文/東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 羅 申

東南大學(xué)建筑學(xué)院 張 宏 張睿哲 張軍軍

1 研究背景

2020年，我國在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰承諾。要實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰和2060年前碳中和的“雙碳”目標(biāo)，意味著我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)社會運(yùn)轉(zhuǎn)方式必然產(chǎn)生深層次變革。建筑業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，碳排放量的40%來自建筑業(yè)，因此建筑業(yè)亟需改變。當(dāng)前我國建筑業(yè)普遍存在建筑壽命短、建筑拆除難及回收利用難等問題，且拆除后無法重新利用的建筑構(gòu)件會產(chǎn)生大量的碳排放。如果建筑可實(shí)現(xiàn)重復(fù)裝配，而不是爆破拆除，則可實(shí)現(xiàn)資源重復(fù)利用，可極大減少碳排放量。因此，可重復(fù)裝配的建筑是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有力抓手。

2 可重復(fù)裝配建筑技術(shù)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化可變空間設(shè)計(jì)技術(shù)

可重復(fù)裝配建筑建立在使用多樣性的前提下，滿足空間可變，其重復(fù)拆裝后具有更大的經(jīng)濟(jì)和使用價(jià)值，尤其在目前全球的居住建筑中，建筑空間屬性較單一，靈活性較差，當(dāng)使用者對空間有新的需求時(shí)，建筑空間往往無法滿足使用者需求的變化，只有采取拆除再建的方式，這也是當(dāng)前建筑行業(yè)高資源消耗的主要原因之一。在建筑設(shè)計(jì)前端提出標(biāo)準(zhǔn)化可變空間設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)建筑重復(fù)裝配的基本需求。

2.2 構(gòu)件組獨(dú)立組合設(shè)計(jì)技術(shù)

建筑的各組成部分，如結(jié)構(gòu)體、外圍護(hù)體、內(nèi)分隔體、裝修體和設(shè)備體應(yīng)盡量保持獨(dú)立，不與其他構(gòu)件穿插。此種方式既可保證在生產(chǎn)、建造過程中不相互影響，更重要的是，在日后的改造更新中，構(gòu)件可獨(dú)立更換，為建筑提供較好的可改造性和可更新性。各構(gòu)件組和組內(nèi)各構(gòu)件之間的組合與連接全部遵循獨(dú)立設(shè)計(jì)原則，盡可能減少交叉和交織，簡化構(gòu)件連接，使建筑的反復(fù)拆裝成為可能。同時(shí)在建筑全生命周期中，因構(gòu)件壽命差異造成的構(gòu)件更換維修難以避免，構(gòu)件系統(tǒng)相互獨(dú)立可保證各構(gòu)件組獨(dú)立進(jìn)行維修和更換。

2.3 三級裝配技術(shù)

三級裝配技術(shù)是指根據(jù)構(gòu)件的建造信息對構(gòu)件進(jìn)行分級，通過構(gòu)件分級，明確各構(gòu)件的生產(chǎn)和施工地點(diǎn)，保證建造工作順利進(jìn)行。一級構(gòu)件是指將建筑原材料在工廠進(jìn)行加工后形成建筑構(gòu)件，其成型位置是在工廠。二級構(gòu)件是指一級構(gòu)件在工地工廠（即在工地上臨時(shí)搭建用于工地臨時(shí)裝配的場所）進(jìn)行組合、裝配后形成的建筑構(gòu)件，其成型位置是工地工廠。三級構(gòu)件是指構(gòu)件在現(xiàn)場工位進(jìn)行裝配形成的整體大構(gòu)件，其成型位置在工位之上。三級裝配技術(shù)的實(shí)質(zhì)是根據(jù)構(gòu)件特性和建造邏輯進(jìn)行分類：通過構(gòu)件三級分類，將構(gòu)件分為適宜運(yùn)輸?shù)男?gòu)件和適宜裝配的大構(gòu)件，可大幅提高建造速度，優(yōu)化建造工序，提高并行建造效率，通過高效的施工組織，實(shí)現(xiàn)安全、快速、可靠、低碳建造。

2.4 可逆連接技術(shù)

可逆連接技術(shù)是指構(gòu)件之間的連接具有可拆卸特點(diǎn)和可重復(fù)利用性。目前建筑構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)多為一次性連接，連接完成后不具備可逆能力，重復(fù)裝配會導(dǎo)致破壞性拆除，造成建筑構(gòu)件損壞并難以再利用，這也是目前拆卸過程中造成大量碳排放的原因?？赡孢B接技術(shù)能夠保證在拆除過程中構(gòu)件不被破壞，后續(xù)可對狀態(tài)良好且未達(dá)到使用壽命的建筑構(gòu)件重復(fù)利用，降低建造和拆除過程中的碳排放量，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)裝配設(shè)計(jì)與建造。

3 案例分析——以C-House為例

3.1 C-House簡介及其重復(fù)拆裝

在2018年中國國際太陽能十項(xiàng)全能競賽中，要求每支賽隊(duì)以建設(shè)永久性房屋為目標(biāo)，建造1棟完成面積為120～200m2的單層或雙層太陽能住宅。房屋在已完成的地基和基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，在20d時(shí)間內(nèi)完成全部建造過程并投入使用。

針對競賽提出的要求，C-House房屋從設(shè)計(jì)階段組建了完整的建造團(tuán)隊(duì)，并在競賽開始之前進(jìn)行預(yù)建造以進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和建造設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，第1次建造和拆除于2018年4月在山東德州皇明太陽能股份有限公司內(nèi)進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 第1次建造與拆除

正式比賽自2018年7月10日開始，C-House建造團(tuán)隊(duì)在山東德州太陽能小鎮(zhèn)完成C-House第2次建造，并在之后的公開展覽和評比之中取得好成績。2021年4月，在同一地點(diǎn)完成建筑拆除，如圖2所示。

圖2 第2次建造與拆除

2021年5月，在C-House于德州拆除的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)在南京市同步進(jìn)行第3次建造，并在30d內(nèi)完成C-House的第3次建造，建造過程如圖3所示。

圖3 第3次建造

3.2 C-House標(biāo)準(zhǔn)化可變空間設(shè)計(jì)技術(shù)

C-House在建筑空間設(shè)計(jì)過程中，采用空間可變的設(shè)計(jì)方法，建筑空間設(shè)計(jì)過程中，以能源核心Core作為空間限定的主要構(gòu)件，將空間劃分為圍繞能源核心Core一周的均質(zhì)空間，這種空間的特質(zhì)不明顯，可根據(jù)使用者的需求進(jìn)行后續(xù)的空間劃分和使用?？紤]到不同使用場景和應(yīng)用方式，可劃分為以下建筑空間：自由職業(yè)者之家、三口之家、青年公寓等。

3.3 C-House構(gòu)件組獨(dú)立組合設(shè)計(jì)技術(shù)

構(gòu)件獨(dú)立組合是實(shí)現(xiàn)可重復(fù)裝配的必要條件。以C-House為例，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)全部采用螺栓連接方式，以保證連接的可靠性和可重復(fù)性。圍護(hù)構(gòu)件組裝配過程中，2塊裝配式整體墻板之間預(yù)留200mm空隙，在現(xiàn)場填充聚氨酯進(jìn)行可逆式連接，拆除時(shí)可直接對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行破壞性拆除而不損壞裝配式墻板構(gòu)件。傳統(tǒng)密縫拼接的連接方式拆除時(shí)由于施工空間不足進(jìn)行破壞性拆除，對建筑構(gòu)件造成永久性破壞。螺栓連接方式更具可逆性，通過拆除節(jié)點(diǎn)保證主要構(gòu)件不受損壞并可重復(fù)利用。性能構(gòu)件組完全獨(dú)立布置于建筑內(nèi)，重復(fù)建造時(shí)僅需進(jìn)行管線連接斷開即可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

3.4 C-House三級裝配技術(shù)

C-House的構(gòu)件組可根據(jù)其建造工序和裝配位置分為三級，每級構(gòu)件有明確的建造信息，以C-House的結(jié)構(gòu)構(gòu)件為例，其可分為5個(gè)主要的三級構(gòu)件：東西南北四面?zhèn)葔Y(jié)構(gòu)構(gòu)件和屋頂結(jié)構(gòu)構(gòu)件，每個(gè)三級構(gòu)件依據(jù)框式組合建造原則拆分為二級構(gòu)件，以東側(cè)結(jié)構(gòu)墻體三級構(gòu)件組為例，三級構(gòu)件被拆分為2個(gè)二級構(gòu)件和6個(gè)一級構(gòu)件，2個(gè)二級構(gòu)件分別又可分為4個(gè)一級構(gòu)件。1個(gè)三級構(gòu)件通過構(gòu)件分級后拆分為14個(gè)一級構(gòu)件和其他連接構(gòu)件。

通過構(gòu)件分級，使復(fù)雜的建造過程清晰簡單，此種構(gòu)件設(shè)計(jì)方法保證了C-House的結(jié)構(gòu)構(gòu)件組在2d之內(nèi)全部裝配完成，也保證了后期多次重復(fù)裝配的安全可靠實(shí)施。其中利用的框式構(gòu)件技術(shù)，是在東南大學(xué)新型工業(yè)化團(tuán)隊(duì)兩項(xiàng)專利的基礎(chǔ)上，以構(gòu)件組框?yàn)榛驹瓌t研發(fā)的建造技術(shù)體系?？蚴綐?gòu)件建造設(shè)計(jì)原則是指一級構(gòu)件和二級構(gòu)件在相應(yīng)地點(diǎn)進(jìn)行裝配時(shí)盡可能裝配成框型構(gòu)件，三級構(gòu)件在工位進(jìn)行裝配時(shí)，盡可能多地利用框式構(gòu)件剛性大、形態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)，可快速完成構(gòu)件定位與連接，節(jié)省建造時(shí)間，提高建造效率。

3.5 C-House可逆連接技術(shù)

C-House的所有構(gòu)件組均采用可逆連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件組采用限位定位連接件和螺栓剛性連接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)連接可逆可重復(fù)。圍護(hù)構(gòu)件組采用寬縫連接構(gòu)造，縫外側(cè)寬20mm，內(nèi)側(cè)寬200mm，在進(jìn)行連接作業(yè)時(shí)，外側(cè)采用密封性能好的硅酮膠密封，防止雨水進(jìn)入，內(nèi)側(cè)采用聚氨酯噴涂，在圍護(hù)構(gòu)件組拆除時(shí)僅需對寬縫連接進(jìn)行破壞性拆除，整體裝配式墻板可確保完好無損。可逆連接技術(shù)是可重復(fù)裝配設(shè)計(jì)和建造的重要技術(shù)，可逆連接使多次拆卸和重復(fù)建造成為可能，同時(shí)可減少重復(fù)建造過程中的材料損壞，為重復(fù)建造提供靈活性。

4 C-House三次重復(fù)建造裝配的建造碳減排

延長建筑壽命是建筑減碳的重要手段，使建筑可進(jìn)行多次低損耗重復(fù)建造裝配是延長建筑壽命的方法之一。一些特殊功能的建筑，如科考站、臨時(shí)展覽建筑或客運(yùn)高峰期臨時(shí)站房等，由于在一地的使用時(shí)長較短，在遠(yuǎn)未達(dá)到建筑構(gòu)件自身壽命前就結(jié)束了功能。若此類特殊建筑采用傳統(tǒng)建筑工藝建造，會因建筑過早廢棄拆除形成不必要的碳排放浪費(fèi)；若采用集裝箱房的建造方式，此類建筑天然的性能缺陷則會提高建筑的運(yùn)行碳排放。C-House這類可重復(fù)裝配建筑，可在具備高性能的前提下，實(shí)現(xiàn)低損耗反復(fù)拆裝搬遷。采用該技術(shù)的建筑，可在一地使用功能結(jié)束后，利用原有建筑構(gòu)件低損耗地在下一個(gè)有功能需求的地點(diǎn)重新建造，在建筑主要構(gòu)件壽命未盡前多次進(jìn)行異地裝配，使建筑壽命最大化。在此過程中，每次的再建造均相當(dāng)于避免了一座相同建筑的建造與拆除。該建筑在其生命周期內(nèi)重復(fù)建造次數(shù)越多，減碳收益越大。

以C-House為例，統(tǒng)計(jì)C-House三次建造裝配過程，建筑全構(gòu)件完整回收占比極高，達(dá)95.9%；完全不可回收構(gòu)件僅為1.0%，其余構(gòu)件僅需修繕后便可重復(fù)投入使用，是損耗率相當(dāng)?shù)偷闹貜?fù)建造工程。C-House的碳排放計(jì)算與碳減排收益結(jié)果分析如表1所示。C-House在第1次建造時(shí)，碳排放為258.39tCO2。后續(xù)兩次再建造雖然因?yàn)榄h(huán)境和運(yùn)輸距離不同，各階段碳排放有一定區(qū)別，但總體呈顯著下降趨勢。第3次再建造后，C-House在建造裝配過程的減碳量達(dá)305.47tCO2，已高于初次建造的碳排放量，是名副其實(shí)的低碳建筑，如果再進(jìn)行數(shù)次建造，就能實(shí)現(xiàn)建筑建造的凈零碳排放。

表1 C-House三次建造裝配過程碳排放與碳減排數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

“雙碳”目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)社會節(jié)能減排的重要指向，建筑業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，成為節(jié)能減排的重要抓手。實(shí)現(xiàn)建筑整體或局部的可重復(fù)拆裝與再利用，是未來建筑設(shè)計(jì)必須面對的新問題，也是建筑行業(yè)由粗獷型向精細(xì)型轉(zhuǎn)變的重要特征。本文提出可重復(fù)裝配建筑的4個(gè)技術(shù)要點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)化可變空間設(shè)計(jì)技術(shù)、構(gòu)件組獨(dú)立組合設(shè)計(jì)技術(shù)、三級裝配建造技術(shù)和可逆連接技術(shù)，并以2018年中國國際太陽能十項(xiàng)全能競賽的作品C-House的3次重復(fù)裝配為例進(jìn)一步闡釋上述技術(shù)要點(diǎn)。同時(shí)通過C-House的3次重復(fù)裝配，驗(yàn)證了可重復(fù)裝配建筑技術(shù)對于延長建筑壽命、減少建筑全生命周期碳排放量的可行性，為我國建筑行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)探尋了一條新的技術(shù)路線。同時(shí)也希望以C-House作為起點(diǎn)，推動更多建筑的構(gòu)件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可重復(fù)裝配，從而盡早達(dá)成“雙碳”目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)建筑資源的最大化利用和可持續(xù)發(fā)展。