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當代集裝箱建筑模塊化設(shè)計策略研究(24)
2013年4月5日
7.3 箱體間的搭接方式對結(jié)構(gòu)效率的影響
集裝箱即可作為主體結(jié)構(gòu)也可作為附屬結(jié)構(gòu)而存在，對于集裝箱建筑來說，將集裝箱作為主體結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮其高強度的優(yōu)點，減少附加構(gòu)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生怎樣的影響，掌握其中的原理與規(guī)律，以便能夠利用箱體的組合與搭接將結(jié)構(gòu)的效率最大化。
在對單個集裝箱的結(jié)構(gòu)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(gòu)件。在進行箱體的組合與搭接設(shè)計時，應(yīng)適應(yīng)集裝箱這一結(jié)構(gòu)特點，盡可能利用箱體的框架結(jié)構(gòu)來承擔荷載。就結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(yīng)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?qū)R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(yīng)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(shè)豎向支撐構(gòu)件；另一方面，集裝箱角件的設(shè)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）。
圖 7-6 角柱對齊的疊放方式
2. 若無法做到角柱對齊，應(yīng)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(yīng)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(yīng)的部位增設(shè)支撐柱，還要增設(shè)橫縱梁，大大增加了材料與構(gòu)件的消耗，在設(shè)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(jié)構(gòu)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）。
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(yīng)在相應(yīng)的位置上設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計不需考慮鋼梁承擔較大集中荷載的情況，因此應(yīng)在對應(yīng)的部位加支撐（圖 7-8）。
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(yè)大學(xué)的查曉雄等人在“構(gòu)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(dǎo)”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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)固。
7.4 集裝箱與其他構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體系的結(jié)合
集裝箱建筑在經(jīng)濟性、生態(tài)性、靈活性以及建造速度等方面體現(xiàn)出了許多普通建筑所無法比擬的優(yōu)勢。然而，這種新型的建筑結(jié)構(gòu)也存在著許多局限。集裝箱作為一種針對運輸需要而開發(fā)的工業(yè)化產(chǎn)品，其固有的箱體結(jié)構(gòu)與形式限制了其空間與形式的組合與變化。單個集裝箱內(nèi)部空間的體積與開間都很小，空間形式基本無變化，應(yīng)用范圍較小，而多箱體融合空間也無法完全掙脫箱體結(jié)構(gòu)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(jié)合其他結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)常需要使用一些附加構(gòu)件制來協(xié)助集裝箱構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，來獲得更豐富的空間與造型。附加構(gòu)件包括樓梯、走道、屋頂?shù)仁褂眉b箱難以制作的部件，而常見的與集裝箱相結(jié)合的結(jié)構(gòu)類型有鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等等（圖 7-9、7-10）。其中鋼結(jié)構(gòu)與集裝箱結(jié)構(gòu)的結(jié)合非常普遍，原因在于集裝箱與鋼制構(gòu)件之間的固定可以通過焊接的方式來實現(xiàn)，簡單方便。集裝箱與其他構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體系的結(jié)合需要注意以下幾方面的內(nèi)容。
圖 7-9 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與集裝箱的結(jié)合
圖 7-10 鋼結(jié)構(gòu)與集裝箱的結(jié)合
建筑功能與空間形式的需要
選擇其他結(jié)構(gòu)與集裝箱結(jié)構(gòu)配合應(yīng)考慮功能的適用性，根據(jù)各種結(jié)構(gòu)與組件的材料與尺寸等特點取長補短，創(chuàng)造適用且富于變化的空間。除集裝箱外的其他構(gòu)件與結(jié)構(gòu)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(zhì)量。
結(jié)構(gòu)以及建造過程的效率與經(jīng)濟性
所選用的附加結(jié)構(gòu)與構(gòu)件需考慮其成本與性能，避免為追求結(jié)構(gòu)的特殊與夸張而大幅度增加造價。在與其他結(jié)構(gòu)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(shù)與之相適應(yīng)。
建筑的造型設(shè)計
功能、結(jié)構(gòu)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(shè)計并不是僅僅由這幾個因素所決定的，建筑設(shè)計還必須將建筑對人的審美需求的滿足考慮在內(nèi)。因此，設(shè)計者應(yīng)利用附加結(jié)構(gòu)或組件美化集裝箱建筑的形象，豐富外觀的變化。附加構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的形式通常會比集裝箱更為靈活，當需要進行較為復(fù)雜的形體處理時，應(yīng)充分利用附加構(gòu)件的靈活性。
可持續(xù)性
在選擇附加結(jié)構(gòu)與組件的過程中，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)與組件的存在與配合形式對建筑的通風(fēng)、采光、遮陽、防寒等方面的影響，利用附加結(jié)構(gòu)或組件提升建筑的生態(tài)與可持續(xù)性，減少建筑在機械通風(fēng)、降溫、取暖以及建造過程中的能耗。
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