近年来, 国家大力推进城镇化建设, 建筑业已成为我国国民经济的重要组成部分, 但长期以来, 我国建筑业的发展都是建立在对资源大量消耗的基础上, 砖混结构和混凝土结构在建筑中占比过高, 用资源换取效益, 不仅在建造过程中要耗费大量的人力物力, 而且还造成环境污染;与此同时, 我国的钢产量长期位居世界首位, 钢材产能严重过剩, 钢结构在我国建筑中占比非常低, 且人口老龄化问题日益突出, 劳动力成本日益上升^[1]。

因此, 在我国大力推进建筑工业化的背景下, 建筑业过去粗放的发展方式已无法适应我国当前发展需要。装配式建筑因其绿色环保、施工速度快等优点成为我国建筑业转型的方向。在现有装配式建筑模式中, 装配式模块化箱型建筑是其中较为独特的一类, 同时也是预制化和装配化程度较高的一类装配式建筑。

装配式模块化箱型建筑又称为盒子建筑, 是一种把单个房间作为预制构件, 每个盒子单元的外墙板和内部装修均在工厂预制后运到现场进行安装的一种建筑结构, 与传统建筑结构相比有如下优点。

1) 工厂制造, 安拆便捷装配式模块化箱型建筑以单个房间为基本模块, 工厂制造取代工地建造, 制造周期短, 安拆便捷, 对场地要求低。

2) 整体性好, 移动便捷能适应公路、铁路、船舶等现代运输方式。

3) 安全稳固, 抗震防风具有很强的保温、防风、防雪、防火、抗震、抗压等性能。

4) 装饰性强, 组装灵活装配式模块化箱型建筑外观及内部均可根据不同风格进行定制和装饰, 模块单元也可根据要求进行个性化组合。

5) 坚固耐用, 循环经济装配式模块化箱型建筑最长使用寿命可达十年以上, 平均使用成本较低, 材料可回收再利用, 循环经济。

整体式箱型建筑是将柱与顶底框通过焊接形成刚性连接, 外围护结构不可拆除, 具有较好的强度, 整箱移动性能良好。集装箱型房屋是最典型和最常见的整体式箱型房屋, 标准的单个集装箱顶底框分别由顶底框角件、顶底框横梁、顶底框侧梁、顶底框次梁及顶板底板围合而成, 围护结构通常使用波纹板, 波纹板焊接于顶底框和立柱上, 能起到类似于剪力墙的作用 (见图1, 2) 。集装箱型房屋除可在工厂生产预制外, 也可由废弃的货运集装箱改造而成^[2,3,4]。

拆装式箱型建筑与集装箱建筑类似, 图3上为拆装式箱型房屋框架图, 单个箱体由底框、顶框、角柱和围护系统组成, 不同之处如下: (1) 拆装式箱型房屋的结构体系为冷弯薄壁型钢结构; (2) 角柱与顶底框角件采用螺栓连接, 并非焊接, 如图3下所示; (3) 外部围护结构通常采用彩钢夹芯板或其他轻质高强墙板; (4) 拆装式箱型房屋自重比集装箱型房屋更轻, 受力也比集装箱房屋更接近半刚性, 图4为标准拆装式箱型房屋; (5) 由于角柱与顶底框采用螺栓连接, 拆装式箱型房屋拆卸后, 顶框和底框通过附加的打包立柱连接在一起, 四周安装挡板, 形成一个内部可储存拆装式箱型房屋自身部品部件的盒体, 即打包单元, 如图5所示。多个打包单体堆叠后, 可形成适合运输的运输单体。与集装箱型房屋相比, 拆装式箱型房屋运输更加方便。

钢筋混凝土盒子建筑整体性和抗震性能较好, 每个盒子构件均可一次性浇筑成型, 在盒子之间的安装节点处都进行了滑动隔震节点处理, 能有效吸收地震所释放的能量, 1幢6层盒子结构能抗8度及以上的地震。

其类型大致可以分为6种, 如图6所示。图7为北京中建建筑科学技术研究院有限公司开发的浇筑式盒子模具, 盒子在模具中一次性完成墙板及顶板的浇筑, 并进行养护。

1901年, 原俄国首次尝试木制箱型房屋。1967年, 在加拿大蒙特利尔举办的世界博览会上, 建筑师Moshe Safdieshe设计了名为“Hab ital’67” (67号栖息地) 的钢筋混凝土盒子建筑, 创造出一种前所未有且让人耳目一新的建筑形象。自此以后, 随着各国工业化水平不断提升, 箱型建筑的发展在世界各国取得长足进步, 逐渐形成了“标准化预制装配式空间模块”的核心理念, 箱型建筑构件材料不再局限于单一材料, 也可是钢材、木材、铝合金、塑料、钢筋混凝土、玻璃钢等。与此同时, 随着世界各国间海上贸易的繁荣, 废弃的集装箱也越来越多, 将这些废弃集装箱回炉再炼制成钢会产生大量污染, 这一现象逐渐地引起建筑师的注意。1983年, 美国的John M Di Martino首次提出模数化集装箱建筑体系, 该体系将闲置废旧集装箱的再利用与建筑设计理念巧妙结合, 并申请了相关专利。1991年海湾战争期间, 美军为解决战俘和军队临时住宿与办公的问题, 投入大量集装箱型模块建筑, 这也是集装箱建筑首次大规模应用^[5]。此后, 欧美和日本等发达国家对其进行深入研究, 技术和市场也不断走向成熟, 应用领域也逐渐拓展至文旅、商业、办公、住宅、酒店等建筑领域。

在国外, 装配式模块化箱型建筑的市场和技术较为成熟, 在我国则起步较晚。2002年, 蔡伟杰、蔡仁洋在国内首次提出以集装箱和集装箱部件为构成单元的集装箱建筑, 并申请了相关专利。2008年汶川地震发生后, 为快速安置灾民, 以深圳中集集团和中国建筑股份有限公司为代表的众多企业援建了大批模块化箱型建筑, 这也是模块化箱型房屋首次在国内救灾领域的大规模应用。中国建筑设计研究院从2015年开始与中集模块化建筑投资有限公司一起开展合作进行了装配式模块化箱型建筑的研究, 其研究成果成功应用于雄安市民服务中心企业临时办公区项目。同时, 国内多个企业也开始涉足模块化箱型建筑, 诞生了大批模块化箱型房屋建筑企业, 其中有代表性的企业有中集集团旗下的中集模块化建筑投资有限公司、中建科技旗下的中建集成房屋有限公司、优必 (中国) 建筑科技有限公司、深圳雅致集成房屋有限公司等, 应用领域也在国内逐渐拓展至教育、文旅、消防、公寓、商业等领域, 但在技术和市场层面仍需完善和拓展。

WILLIAM J D^[7]提出箱型建筑的模块化, 并针对性地研究了其构造、建筑和内部装饰。SLAWIK H等^[8]从建筑角度出发, 描述了集装箱房屋的多种组装方法及相应的成本费用。SMITH J D^[9]对英国集装箱式建筑的保温性能进行研究分析, 并建立相应的保温模型。CAO Y等^[10]利用有限元软件分析模拟了多层集装箱型房屋在风荷载作用下的受力性能。VINICIUS A D S等通过有限元模拟和试验2种手段对集装箱式房屋进行了抗震分析^[11,12], 其中, 试验为对集装箱式房屋进行足尺模型的振动台试验。PAUL S^[13]编著了一本名为《Intermodal Shipping Container Small Steel Structure》的书籍, 该书描述了集装箱模块化和建筑化的方法, 从建筑的角度给出模块化数据和改造方法。GIRIUNAS K等^[14]通过有限元模拟研究了集装箱及其各部件在水平和竖向荷载作用下的受力性能。

早在1979年, 我国就开始了钢筋混凝土箱型房屋的研究^[15]。北京中建建筑科学研究院设计开发了整体浇筑式盒子建筑^[16], 盒子建筑间采用滑动抗震安装节点, 构造简单且能有效减震。清华大学也研究开发了可拼装的钢混盒子建筑, 该盒子建筑可调节尺寸, 施工上也比传统现浇式混凝土建筑更加方便。同济大学李英磊等^[17]于2014年运用ANSYS有限元分析软件模拟了多种情况下集装箱的纵向刚度和极限承载力, 并根据分析结果提出纵向抗剪刚度的计算拟合公式和相应承载力设计值的建议。郑州大学杨大雍^[18]于2017年运用有限元模拟和试验研究等手段相结合对拆装式箱式房底框结构的受力性能、拆装式箱式房的竖向承载力及其抗侧性能进行了研究。哈尔滨工业大学王化杰等^[19]于2017年运用结构分析软件ANSYS和SAP2000对多种结构方案进行了静力分析和抗震分析, 该研究成果也为类似集装箱建筑的节点选用提供了技术参考。

1) 临时建筑临时建筑标准化是我国建筑工业化必不可少的部分, 装配式模块化箱型房屋作为临时安置房, 具有绿色环保、连接可靠、经济适用、拆卸和移动方便等特点, 广泛用于各种营地、应急救援等领域。图8为中建集成房屋有限公司设计生产安装的甘肃白银汽车营地, 采用拆装式箱型建筑。图9为中建集成房屋有限公司设计生产安装的深圳会展中心业主临时指挥部, 该项目采用拆装式箱型建筑, 整体造型美观, 多规格落地窗, 简约而不单调, 改变了人们对传统施工现场活动板房脏乱差的印象, 改善了施工现场一线员工办公生活条件, 提升了员工幸福指数。

2) 公共建筑装配式模块化箱型建筑同样也能应用于教育、办公、文化旅游、消防等领域, 图10为中国建筑设计研究院有限公司设计、中建集成房屋有限公司和中集模块化建筑投资有限公司完成生产安装的雄安市民服务中心-企业临时办公区项目。图11为1967年在加拿大蒙特利尔建成的由354个钢筋混凝土盒子构件组合而成的名为“Hab ital’67”综合体, 充分发挥了“盒子”作为一种结构形式和建筑造型手段的作用, 创造了一种前所未有的形象。图12为中建集成房屋有限公司设计生产并安装北京六里桥小型消防站, 采用拆装式箱型建筑, 其中车库部分由钢框架与箱式房相结合而成。

3) 公寓建筑图13为墨西哥莱昂集装箱公寓大楼, 这是由36只集装箱组合而成的公寓大楼。公寓被称为“冒险”建筑, 其原因在于项目的占地面积只有213m²。目前高层集装箱式建筑在国内外还是十分罕见, 更多的高层集装箱建筑其结构形式多见于集装箱与核心筒或钢框架相结合的情况。图14为位于著名的港口城市——荷兰阿姆斯特丹的由MVRDV建筑设计室设计建造的SILODAM集装箱公寓。

4) 商业建筑图15为北京SANLITUN SOUTH (三里屯南区) , 该集装箱建筑重塑了传统北京胡同氛围, 通过当代建筑为古老的市场注入活力。图16为上海多利农庄, 由国际性建筑设计事务所playze设计完成, 将门厅、接待、办公、VIP和食品包装等功能整合在一起, 建筑采用集装箱建设, 集装箱的不规则布置模式可适应各种需求并创造丰富空间, 设计和建造过程植入的各项环保措施使项目成为1座真正的具有可持续性的集装箱式建筑。

5) 酒店建筑图17为格鲁吉亚滑雪度假村酒店。酒店位于格鲁吉亚境内海拔高达2200m处的雪山上。整个酒店是1家完全由回收的集装箱制成的精品酒店。呈金字塔形, 所有房间均配有宽大的落地窗和外挂阳台。该环保酒店的设计旨在尽可能不破坏周围的自然环境, 阶梯式结构设计, 其悬挑部分由钢结构支撑, 背靠雪山, 让每个房间可全天候欣赏高加索山脉的优美景致。图18为英国经济型连锁酒店Travelodge, 每个集装箱都镶嵌在建筑钢框内, 互相铆定并堆积至8层。这些集装箱是在中国改造后运到英国的。一旦建筑外覆面做完并加以装饰, 就与普通的Travelodge经济型酒店一样。采用船只集装箱修建酒店, 每座酒店的建造成本降低10%, 工期缩短25%, 预计每年可节省1000万英镑。

6) 体育建筑图19为2022年卡塔尔世界杯RasAbu Abound Stadium球场, 与之前常见体育场不同的是, 球场结构采用大型钢架与集装箱相结合的形式, 是完全模块化的结构, 所有构件都可重复拆卸。球场由西班牙的FenwickIribarren建筑事务所设计, 之所以采用集装箱设计, 主要是考虑到球育场紧邻海滨, 方便就近取材。与传统建造工艺相比, 模块化设计所需材料更少, 能够减少浪费和排放, 同时将建造时间缩短至3年。图20为位于英国伦敦的Dunraven集装箱体育馆, 建筑师综合考虑施工速度、审美情趣、低造价和可持续性等因素, 创造出一个令人惊奇的多功能集装箱体育馆。

装配式建筑在我国尚处于起步阶段, 装配式模块化箱型建筑作为装配式建筑中比较独特的建筑结构形式之一, 其核心理念是标准化预制装配式空间模块, 是以一个房间为基本单元的预制构件, 具有施工简便、连接可靠、绿色环保、成本较低、周转方便、预制率和装配率均较高等特点。在我国当前大力推广装配式建筑及相关政策、标准越来越完善的背景下, 装配式模块化箱型建筑符合我国建筑业未来的发展方向, 发展前景会越来越广阔。