劉剛 原野 侯丹 黨睿 / LIU Gang, YUAN Ye, HOU Dan, DANG Rui

集裝箱建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐

劉剛 原野 侯丹 黨睿 / LIU Gang, YUAN Ye, HOU Dan, DANG Rui

通過(guò)對(duì)我國(guó)集裝箱建筑的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及集裝箱建筑特殊性的闡釋?zhuān)槍?duì)集裝箱這一新興建筑類(lèi)型，研究并提出其建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)策略；并將該設(shè)計(jì)策略應(yīng)用到天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙的建筑設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)計(jì)前后的數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)以及軟件模擬來(lái)驗(yàn)證性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，得到集裝箱建筑適宜的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，促進(jìn)集裝箱建筑的發(fā)展并走向成熟。

集裝箱建筑 改造設(shè)計(jì) 性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

隨著運(yùn)輸業(yè)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，每年世界各地港口集裝箱的吞吐量不斷增加。2014年我國(guó)集裝箱吞吐量已突破2億標(biāo)箱（Twenty-foot Equivalent Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)TEU），2015年達(dá)到2.16億標(biāo)箱，連續(xù)22年蟬聯(lián)世界集裝箱產(chǎn)銷(xiāo)冠軍（中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部，2016）。單個(gè)集裝箱的平均壽命為10年左右，每年有大量集裝箱因無(wú)法達(dá)到運(yùn)輸業(yè)規(guī)范要求而被廢棄，若將這些廢棄的集裝箱應(yīng)用到其他領(lǐng)域，則會(huì)產(chǎn)生巨大的生態(tài)意義（王偉男，2011）。

作為封閉的容器，集裝箱本身就具有建筑的特性。早在2009年，美國(guó)《商業(yè)周刊》列舉了最有可能改變?nèi)祟?lèi)未來(lái)10年生活方式的20項(xiàng)重要發(fā)明，其中集裝箱建筑排在第19位（楊先碧，2009）。近年來(lái)，模塊化裝配式建筑發(fā)展迅速，為集裝箱建筑的發(fā)展提供了新的機(jī)遇，促進(jìn)其迅速發(fā)展并走向成熟。

1.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

集裝箱建筑從出現(xiàn)至今，功能和空間形式不斷豐富，其發(fā)展歷程可分為3個(gè)階段：（1）萌芽階段（1980年之前），利用集裝箱的封閉特性，做有限程度的改造，多用于臨時(shí)搭建的輔助用房；（2）探索階段（1980～2000年），利用少量箱體組合成形式較為簡(jiǎn)易的建筑形體，多用于住宅以及小型公共建筑；（3）成熟階段（2000年至今），多箱體、復(fù)雜形體的集裝箱建筑不斷涌現(xiàn)，建筑類(lèi)型從低端、臨時(shí)類(lèi)建筑向高端、體驗(yàn)類(lèi)建筑擴(kuò)展，包括住宅、辦公、交通、商業(yè)、文化教育等各個(gè)領(lǐng)域（表1）。

1.2 發(fā)展趨勢(shì)

隨著集裝箱建筑應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，越來(lái)越多的專(zhuān)業(yè)人士參與到集裝箱建筑的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)與建造過(guò)程中，對(duì)集裝箱建筑在功能、結(jié)構(gòu)、形式等各方面的拓展創(chuàng)新起到了巨大的推動(dòng)作用?；仡欉@些設(shè)計(jì)實(shí)踐，集裝箱建筑的綠色化以及性能優(yōu)化設(shè)計(jì)卻一直沒(méi)有受到重視。

建筑領(lǐng)域的“綠色革命”從上世紀(jì)提出至今一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，集裝箱建筑的綠色化也必將對(duì)其發(fā)展提出更高的要求，并引導(dǎo)其進(jìn)入第4階段——綠色化階段。將二手集裝箱運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)符合綠色設(shè)計(jì)的核心“3R”（Reduce、Recycle、Reuse，即減量、重復(fù)使用、循環(huán)使用）標(biāo)準(zhǔn)（張峻霞，2008）。雖然集裝箱本身就具有綠色性，但要使其成為能夠滿足使用者舒適度需求的建筑，還要進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，在第4階段集裝箱建筑應(yīng)充分發(fā)揮其模塊化的先天優(yōu)勢(shì)，不斷完善并達(dá)到各個(gè)部件由內(nèi)而外的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)集裝箱建筑的標(biāo)準(zhǔn)化、一體化、工業(yè)化；并通過(guò)對(duì)建筑功能、空間的優(yōu)化整合，以及各項(xiàng)適宜建筑技術(shù)的篩選與運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)建筑性能與質(zhì)量的提高。

1.3 特殊性

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，簡(jiǎn)稱(chēng)ISO）ISO668文件確立了集裝箱的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為集裝箱建筑的發(fā)展提供了相同尺寸的基本模塊，在一定程度上滿足了其在未來(lái)發(fā)展的全球標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與施工的要求。單個(gè)集裝箱模塊由地基梁、頂端框架梁、端墻、角部框架柱、頂側(cè)框架梁、屋面、側(cè)墻、角部吊裝節(jié)點(diǎn)等構(gòu)件組合而成（圖1）。

與傳統(tǒng)建筑相比，集裝箱建筑還具有一些特殊性：在建造方式方面，集裝箱建筑箱體之間通過(guò)鋼構(gòu)件或焊接方式相互連接，在保證圍護(hù)功能連續(xù)性的同時(shí)，氣密性的好壞將對(duì)建筑內(nèi)部環(huán)境產(chǎn)生影響；在結(jié)構(gòu)特征方面，集裝箱的角柱、梁和波形板均為承重構(gòu)件，因此當(dāng)以箱壁板作為外墻表面時(shí)，內(nèi)部連接應(yīng)采用焊接、栓釘焊接和粘接等緊固件不穿透箱壁的做法，且箱體上開(kāi)設(shè)的門(mén)窗等洞口均應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施，以保證結(jié)構(gòu)整體性不受破壞，這就要求集裝箱建筑的采光、通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)與其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性緊密結(jié)合；在建筑物理屬性方面，與傳統(tǒng)建筑相比，集裝箱材料的特殊性導(dǎo)致其保溫隔熱性能、采光通風(fēng)性能、隔聲性能均較差，因此其建筑設(shè)計(jì)在追求建筑造型與功能的同時(shí)，應(yīng)針對(duì)物理屬性進(jìn)行合理的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，以保證建筑的舒適度要求。

表1 集裝箱建筑設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

圖1 集裝箱結(jié)構(gòu)組成

圖2 天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙

綜上，綠色化是集裝箱建筑未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。但集裝箱建筑的特殊性導(dǎo)致其性能優(yōu)化設(shè)計(jì)既不能直接套用傳統(tǒng)建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，也不能簡(jiǎn)單參照傳統(tǒng)建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在被動(dòng)式建筑技術(shù)的選擇上，應(yīng)針對(duì)自身特點(diǎn)選擇適宜的建筑技術(shù)策略，才能真正達(dá)到性能優(yōu)化的目的。

為了解決上述問(wèn)題，本文通過(guò)案例分析、實(shí)踐總結(jié)以及原理研究，針對(duì)集裝箱建筑的特殊性，對(duì)其熱環(huán)境、光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境等性能優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究，得到集裝箱建筑適宜的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)策略；同時(shí)將其應(yīng)用于天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙（圖2），并通過(guò)優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)與軟件模擬驗(yàn)證性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，最終得到天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2 集裝箱建筑熱環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐

2.1 熱環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

集裝箱建筑的保溫形式亦可分為內(nèi)保溫和外保溫兩種（柳孝圖，2010）。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)：外保溫設(shè)計(jì)隔熱性能好、易消除冷熱橋，但在外觀上將集裝箱的本質(zhì)特征完全隱藏了，且施工過(guò)程中保溫材料易遭到破壞；內(nèi)保溫設(shè)計(jì)造價(jià)低、施工方便，并且可以保留集裝箱的原本面貌，但會(huì)占用集裝箱有限的內(nèi)部空間。

集裝箱建筑在建造過(guò)程中需要進(jìn)行吊裝施工等工序，為避免破壞保溫材料的完整性，便于施工且保留集裝箱表皮的工業(yè)化特質(zhì)，天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙的保溫設(shè)計(jì)采用內(nèi)保溫形式。為節(jié)省室內(nèi)空間，在保溫材料的選擇上，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015），通過(guò)計(jì)算選用50mm保溫玻璃棉+30mm擠塑板+10mm歐松板的輕質(zhì)、高效保溫材料組合，既起到保溫隔熱的作用，也對(duì)聲環(huán)境性能進(jìn)行優(yōu)化。并且，為了避免破壞箱體外表面以及產(chǎn)生冷熱橋，充分利用集裝箱外表面波形板的凸起設(shè)置木龍骨固定保溫材料（圖3）。

與傳統(tǒng)建筑不同，集裝箱建筑底部與大地直接接觸，也需要進(jìn)行保溫隔熱設(shè)計(jì)。其保溫隔熱設(shè)計(jì)除與內(nèi)外保溫共同設(shè)計(jì)以外，也可結(jié)合基礎(chǔ)固定形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。常見(jiàn)的集裝箱基礎(chǔ)固定形式主要有角鋼鉚固、鋼纜固定、鋪設(shè)地梁、預(yù)埋基礎(chǔ)等（郭雪婷，2013，圖4）。天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙的基礎(chǔ)保溫設(shè)計(jì)中，一方面，將建筑所在場(chǎng)地基質(zhì)改為導(dǎo)熱性相對(duì)較差的沙石材質(zhì)，并通過(guò)預(yù)埋混凝土墊塊支撐基礎(chǔ)；另一方面，利用基礎(chǔ)固定時(shí)鋪設(shè)的地梁，將其完全封閉，形成密閉空腔以阻斷建筑與大地的熱量傳遞（圖5）。

圖3 內(nèi)保溫做法

圖4 集裝箱基礎(chǔ)形式

圖5 基礎(chǔ)保溫

2.2 熱環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙的整個(gè)建筑建造過(guò)程歷時(shí)一個(gè)月，在建造完成前后分別使用HOBO溫濕度記錄儀對(duì)建筑4個(gè)朝向不同功能房間的室內(nèi)外溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以對(duì)比熱環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)前后各房間室內(nèi)外溫差（T外－T內(nèi)）變化。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后室內(nèi)外溫差明顯增大，在夏季室內(nèi)外溫差最大值達(dá)8.6℃，且室內(nèi)溫度低于室外溫度的時(shí)間段明顯延長(zhǎng)，即建筑內(nèi)部熱環(huán)境性能明顯提高（圖6）。

圖6 優(yōu)化前后室外與室內(nèi)溫差變化

3 集裝箱建筑光環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐

3.1 光環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

光環(huán)境性能優(yōu)化主要是對(duì)建筑門(mén)窗進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。集裝箱建筑的開(kāi)窗設(shè)計(jì)，在滿足采光要求的前提下應(yīng)首選在端墻面開(kāi)窗，以免對(duì)集裝箱結(jié)構(gòu)的整體性造成較大的破壞。當(dāng)需要在側(cè)墻進(jìn)行開(kāi)窗設(shè)計(jì)時(shí)，必須做好開(kāi)窗洞口的加固措施，以抵御荷載作用造成的局部結(jié)構(gòu)破壞。此外，為營(yíng)造良好的采光及空間效果，天窗也是集裝箱建筑中的優(yōu)選開(kāi)窗形式，因?yàn)橄潴w頂部的開(kāi)窗不會(huì)影響豎向荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的破壞。天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙是多箱體組合的集裝箱建筑，為營(yíng)造良好的采光效果，除結(jié)合入口門(mén)廳的天窗以及箱體側(cè)窗設(shè)計(jì)進(jìn)行光環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)外，在建筑形體設(shè)計(jì)階段即考慮通過(guò)合理的箱體組合以達(dá)到光環(huán)境性能優(yōu)化的目的。建筑首層平行錯(cuò)動(dòng)擺放5個(gè)箱體，其上為4個(gè)縱向擺放的箱體，兩層箱體呈“T”形或“L”形組合關(guān)系，不僅避免了各箱體之間的相互遮擋以及大進(jìn)深空間的形成，還在建筑內(nèi)部形成4個(gè)開(kāi)敞的室外庭院，營(yíng)造了良好的建筑環(huán)境及閱讀體驗(yàn)（圖7）。

圖7 天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙形體設(shè)計(jì)

3.2 光環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

使用Ecotect和Radiance軟件對(duì)建筑室內(nèi)光環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬計(jì)算，分別選擇圖書(shū)館中對(duì)采光有特殊要求的閱覽室和書(shū)庫(kù)為模擬對(duì)象，得到冬至日室內(nèi)天然采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值模擬結(jié)果（圖8），以及采光照度標(biāo)準(zhǔn)值模擬結(jié)果（圖9）。對(duì)比《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 5033-2013）中的相關(guān)規(guī)定（表2），可以發(fā)現(xiàn)，即使在冬至日，閱覽室以及書(shū)庫(kù)的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值也均遠(yuǎn)高于規(guī)范規(guī)定；在照度值方面，書(shū)庫(kù)在冬至日從09:00am到16:00pm均可在天然采光條件下滿足規(guī)范要求，而閱覽室則從09:00am到15:00pm可滿足要求，說(shuō)明即使在冬至日，該建筑全天大部分時(shí)間也可以通過(guò)天然采光滿足室內(nèi)的閱覽需求，即建筑光環(huán)境性能良好。

圖8 采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值冬至日模擬結(jié)果

圖9 采光照度標(biāo)準(zhǔn)值模擬結(jié)果

表2 圖書(shū)館建筑采光標(biāo)準(zhǔn)值

4 集裝箱建筑風(fēng)環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐

4.1 風(fēng)環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

考慮到集裝箱基本模塊的尺寸，單箱體建筑的自然通風(fēng)較容易實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)建筑由多箱體組合構(gòu)成時(shí)，則需要對(duì)室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。建筑通風(fēng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從增加風(fēng)壓通風(fēng)和熱壓通風(fēng)兩個(gè)角度考慮（王漢青，2005），因此建筑開(kāi)窗設(shè)計(jì)不僅要考慮光環(huán)境性能，還應(yīng)盡量使建筑內(nèi)部空氣利用風(fēng)壓通風(fēng)形成對(duì)流。此外，利用天窗進(jìn)行熱壓通風(fēng)也是集裝箱建筑通風(fēng)適宜的設(shè)計(jì)手法，雖然由于結(jié)構(gòu)原因大多數(shù)集裝箱建筑高度有限，但其外表面受熱升溫，易形成較大的熱壓差以利于熱壓通風(fēng)。

除利用集裝箱四周與頂部外，還應(yīng)充分發(fā)掘建筑周?chē)h(huán)境條件并利用建筑基礎(chǔ)部分進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)。天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙位于天津大學(xué)建筑學(xué)院西樓籃球場(chǎng)上（圖10），在夏季，建筑北側(cè)是炎熱空曠的硬質(zhì)籃球場(chǎng)，南側(cè)為茂盛樹(shù)木遮擋的陰涼草地。根據(jù)簡(jiǎn)化的“地道風(fēng)”原理，利用天津地區(qū)夏季南向盛行風(fēng)，在建筑南側(cè)地基梁上開(kāi)設(shè)洞口，使經(jīng)過(guò)草地、地基空腔兩次降溫之后的涼風(fēng)通過(guò)地板上的開(kāi)口吹入建筑，為讀者帶來(lái)良好的閱讀體驗(yàn)（圖11）。

4.2 風(fēng)環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

使用Airpak軟件對(duì)風(fēng)環(huán)境性能優(yōu)化設(shè)計(jì)前后夏季室內(nèi)通風(fēng)情況進(jìn)行對(duì)比模擬發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)風(fēng)環(huán)境得到明顯改善（圖12），尤其是閱讀區(qū)，簡(jiǎn)化后的“地道風(fēng)”經(jīng)過(guò)多次降溫后從地板吹向閱覽者，大大提高了閱讀的愉悅度。

圖10 天津大學(xué)閱讀體驗(yàn)艙基地現(xiàn)狀

圖11 簡(jiǎn)化的“地道風(fēng)”通風(fēng)示意

圖12 室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

雖然集裝箱建筑存在因其特殊性而造成的缺點(diǎn)，但是具有堅(jiān)固、防風(fēng)、防震、防潮、環(huán)保、低碳、經(jīng)濟(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，完全可以成為綠色建筑發(fā)展的一個(gè)嶄新思路。伴隨著建筑工業(yè)化、綠色化革命的到來(lái)，集裝箱建筑必將迅速發(fā)展。通過(guò)集裝箱建筑性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究與實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，性能優(yōu)化設(shè)計(jì)可以彌補(bǔ)集裝箱建筑作為新興建筑類(lèi)型在設(shè)計(jì)上存在的許多不成熟之處，并大大提高其建筑環(huán)境舒適度，同時(shí)為集裝箱建筑的推廣與發(fā)展提供支持。

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劉剛，天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

原野，天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

侯丹，天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

黨睿，通訊作者，天津大學(xué)建筑學(xué)院副教授

2016-05-09

RESEARCH AND PRACTICE: THE PERFORMANCE OPTIMIZATION DESIGN FOR CONTAINER BUILDINGS

Through the analysis of current design conditions, prospective trends and particularities of container buildings, the paper researches and proposes performance optimization design strategies for this new building type. Then the strategies are applied to Tianjin University reading cabin, and the optimization results are verified by measurements and software simulations compared before and after the optimization design. Therefore, the appropriate performance optimization design strategies are obtained, which will promote the development and mature of container buildings.

Container Building, Transformation Design, Performance Optimization Design

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“寒冷氣候區(qū)低能耗公共建筑空間設(shè)計(jì)理論與方法”（編號(hào)：51338006）。