)。通过矩形框架翼缘板的固定模块，检查翼缘与连接板螺栓孔的对应关系，检查附加底板的稳定性与适应性，采用螺栓扳手拧紧；可旋转接头部位，箱体模块就位后，通过转角一侧预留孔，将接头旋转部分旋转90°，然后用工具通过转角孔拧紧螺栓，实现紧固。

图14 连接固定校正

(5)模块化集装箱建筑是一个高度集成的装配式建筑(图15)，其安装和布置的机电管道的模块在工厂预制完成,只有管道连接建筑的公共区域的接口部分，可进行现场施工和安装。操作步骤如下:

①模块吊装连接完成后，检查预留管道位置并按规范进行相应调整。

②管线连接设备端的准备。

③进行集装箱箱体模块管线接头的快装连接。

图15 管线安装

7 结语

通过对装配式集装箱建筑的场地策略的分析，结合使用功能进行适应性模块化设计，并使用仿真分析施工过程中的薄弱节点受力情况，合理调整设计节点构造，机电管线工厂预留、现场接口，实现榕发夏荷郡项目营销中心31d精装交付的快速建造、品质建造，成功完成一项集装箱模块化建筑适用性设计及工业化施工研究。