模块化薄壁轻钢建筑研究*——以集装箱建筑为例

陈晓旭 陈兆荣 陈戊荣 杨涛

0 引言

预制装配式建筑是指根据建筑工业化设计要求，采用尺寸精确、符合建筑模数化和标准化的预制构件在工地装配而成的建筑，具有工期短、受气候影响小、人力成本低、可抑制粉尘及减少噪声等优点[1]。轻钢作为建筑的主要材料，具有轻质、高强、灵活、环保等优点，而集装箱建筑是典型的薄壁轻钢建筑。

全球超95%集装箱在我国生产，每年存在大量废弃集装箱，回炉炼钢易对环境造成污染，将废旧集装箱回收利用是解决该问题的有效方法。在大力推广装配式建筑的背景下，模块化集装箱建筑发展是大势所趋。

1 模块化集装箱建筑的应用

1.1 灾后应急类建筑

汶川雁门中心学校是汶川地震后中集集团援建的集装箱学校，使用171个集装箱模块，历时3个月，总建筑面积3000m2，可满足教学需求。火神山医院由300多个集装箱拼装而成，仅用10d建成（见图1）。

1 火神山医院（图片来源：网络）

1.2 住宅类建筑

WFH house是位于我国无锡市的绿色集装箱房屋建筑，由3个40尺废旧集装箱拼接而成，建筑面积为180m2。荷兰阿姆斯特丹的Silodam公寓占地面积600m2，共有142间自购房及15间租赁公寓房屋。

1.3 商业类建筑

Quadrum集装箱酒店位于格鲁吉亚雪山上，就地取材，根据金字塔造型拼装而成（见图2）。韩国第一家大型集装箱商场“COMMON GROUND”由200个大型集装箱构成，总占地面积5280m2，是目前世界上规模最大的集装箱商场（见图3）。

2 Quadrum集装箱酒店（图片来源：网络）

3 集装箱商场“COMMON GROUND”（图片来源：网络）

1.4 其他类建筑

中国南极长城站由集装箱组装而成，并采用特殊的重防腐涂料防止房屋在低温、高盐雾的环境中锈蚀（见图4）。

4 中国南极长城站（图片来源：网络）

2 集装箱建筑研究现状

2.1 国外研究现状

1986年，JOHN M D[2]提出集装箱建筑的概念，并申请了专利。专利中详细说明集装箱建筑由模块化的海运集装箱组成，每个集装箱单元具有特定的建筑功能，设计卡锁连接上下集装箱单元。1991年海湾战争期间，首次大规模应用集装箱建筑，主要用于运送战俘、充当军用临时建筑等。

2008年，SAWYERS P[3]撰写的Intermodal shippingcontainersmallsteelbuildings，介绍了如何购买、运输集装箱，以及如何选取最合理的空间摆放形式，以保证建筑物的安全性。KOTNIK J[4]撰写的Containerarchitecture:this bookcontains6441containers详细介绍了将二手集装箱改造成建筑物的设计过程，并给出了详细的设计图纸和施工细节，助力集装箱建筑的推广与应用。

2010年，LAWON R M等[5]提出新型高层模块化结构，并对模块化箱体的墙板和模块柱进行了分析。GREEN J E[6]提出将废旧集装箱改造成发电房或水井房，利用太阳能电池板发电或将自然水源转化成饮用水，并申请专利，专利中详细介绍了集装箱房屋的节点连接构造和节点连接形式。

2014年，EOM H S[7]提出可变长度角柱，将长棍贯通穿过上下角件和角柱，延伸到基础下，角件通过螺栓连接固定在基础上，极大地提高了整体的抗侧力，防止集装箱因侧向力过大发生倾覆或侧翻（见图5）。此种集装箱建筑适用于沙漠等极端环境中。BERNARDO L F A等[8]对集装箱各个部件的截面面积、尺寸和形状进行了研究，分析2种集装箱在施加集中力和均布荷载后的变形情况和极限承载力，最终证实废旧集装箱可作为建筑材料。

5 可变长度角柱设计（图片来源：Container house having structural stability）

2020年，BERTOLINI M等[9]对废旧集装箱用作建筑材料或回炉炼钢对环境的影响进行评估，从全球变暖趋势、臭氧消耗趋势、雨水酸化趋势及土壤富营养化趋势4个方面进行分析，结果表明将废旧海运集装箱用作建筑材料能有效降低CO2的排放。

2.2 国内研究现状

2004年，柏庭卫等[10]撰写的《香港集装箱建筑》是我国最早关于集装箱建筑的书籍。随后几年，我国香港出现很多利用废旧集装箱改造的房屋，虽设计较简单，层数不高，但成为当时独特的风景线，笔者实地考察并对其综合对比分析，最终提出较为合理的箱体排列方式和改造设计方法。

2009年，纪尚志等[11]对青岛积米崖渔人码头的集装箱建筑进行了探讨，分析集装箱建筑的优势和带来的经济价值。黄科[12]对欧美、东南亚、中东、非洲、拉美地区和中国的集装箱建筑应用情况进行了总结和分析，并对集装箱建筑的未来应用趋势和市场发展前景进行了预估。

2014年，查晓雄等[13]对集装箱模块进行简化计算，得出在建筑理论限定范围内随意搭建的多层集装箱房屋中任意柱子的轴力计算公式，以及在水平荷载作用下的侧移计算公式。同时基于蒙皮理论分析了20英尺、40英尺集装箱的单箱抗侧刚度，并利用位移协调和经典力学理论，推导得出单层多跨、多层单跨和多层多跨的集装箱房屋纵向刚度公式。

2020年，吴从晓等[14]提出外框内箱结构，提升装配式集装箱建筑的安全性，可在高层建筑中应用。外框内箱结构由外框柱、外框梁和模块化集装箱组成。模块化集装箱通过角件与外框梁连接，该种连接可使每个模块化集装箱的内力先由箱体的柱传递到外框梁上，再传递到外框柱，可避免传统集装箱结构在地震和竖向荷载作用时出现竖向构件与水平构件的承载力和刚度不足的问题，从而提升模块化集装箱建筑的适用性。

3 集装箱建筑优势与不足

3.1 优势

1）安全性强，牢固耐用 集装箱作为货运载体，由钢质材料组成，抗形变能力较强，抗震性能较好，负荷性能强大，既能承受波涛汹涌的海上颠簸，又能抵抗恶劣的气候条件，可轻易叠加堆放。

2）符合模数化、标准化要求 集装箱作为建筑基本模块时，标准化程度高，可实现全装配式，适应工业建筑发展要求，在场外建造，根据项目进展安排工厂生产，然后运送至项目现场组合装配，或在当地工厂生产集装箱，将成品直接送至项目现场。

3）施工方式简单、周期短、速度快 可实现全机械化施工，节约人工成本。在我国，将集装箱重新设计改造成具备住宅的功能及结构需2～3周，而用砖瓦和水泥建造同样大小的建筑结构则需4～6个月，可极大节省成本。

4）灵活性强，移动方便 可在任何地方进行快速建造或拆卸。传统房屋若要去掉某扇内墙需要考虑很多因素，且工程量极大，但集装箱建筑仅需切除中间的板材即可实现想要的空间。

5）节能减材，低碳环保 集装箱建筑可干式施工，节约用水，施工占地少，噪声小，粉尘少，工厂内进行加工改造，在施工现场只需简单拼装，不产生建筑垃圾，减少了环境污染和噪声，是国际公认的环保建筑材料，同时还可减少砖块和水泥的使用，极大地减少CO2的排放。

6）可回收利用，成本低 集装箱建筑的箱体大部分是二次利用，当建筑使用寿命到期，可对结构拆除产生的废钢进行回收。同时集装箱无需经过复杂加工，可直接投入使用。

7）空间开放强，可自由调整 集装箱建筑空间开放性强，其建筑结构与功能可按照使用者自身要求调整。集装箱建筑的实际使用面积比砖块结构多出10%。而薄壁轻钢结构保证了在不同环境条件下均能保持良好的稳定性。

3.2 不足

1）建筑高度限制 现有集装箱建筑一般不超过6层，现行设计规范也只适用于6层及6层以下、建筑高度小于24m的低层或多层房屋。

2）对于多层集装箱建筑的抗震性能研究不充分 在地震作用下，箱体之间易发生错位和碰撞，引发主要结构构件损坏，导致整体结构倒塌。现有技术规程中规定应用于8度区以上的地区，需要采用特殊的构造措施以满足抗震设计要求。

3）节点连接形式有限 当前对集装箱建筑连接节点的研究较少。大体量的集装箱建筑对连接节点的设计要求极高，节点设计质量直接影响集装箱建筑的传力性能和抗震性能。

4）现行结构设计软件对集装箱建筑不适用 集装箱构件种类多，构件截面形式复杂，现行结构设计软件中并无对应的构件截面，不利于建模。

5）耐火、耐腐蚀性能差 集装箱建筑属于轻钢结构，故耐热不耐火，应用于特殊环境的集装箱建筑需要对箱体改造以适应环境要求。

4 结语

发展装配式建筑是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措，既能节约资源、减少施工污染、提升劳动生产效率，又能促进培育新产业新动能。本文研究分析集装箱建筑的应用类型，梳理国内外集装箱建筑研究现状，总结集装箱建筑存在的优势与不足，为装配式建筑发展提供参考。