模块化集装箱住宅建造优化研究——以枣庄翼云湖度假区为例

■ 张 能 ZHANG Neng 俞然刚 YU Rangang 张培峰 ZHANG Peifeng

0 引言

模块化集装箱住宅是利用标准海运集装箱改造为居住和使用空间的特殊住宅类型之一，具有明显的模块化特征：①集装箱住宅满足3R（reduce、reuse、recycle）原则，可有效减少碳排放，符合我国资源节约型、环境友好型的发展战略[1]；②利用集装箱形成标准化住宅单元，在工厂集成内装模块，便于移动装配和拆装重组；③集装箱住宅层数通常为4层及以下，体量小巧、造型丰富且便于施工建造，应用范围广泛。目前，国内外学者的研究方向大多集中在集装箱建筑的发展与应用[2]、生态化及参数化设计策略[3-4]、设计理念与低碳，集装箱结构安全和抗侧刚度[5-6]、力学性能及抗震性能[7-8]等方面，但对集装箱住宅建造过程中的模块化和装配构造问题的关注较少。虽有关于集装箱建筑的连接方式及节点研究[9]，但均以焊接方式为基础进行探讨，或局限于对集装箱专用连接件的探讨[10]；而对于基本模块建构的合理性、集装箱住宅构造适用性、装配构件的多样性，以及对集装箱残留有害物质的处理[11-12]等方面，均无深入研究，一定程度上制约了模块化集装箱住宅的推广和发展。我国的模块化集装箱住宅发展仍处于粗放阶段，研究集装箱住宅的设计和建造过程，对于模块化集装箱住宅的发展具有重要意义。

1 工程概况

枣庄翼云湖度假区是一个以集装箱房屋为主的特色旅游度假区，功能单元包含青年旅社、度假别墅等住宿单元56 套（共120 张床位），以及餐厅、水上高尔夫、休闲会所、公共卫生间、接待中心等一系列建筑群组，建筑面积约4500 m2（图1）。全部集装箱房屋的建设周期为47 d，其中，现场施工组装周期19 d，占到整个工程周期的40%。模块化体系不完善和装配化程度低是影响现场施工进度的主要原因，本文以翼云湖度假项目实践经验为基础，从集装箱模块选型到结构及构造优化，系统地探讨模块化集装箱住宅在施工、装配全过程的性能优化。

图1 翼云湖集装箱度假区

2 模块选型

作为模块化建筑，集装箱住宅的基本模块体系由空间模块、基础模块及构配件功能模块构成。其中，空间模块即形成住宅空间的集装箱基本单元；基础模块是与集装箱相配套的承重构件，包括不同类型和材料的基础；构配件功能模块主要指满足集装箱住宅各种功能需求的标准化成品构配件，如楼梯、雨棚、栏杆扶手、集成卫浴等。

2.1 空间模块选型

2.1.1 箱型选择

集装箱住宅建造前，首先需要选择合适的集装箱模块。据统计，我国每年集装箱制造企业总产销量在200万TEU～300 万TEU，每年还有将近200 万个集装箱从运输业退役。大量新、旧集装箱被用于建造模块化住宅，但在建造过程中，却回避了集装箱本身独特的结构体系与住宅建筑之间的矛盾，忽视了原集装箱残留污染物对使用者的危害、空间大小对使用者的心理影响等诸多问题。因此，有必要先对集装箱住宅的基本模块进行优选。

标准海运集装箱有冷藏集装箱和干货集装箱两种。作为冷链运输的冷藏箱具有优越的保温效果，在集装箱建筑市场备受青睐；但因其四壁和顶板无结构承重能力，不满足建筑结构安全要求，故不应作为居住空间使用，若要作为居住空间，则必须重新进行结构设计。干货集装箱则具有结构强度高、刚度好、自重轻、防火和抗震性能良好等优点，因此，集装箱住宅项目应优先选择干货集装箱，本文即以干货集装箱为研究对象。

干货集装箱按高度分为2603 mm（净高2390 mm）和2896 mm（净高2690 mm）两种规格，根据现行国家标准《住宅设计规范》（GB 50096——2019）中规定，“住宅类室内净高不应低于2400 mm”，而集装箱住宅内装构造厚度约200 mm，因此，作为居住类空间使用时，应选择2896 mm规格的集装箱进行施工（图2）。此外，标准箱还有20 尺柜和40 尺柜之分，其中，20 尺柜使用面积为15 m2，40尺柜面积约30 m2。通过多箱组合,可以调整住宅空间大小及布局形式。

图2 干货集装箱住宅施工过程

2.1.2 箱况选择

（1）应选择箱况良好、结构无破坏、表观无破损的箱体，必要时需做渗漏试验。

（2）由于集装箱在生产或运输使用过程中会残留或沾染有害物质，应对箱体内部构件进行除菌、除重金属等有害物质；并在清污后，重新喷涂无毒封闭底漆；另外，集装箱原木地板含有杀虫剂，需更换新地板。

（3）有些退役集装箱侧板变形较严重，表面凹凸不平，此时，可以通过灵活调整立面开窗、开洞位置切除变形部位，形成活泼的立面造型。

2.2 基础模块选型

目前，很多集装箱建筑项目会使用条形基础或筏型基础，不但增加了大量的现场施工作业，而且与模块化装配式建筑的发展理念相悖。

集装箱具有优越的整体性及轻盈的自重，一个40 尺柜在载重36 t 的情况下，仅需要4 个角部独立支撑即可，因此，独立柱式基础完全适用于集装箱住宅项目。独立柱式基础有诸多优势：调整基础柱高度即可实现集装箱住宅底部架空，不仅无需对基地进行“三通一平”处理，而且可以与基地自然环境有机结合，最大程度地保护土地资源，保持原有地面植被或水体，符合生态建筑可持续发展的理念。

集装箱住宅通常用的独立柱式基础有：钢筋混凝土现浇基础、预制H型钢基础和地螺丝钢基础等。其中，钢筋混凝土现浇独立柱式基础需要现场加工及养护，施工周期长，通常在地基承载力薄弱的情况下使用；预制H 型钢独立柱式基础由H 型钢预制加工而成，需要在现场开挖基坑并埋置，通常适用于建筑体量较小、基础埋置较浅的情况；地螺丝基础（图3）是工厂预制生产的螺丝形镀锌钢基础，无需开挖基坑，由专门机械施加载荷将地螺丝钻入地基，可视为摩擦桩，其埋置深度由机械控制，承载力的大小可控可测，最大限度地保持基地原貌，也使得地螺丝基础具有广泛的适应性。

图3 地螺丝独立基础

为防止地基不均匀沉降而导致箱体变形，首先需要增加联系梁以加强独立基础的整体性；此外，增加基础埋深、增大基础底面积、增加基础与地基的摩擦力也是防止不均匀沉降发生的有效措施。

2.3 其他功能模块选型

集装箱住宅中，功能需求多样、构配件类型众多，如室外的楼梯、雨棚、栏杆扶手构件及室内的卫浴、餐厨设备等，在模块化建筑设计和施工中都占有重要比重，因此，合理选型是建构模块化装配体系的重要环节。其选型原则为：以标准化成品构配件为主体（图4），以栓接方式为连接手段，以完善装配体系、提升装配速度、优化空间体验为其他构配件的选型目标。

图4 标准化成品构配件模块

3 结构优化

3.1 主体结构主要承重构件

集装箱结构体系清晰明确，其主要承重构件为角柱、底梁和侧板（图5）。其中，角柱承受上部荷载，并与底梁共同承受箱内荷载；侧板具有较高的水平承载力和抗侧刚度，同时承受部分竖向荷载，可视为一种波纹钢板剪力墙。集装箱顶梁和顶板承载力差，不属于主要受力构件。因此，当集装箱上部出现集中荷载时，侧板成为主要受力构件，会产生形变破坏，此时，需要完善结构体系，在集中荷载处增加结构柱和承重梁，与侧板共同承受上部荷载，以减小侧板形变，提升整体抗侧能力。

图5 标准海运集装箱结构

在对集装箱侧板开洞时，需考虑其刚度和承重要求。一般情况下，侧板局部开洞对刚度破坏小，当顶梁下部保留200 mm 以上宽度时，其整体刚度保持较好。开洞的大小和形式会对刚度有影响，相同面积情况下，长方形优于方形，方形又优于圆形；另外，增加门窗构件的洞口优于开敞的洞口。当侧板被全部切割时，需要增加支撑柱加强整体刚度。

3.2 结构优化的3 种基本原型

集装箱住宅结构优化组合大致可归纳为3 种基本原型，即：正交叠加、对位叠加和错位叠加（图6）。

图6 基本组合原型及案例

3.2.1 正交叠加

正交叠加组合方式呈十字形或X形叠加布置，可以形成屋顶活动平台和底部架空空间。由于下层顶梁和侧板不具备承重能力，叠加时，下层承重部位侧板需保留，同时增加结构柱支撑。有两种做法：①结构柱需穿透顶板与上层箱体底梁连接，这种做法结构整体性好，但破坏了底层箱体顶板的完整性，需要增加防水层；②相对简单的做法是在上下层之间增加金属垫板，此做法虽可避免在顶板开洞，但结构整体性较差，通常只在底层多箱组合结构中使用。

3.2.2 对位叠加

这种组合方式由集装箱专用连接件在角件处连接上下层箱体，受力符合集装箱原结构特征，理论上无需对结构进行补强。但通过实践项目发现，改造后的箱体完整性被破坏，底纵梁在长度方向挠度变大，箱体局部刚度变弱，底板振幅较大，影响使用时的舒适度。因此，实际施工时，应在箱体中部或1/3 处增加支撑锚固点，在保证上层底板刚度的同时，加强结构整体性。

3.2.3 错位叠加

在对位叠加的基础上进行前后错位，形成局部悬挑和屋顶活动平台，空间形态丰富。错位叠加状态下，悬挑尺寸与结构关系呈动态变化：当悬挑尺寸较小时，上下层箱体间增加连接加固点；当悬挑继续增大时，上层悬挑箱体应增加斜拉杆或构造柱进行结构补强；当悬挑尺寸超出一定范围时，应在悬挑角柱下方增加结构梁、柱等附加结构体系。错位叠加悬挑距离与结构优化方式的关系如表1所示。

表1 悬挑尺寸与结构优化关系

集装箱住宅模块在以上3 种原型的基础上进行组合，可以营造多变的建筑形态，形成丰富的空间层次，达到建筑独特的设计效果。随着组合层数的增加及体型的日益复杂，集装箱自身的结构体系已不再满足建筑结构的需求，此时，可以采用框架结构与模块化集装箱相结合的外框内箱式结构模式，保证集装箱住宅的整体强度和刚度，提高集装箱住宅的安全性，同时，有效地降低建造成本，缩短施工周期。

4 构造优化

构造标准化和节点模块化是提高模块化建筑装配效率的关键。2016年，行业主管部门组织专家尝试提出了装配式混凝土建筑标准规范体系，构建装配式混凝土建筑的基础标准、通用标准和专用标准[13]。集装箱建筑模块化的构配件可减少现场复杂作业，有利于建筑快速装配，构件便于维修和更换，并对居住舒适度、建筑耐久性等方面都有决定性影响；构造处理的关键节点涉及保温隔热和连接做法等方面。

4.1 保温构造

与冷冻箱一体成型的集成保温做法不同，集装箱住宅采用的干货集装箱需要附加保温层，根据保温层位置不同，分为外保温和内保温两种做法。外保温做法是将集装箱表皮全部包裹在保温层内（图7），以避免冷桥现象发生，同时，节约室内净空高度，提高空间利用率，使室内裸露集装箱表皮便于装修施工；不足之处是，保温层外增加围护面层等构造层会导致角件等连接件隐藏在内部，不利于模块化施工作业，因而在集装箱住宅中较少使用。内保温做法是在集装箱表皮内部附加保温层，且不改变箱体外观及连接构造，便于施工、运输及安装。在实际项目中，应综合考虑空间需求、保温效果及施工难易程度来选择保温方式。

图7 外保温构造及案例

根据保温材料不同，保温层做法有喷涂发泡聚氨酯或填充硬质保温板（XPS）两种。喷涂聚氨酯发泡的构造方式整体性较好，但不利于装配式施工，在模块化集装箱住宅中，应优先选择填充硬质保温板（XPS）的装配式做法。

4.1.1 底板保温

模块化集装箱住宅保温构造中，底板保温做法最为特殊：为减少占用内部空间，保证室内净高，需采用外保温做法；为降低“冷桥”传导，在集装箱地板底部喷涂聚氨酯发泡作为保温层；同时，为防火、防蛀，需在保温层外增加镀锌钢板围护面层进行封堵。底板保温在工厂预制加工完成（图8）。根据功能需要，可在集装箱木地板内侧附加电加热膜片（地暖层）及防水层和地板面层。

图8 底板保温构造

4.1.2 侧板及顶板保温

集装箱侧板采用内保温做法；至于顶板，实践证明，采用内、外双保温做法有很好的效果，即内部采用60 mm 聚氨酯发泡，外部采取膨胀蛭石混凝土保温层兼做找坡层的做法（图9）。其中，内保温具体构造为：在集装箱侧板和顶板增加螺栓固定件，在螺栓端部用调平件调整吊顶龙骨呈水平状态；中间采用聚氨酯发泡保温，厚度为顶板50 mm、侧板80 mm；增加竹木纤维板面层，并在面层与保温层间设置20 mm 厚土工膜防潮层。经实际观测发现，该构造可使冬季室内温度提高5℃～7℃，保温效果明显。

图9 侧板和顶板保温构造

4.2 通风隔热

通风隔热效果是影响集装箱住宅舒适度和能耗的重要指标。封闭的集装箱模块内部空间较狭小，若没有良好的通风和隔热措施，则会导致通风不畅、空气龄长、温度升高等问题，而机械通风和空调制冷浪费能源且不符合生态可持续发展理念，因此，被动式通风隔热手段在集装箱住宅中具有广泛的适应性。

4.2.1 自然通风

集装箱空间呈筒状矩形结构，箱体前后端开窗有利于风压通风的形成；侧板上下侧开窗有利于热压通风的形成。通过实测和CFD 风压模拟验证通风效果（图10），结果表明：集装箱住宅前后端开窗能有效降低空调的使用时长、节约能耗，通风效果最好。对翼云湖度假区6 套单箱度假屋使用情况进行问卷调查，发现自然通风时，舒适度更高。由于集装箱优异的整体性，在箱体侧板任意位置开常规门窗洞口一般不会对箱体结构产生破坏性影响，因此，集装箱住宅立面设计改造步骤为：①在选定的集装箱上划定侧板变形、破损部位；②进行自然通风组织设计，确定拟开设门窗洞口位置；③对拟开设门窗洞口位置与变形、破损部位进行耦合，并优化立面设计；④确定门窗洞口的最终位置并完成改造。

图10 集装箱单元模块通风模拟云图

4.2.2 隔热手段

受集装箱金属表皮导热性能影响，需对顶板及西向和南向侧板采取隔热措施，防止集装箱表皮热传导，致使住宅内部夏季过热。隔热措施主要有贴反射膜、增加遮阳构件、覆盖大阻热材料等。

（1）顶板贴铝箔反射膜可以有效减少太阳辐射热，宜与屋面防水卷材结合使用；若采用遮阳构造，宜采用成品遮阳构架如屋顶格栅等，也可以与上人平台相结合。

（2）侧板的隔热措施主要采用遮阳构架的形式，结合植物花架等手段增加立面效果；此外，在侧板外挂带空气间层的饰面板也有良好的隔热效果。在解决好结构承重的前提下，采用覆土方式是较为生态的做法，宜与基地环境结合。

4.3 连接构造

目前，集装箱住宅构配件的连接方式主要采用焊接。焊接构造简单，结构刚度大，但焊接结构低温冷脆问题较为突出，容易产生锈蚀、渗漏等问题；同时，集装箱模块焊接为整体，产品灵活度差，无法重新拆装移动，与装配式理念相悖。因此，项目中尝试采用栓接工艺（图11），即以集装箱锁件连接为基础，以螺栓连接为主导的标准工艺流程。与焊接工艺相比，栓接工艺具有安装快捷、可减少现场作业、方便多次拆装并重复使用等优点，更符合标准化生产、装配的特征。

图11 栓接法连接构造

栓接过程中，需注意对渗漏问题的解决。在项目中，除常规防水做法外，采用栓接止水带的构造做法，防水效果好，且易于更换。具体做法为：①在需要连接的部位开规则孔洞，镀锌螺栓加成品膨胀止水带固定；②结合企口缝导流槽排水构件，将雨水或渗漏水排出。

5 结语

综上所述，本研究结合实际项目经验，对集装箱住宅的模块体系、结构体系和构造体系进行完善和优化，得出以下结论。

（1）明确模块单元的选取原则，根据集装箱特点及住宅需求，选择不同规格的空间模块、基础模块及构配件功能模块。标准模块体系的建立促进了集装箱住宅的模块化发展。

（2）明确标准集装箱组合基本原型，并总结其结构优化规律，提出结构补强措施。这有助于简化结构计算，提高集装箱住宅设计和施工速度。

（3）良好的构造做法是模块化住宅高效发展的核心。本项目在明确集装箱住宅不同部位的标准化保温构造做法的基础上，提出自然通风隔热的优化手段，创新集装箱箱体螺栓连接构造，从而进一步提升集装箱住宅的装配比例，形成了标准化的构造体系。