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當代集裝箱建筑模塊化設計策略研究(2)

2013年4月3日

第一章 緒論

1.1 研究的對象、背景和意義

在物流領域中流轉的集裝箱,長期使用后會產生油漆脫落、箱體銹蝕或變形等損耗,由于針對這些損耗的維修成本較高,造成了每年有大量的集裝箱因箱體的完整性無法達到運輸業規范的要求而“退役”。目前全球流轉的集裝箱逾2400萬TEU,每年從運輸業淘汰的集裝箱逾100萬TEU。這些集裝箱只有少量作為二手集裝箱轉賣繼續用于低標準的運輸,大多數還是閑置在碼頭,一般的處理方式為回爐煉鋼,但會造成嚴重的環境污染。事實上,這些退役集裝箱的主體框架依然良好,如果可以通過轉換使用方式將這些廢棄集裝箱應用到其他領域,將會產生很好的生態效益。

此外,運輸業與經濟發展的節奏有著緊密的聯系,集裝箱作為一種服務于運輸業的載貨容器,其使用與分布情況受到了東西方貿易失衡的嚴重影響。據統計,每年有大約3億只集裝箱在全球流轉,而在這其中有26%是由中國發出的;2005年從亞洲發往美國的集裝箱數量達1288萬只,而在這其中只有大約454萬只集裝箱返回發送地,致使800多萬個集裝箱閑置在歐美港口。將這些集裝箱空置運回出發地需要產生相應的運輸成本,而由于全球經濟發展的不平衡,使得在某些地區每運返一個集裝箱所產生的成本比購買一個全新的集裝箱還要多,因此閑置在歐美碼頭的集裝箱有增無減。

所謂集裝箱建筑,就是把回收集裝箱或新集裝箱作為一種建筑組件,應用到各種類型的建筑中去,換句話說,就是使用集裝箱建造房屋。通過前述的兩點,可以看出集裝箱建筑是一種很好的廢品回收利用方式,它可以為那些既難找到利用價值又占用堆放場地的閑置集裝箱找到一條新的出路——建筑組件??梢哉f,集裝箱建筑這種建造體系呼應了當前全球可持續發展這一趨勢。集裝箱具有堅固的結構和完整的形式,能夠滿足各類建筑功能對于形式與結構的要求,將集裝箱作為建筑組件使用,還具有以下優點:

1. 建造浪費少。集裝箱房屋與磚混結構房屋相比,磚混結構房屋的施工用水量是集裝箱房屋的30倍,混凝土損耗是50倍,減少施工垃圾和裝修垃圾約99%。

2. 建造成本較低。二手集裝箱的價格較低,如一個40英尺的標準海運集裝箱價格大概為15000元,能提供約29m2的建筑面積。而要獲得相同的面積,磚混建筑的成本價格約為17400元;鋼混建筑的成本價格至少為29000元。使用二手集裝箱的建設成本是磚混建筑86%,是鋼混建筑的52%。

3. 集裝箱作為建筑組件,其標準化程度較高,具有清晰的模數化特征,能夠提高設計與裝配的效率。

4. 集裝箱的運輸與吊裝十分方便快捷。集裝箱能夠嚴格適應海陸運輸的要求,且箱體內還可裝載其他建筑材料與構件;而針對集裝箱吊裝也有非常完備的技術。因此,使用集裝箱建造體系能大大提升建造速度。

5. 集裝箱的結構整體性好,組成的建筑堅固耐用,安全性高。集裝箱建筑的承重能力達到1.7噸/平方米,抗風性達到10級,抗震等級8級,即使遇到惡劣自然災害,箱體模塊單元也不會發生粉碎性破壞。

6. 拆除簡單,回收率高。集裝箱建筑的拆卸對比其他結構建筑要簡單許多,且拆卸下來的箱體組件還可以重復使用,回收率高達90%,大大減少了建筑垃圾的產生。

7. 有一定的耐久性。許多人認為集裝箱建筑只能作為臨時性過渡建筑使用,實際上集裝箱建筑的使用年限可以達到30年,而通過各種維護措施,可以將集裝箱建筑的使用年限提升至50年。

當然,由于受到箱體結構、材料、形式等多方面的限制,集裝箱建筑也具有一定局限性,將集裝箱作為建筑組件使用,必須解決以下幾個方面的問題:

1. 箱體結構約束了箱體空間的體積、尺寸與形狀,因此集裝箱建筑在空間形式上具有一定的局限性。

2. 箱體金屬外殼保溫、隔熱、防火性能差,需要通過對箱體外殼進行改造處理來使集裝箱建筑具有足夠的保溫、隔熱、防火性能。

3. 對吊裝設備以及公路運輸條件有一定的要求。

4. 作為一種新型建造體系,集裝箱建筑在滿足各地建筑規范的過程中可能會遇到方方面面的矛盾。此外,不少人可能對這種類型的建筑比較陌生,對集裝箱建筑的接受可能需要一個過程。

集裝箱建筑在建造效率、經濟性以及可持續性方面的優勢使得世界各地出現了越來越多的利用集裝箱作為建筑組件的嘗試,產生了豐富多彩的集裝箱建筑。在這一過程中,開發方、設計方與承建方都突破了種種經營與技術局限,開創了各種解決問題的方法,積累了豐富的經驗。隨著集裝箱建筑應用范圍的擴大與建造手段的拓展,中國也逐漸出現了有專業的設計人員參與的集裝箱建筑項目。但從目前的發展水平來看,中國的建筑設計從業人員對這種新型建造體系的了解與認識尚不夠全面與深入,國內項目的設計水平不高。

集裝箱建筑既有著自己的優勢,也在許多方面具有其局限性。本研究以集裝箱建筑設計作為研究對象,希望從設計者的角度出發,探討集裝箱建筑在功能、結構與形式上的可能性,分析集裝箱建筑設計中可能遇到的各種問題,并提出相應的解決方案,讓國內外的建筑設計從業人員對這種建造體系的優點與缺陷有一個更全面和深入的了解,并掌握集裝箱建筑設計的基本原理,以提高集裝箱建筑的設計水平。

1.2 相關領域的研究現狀

1.2.1 國外針對集裝箱建筑的研究狀況

集裝箱建筑在國外的應用已有了一定的時間,各地出現了大量的集裝箱建筑項目。有人收集了這些項目的概況與圖片,并將這些信息整理成書。例如 Jure Kotnik 的 《集裝箱建筑》 (Container Architecture)就是這樣一本介紹性的著作,書中雖然沒有針對集裝箱建筑的項目開發、設計原理或建造策略作抽象的分析與概括,但對在國外出現的一些集裝箱建筑項目作了基本的介紹。

英國布萊頓大學建造環境學院的 J.D.Smith ,在2005年完成了一篇名為“Shipping Containers as Building Components”的學位論文。論文分析了使用集裝箱作為建筑構件的特點與可行性,搜集了英國以及世界上的一些使用集裝箱作為建筑構件的工程實例。在集裝箱建筑的應用情況方面,作者匯集了一定數量的案例資料,通過圖表的形式對不同規格、功能類型的集裝箱在選用基礎類型、與一般建造的結合程度以及在不同地段的使用情況等方面進行了整理與分析。關于集裝箱建筑在應用中所遇到的政策與規范問題,論文指出,目前英國尚未有專門針對集裝箱建筑的規范,但作者以英國的普通建筑規范為例,大致羅列出了集裝箱建筑的設計與建造過程可能會對應到的規范條款,并從宏觀上提出了應對策略。對于集裝箱建筑設計的深入研究,作者使用一種計算模型測算了標準集裝箱原型與加隔熱層后的U值,根據結果提出了幾種構造方案,并對比了這些方案中構造結構的厚度及其對內部空間尺度的影響。文章雖然沒有給出實例應用或構造詳圖,但提出了使用何種材料與構造方式作為防潮、隔熱或隔音層的設想,并附上了產品說明書。

國外的設計人員在集裝箱建筑的嘗試與探索中積累了不少寶貴的經驗,一些從事集裝箱建筑設計的機構與個人在實踐的基礎上總結了集裝箱建筑設計的方法與步驟,出版了一系列指導建筑師進行集裝箱建筑設計的書籍。這類著作包括由 Alastair Gordon 與 Adam Kalkin 等人共同寫作的“Quick Build: Adam Kalkin's ABC of Container Architecture”、由 H.Slawik 寫作的“Container Atlas: A Practical Guide to Container Architecture”以及由 Paul Sawyers 寫作的“Intermodal Shipping Container Small Steel Buildings”等書籍。

可以看到,國外針對集裝箱建筑的研究不僅有概括性的介紹,也出現了較為深入的設計與建造策略研究,這些研究涉及到了集裝箱建筑的設計與建造過程中可能碰到的多方面問題。

1.2.2 國內針對集裝箱建筑的研究狀況

相對于國外,國內針對集裝箱建筑的研究大多數停留在對概念的解釋以及對現象的觀察上,不少文章從集裝箱建筑的特點與應用概況上介紹了這種建造體系。如由天津大學建筑學院的貢小雷和張玉坤發表的文章“集裝箱的建筑改造——一種可持續建筑的發展嘗試”,文章概括性地介紹了集裝箱建筑的特點,集裝箱建筑在世界上的應用現狀,以及一些工程實例和先鋒建筑師的嘗試,簡單說明了集裝箱建筑的技術改造特點,展望了集裝箱建筑在中國的發展前景。

在設計研究方面,香港中文大學建筑學系的柏庭衛、顧大慶、胡佩玲的著作《香港集裝箱建筑》介紹了香港的民間對集裝箱建筑的應用。香港繁忙的港口的集裝箱吞吐量居世界之冠,人們利用集裝箱自發地進行了許多建設,這些在民間廣泛采用集裝箱作為臨時性建筑的做法與其他地區有很大的不同。作者搜集了大量香港的集裝箱建筑案例,這些沒有建筑師參與的民間建筑展現出了組合上的無限可能性以及簡潔的美學。在此基礎上,作者對這些案例進行了系統的整理,探究了集裝箱建筑的基本建造原理、組合變化以及形式類型等等。由于書中收集的案例多為臨時性的簡易建筑,因此對細部構造的研究并沒有被納入此書的內容當中。由于集裝箱建筑在國內成規模的應用尚不算多,參與的設計人員較少,因此目前對此類針對集裝箱建筑設計方面的研究是比較缺乏的。

在解決集裝箱建筑在建造中所遇到的難題方面,有哈爾濱工業大學查曉雄、王璐璐、鐘善桐發表的文章“構建多層集裝箱改造房的方法及確保其安全性實用公式推導”,文章從建筑和結構兩個方面對這一新興的鋼結構房屋進行了研究。一方面給出了以常見的用于改造的兩種集裝箱模塊為基礎的建筑組合原則;另一方面通過對集裝箱模塊的合理簡化得出了在建筑理論限定范圍內在豎向荷載下隨意搭建的多層集裝箱房屋中任意柱子的軸力計算公式和保證其在水平荷載作用下的穩定性的側移計算公式。

另外,張玉津的兩篇文章:“集裝箱式活動房圍護結構的保溫設計”和“嚴寒地區集裝箱式活動房的熱工性能”,針對集裝箱圍護結構的熱工性能處理進行了討論。

從國內研究的現狀可以看到,國內對于集裝箱建筑的設計分析較少,缺乏全面、系統的設計研究。雖然出現了一些針對集裝箱的結構安全以及箱體熱工性能的討論,但目前缺乏將此類建造問題與建筑的功能與形式設計結合起來分析的文獻。

相關內容:

當代集裝箱建筑模塊化設計策略研究(1)

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當代集裝箱建筑模塊化設計策略研究(完)

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