陳立新(上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計集團(tuán)工程建設(shè)咨詢有限公司，上海 200041)

基于零碳技術(shù)路線的建筑工業(yè)化實例探索

Research on Pre-fabricated Building Project Based on Technology of Zero-carbon

陳立新(上海現(xiàn)代建筑設(shè)計集團(tuán)工程建設(shè)咨詢有限公司，上海 200041)

通過零碳建筑的工業(yè)化課題研究及其在實際項目上的應(yīng)用，闡述了打造零碳建筑和預(yù)制裝配式建筑的技術(shù)路線，提出了建筑全壽命周期實現(xiàn)零碳排放的解決方案。最后以圖文并茂的形式，介紹了裝配式零碳建筑從設(shè)計到建造的全過程。

建筑工業(yè)化； 零碳技術(shù)； 綠色建筑； 裝配式建筑

1 零碳建筑及建筑工業(yè)化定義

按照建筑的全壽命周期理論，可將零碳建筑定義為在建筑材料、構(gòu)件及部件的生產(chǎn)、規(guī)劃與設(shè)計、建造與運輸、運行與維護(hù)直到拆除與處理的全循環(huán)過程中, 建筑向外界環(huán)境排放的 CO2綜合值為零。強(qiáng)調(diào)綜合值, 是因為絕對的零碳排放在滿足建筑一定舒適度和功能要求的前提下是不現(xiàn)實的，但可以通過建筑選材和利用清潔能源并將多余的能量輸入電網(wǎng)，或者通過碳稅和碳中和等措施來補(bǔ)償壽命周期內(nèi)的碳排放, 從而在全社會層面實現(xiàn)零碳排放。

建筑工業(yè)化顧名思義就是指在工廠生產(chǎn)、基地現(xiàn)場裝配而成的建筑生產(chǎn)方式。工廠生產(chǎn)指的是建筑的零部件，如外墻板、樓板、陽臺、樓梯等構(gòu)件在工廠里預(yù)制，預(yù)制率要達(dá)到 30% 以上。模塊化建設(shè)是裝配式建筑的主要特征，預(yù)制率也是衡量裝配式建筑技術(shù)水平的重要指標(biāo)，裝配率一般要求在 50% 以上。預(yù)制率是指裝配式混凝土建筑室外地坪以上主體結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)中預(yù)制構(gòu)件部分的材料用量占對應(yīng)構(gòu)件材料總用量的體積比。裝配率是指裝配式建筑中預(yù)制構(gòu)件、建筑部品的數(shù)量(或面積)占同類構(gòu)件或部品總數(shù)量(或面積)的比率。

2 零碳建筑及建筑工業(yè)化技術(shù)路線的研究

建筑工業(yè)化即預(yù)制、裝配式建筑是實現(xiàn)建筑全壽命周期零碳化的重要環(huán)節(jié)。研究零碳建筑的技術(shù)路線自然要把這兩方面的技術(shù)一并考慮進(jìn)去。包括工業(yè)化的“五化”技術(shù)和零碳節(jié)能減排及清潔能源的應(yīng)用技術(shù)。這些技術(shù)相互關(guān)聯(lián)又可獨立成章，“五化”指的是設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、制造工廠化、施工裝配化、裝修一體化和運營管理信息化。節(jié)能包括主、被動式節(jié)能和高能效設(shè)備的應(yīng)用，主動式節(jié)能就是通過建筑新能源設(shè)備收集自然界的可再生能源并轉(zhuǎn)化為可替代的建筑能源的節(jié)能方式，是對能源的合理應(yīng)用，如風(fēng)力發(fā)電、水利發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電，將風(fēng)能、水能和太陽能轉(zhuǎn)化為電能；被動式節(jié)能即通過建筑的布局和構(gòu)造等方式使其對人造建筑環(huán)境和建筑設(shè)備的要求最小化。

不難看出，零碳是量化指標(biāo)，便于實際操作控制，其實又有區(qū)間的概念，包括了低碳、零碳和負(fù)碳。而上述技術(shù)到底能夠?qū)p碳起到多少作用，也就是說各項技術(shù)怎么量化到碳排放指標(biāo)上去呢？根據(jù)國際通用的碳排放理論，只要建筑的設(shè)計排放量相比較于 2005 年每平方米排放基準(zhǔn)線有所減少，就可以稱為低碳建筑。為了區(qū)別不同，英國 2006 年出臺的建筑法規(guī) Part L 要求所有建筑都要標(biāo)注碳減排比率?；谔加嬃康幕居嬎愎骄褪翘寂欧帕?活動數(shù)據(jù)×活動因子。根據(jù)該公式，建筑實現(xiàn)零碳排放的方法無外乎兩種，要么“活動數(shù)據(jù)”為零，要么“活動因子”為零。

碳活動數(shù)據(jù)為零就意味著沒有任何能源消耗產(chǎn)生。對舒適度和功能有著較高要求的現(xiàn)代建筑，要達(dá)到這點是不現(xiàn)實的。

碳排放活動因子為零則要求全部排放源由零排放方式實現(xiàn)。一個建筑的全部能源由可再生能源提供，由于避免了傳統(tǒng)火電能源生產(chǎn)過程中的燃燒和碳排放，能源供給活動排放因子為零；建筑的全部廢棄物由可靠的垃圾分揀處理并且局部進(jìn)行本地銷毀和再利用，避免了傳統(tǒng)垃圾焚燒生產(chǎn)過程中的燃燒和碳排放以及垃圾填埋過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放，垃圾處理供給活動排放因子為零；建筑的全部水源由雨水和中水提供，避免了傳統(tǒng)水資源生產(chǎn)過程中溫室氣體的排放，水源供給活動排放因子為零。由此可見以上 3 大條件構(gòu)成了達(dá)到零碳建筑要求的基本條件，即可再生能源的利用、廢棄物的處理、非傳統(tǒng)水源的利用。

從實際項目的經(jīng)濟(jì)性操作角度而言，滿足全部排放源由可再生能源提供建立在建筑能耗足夠優(yōu)化以減少可再生能源的提供的基礎(chǔ)上。對于無法實現(xiàn)零碳建筑基本條件的，而通過綠化和植被等碳匯手段實現(xiàn)光合作用減排，平衡額外碳排放量的建筑也可定義為零碳建筑。

如何實現(xiàn)全生命周期的建筑零碳排放？目前在零碳和低碳領(lǐng)域存在的一個爭論是運營零碳和全生命周期零碳的區(qū)別。嚴(yán)格的全生命周期碳排放包括每樣產(chǎn)品的原料生產(chǎn)、加工、運輸、使用和銷毀的全生命周期碳排放。全生命周期排放量等于原料碳排放量、加工碳排放量、運輸碳排放量、運營碳排放量、銷毀碳排放量之和。建筑傳統(tǒng)的“零碳”是建筑運營周期的溫室氣體排放為零，且運營周期的碳排放占全生命周期 2/3 以上。全生命周期的零碳建筑目前還沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嵺`，但是建材的全生命周期零碳已經(jīng)有了嘗試。如在香港聯(lián)交所成功上市的中國地板控股有限公司，通過對原料生產(chǎn)、加工、運輸、使用和銷毀的全生命周期碳排放計量，可得 2010 年強(qiáng)化地板的全生命周期碳排放為 7.66 kg/m2。通過森林碳匯的補(bǔ)償，實現(xiàn)綜合的零碳地板。 如果一個建筑全部的建材均可實現(xiàn)零碳，亦或結(jié)余的碳排放能夠通過額外的碳匯達(dá)到平衡，就可以實現(xiàn)全生命周期的零碳建筑。

3 實踐案例

3.1 項目簡介

華建集團(tuán)建設(shè)咨詢公司設(shè)立專門課題研究基于零碳技術(shù)路線的裝配式建筑，嘗試可全拆卸、全預(yù)制、全壽命周期零碳排放的裝配式零碳建筑的研究和開發(fā)，以期達(dá)到像搭積木一樣造房子，建造、使用和拆除全過程對周圍環(huán)境沒有破壞，把對自然環(huán)境的負(fù)面影響降到最低。本著綠色建筑的靈魂——因地制宜，課題成果可以應(yīng)用到大部分場合和地區(qū)，根據(jù)場地及周圍環(huán)境的不同拿出一攬子基于零碳路線的綠色裝配式建筑的解決方案。

首次借助上海浦公檢測新建廠房項目，把課題成果應(yīng)用到實際工程中。該項目位于上海浦東新區(qū)川沙經(jīng)濟(jì)園區(qū)(北區(qū)) 9-2 局部，西至 9-2 剩余地塊，東至通城河西側(cè)防護(hù)綠帶，南至 9-2 剩余地塊，北至川大路?；孛娣e為 12 000 m2，設(shè)計地上建筑面積 12 000 m2。項目分接待服務(wù)區(qū)、檢測試驗區(qū)、行政辦公區(qū)、生活配套區(qū)、商務(wù)科研區(qū)、零碳展示區(qū)。裝配式零碳建筑是該項目的一個子項目，位于項目的零碳展示區(qū)，即1號樓的屋頂，共兩層，建筑面積 434 m2，其中架空層 246 m2，2 層 188 m2。建筑采用重鋼輕質(zhì)墻體體系，內(nèi)、外裝及保溫一體化工廠預(yù)制；建筑可全預(yù)制安裝、全拆卸，預(yù)制部件可滿足經(jīng)濟(jì)運輸?shù)囊?；屋頂設(shè)計大面積太陽能光伏電池板，滿足建筑零能耗的要求；采用納米反滲透戶式污水處理系統(tǒng)，滿足零排放的要求，以期達(dá)到建筑全壽命周期綜合碳排放量小于零的目標(biāo)；展示建筑整體可旋轉(zhuǎn)，可跟蹤太陽方位角，盡可能提高屋頂光伏發(fā)電效率，同時可達(dá)到建筑東、西向自遮掩的效果；采用體塊化設(shè)計，可無限拓展建造規(guī)模(圖 1)。

圖 1 項目鳥瞰圖

該項目主要技術(shù)亮點在于：①采用重鋼輕質(zhì)墻體體系，內(nèi)、外裝及保溫一體化。②建筑可全預(yù)制安裝、全拆卸，預(yù)制部件可滿足經(jīng)濟(jì)運輸要求。③零能耗、零排放，建筑全壽命周期綜合碳排放量小于零。④建筑整體可旋轉(zhuǎn)，可跟蹤太陽高度角。⑤體塊化設(shè)計，可無限拓展建造規(guī)模。

此次實踐是邁向未來裝配式零碳建筑的第一步。我們以九宮格為設(shè)計思路，將本案通過現(xiàn)代技術(shù)建造于既有建筑屋頂之上，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、圍護(hù)系統(tǒng)及構(gòu)件的模塊化可拆卸，并通過建造自轉(zhuǎn)追光系統(tǒng)對太陽能的利用實現(xiàn)了能源的自給自足，最后通過設(shè)備的選型完善了建筑的智能化要求。

3.2 模塊化設(shè)計

為了提高整體預(yù)制、裝配的可實施度，建筑功能分割為軸網(wǎng)間距 5 400 mm× 5 400 mm 的空間，保證墻面規(guī)格統(tǒng)一(圖 2)。

圖 2 模塊化組件圖

采用九宮格的布局設(shè)計，將零碳建筑簡單劃分為 4 個功能區(qū)域，即接待區(qū)、居住區(qū)、辦公區(qū)、共享區(qū)；4 個區(qū)域圍繞中心交通有機(jī)組合成九宮格(圖 3)。

圖 3 九宮格的功能分區(qū)圖

3.3 預(yù)制過程

工廠根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建筑構(gòu)件和部件，按照模塊化設(shè)計的數(shù)量要求，像生產(chǎn)其他產(chǎn)品一樣生產(chǎn)(預(yù)制)建筑構(gòu)件，組裝成部件。部分非標(biāo)部件也盡量在工廠里定制完成。本項目采用了夾心保溫輕質(zhì)外墻模數(shù)尺寸為(1 200 mm×3 600 mm×22 mm)、(1 800 mm×3 600 mm×15 mm)、(900 mm×3 600 mm×3 mm) 等，輕質(zhì)架空樓板 (1 800 mm×5 400 mm×42 mm)，包括墻垛 (600 mm×3 600 mm×22 mm) 等構(gòu)件。

3.4 運輸過程

卡車運輸，結(jié)構(gòu)體系中各個構(gòu)件尺寸均滿足交通工具運輸要求。總體積約 156 m3(大型集卡標(biāo)準(zhǔn)尺寸 13.58 m×2.34 m×2.71 m，約 86 m3)。

3.5 裝配過程

3.5.1 主體結(jié)構(gòu)安裝

本零碳建筑為重鋼木結(jié)構(gòu)體系，除底部支撐結(jié)構(gòu)的4根鋼柱截面尺寸為 400 mm×400 mm 外，其余主體結(jié)構(gòu)梁柱截面尺寸為 300 mm×300 mm；并配以截面尺寸 200 mm×100 mm 鋼梁及直徑 100 mm 斜向鋼柱進(jìn)行加固。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外觀大氣(圖 4)。

圖 4 鋼結(jié)構(gòu)吊裝

3.5.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)安裝

為減少結(jié)構(gòu)荷載，零碳建筑采用 200 mm 厚木質(zhì)架空地板及樓板；為方便工廠預(yù)制及減少構(gòu)件數(shù)量方便現(xiàn)場搭建及拆卸，樓板及頂板采用 1 800 mm×5 400 mm 尺寸；結(jié)構(gòu)輕盈，施工便捷。執(zhí)行上海市 DGJ 08-107—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，對墻體及門窗保溫要求較高，所以本方案中采用三玻兩面涂門窗及 150 mm 厚內(nèi)保溫輕質(zhì)外墻；為方便工廠預(yù)制及現(xiàn)場搭建，對墻體構(gòu)件數(shù)量進(jìn)行了精簡；立面簡潔，建筑節(jié)能；露臺及陽臺處安裝玻璃欄板及可移動遮陽百葉，露臺上部安裝固定格柵(圖 5)。

圖 5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)安裝

3.5.3 建筑設(shè)備安裝

主要設(shè)備管線通過中部 4 根結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行上下貫通，大部分管線在結(jié)構(gòu)梁柱及中空墻體、樓地板、頂板事先預(yù)留，實現(xiàn)各個房間的連通(圖 6)。

圖 6 建筑設(shè)備安裝

3.6 案例小結(jié)

本案中，通過采用合理的自然通風(fēng)、熱工性能良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)等被動設(shè)計技術(shù)，有效地減少了建筑能耗。通過大面積采用光伏發(fā)電技術(shù)滿足建筑運營的電力需求。通過建筑整體追日旋轉(zhuǎn)提高了太陽能光伏發(fā)電效率。通過設(shè)計選用可再生或循環(huán)使用的建筑材料和建筑部件達(dá)到建筑全生命周期的節(jié)約材料，從而間接地減少了建筑的固有碳排。通過選用含碳建材實現(xiàn)部分碳匯。建筑的預(yù)制率接近 100%，裝配率達(dá)到 100%。

本案建筑具有可整體旋轉(zhuǎn)的功能，在國內(nèi)開創(chuàng)了先河。不僅僅具備提高光伏效率和具有建筑自遮陽效果，還拓寬了建筑的藝術(shù)屬性，建筑可能不再僅僅是凝固的藝術(shù)了。

本案采用的重鋼木結(jié)構(gòu)形式，在國內(nèi)尚不多見，實現(xiàn)起來也并無太大的技術(shù)難度。這種結(jié)構(gòu)形式有望突破規(guī)范對木結(jié)構(gòu)建筑的高度限制。

本案清晰的技術(shù)路線，緊緊圍繞著零碳排這一高度的量化指標(biāo)，避免了展示建筑常見的技術(shù)堆砌的弊病，也為本案在其他項目上的推廣應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)適用的解決方案。

4 結(jié) 語

我們旨在通過裝配式的建造模式使零碳建筑工業(yè)化，整理零碳建筑建造數(shù)據(jù)為未來建筑提供數(shù)據(jù)支持，為國內(nèi)尚未成熟的零碳建筑提供參考，并擬形成零碳建筑標(biāo)準(zhǔn)。

展望未來，放眼世界，人們越來越重視人類活動對環(huán)境的影響。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，與自然和諧相處的零碳建筑將成為趨勢，從幾十平方米的裝配式預(yù)制房屋，到幾十萬平方米的裝配式預(yù)制酒店，再到零排放城市社區(qū)。我們有理由相信，零碳裝配式建筑這種集環(huán)保、生態(tài)、自然、科技于一體的新產(chǎn)業(yè)形態(tài)將獲得蓬勃的發(fā)展。

[1] 李梁.辦公建筑的零碳趨勢及策略研究[J]. 山西建筑,2010(7):224-225.

[2] 操紅.解讀零碳建筑[J]. 工業(yè)建筑,2010(3):47-49.

[3] 趙繼龍,李冬.零碳城市理念及設(shè)計策略分析[J]. 商場現(xiàn)代化,2009(6):26-28.

[4] 張憲良.淺談零碳建筑的國內(nèi)現(xiàn)實意義[J].建筑節(jié)能,2011(4):75-76.

TU50

A

1674-814X(2017)03-0017-04

2017-02-11

陳立新，現(xiàn)任上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計集團(tuán)工程建設(shè)咨詢有限公司研發(fā)總工。

作者通信地址：上海靜安區(qū)石門二路258號6樓，郵編：200041。