昆明地区集装箱建筑的物理环境优化设计研究

王高静 罗 杰 杨宇振 王 佳

早期，一些善于创造的人利用废弃的集装箱，经过简单改造变成临时住所。但是在居住的舒适性方面并不能满足基本需求，暴露了冬冷夏热的弊端。经过设计师们的空间处理及功能完善，集装箱开始被改造成各种建筑，不仅有效利用了空间，且一定程度上节省了人力、物力资源[1]。集装箱建筑是一种基于钢框架结构和轻质墙板结构体系的模块化建筑产品，具有标准化、模块化以及通用化等特点。该建筑产品由顶框、底框、角柱和15 块可互换的墙板组成，箱体为整体结构，内有框架，主要承重结构为4根角柱。墙体为双层空心钢板，可在内外墙体间的空心层填充不同的材料，并用木板饰面。集装箱建筑可整体迁移，使用寿命达25 年，并且可根据不同地区、不同领域及不同用途需求建成永久或半永久建筑。

1 集装箱建筑国内外研究现状

1.1 国外研究现状

国外的集装箱建筑发展比国内早，最早可追溯到1901 年，当时俄国首次在世界上使用木材建造箱式房屋。1983年，美国的John M DiMartino 将箱式建筑设计方法与闲置集装箱改造相结合，最先提出了模数化的集装箱建筑体系[2]。目前，集装箱建筑在欧美等地区已经形成规范的建筑体系，技术经验也较为丰富。例如，2015 年米兰世界博览会上的摩纳哥馆，创新使用集装箱作为博览建筑，打破了传统集装箱建筑只作为居住使用的观念，为该建筑形式的发展提供了全新的视野。近年来，国外很多建筑事务所一直在探索集装箱建筑的组合创新，通过与地区特性结合满足建筑的舒适性要求。水平组合、垂直组合、异形组合等各种组合形式，开创了新的集装箱建筑模式。

1.2 国内研究现状

我国的集装箱建筑发展起步较晚。2002 年，蔡伟杰、蔡仁祥申请了“快速安装集装箱式建筑物”的发明专利，国内才开始出现由集装箱组成的建筑物[3]。在我国，集装箱建筑面临着前所未有的挑战和机遇，不同地区、不同气候条件对集装建筑的要求有着很大的区别，如炎热地区的隔热问题、寒冷地区的保暖问题以及不同用途中对物理环境的要求差异等。对于寒冷地区，可以采取墙体等部位填充物加密和加装地暖等方法，使冬季室内温度维持在3 ～5 ℃；对于炎热地区，在箱内加装空调的情况下，室内平均温度可以维持在15 ℃左右。近年来，以中集集团为代表的集装箱企业开始大力发展集装箱建筑，并且已经形成了一套较为成熟的生产体系。

随着绿色建筑概念的发展和使用，如今的集装箱建筑逐渐在材质、设计、施工技术上向绿建方向靠拢。主要体现在以下几点。

（1）建筑材料的优化选择。从传统的钢材质转变为性能更好的铝合金、玻璃钢以及不锈钢等材质，与传统的钢筋混凝土建筑不同，铝合金或不锈钢材质的集装箱建筑可多次拆卸使用，大大提高了老旧建筑的使用率，减少了拆迁、改造老旧建筑时人力、物力的消耗。

（2）模块化的预制模式。目前，标准箱体的尺寸为宽2.99 m、长6.05 m。因此，集装箱建筑保留了集装箱的工业模数化特性和标准化优势，无论是设计、生产还是施工，均形成了一套基于标准模数的工法流程。在实际使用中，可根据具体情况个性化定制箱体尺寸，也可将多个箱体拼接在一起满足使用需求。这种模块化的预制模式，除了具有加快建造速度、减少工程量、快速搭建成型等优点外，还能够减少施工中产生的垃圾和材料损耗，具有显著的环保优势。

（3）规范化使用。根据《集装箱模块化组合房屋技术规程》（CECS 334：2013）、《钢结构箱式模块化房屋建筑构造》（17CJ 74-1）以及《箱式钢结构集成模块建筑技术规程》（T/CECS 641-2019）等技术规范进行施工，同时结合《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）等相关规范，保证安全的同时满足各种特殊使用需求，打造新型绿色集装箱建筑。

（4）组合式创新。在集装箱组合式创新方面，可以通过几个集装箱，以不同角度、高度来产生一些架空、阳台、走廊等空间。一般建筑结构难以实现的空间，集装箱建筑能够通过平面的并联、错位、对角等组合方式营造出来。集装箱建筑主要有5 种箱体组合方式，分别为行列式、附加式、架空式、夹心式以及自由式[4]。这些多变的组合形式可有效改善建筑内部的居住环境，通过自然的通风采光减少对于人工调节环境手段的依赖，达到可持续发展的目的。

标准化的运输体系为集装箱建筑在全国乃至全球各地能够快速运输、搭建奠定了基础。目前，欧美仍是全球集装箱建筑使用率最高的区域，但随着我国国家战略的推进，借助标准化运输的优势也可充分发挥集装箱建筑的优点，快速调动相应配件进行组装并投入使用，使集装箱建筑在未来赢得更广阔的市场。

2 现状物理条件调查与分析

2.1 声环境

在声环境方面，集装箱常用的钢铁材质远没有混凝土材质隔声性能强。虽然一些集装箱通过在双层箱体间的空隙中加入空气层或者填充吸音材料来隔绝声响，但隔声效果仍旧不佳。一般居住建筑室内的噪音，白天不能超过50 dB，夜间应低于45 dB，控制在30 dB 左右为最佳。通过大量的走访调查得知，昆明市的集装箱建筑仍主要应用于工地的临时住所，施工现场的嘈杂环境会影响工人休息，因此集装箱建筑在噪音方面需采取更好的解决方法。

2.2 光环境

在光环境方面，由于集装箱建筑的形态一般为固定箱型，不能满足多方面的自然采光需求。同时，集装箱的尺寸大小具有一定的局限性，空间组合单一，若需稍大尺度的空间，只能采用将多个箱体拼在一起的做法，而这种拼接方式会严重影响房间的采光。虽然集装箱建筑可以采用人工照明，从屋顶排布电线，但是人们更需要的是自然采光，人工照明只能作为辅助。对于用作展览的集装箱建筑，还需要考虑光照对于展品储存以及游览体验的影响。昆明市地处云贵高原南侧，海拔高、晴天多且日照时间长，调查数据显示，该地区年日照时数高达2 400 h。在这样的日照环境中，如何充分利用其环境优势是目前集装箱建筑在地区发展中需要着重考虑的问题。

2.3 热湿环境

大部分集装箱建筑的主要材料是镀锌钢板，具有导热率高的特点，而集装箱建筑受金属材料特性影响，也表现出热导率高、隔热性能低的特性，常常出现室内温度不稳定的情况。一般来说，冬季人体舒适温度为18 ～25 ℃，湿度为30%～80%；夏季室内温度应为23 ～28 ℃，湿度应为40%～50%。通过对昆明一所高校内集装箱建筑的实地监测数据分析得知，该区域6 ～9 月室外平均温度维持在21.45 ℃左右，但是箱体内平均温度维持在23.85℃左右。箱体内外温差略大，会影响人们的正常工作和生活。同时，该区域6 ～9 月箱内平均湿度为63.324%，室外平均湿度为65.6%，箱体内外湿度也有较大差异。

目前，对于集装箱建筑在保温隔热方面存在的问题，有两种解决措施：一是增加墙体填充物密度；二是在其表面喷涂类似白色陶瓷的保温隔热涂料，浅色涂料可减少阳光直射与热量的吸收。但这两种措施都存在造价高等问题。

3 解决方法研究

3.1 声环境

建筑中的声学问题主要是听音问题，听音是指人们听到的声音效果，包括音质和清晰度两个方面。因此，研究居住集装箱建筑以及展览集装箱建筑的声环境改造，应从两方面入手。第一，清晰度问题。清楚地听到声音，是诸多建筑空间最基本的要求，如果建筑空间设计不合理或者界面材料控制不良，就会影响声音的清晰度。第二，音质问题。人们听到声音的主观感觉与室内的声音环境密切相关。良好的建筑条件包括合理的空间尺寸、体型角度、材料特性及排布位置等，能使声音更优美、动听；反之，会破坏声音的美感[5]。由此可见，应选取安静的地段来放置集装箱建筑，从声源上解决声环境的问题。

昆明市的大部分居住建筑，可采用不同的空间组合方式分隔出不同的房间，也可选择安装双层隔音玻璃窗户。基于集装箱建筑墙体结构性质，建筑的内隔墙为存在空气层的双层墙体。这些空气层可形成声音的传播通道，应注意封堵。在建筑使用过程中，某些位置可能会产生撞击噪音，应在震源部位采用消音、隔震材料，或者选用弹性减震构造、木构件等措施减小撞击噪音对人们生活、工作、学习等造成的影响。

对于特殊用途的集装箱建筑，如临时展览、音乐厅、放映室等对声环境要求较高的建筑，应考虑多个箱体拼接时拼接节点对声音传播的影响，可在内围护结构表面铺设吸音的多孔材料或利于声音反射的光滑材料来提高使用者的听音体验感。

3.2 光环境

日照是建筑主要的自然光源，合理的日照不仅能提高建筑的舒适度，还能提升建筑使用者的工作学习效率。我国建筑设计相关规范对建筑的日照时间进行了规定。当自然光无法满足要求时，就需要采用人造光源进行辅助，即利用各种发光灯具，根据人们的需求进行调节，以实现预期的照明效果。

解决光照问题需要研究如何高效利用门窗和室内光源来提升室内光环境的质量。集装箱建筑主要通过门窗设置满足自然采光需求，由于箱体主要由四角的立柱承重，用户可以根据自己的需求自由开设门窗，通过增加门窗面积、数量等手段引入自然光，充分利用昆明地区日照充足的优点，减少人工光源的使用。另外也可通过几个箱体之间不同的组合方式来满足采光需求。例如，通过错位、对角等营造空间的方式达成自然光照条件。门窗位置设计时，要避开主要季风方向，并注意引入自然光线来提升室内照度。昆明市的建筑最佳朝向为南偏西22.5°，在集装箱建筑设计中可参考此参数来保证建筑采光。

3.3 热湿环境

建筑物理中，室内热湿环境是建筑热工学研究的主要内容。目前，昆明市的集装箱建筑主要为居住和办公使用的小型空间建筑。在舒适的热湿环境中，这类建筑可以更好地发挥人体各项机能；反之，如果偏离舒适条件，工作效率会随之下降。集装箱建筑大部分由金属材料制成，相较于传统的钢筋混凝土建筑，金属导热率较高，因此存在着保温隔热方面的问题。影响室内热湿环境的主要因素有空气温度、相对湿度等，要想从建筑构造方面改善箱体内部的保温隔热问题，同时符合绿色建筑的要求，需要从这些主要影响因素入手。

在空气温度方面，集装箱保温系统分为箱体内保温系统和箱体外保温系统两种，既要防止箱体内过热，也要防止箱体内过冷。可在室内酌情增加采暖设备等人工采暖措施，以达到箱体内保温的目的。同时，一些海拔较高的寒冷山地区域应确保采暖均匀，防止围护结构内部水蒸气冷凝对围护结构造成破坏。在箱体外部使用木板隔层、白色陶瓷保温隔热涂料等外保温材料包裹箱体外部，可以达到箱体外保温的目的。在相对湿度方面，由于集装箱建筑围护结构的吸湿性较弱，可采取措施保证外围护结构内表面附近气流畅通，也可在外围护结构内部设置隔汽层防止室内湿度过高或过低。

昆明市的冬季主导风向为西南风，应尽量避免大面积外表面朝向冬季主导风向，可在设计中适当增加“阳光房”，利用地区优势采光采暖。部分高山地区在冬季寒冷的情况下，可以增加填充层密度来提高保温性能。为了营造更加舒适的使用环境，还可在屋顶、墙面等部位增加玻璃丝棉、岩棉、可发泡性聚苯乙烯（Expandable Polystyrene，EPS）、聚氨酯（Polyurethane，PU）等保温隔热、防火防水的材料，减少围护结构的散热。

对位于高寒地带用于特色民宿、酒店的一些集装箱建筑来说，仅进行建筑层面保温并不够，还应兼顾心理层面的舒适性。由于集装箱建筑为全钢材质，会给使用者带来一种冰冷的感觉，缺少亲近性，尤其是在寒冷的冬季[6]。因此可以借助集装箱建筑的结构特点，配合使用其他建筑材料，如在表面贴木板改变表面肌理或者涂刷暖色油漆提高建筑与人的亲和力。

4 结语

集装箱建筑兼具工业化建筑、钢结构建筑、装配式建筑、模块化建筑及绿色建筑等众多新兴建筑体系的属性，是跨界融合、转型升级的典范。目前，集装箱建筑还处于探索期，随着科技的进步，集装箱建筑将会日趋完善，进而得到更广泛的应用。随着模块化集装箱建筑的推广，集装箱建筑的设计理念、模块化的设计标准和3D 建造技术的结合，能够为客户定制各类型的建筑样式创造更多的可能性，也将为整个建筑市场开辟新的模式。