低碳装配式集装箱房屋研发

低碳装配式集装箱房屋研发

张小初

 惠州胜狮能源装备有限公司 广东 惠州 516267

摘要： 

低碳装配式集装箱房屋作为一种特殊的集装箱，通过对集装箱房屋的防腐技术、多连间装配式集装箱房屋结构、集装箱房屋太阳能供电系统、集装箱房屋分流式排水系统进行设计开发。从产品的生产线、运输、安装、应用等各个方面降低二氧化碳排放，推动建筑装饰及装修废弃物回收再利用，从而实现建筑行业的节能减排，促进建筑行业碳中和进程

关键词：碳达峰；碳中和；装配式；集装箱房屋

1. 研究内容

1）集装箱房屋的防腐蚀优化设计：集装箱房屋箱体外形采用耐候抗紫外线的油漆配套保护，具有很强的抗腐蚀能力，可以防止钢板表面遭受腐蚀，延长了房屋箱的使用寿命。整个集装箱房屋看上去很干净，更美观，增加了装饰性，且表面抗氧化能力强，能加强零件的抗锈蚀穿透能力，可以确保整体的机械性能。

2）多连间装配式集装箱房屋结构设计：集装箱房屋顶部檩条采用可拆卸式结构设计，在需要对集装箱板房进行转移拆卸时，取下用于固定檩条的螺栓，进行单独放置。到达目的地后，根据不同的装修要求，进行集装箱板房的装配，在保证集装箱板房便于运输的同时减少所需的装配部件，提高集装箱板房的装配效率。

3） 集装箱房屋太阳能供电系统研究开发：集装箱可利用太阳能发电板来替代目前常见的彩钢瓦屋顶，利用太阳能发电板具有的发电功能来为整个集装箱房屋进行供电，之后可利用光伏幕墙替换常见的普通玻璃幕墙，在不影响光照的同时也能够对整个集装箱房屋进行降温，安装在集装箱房屋房体内部的蓄电池可以对由光伏幕墙和太阳能发电板产生的电量进行存储，方便在夜间和紧急情况下使用。

4）集装箱房屋分流式排水系统研究开发：设计分流式排水系统，通过倾斜的集雨板能对雨水起导流作用，集雨檐能收集雨水，通过集雨管输送至蓄水池，蓄水池能净化和储蓄雨水及洗涤污水，水泵抽水能将净化后的水抽入压力池内，净化池能对洗涤污水进行初步净化，地板和隔板可将排水系统与生活区域分隔，排污管能排出污水，防止污水回流。

2. 研究背景

2.1 必要性和意义

实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择，是构建人类命运共同体的庄严承诺。《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中明确提出了“持续提高新建建筑节能标准，加快推进超低能耗、近零能耗、低碳建筑规模化发展。深化可再生能源建筑应用，加快推动建筑用能电气化和低碳化。”等要求。

建筑行业属于高耗能行业，施工时会消耗较多能源，在建筑行业迅速发展过程中，产生的能源消耗越来越大。我国每年建设消耗全世界40-50%的水泥和钢材，并会产生数以亿计的建筑垃圾，给中国乃至世界带来巨大的环境威胁。目前建筑装修主要为现场湿作业方式，且大量使用水泥、陶瓷等高资源密度建材，每年约20％-30%水泥被用作装修中的找平层，粘结剂和掩饰管线等,装修改造时只能和饰面一起砸掉，不仅资源能源消耗高（水泥、瓷砖等的生产过程是高耗能、高CO排放的），而且手工湿作业方式使建筑质量、品质也难以提高，后期维修极其困难。同样，二次装修与改造也会造成资源能源的重复消耗，同时产生大量建筑垃圾，以100平方米的全装房为例，进行二次装修时，至少额外产生2立方米（约2吨）建筑垃圾。

集装箱房屋，是一种绿色低碳的建筑体系，可随时随地移动到各地，为人们带来更方便的舒适生活。在现代建筑污染严重，能耗过大以致破坏了城市生态环境的情况下，实现对集装箱房屋模块化设计、装配方式及绿色低碳技术的研究有着鲜明的现实意义。

2.2产业、产品及市场对该研究的技术需求

集装箱建筑属于新兴产业,从它的起源上讲,是利用集装箱作为空间载体,通过一定的技术改造,使其满足人们使用需求的一种特殊建筑形式。隨着集装箱建筑的不断发展,其便捷性和环境友好性等多种优良属性被人们不断发掘,集装箱建筑也不再限制于对废旧集装箱改造这一单一模式,而出现了以集装箱结构体系为框架,采用新的围护材料及预制构件组合而成的装配式预制房屋,其尺寸大小符合国际通用集装箱标准,但性能更加优越,功能也更加丰富。由于集装箱建筑环境控制技术的不断提高,其使用寿命也不断延长,集装箱建筑已逐渐被广泛运用于各种建筑类型。

A. 新旧建筑施工的比较

相比于传统建筑施工来说，集装箱的建筑施工过程在很大程度之上减少了工程施工的固定性,让建筑施工更加具有灵活性。并且其所涉及到的施工材料并不多，运输起来十分的方便。这在很大程度之上减少了不必要的人力资源与物力资源的浪费。其次,因为施工的主要材料为集装箱,这在一定程度之上使得建筑主体更加的具有密闭性。同时因为建筑材料的单一性与坚固性,其在实际过程当中的使用寿命也会很长。施工过程的精简与运输的便捷性,使得集装箱建筑施工的碳排放被合理降低。

B. 集装箱建筑的可持续应用

因为集装箱设计十分的精简，建设条件也十分的简单，所以在很大程度之上存在着可持续利用的价值。首先来说,随着城市化进程与工业计划化进程的进一步加快, 居住问题也成为了现阶段人们不得不考虑的一个问题。集装箱建筑的应用在很大程度之上将会解决城市的保障性住房问题。其次，我们国家是一个自然灾害频发的大国，灾后重建任务所需要的时间是十分漫长的，而集装箱建筑的出现却可以很好的解决灾后重建问题。

3.相关技术国内外发展现状与趋势

3.1国外集装箱建筑

1901年俄国在世界上首次使用木材建造箱式房屋,开启了箱式建筑在世界各国的发展。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,并于1983年申请了专利。集装箱建筑的首次大规模应用是在1991年的海湾战争时期,主要用于运送战俘及军用临时建筑。此后,集装箱建筑开始受到广泛关注，从简易的单箱临时建筑,到多箱体的住宅及小型公共建筑,再到复杂形体的商业,文化建筑,集装箱建筑的改造、研发和应用活动在世界各地广泛开展。

目前，集装箱建筑已经得到人们的普遍认可, 其集装箱式房屋建筑产品在生活中各个领域随处可见，尤其在西欧、美国、日本这些发达国家市场中, 其市场规模与行业的集中度已达到较领先水平，更有甚者形成了高度集中的集装箱建筑设计市场。在西欧市场主要是以德国集装箱ALHO办公楼、英国伦敦市区的集装箱便捷酒店；在日本主要是以大和租赁集装箱写字楼、集装箱工作坊日本大建工业株式会社建筑为代表的集装箱建筑领域；在美国纽约西部郊区的复合式集装箱私人住房；或是在荷兰出名的集装箱式宿舍集群,这些国家的集装箱建筑发展都已颇具规模,且具高集成度。

3.2国内集装箱建筑

我国集装箱建筑发展起步较晚，蔡伟杰、蔡仁洋于2002年申请发明专利“快速安装集装箱式建筑物”，在国内率先提出以集装箱和集装箱部件为主要构成单元的建筑物。2004年，香港中文大学的柏庭卫、顾大庆和胡佩玲出版了国内第一本关于集装箱建筑的著作《香港集装箱建筑》,该著作以香港和集装箱建筑为研究对象,从类型学的角度总结了集装箱建筑的设计原理和组合形式。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,已经形成了一套较为成熟的生产体系。中集集团还组织开展国家《集装箱模块化组合房屋技术规程》的编制工作,该规程于2013年6月在全国范围内出版发行。

由于目前我国的人民对建筑理念与国外不同,所以我国目前在建筑领域对于集装箱的研究还是比较缓慢,在其他应用领域还是处在工程建设临时住宅的研究中,其他应用领域也有待提高。若是目前想把这种集装箱式建筑作为永久性的住宅,还不太有可能,但随着近年来我国社会经济的快速进步和发展,对于各类建筑的要求颇高,其中也有很多集装箱式的建筑,例如北京的顺义集装箱“世外桃源建筑项目、山西的香箱乡主题酒店以及由上海的多利农庄、山东高密集装箱改造的电影院系统等,都可以说是较为成功的案例。不仅如此,集装箱式建筑的安全性可以在整个城市公共卫生领域面临重大威胁时,发挥最大的作用,如在2003年突然爆发的“非典疫情中出现的小汤山医院,以及2020年爆发的‘新冠肺炎疫情中出现的雷神山医院和火神山医院，这些都是由装配式的集装箱临时搭建的，且在短时间内发挥出了最高效最急切的应急救援作用,也让中国在世界的舞台上赢得了喝彩,没让一直支持中国的同胞们及世界各族人民们失望,更让世界看到了中国“基建狂魔"的力量,为各国做出表率。

4.研发内容

4.1集装箱房屋的减重优化设计

集装箱房屋的主体结构为钢材，都是由方管、C型、L型型材，压型的侧板与顶板组成，具有足够的强度，箱体之间可以拼接组合，堆垛组合等。箱体外形通过耐候抗紫外线的油漆配套保护，具有很强的抗腐蚀能力，可以防止钢板表面遭受腐蚀，延长了房屋箱的使用寿命。整个集装箱房屋看上去很干净，更美观，增加了装饰性，且表面抗氧化能力强，能加强零件的抗锈蚀穿透能力，可以确保整体的机械性能。

4.2多连间装配式集装箱房屋结构设计

集装箱房屋顶部檩条采用可拆卸式结构设计，在保证集装箱板房便于运输的同时减少所需的装配部件，提高集装箱板房的装配效率。在需要对集装箱板房进行转移拆卸时，取下用于固定檩条的螺栓，进行单独放置。到达目的地后，根据不同的装修要求，进行集装箱板房的装配，在保证集装箱板房便于运输的同时减少所需的装配部件，提高集装箱板房的装配效率。

4.3集装箱房屋太阳能供电系统研究开发

集装箱可利用太阳能发电板来替代目前常见的彩钢瓦屋顶，同样具备了高安全性、防火、防水、防潮、耐候、承重特性，利用太阳能发电板具有的发电功能来为整个集装箱房屋进行供电，之后可利用光伏幕墙替换常见的普通玻璃幕墙，光伏幕墙具备普通玻璃幕墙的透光性以及强度，并且可以转换太阳能为电能，同时光伏幕墙可以削弱集装箱房屋走道中的光线强度，在不影响光照的同时也能够对整个集装箱房屋进行降温，安装在集装箱房屋房体内部的蓄电池可以对由光伏幕墙和太阳能发电板产生的电量进行存储，方便在夜间和紧急情况下使用。

4.4集装箱房屋分流式排水系统研究开发

集装箱房顶部设置压力池，压力池顶部为倾斜的集雨板，集雨板侧边固定有集雨檐，集装箱房内设置有蓄水池、水泵、提升水管、净化池、溢流管、地板和隔板，集装箱房外固定有集雨管和排污管，蓄水池内设置有沉淀剂层和滤膜。

压力池内的水能通过高度差，利用自身重力流出，具有一定水压，倾斜的集雨板能对雨水起导流作用，集雨檐能收集雨水，通过集雨管输送至蓄水池，蓄水池能净化和储蓄雨水及洗涤污水，水泵抽水能将净化后的水抽入压力池内，净化池能对洗涤污水进行初步净化，地板和隔板可将排水系统与生活区域分隔，排污管能排出污水，防止污水回流。

5. 解决的关键问题

5.1集装箱房屋连接结构

一般，集装箱在运输堆垛的时候，多使用半自动扭锁，以及绑扎杆来将上下箱体固定。这种固定方式，会有一定的间隙无法消除。并且当集装箱当作房屋箱使用时，端部的绑扎杆严重影响整体建筑的外观。

所以，需要研发一种快速安装，安全堆垛的集装箱拴固装置。

快速安全堆垛拴固装置，用于箱体堆垛时，由连接螺杆，通过箱体四角的角柱的上下角件板，将下面的箱体与其上堆垛的箱体连接在一起。两两堆垛的时，螺纹杆从上往下，直接锁紧在底层双向套筒。

双向套筒设置在卡板上。卡板应能穿过角件板的角件孔，旋转一定角度，如90°后，能卡紧在上/下角件板内/外。上/下层螺纹杆均能使用双向套筒的螺纹达到锁紧功能。

由于箱体要穿过约3m多高的箱体的角柱，螺纹杆从上往下穿的时候，往往对不准，会设置有导向板，导向板可以为平板中间设置有圆孔，也可以为V型孔（更方便穿杆导）。

最底层的箱体的卡板（带套筒）可直接焊接在下面的角件板内；最顶层的箱体的的卡板可设置在上面角件上面或焊接在上面角件内。

该堆垛拴固装置，安装快捷；使用高强度螺栓锁紧，强度刚性好，安全可靠；拆卸方便，回收利用率高。

相比扭锁及绑扎杆时，成本更低廉。

5.2集装箱房屋结构功能的实现及重量冲突问题

一般集装箱结构除了整体框架外，还有箱底板、箱顶板、内侧衬板、箱门内侧板、端壁内衬板等等，根据不同的箱体需求：其带侧板、带侧端斜撑、侧端、前端连接板、前端、后端、屋顶（屋架）、带门封扣板。完全保留框架，去掉部分箱体的侧板。在左右侧安装加强梁，在保证箱体稳定性的同时，减少了箱体重量，也更易于运输。

5.3集装箱房屋制作材料试验选择

钢制集装箱。优点是结构牢，强度大，水密性好，焊接性高，价格低廉。但偏重、防腐性差。。铝合金集装箱。重量小，防腐蚀能力强，加工方便，寿命长。但是造价高，并且不适合焊接。

玻璃钢制集装箱。它强度大，隔热、防腐性好，易清扫，修理简便。缺点是偏重，容易老化，会导致拧螺栓处强度降低。

铝制集装箱，因为容易变形，市面上很少见。

根据种种对比，最终选择在钢制集装箱的基础上进行镀锌，改善其防腐性差的特点。

6. 集装箱房屋指标

6.1技术指标

项目研发的低碳装配式集装箱房屋产品，产品采用模块化设计、工厂化制作、组装式运输和现场模块化组装的轻钢模块房屋，由箱顶、箱底、角柱、墙板、门、窗等组成。并达到以下技术指标：底部满跨2.0kN/m3的竖向均布荷载：底部边框梁＜L/300，底部内框梁＜L/350；顶部满跨0.5kN/m3的竖向均布荷载：底部边框梁＜L/300，底部内框梁＜L/350；横向刚性实验力≥100000newtons；抗震≥九级；防火等级≥A级。

设计研发过程中，形成受到知识产权保护的专利文件，一种活动墙体结构和集装箱房屋，专利号：ZL202222917469.4。

6.2 经济指标

本项目实现低碳装配式集装箱房屋产品的核心技术研发，满足集装箱房屋低碳、便捷、环保等需求。项目实施后预计累计新增销售收入达1000万元，累计新增利税100万元。本项目的研发，能给企业带来新的利益增长点，并且可以带动金属材料行业的发展，提升相关产品的质量和层次。

6.3 社会效益

本项目的研发和投产，预计能够新增10-15个就业岗位来从事产品的研发、销售和生产工作，能够良好缓解当今社会日益严重的就业压力。此外，本产品的研究开发，为我公司锻炼了一批专业技术人才，增加了产品研发经验，良好提升了企业的整体技术研发实力。

该项目通过对集装箱房屋太阳能发电系统、污水处理及循环利用技术以及高效装配技术的研究开发，在提升集装箱房屋技术水平同时，还可以推广绿色低碳建材和绿色建造方式，加快推进新型建筑工业化，大力发展装配式建筑，推广钢结构住宅，推动建材循环利用，强化绿色设计和绿色施工管理。

7. 风险评估

7.1市场风险

项目可能存在技术创新的市场预测不够充分的技术风险。这种风险来自于新产品不一定被市场接受，或投放市场后被其他同类产品取代，所发生的损失包括技术创新开发、转化过程中的损失。集装箱房屋，是一种绿色低碳的建筑体系，其稳定性极好，抗震抗压性能极强，不易变形、易拆卸安装、密封性能好，可用于灾区重建临时住房、工地办公室、工厂仓库、商铺、大型活动展厅等，对比传统房屋，更加环保节能，不产生建筑垃圾，材料可以回收利用，市场前景广阔。

7.2政策风险

2022年6月30日，住房和城乡建设部、国家发展改革委联合印发了《城乡建设领域碳达峰实施方案》。方案明确提出“推动低碳建筑规模化发展，鼓励建设零碳建筑和近零能耗建筑；积极推广装配化装修，推行整体卫浴和厨房等模块化部品应用技术，实现部品部件可拆改、可循环使用。”集装箱房屋完全符合绿色、节能、低碳、健康的发展新要求，对建筑建设领域碳达峰工作有积极促进作用，故政策风险低。

7.3项目实施达不到预期效果风险

本项目市场前景广阔，为项目的开展提供了良好的基础、充足的资金保障以及技术可行性高。我司拥有一大批专业类、技术类、管理类人才，为我司持续发展提供了强大的人才资源。同时我司对本项目进行充分的市场调研及前期技术筹划工作，保障项目实施的可行性。

8. 结论

项目通过对集装箱房屋制作材料、多连间装配式集装箱房屋结构技术、集装箱房屋太阳能供电技术、集装箱房屋分流式排水技术进行设计开发，从产品的生产、运输、安装、应用等各个方面降低二氧化碳排放，推动建筑装饰及装修废弃物回收再利用，从而实现建筑行业的节能减排，促进建筑行业碳中和进程。

参考文献：

[1] JGJ/T 188-2009 施工现场临时建筑物技术规范

[2] GB 50096-2011 住宅设计规范

[3] GB/T 29740-2013拆装式轻钢结构活动房（雅致，诚栋等参编）

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