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改造廢舊二手集裝箱房屋的構造安全研究(完)
2013年4月23日
2.3.4 保溫
集裝箱用于居住，首先要解決的是保溫隔熱的問題。集裝箱可以采用的保溫形式有兩種：內保溫體系和外保溫體系。外保溫體系不會占用有限的內部空間，但是要解決外層防腐的問題，成本較高；由于集裝箱的外皮采用的是耐候結構鋼，防腐性能好，所以在采用內保溫體系時就不涉及防腐層的設置，但是會占用內部空間，不過我們從經濟和集裝箱改造成活動房屋后要繼續參與運輸的角度考慮還是選擇內保溫體系。
2.3.4.1 聚氨酯發泡內保溫系統
聚氨酯泡沫塑料是國際上公認的性能最好的保溫隔熱材料，聚氨酯硬泡的閉孔率大于92%使其同時具備保溫、防水、隔音、吸振等諸多功能。保溫性能尤為卓越，是所有建材中導熱系數最低，熱阻值最高的材料。它不但可以作為芯材，也可采用現場整體發泡來制造，是整體密封性好，從而提高了保溫效果。如下從幾個方面將主要的建筑保溫板進行比較可見發泡聚氨酯的優越性。
表 2-6 三種建筑保溫板的性能比較表
| 發泡聚氨酯 | XPS 板（擠塑板） | EPS 板（苯板） | |
| 保溫效果 | 最好 | 次之 | 最差 |
| 耐冷熱性能 | 最好 | 次之 | 最差 |
| 吸水率 | 次之 | 最低 | 易吸水 |
| 使用壽命 | 最長 | 次之 | 最差 |
聚氨酯泡沫塑料發泡工藝較為簡單，只要將A料（組合聚醚）和B料(PAPI)按1.1：1的比例進行拌合攪拌，再注入泡槍內進行發泡，再發泡過程中有溫度要求和脫模時間要求，但比較好把握。A料10500元/噸，B料8500元/噸混合后9548元/噸，我國生產的聚氨酯泡沫塑料一般是0.06t/m3，加上人工和消耗一般為550元/m3。
聚氨酯內保溫體系適用于任何形式的箱體，具體優勢如下：
1) 保溫性能好：聚氨酯硬泡的熱傳遞系數≤0.024W/(m2·K)，模壓注射聚氨酯硬泡能適應各種形狀截面，形成連續有效的保溫層，避免空氣通過縫隙或空腔流通而產生冷(熱)橋現象。
2) 粘附力強：模壓注射聚氨酯硬泡能箱體，內墻裝飾板有效結合，即使在最不利的溫度濕度以及自重，正常碰撞等諸多因素的影響下，保溫層仍保持穩定性，不出現箱體與內墻裝飾版的分離，脫落現象。
3) 抗裂性能好：聚氨酯硬泡是一個柔性較好的材料，抗外界變形能力強，在外力，溫度濕度等變形作用下，不易發生裂縫。
4) 防火性能好：由于聚氨酯硬泡屬于閉孔結構，閉孔率90﹪，吸水率≤4﹪，能很好的阻斷水和水蒸氣的滲透，使保溫系統長期穩定的保持絕熱狀態。
5) 施工便捷：模壓注射的施工可以進行機械化作業，效率高，能夠全方位的保證復雜部位的保溫效果。
6) 環保：聚氨酯硬泡是三圍熱固交聯材料，其發泡劑可用無氟或半氟型的，化學穩定性高，不會產生有害氣體。
7) 耐腐蝕，耐老化，耐寒且電絕緣性好：除弄強酸和氧化劑外聚氨酯硬泡塑料能耐大多數有機溶劑和稀濃度的酸堿溶液的腐蝕；不會霉變和腐爛，不易降解抗老化，在110℃下可使用30年左右，在150℃下可使用20年左右，在-30℃下尺寸變化率小于1％；耐低溫性能好，能達到一定的阻燃性。
2.3.4.2 石膏板
石膏板也是集裝箱房屋常用的保溫材料，在國外集裝箱主要的內保溫體系首選發泡聚氨酯和石膏板，除了質輕、保溫隔熱、防火、隔音、環保等基本性能外，最主要的應用原因有兩點：
1) 裝飾功能好：紙面石膏板表面平整，板與板之間通過接縫處理形成無縫表面，表面可直接進行裝飾。
2) 舒適的居住功能：由于石膏板的孔隙率較大，并且孔結構分布適當，所以具有較高的透氣性能。當室內濕度較高時，可吸濕，而當空氣干燥時，又可放出一部分水分，因而對室內濕度起到一定的調節作用，國外將紙面石膏板的這種功能稱為“呼吸”功能，正是由于石膏板具有這種獨特的“呼吸”性能，可在一定范圍內調節室內濕度，使居住條件更舒適。
當然在價格方面發泡聚氨酯要貴些，所以用石膏板是比較經濟的做法。
2.3.5 其他
2.3.5.1 排水和供暖管道
屋面排水系統和管道線路布置
加屋頂的確有助于排水，對于形式規則的集裝箱房屋，排水管的布置還是很簡單的。如圖 2-11，管道可以布置在底橫梁上，貫穿于底橫梁上的預留空洞中，也可以把管道鋪設在集裝箱的底板上，上面再鋪設架空的地板將管道隱蔽在架空層中，如圖 2-11 所示。
圖 2-11 管道布置圖
2.3.5.2 節能
如下圖所示，通過在屋頂安裝太陽能電池板來為活動房屋供能，如圖 2-12a)，在屋面上種植花草用來吸收太陽的熱量，可以保證室內涼爽,如圖 2-12b)。
圖 2-12 節能做法示意圖
2.4 本章小結
本章從建筑造型的選擇和建筑功能的實現兩個方面介紹了如何將廢舊二手集裝箱改造成即造型美觀又能滿足居住舒適度的集裝箱房屋方法。本章是從集裝箱建筑的發展現狀出發，將本來沒有規律的集裝箱模塊組合方式加以條件限制得到集裝箱模塊的組合造型理論。對于相對不安全的因素進行加固處理。同時也總結了如何將一個完全不適合居住的鐵盒子經過去掉和填充一些材料變為具有居住功能的房屋的常用方法。本章用了大量的實例圖和解說圖將理論更形象的表現出來，易看易懂，在這些理論的指導下，一個不懂建筑結構的人也完全可以放心的去建造自己理想的集裝箱房屋。
結論
本文對一種近些年來新興的一種房屋結構體系——廢舊二手集裝箱房屋展開研究，首先闡述了這種房屋的發展現狀，分析了這種房屋的優越性和局限性，從而提出本課題研究的重點，也是要改造的重點。接下來從建筑改造和結構改造兩個方面得出了具體的改造理論。建筑改造方面主要針對廢舊二手集裝箱房屋要立足于民用建筑領域要解決的造型單一的問題，同時包括現在流行的用來實現建筑功能的方法的總結，這部分完全可以作為一個建筑改造手冊來參考。結構改造主要針對實現了復雜建筑造型和大空間后帶來的結構安全隱患問題，為了使提出的多層廢舊二手集裝箱房屋的設計方案更安全可靠，我們必須從結構安全的角度入手分析這種特殊的結構體系，從豎向荷載和橫向荷載兩個方面對這種結構進行簡化靜力分析，得到使設計方案更合理化的安全驗證公式，在這些公式的指導下結合第二章的建筑改造理論就很容易得到即滿足了美觀的立面造型又可以保證安全性的多層集裝箱房屋的設計方案。當然，在修正結構改造公式中相關系數和驗證公式的有效時用到了有限元軟件 Abaqus，集裝箱的鋼框架中的梁和柱用三維梁單元建模，維護的鋼板用三維殼單元建模分析，模擬值和公式值相差不多，結果比較理想。在如上的研究工作過程中得到了一些有價值的結論，分為一下幾點：
(1) 通過對國內外已有集裝箱房屋進行分析研究得出通常用來改造的集裝箱模塊有20ft和40ft兩種規格，在實現復雜建筑造型的時候集裝箱模塊之間的不規則擺放形式主要有平行錯位和正交疊加兩種，而且不同規格的集裝箱模塊不會混合搭建集裝箱房屋。
(2) 多層廢舊二手集裝箱房屋經過建筑改造后存在的安全隱患主要有兩點：一是集裝箱模塊的不規則組合改變了原有集裝箱多層堆碼時的豎向荷載的傳力路徑——完全靠角柱傳遞；二是為了實現建筑功能要對集裝箱的維護鋼板進行不同程度的開洞，如采光通風要開小的門窗洞，擴展空間要將整塊板都去掉，這樣就破壞了集裝箱自身的結構形式——柜體結構，在橫向荷載作用下有原先完全靠板來抗側變為由開洞板或直接有框架來抗側，這樣安全性就會下降。
(3) 在進行豎向荷載作用下結構安全性分析時得到集裝箱的上長梁很弱，角柱很強，在集裝箱模塊不規則組合時，當上層集裝箱模塊的角柱或下長梁與下層集裝箱模塊的下長梁接觸時就要在相應位置加支撐柱；20英尺的集裝箱模塊在完全去掉側面板后要在側面框架內至少加一個支撐柱，相同情況下40英尺的集裝箱模塊要至少加兩個支撐柱；當集裝箱模塊的外懸部分超過1.8m左右時就要加外部支撐柱，當超過了4.8m后就要設置桁架支撐。
(4) 在豎向荷載作用下選用的分析模型是集裝箱的鋼框架，原因是通過分析集裝箱的維護板是波紋板，平面內的抗剪能力很強而平面外的抗彎能力比較弱，不做為豎向荷載傳遞的主要構件，當上長梁作用很大的集中力時無論有沒有板都要假設支撐柱。
(5) 對于40英尺的集裝箱主要應用于大型建筑，在豎向荷載作用下主要的傳力構件是柱子(支撐柱和角柱)，所以在假定了兩種合理的支撐布置方式的基礎上推導出由40英尺集裝箱模塊搭建的多層不規則集裝箱房屋中任意位置柱子的軸力公式，通過這個公式可以指導設計不同位置支撐柱的截面。
(6) 影響橫向荷載作用下多層集裝箱房屋安全性的因素就是在維護鋼板上不同程度的開洞。驗證了不能將廢舊二手集裝箱房屋等同于普通箱型房，普通箱型房或活動板房可以認為是框架結構，板只是個填充作為安全儲備，而集裝箱不是，它本身是個柜體結構，板起到了很大的作用，當僅用集裝箱的鋼框架來抵抗10級風荷載時，單層單個集裝箱模塊都很難滿足變形限值，更不用說多層。于是板的開洞直接影響結構的抗側能力。
(7) 對集裝箱的波紋板進行簡化分析，以單位波形為單位將波紋板分割成若干條細長的板帶進行分析。對于長寬比在1到5之間的板來說在橫向荷載作用下主要以剪切變形為主，而變為細長的板帶后就一彎曲變形為主，所以我們用板帶的剪切剛度等效為抗彎剛度，對板帶的抗彎剛度公式進行修正，這樣就把一塊波紋板等效成若干個假想柱的形式進行分析，在分析開洞的時候根據開洞面積的不同對假想柱進行不同程度的截斷得到了波紋板開洞對板的抗側剛度的影響規律公式。之后用有限元軟件驗證歐洲規范中的15％開洞面積對蒙皮效應削減劇烈問題，對已得公式進行修正。根據這個公式我們可以對錯層不規則集裝箱房屋進行合理開洞。
(8) 用有限元軟件建模對公式進行驗證時，選取了現實中已有的集裝箱建筑的一部分，分別是西班牙的 PumaCity 和英國的 ContainerCity。驗證了豎向荷載作用下簡化模型的荷載分布和軸力公式，10級風荷載作用下結構的側移公式，模擬和公式值進行比較，誤差控制在10％以內，比較理想。
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