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當代集裝箱建筑模塊化設計策略研究(24)

2013年4月5日

7.3 箱體間的搭接方式對結構效率的影響

集裝箱即可作為主體結構也可作為附屬結構而存在,對于集裝箱建筑來說,將集裝箱作為主體結構能夠充分發揮其高強度的優點,減少附加構件的使用,從而降低造價。當使用集裝箱作為主要承重組件時,需要了解箱體之間的組合與搭接會對結構產生怎樣的影響,掌握其中的原理與規律,以便能夠利用箱體的組合與搭接將結構的效率最大化。

在對單個集裝箱的結構與受力特點進行分析后,可以得出,由4根角柱與8根鋼梁所組成的框架具有較高的強度,是集裝箱的主要受力構件。在進行箱體的組合與搭接設計時,應適應集裝箱這一結構特點,盡可能利用箱體的框架結構來承擔荷載。就結構的穩固、安全以及效率等要求來說,箱體之間的搭接需要注意以下幾點:

1. 上下箱體的疊放應盡量使角柱對齊。在貨輪或者集裝箱碼頭堆放運輸集裝箱時,通常是將箱體在水平和垂直方向對齊放置,四個角柱對齊并通過角件固定。在集裝箱建筑的箱體組合中,也應盡量將上下箱體的角柱對齊布置。這樣做一方面可以避免增設豎向支撐構件;另一方面,集裝箱角件的設計很好地考慮到了箱體之間在垂直以及水平方向上的固定,因此,在集裝箱建筑的箱體組合中,盡可能將角柱對齊布置,可以充分利用集裝箱的角件作為箱體間的連接,從而避免增加多余的連接件(圖 7-6)。

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圖 7-6 角柱對齊的疊放方式

2. 若無法做到角柱對齊,應盡量將上部箱體的角柱落在下部箱體的鋼梁上。有時由于空間或形體變化的需要,無法保證所有的角柱上下對齊,這時應注意避免將上部集裝箱的角柱直接落在下部集裝箱的屋頂板上,原因在于箱體的屋頂板不具有足夠的抵抗集中荷載的能力,若由屋頂承擔集中荷載,不但要在荷載對應的部位增設支撐柱,還要增設橫縱梁,大大增加了材料與構件的消耗,在設計中不提倡采用這種搭接方法。在這種情況下,較為合理的選擇是利用橫截面積較大,結構強度較高的鋼梁來傳遞豎向荷載,即盡量將上部箱體的角柱對齊下部箱體的框架搭接(圖 7-7)。

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圖 7-7 角柱落在梁上的疊放方式

3. 當有集中荷載作用于長梁上時,應在相應的位置上設置豎向支撐。雖然鋼梁對比箱體外殼鋼板具有更大的截面面積與承載能力,但鋼梁在運輸集裝箱在使用過程并不承擔集中荷載。由于鋼梁的結構設計不需考慮鋼梁承擔較大集中荷載的情況,因此應在對應的部位加支撐(圖 7-8)。

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圖 7-8 在集中荷載作用在鋼梁上的部位加支撐(注:圖中紅色部分為附加支撐)

哈爾濱工業大學的查曉雄等人在“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”一文中,針對上下兩層箱體在錯位搭接與正交搭接的情況下,對附加支撐設置策略進行了詳細分析與計算,此處就不再贅述。

此外,集裝箱的組合與搭接還應注意箱體間的連接與固定。運輸集裝箱的堆放通常使用專用的集裝箱連接件相連,而在集裝箱建筑中,常常通過焊接或螺栓等方式連接箱體,以保證結構的穩固。

7.4 集裝箱與其他構件或結構體系的結合

集裝箱建筑在經濟性、生態性、靈活性以及建造速度等方面體現出了許多普通建筑所無法比擬的優勢。然而,這種新型的建筑結構也存在著許多局限。集裝箱作為一種針對運輸需要而開發的工業化產品,其固有的箱體結構與形式限制了其空間與形式的組合與變化。單個集裝箱內部空間的體積與開間都很小,空間形式基本無變化,應用范圍較小,而多箱體融合空間也無法完全掙脫箱體結構對空間尺度與變化的束縛,框架梁的存在對空間效果造成了較大影響。要想在集裝箱建筑中獲得尺度更大、形式更為靈活的空間,往往需要結合其他結構與組件,配合“非集裝箱空間”來解決問題。另外,即使集裝箱具有良好的結構特性與合理的價格,但它不能夠代替一棟建筑中的所有組件,或者說,對于各類建筑所必需的一些組成部分來說,用集裝箱來制作這些組件是比較困難的。

因此,建造者經常需要使用一些附加構件制來協助集裝箱構成一座完整的建筑,有時還需要在集裝箱建筑中融合其他的結構體系,來獲得更豐富的空間與造型。附加構件包括樓梯、走道、屋頂等使用集裝箱難以制作的部件,而常見的與集裝箱相結合的結構類型有鋼結構和鋼筋混凝土結構等等(圖 7-9、7-10)。其中鋼結構與集裝箱結構的結合非常普遍,原因在于集裝箱與鋼制構件之間的固定可以通過焊接的方式來實現,簡單方便。集裝箱與其他構件或結構體系的結合需要注意以下幾方面的內容。

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圖 7-9 鋼筋混凝土結構與集裝箱的結合

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圖 7-10 鋼結構與集裝箱的結合

建筑功能與空間形式的需要

選擇其他結構與集裝箱結構配合應考慮功能的適用性,根據各種結構與組件的材料與尺寸等特點取長補短,創造適用且富于變化的空間。除集裝箱外的其他構件與結構需解決好自身的保溫、隔熱、隔音、隔濕、防火等問題,以保證建筑的整體空間質量。

結構以及建造過程的效率與經濟性

所選用的附加結構與構件需考慮其成本與性能,避免為追求結構的特殊與夸張而大幅度增加造價。在與其他結構的配合過程中需考慮集裝箱的尺寸特點,并選用合適的模數與之相適應。

建筑的造型設計

功能、結構與舒適度在建筑中無疑具有舉足輕重的地位,然而,一座建筑的設計并不是僅僅由這幾個因素所決定的,建筑設計還必須將建筑對人的審美需求的滿足考慮在內。因此,設計者應利用附加結構或組件美化集裝箱建筑的形象,豐富外觀的變化。附加構件或結構的形式通常會比集裝箱更為靈活,當需要進行較為復雜的形體處理時,應充分利用附加構件的靈活性。

可持續性

在選擇附加結構與組件的過程中,應考慮結構與組件的存在與配合形式對建筑的通風、采光、遮陽、防寒等方面的影響,利用附加結構或組件提升建筑的生態與可持續性,減少建筑在機械通風、降溫、取暖以及建造過程中的能耗。

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