沈景華 李德生 苗珍錄 倪乙軼 戴麗君

自2020 年我國(guó)在聯(lián)合國(guó)提出“3060”雙碳目標(biāo)，中國(guó)開(kāi)啟低碳新時(shí)代。隨著2021 年碳交易市場(chǎng)的開(kāi)放，各地落實(shí)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)部署的步伐逐漸加快。在“雙碳”和“數(shù)字中國(guó)”的背景下，“綠色化”、“數(shù)字化”與“智能化”的協(xié)同成為“十四五”規(guī)劃綱要的主旋律。要達(dá)到此目標(biāo)，低碳化建設(shè)是根本途徑?！半p碳”是“碳達(dá)峰”和“碳中和”的簡(jiǎn)稱(chēng)，是建設(shè)綠色城市、生態(tài)城市的重要戰(zhàn)略?！半p碳”目標(biāo)對(duì)建筑行業(yè)提出巨大的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，作為實(shí)現(xiàn)碳減排的重要手段之一，建筑立面的節(jié)能與裝配化設(shè)計(jì)施工至關(guān)重要。

1 建筑外立面設(shè)計(jì)施工的現(xiàn)狀

在建筑外立面設(shè)計(jì)施工中，長(zhǎng)期以來(lái)面臨著節(jié)能水平底下、生產(chǎn)管理落后、能源消耗增加以及環(huán)境污染加劇等問(wèn)題，急需采取有效措施解決?，F(xiàn)行的建筑外立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)大多數(shù)以厚重的墻體結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)組件，為了滿(mǎn)足節(jié)能保溫、防水及耐久的功能，外立面墻體往往都為層片式結(jié)構(gòu)，通過(guò)工地現(xiàn)場(chǎng)在基層墻體上進(jìn)行施工保溫層與防水屏障（圖1）。而隨著現(xiàn)代建筑科學(xué)的發(fā)展，當(dāng)外立面墻體成為非主體結(jié)構(gòu)組件，不再作為支撐樓層結(jié)構(gòu)和屋頂結(jié)構(gòu)時(shí)，外立面墻體就失去了主體結(jié)構(gòu)屬性，只承擔(dān)抵抗風(fēng)荷載等水平荷載作用以及節(jié)能防水屏障等外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能。此外，隨著現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展，完全在現(xiàn)場(chǎng)手工作業(yè)的施工工藝也逐漸被工廠化成品制造替換，工地現(xiàn)場(chǎng)只進(jìn)行簡(jiǎn)單的產(chǎn)品部件裝配作業(yè)。

圖1 現(xiàn)有外立面墻體往往都為層片式結(jié)構(gòu)（來(lái)源：作者自繪）

現(xiàn)代建筑科學(xué)發(fā)展到今天，對(duì)于建筑外立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，性能要求與結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)非常復(fù)雜，繼續(xù)依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)手工作業(yè)以及厚重的層片式墻體結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿(mǎn)足技術(shù)與品質(zhì)以及碳減排的要求。而外立面的系統(tǒng)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)形式、材料運(yùn)用、制造安裝工藝也都形成了相對(duì)應(yīng)的規(guī)范、性能標(biāo)準(zhǔn)以及檢測(cè)方式。由此，基于“雙碳”的背景下研發(fā)與發(fā)展智慧裝配立面系統(tǒng)迫在眉睫。

2 智慧裝配立面系統(tǒng)的研發(fā)

智慧裝配立面系統(tǒng)是針對(duì)現(xiàn)有建筑立面設(shè)計(jì)施工的缺點(diǎn)，研發(fā)的一整套智能化裝配節(jié)能外立面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)集成產(chǎn)品。是以建筑立面節(jié)能要求為目標(biāo)，結(jié)合節(jié)能材料光伏材料組合運(yùn)用，通過(guò)系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、數(shù)字化管理等方式，達(dá)到快速裝配、高效施工、縮短建設(shè)周期、提高建設(shè)效率，實(shí)現(xiàn)超低能耗的建筑外立面外墻結(jié)構(gòu)，并可集成光伏能源轉(zhuǎn)換、自然光的運(yùn)用與智能遮陽(yáng)系統(tǒng)、雙層外墻智能通風(fēng)換氣、智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)能性能及智能監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣環(huán)境為一體的多功能超低能耗裝配式立面系統(tǒng)。同時(shí)，這些預(yù)制部品構(gòu)件大都使用低碳環(huán)保綠色材料，且大多可以循環(huán)使用及回收運(yùn)用，減少建筑廢棄物的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)。

智慧裝配立面系統(tǒng)采用與智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)建筑狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和維護(hù)。這些技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決建筑問(wèn)題，提高建筑的使用壽命和安全性。此外，智慧裝配立面系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)能源的智能化管理，通過(guò)智能傳感器和控制系統(tǒng)，對(duì)建筑能源使用進(jìn)行精細(xì)化管理，降低建筑能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。在“雙碳”背景下，建筑外立面工程的節(jié)能設(shè)計(jì)、裝配化工廠生產(chǎn)、與光伏能源集合、自然光的利用和智能通風(fēng)控制、與智能數(shù)據(jù)探測(cè)及智能控制室內(nèi)環(huán)境技術(shù)集成等等智慧裝配立面系統(tǒng)的出現(xiàn)，將為城市的高質(zhì)量發(fā)展提供了新的思路和解決方案。

3 智慧裝配立面系統(tǒng)的性能

智慧裝配立面系統(tǒng)是一款多功能集成化的、先進(jìn)實(shí)用的建筑外立面裝配化圍護(hù)結(jié)構(gòu)成套產(chǎn)品，具有以下的性能特性。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)性功能

智慧裝配立面系統(tǒng)不再承擔(dān)建筑自重，而只承擔(dān)其自重及作用在該系統(tǒng)上的風(fēng)荷載、地震荷載、溫度作用、平面變形等。一般情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)是懸掛在主體結(jié)構(gòu)外部，圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身需具備承載能力、剛度、穩(wěn)定性和相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的位移變形能力。受力模式一般為面板承受的水平荷載傳遞給橫向構(gòu)件，橫向構(gòu)件傳遞給豎向構(gòu)件，豎向構(gòu)件掛接在土建結(jié)構(gòu)梁柱的預(yù)設(shè)埋件上。

3.2 雨水管理功能與空氣密封性能

智慧裝配立面系統(tǒng)必須因地制宜設(shè)計(jì)研究防水結(jié)構(gòu)，可根據(jù)建筑氣候特征、建筑形態(tài)造型、性能要求進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)防排水體系。同時(shí)，智慧裝配立面系統(tǒng)及其內(nèi)部的開(kāi)啟通風(fēng)結(jié)構(gòu)需有阻擋空氣滲透的能力。

3.3 節(jié)能功能以及冷凝水與結(jié)露控制

智慧裝配立面系統(tǒng)通過(guò)提高外立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能措施、材料運(yùn)用、系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)可以最大限度地降低建筑立面對(duì)能源的需求，比如保溫隔熱、遮陽(yáng)、氣密性設(shè)計(jì)、自然通風(fēng)、采光等。并且系統(tǒng)也使用各種技術(shù)措施避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生冷凝水與結(jié)露。

3.4 結(jié)構(gòu)位移考慮及耐久性能

智慧裝配立面系統(tǒng)需適應(yīng)風(fēng)荷載、自重荷載、溫度作用、主體結(jié)構(gòu)帶來(lái)的位移變形?？紤]長(zhǎng)期的系統(tǒng)使用功能與美學(xué)效果，對(duì)材料的耐久性和耐腐蝕性，提出較高的要求。

3.5 隔音功能

外立面圍護(hù)的隔音性是影響室內(nèi)環(huán)境舒適性的重要因素之一，通過(guò)使用隔聲材料的組合可提高外立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)外部噪音的隔絕能力。

3.6 通風(fēng)設(shè)置及光伏組件集成

可以根據(jù)建筑特征設(shè)計(jì)通風(fēng)方式，使用主動(dòng)式通風(fēng)或者被動(dòng)式通風(fēng)設(shè)置，也可與光伏組件一起進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，結(jié)合通風(fēng)設(shè)置與遮陽(yáng)設(shè)計(jì)為一體。通風(fēng)設(shè)置的開(kāi)啟端與智能控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，可根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境變化自動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng)系統(tǒng)。

3.7 智能控制

在外立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面隱蔽部位安裝室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)儀，24 h 連續(xù)監(jiān)測(cè)室內(nèi)甲醛、PM2.5、CO2、以及室內(nèi)外空氣中存在的揮發(fā)性有機(jī)化合物的總量（Total Volatile Organic Compounds，TVOC）和溫度與濕度變化，并可實(shí)時(shí)通過(guò)大屏顯示或手機(jī)APP、微信端查看。在空氣質(zhì)量環(huán)境參數(shù)超標(biāo)的情況下，實(shí)時(shí)發(fā)布超標(biāo)預(yù)警并自動(dòng)打開(kāi)通風(fēng)設(shè)置進(jìn)行通風(fēng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以配合外通風(fēng)設(shè)置、新風(fēng)機(jī)、空氣凈化器、中央空調(diào)等實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行智能化控制。

3.8 防火性能

外立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)需根據(jù)建筑特性布置正確的豎向防火隔離帶與橫向防火隔離帶，并要考慮防火耐熱時(shí)間與耐煙性能。

3.9 施工裝配功能

根據(jù)建筑效果進(jìn)行合理劃分，選取標(biāo)準(zhǔn)單元作為定型部品，部品完全工廠化生產(chǎn)，產(chǎn)品部品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊裝裝配作業(yè)，形成完整的建筑外立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.10 可維護(hù)的功能以及可回收再利用低碳材料

智慧裝配立面系統(tǒng)的材料及組件都是經(jīng)過(guò)機(jī)械裝配進(jìn)行組合，系統(tǒng)允許部品組件在使用過(guò)程中進(jìn)行維護(hù)、維修與更換。部品構(gòu)件可以使用低碳環(huán)保綠色材料，并大部分可以循環(huán)使用及回收應(yīng)用。

3.11 經(jīng)濟(jì)性

智慧裝配立面系統(tǒng)在綜合考慮實(shí)現(xiàn)以上各種性能的前提下，進(jìn)行合理的成本管理，通過(guò)研究系統(tǒng)優(yōu)化、材料選擇、結(jié)構(gòu)分析、工藝簡(jiǎn)化等方式建立標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品線(xiàn)進(jìn)行精細(xì)化管理以獲得合理性?xún)r(jià)比。

4 智慧裝配立面系統(tǒng)的節(jié)能與防水設(shè)計(jì)

智慧裝配立面系統(tǒng)的系統(tǒng)元素與部品及子部品涉及到多個(gè)材料專(zhuān)業(yè)、機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械制造配合工作，進(jìn)行各種系統(tǒng)元素的整合集成，形成智慧裝配外立面的成套產(chǎn)品。比如系統(tǒng)使用的保溫材料由材料供應(yīng)商提供，但其又必須滿(mǎn)足防火性能、熱工性能、防潮性能與耐久性能的要求，并且節(jié)能材料的安裝固定在部品上也需要考慮機(jī)械裝配及連接措施。如果立面系統(tǒng)中有鑲嵌門(mén)窗結(jié)構(gòu)，這又需要深入研究門(mén)窗的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能、防水性能、熱工性能，以及門(mén)窗與部品接縫的防水與保溫處理，如圖2 所示。

圖2 鑲嵌門(mén)窗的熱工性能計(jì)算云圖（來(lái)源：作者自繪）

智慧裝配立面系統(tǒng)部品單元立面劃分原則是將外立面進(jìn)行合理的分割，一般選取一個(gè)樓層為高度，加上一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)寬度為一個(gè)部品。部品之間使用鑲嵌插接實(shí)現(xiàn)，鑲嵌插接處的密封性能與節(jié)能性能至關(guān)重要，部品之間鑲嵌插接及熱工性能計(jì)算云圖如圖3 所示。一般情況下，使用多道插接的方式形成等壓腔體。在滿(mǎn)足節(jié)能要求的構(gòu)造考慮之外，還需考慮防水密封性能，通過(guò)多腔插接建立可靠的多道防水體系，按照雨幕原理等壓腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，排水路徑應(yīng)清晰明了。

圖3 部品鑲嵌裝配化插接及熱工性能計(jì)算云圖（來(lái)源：作者自繪）

同時(shí)，根據(jù)建筑立面的復(fù)雜程度及建筑高度，防排水系統(tǒng)需進(jìn)行單元分區(qū)處理，防止系統(tǒng)過(guò)載。防水單元分區(qū)處理是指根據(jù)建筑所在地風(fēng)雨實(shí)際情況、建筑特征、系統(tǒng)構(gòu)造特點(diǎn)在外立面進(jìn)行防水分區(qū)，可以設(shè)置一個(gè)樓層為一個(gè)防水單元分區(qū)，也可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置多個(gè)樓層及其他情況，作為一個(gè)防水單元分區(qū)。其次，對(duì)于系統(tǒng)的防水構(gòu)造設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮系統(tǒng)在其最大壓差下的防排水的承受能力。一旦壓差與水量超過(guò)其承受能力容易發(fā)生漏水，故設(shè)計(jì)需考慮系統(tǒng)的最大防水能力，防止系統(tǒng)過(guò)載[1]。

5 智慧裝配立面系統(tǒng)的光伏集成及雙層皮設(shè)計(jì)

智慧裝配立面系統(tǒng)的光伏集成，是綜合運(yùn)用光伏建筑一體化的技術(shù)的集成產(chǎn)品，光伏建筑是利用光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，將建筑外立面以及遮?yáng)與光伏發(fā)電功能相結(jié)合，通過(guò)產(chǎn)能形式滿(mǎn)足能源需求，屬于太陽(yáng)能光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaics，BIPV）的重要應(yīng)用形式之一。

光伏材料的發(fā)展經(jīng)歷了多晶硅、單晶硅、非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒、鈣鈦礦等等，在建筑立面系統(tǒng)上選擇光伏電池時(shí)往往需根據(jù)建筑立面效果、透光性、遮陽(yáng)、太陽(yáng)能電池的朝向以及光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行較為合適的太陽(yáng)能電池選擇。

需要注意的是，雖然光伏建筑能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，但根?jù)焦耳定律：Q=I2Rt（Q為電流熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，單位J；I為電流，單位A；R為電阻，單位Ω；t為時(shí)間，單位s），電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，跟電流強(qiáng)度的平方、導(dǎo)體電阻和通電時(shí)間成正比，應(yīng)特別注意太陽(yáng)能電池在發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的大量熱量將影響并降低建筑的節(jié)能性能。所以光伏電池在智慧裝配立面系統(tǒng)中的運(yùn)用需與通風(fēng)相結(jié)合，通過(guò)設(shè)置在電池板后的通風(fēng)通道帶走因發(fā)電產(chǎn)生的熱量，或者直接選用短路電流低但不發(fā)熱的光伏電池產(chǎn)品。

智慧裝配立面系統(tǒng)的系統(tǒng)的另外一個(gè)運(yùn)用是在建筑外立面上建立一個(gè)智能調(diào)節(jié)的雙層外皮立面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無(wú)論是新建建筑還是既有建筑的節(jié)能改造均可使用此種結(jié)構(gòu)，智慧裝配立面系統(tǒng)之雙層外墻結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 智慧裝配立面系統(tǒng)之雙層外墻結(jié)構(gòu)（來(lái)源：作者自繪）

智慧裝配雙層外皮立面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由外層立面墻體、內(nèi)層立面墻體以及它們之間的熱通道（空氣腔）構(gòu)成，上下方分別設(shè)置通風(fēng)出風(fēng)口和通風(fēng)入風(fēng)口，用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)方式在熱通道形成穩(wěn)定的氣流。其中，外層立面墻體也可以設(shè)置為光伏組件，并通過(guò)內(nèi)部空氣通風(fēng)可以帶走發(fā)電產(chǎn)生的熱量。而針對(duì)既有建筑來(lái)說(shuō)，可以在不拆除原有建筑外墻的情況下直接外掛外層裝配化外墻（圖4）。

智慧裝配雙層外皮立面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備優(yōu)越的節(jié)能性能，在運(yùn)用良好的材料與構(gòu)造設(shè)計(jì)的情況下可以輕易滿(mǎn)足超低能耗建筑的外立面節(jié)能與智能通風(fēng)的要求。通過(guò)雙層外皮之間的空氣通風(fēng)流通及空氣對(duì)流排出夏季的暖空氣，以達(dá)到節(jié)能性能。

中間層空氣的流通的方式分為熱壓通風(fēng)、風(fēng)壓通風(fēng)2 種。熱壓通風(fēng)是利用太陽(yáng)照射使雙層外皮之間的空氣加熱產(chǎn)生膨脹，利用此熱壓差產(chǎn)生氣流動(dòng)力使熱空氣上浮從排風(fēng)口排到室外。室內(nèi)外溫差越大，進(jìn)出風(fēng)口高度越大，熱壓通風(fēng)效果就越好。熱壓通風(fēng)時(shí)，通過(guò)空氣對(duì)流排出暖空氣熱量可通過(guò)下式計(jì)算[2]：

式中：Q為通過(guò)對(duì)流方式排出的熱量、單位kW；p為空氣密度、單位為kg/m3，20℃時(shí)，p≈1.2 kg/m3；c為 空氣比熱容、單位kJ/（kg?K），當(dāng)20℃時(shí)，c≈1 kJ/（kg?K）；V為氣流量、單位m2/s；ΔT為進(jìn)入空氣與排出空氣之間的溫差、單位K。

風(fēng)壓通風(fēng)是利用進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的高度差產(chǎn)生的氣壓差使雙層外皮之間的空氣形成煙囪效應(yīng)，從而產(chǎn)生空氣流通來(lái)排出夏季的暖空氣。一般情況下，雙層外皮立面系統(tǒng)會(huì)將熱壓通風(fēng)與風(fēng)壓通風(fēng)同步考慮，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的通風(fēng)效果。

智慧裝配雙層外皮立面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際通風(fēng)情況來(lái)進(jìn)行節(jié)能分析計(jì)算，對(duì)于良好通風(fēng)換氣狀態(tài)雙層外的墻熱阻值公式為[3]：

式中：Rcw，v為通風(fēng)換氣狀態(tài)雙層外墻熱阻值，單位（m2?K）/W；Ucw，1為內(nèi)層墻體傳熱系數(shù)，單位W/（m2?K）；Rsi為外層墻體內(nèi)表面換熱阻值，透明部分取0.13 （m2?K）/W，非透明部分取0.11 （m2?K）/W；Rse為外層墻體外表面換熱阻值，取0.04 （m2?K）/W。

智慧裝配雙層外皮立面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備非常優(yōu)越的隔聲性能，可根據(jù)對(duì)周邊環(huán)境的噪音影響，以確定項(xiàng)目的隔音設(shè)計(jì)指標(biāo)。一般情況隔聲性能是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行確定，也可通過(guò)下式進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算：

式中：ΔR為雙層墻體整體隔聲量，單位dB；f為外層墻體通風(fēng)口占整個(gè)墻體面積的百分比；R1為外層幕墻封閉部分的隔聲量，單位dB；A為墻體表面每米長(zhǎng)度的等量聲音吸收面積，單位m2。

智慧裝配立面系統(tǒng)運(yùn)用之前掛后通風(fēng)外墻結(jié)構(gòu)，呼吸式外墻（Vorgeh?ngte Hinterlüftete Fassaden，VHF），其在保溫建筑物和外墻表皮之間有一個(gè)空氣層，空氣層確保外表皮的后部持續(xù)通風(fēng)，并將潮濕和熱量與保溫結(jié)構(gòu)隔開(kāi)。這種隔離允許在建筑物外部安裝封閉的保溫層，從而使接觸室外氣候并引流雨水的表皮層與建筑外保溫層隔開(kāi)。和不設(shè)空氣層的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比，可在夏季提供更好的隔熱性能，并在冬季提供結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的防水除濕。有保濕層的外墻，有空氣通風(fēng)層與通風(fēng)層的結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)外溫差的變化分別如圖5與圖6所示，無(wú)空氣通風(fēng)層的外墻結(jié)構(gòu)的室內(nèi)外空氣溫差是有空氣通風(fēng)層的外墻結(jié)構(gòu)的室內(nèi)外空氣溫差的5 倍，即不帶“背通風(fēng)”的外墻是帶“背通風(fēng)”的外墻熱負(fù)荷的5 倍，外墻“背通風(fēng)”結(jié)構(gòu)可以節(jié)能80%左右。

圖5 外墻有空氣通風(fēng)層的結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)外溫差的變化（來(lái)源：作者自繪）

圖6 外墻無(wú)空氣通風(fēng)層的結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)外溫差的變化 （來(lái)源：作者自繪）

前掛后通風(fēng)外墻結(jié)構(gòu)通常由外表皮、空氣層、保溫層和墻體承重結(jié)構(gòu)組成，因獨(dú)特的通風(fēng)與節(jié)能的結(jié)構(gòu)體系，使其具備防曬隔熱、防雨、保溫、防潮等功能前掛后通風(fēng)外墻結(jié)構(gòu)的外墻保溫原理[4]如圖7 所示。

圖7 前掛后通風(fēng)外墻結(jié)構(gòu)的外墻保溫原理（來(lái)源：作者自繪）

對(duì)于新建建筑，可以將其整合成工廠化生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)裝配式安裝的雙層皮結(jié)構(gòu)成套系統(tǒng)；而對(duì)既有建筑節(jié)能改造時(shí)，在保持一定的保溫層厚度并在不損失使用面積的情況下，前掛后通風(fēng)外墻結(jié)構(gòu)提供了更高要求的節(jié)能改造的可能性。盡管呼吸式外墻構(gòu)造更復(fù)雜，但它是一種理性能更好的建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

雖然理論上智慧裝配雙層外皮立面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與前掛后通風(fēng)外墻結(jié)構(gòu)可以通過(guò)自然通風(fēng)、熱空氣浮力或機(jī)械通風(fēng)方式在熱通道形成穩(wěn)定的氣流，但是實(shí)際上通過(guò)自然通風(fēng)形成穩(wěn)定的氣流非常困難。一般情況下，雙層外皮立面應(yīng)與建筑自然通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)，并應(yīng)充分考慮通風(fēng)口的熱壓通風(fēng)、風(fēng)壓通風(fēng)及通過(guò)空氣對(duì)流排出夏季暖空氣的可行性。而在風(fēng)壓通風(fēng)狀態(tài)下，需充分研究進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口距離及轉(zhuǎn)角部位湍急氣流形成較強(qiáng)氣壓差而造成的通風(fēng)氣流。

建立在雙層皮通風(fēng)基礎(chǔ)上的節(jié)能外立面系統(tǒng)，以及集成光伏、智能通風(fēng)換氣、前掛后通風(fēng)外墻結(jié)構(gòu)、智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成化多功能外立面，將智慧裝配立面的系統(tǒng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

6 發(fā)展前景

據(jù)中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑碳排放約占全國(guó)碳排放總量的50%。通過(guò)外立面外墻及門(mén)窗流失的能量，約占建筑能耗約50%。我國(guó)既有建筑面積已超過(guò)600 億m2，而2023年1 ～9 月，我國(guó)房地產(chǎn)施工面積累計(jì)值約為815688.35 萬(wàn)m2。但是據(jù)相關(guān)資料顯示，99%的現(xiàn)有城鄉(xiāng)建筑是高耗能建筑，95%以上的新建建筑是高耗能建筑[5]。因此，無(wú)論是現(xiàn)有建筑的外立面節(jié)能改造、還是新建建筑的外立面系統(tǒng)的節(jié)能裝配系統(tǒng)研究，都是建筑節(jié)能非常關(guān)鍵的因素，也是整個(gè)降碳目標(biāo)的重要角色。通過(guò)研究智慧裝配立面系統(tǒng)，無(wú)論對(duì)于現(xiàn)有建筑還是新建建筑，都是目前最為經(jīng)濟(jì)有效的途徑之一。根據(jù)對(duì)立面系統(tǒng)樣本的測(cè)算，建筑造價(jià)約在5%～10%的節(jié)能成本可實(shí)現(xiàn)大約30%～75%的節(jié)能收益。

可見(jiàn)，智慧裝配立面系統(tǒng)可以促進(jìn)建筑行業(yè)的升級(jí)和轉(zhuǎn)型，系統(tǒng)所采用的數(shù)字化設(shè)計(jì)和預(yù)制構(gòu)件制造技術(shù)，能夠有效提升建筑效率、降低成本、縮短工期，減少對(duì)環(huán)境的影響。此外，智慧裝配立面系統(tǒng)行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，還可以提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益，可以帶來(lái)更多的環(huán)保和可持續(xù)性。系統(tǒng)采用一些低碳材料和可再生能源，可以減少對(duì)環(huán)境的污染和破壞，同時(shí)也能夠提高建筑的使用效率和舒適度。

7 結(jié)語(yǔ)

智慧裝配立面系統(tǒng)的節(jié)能性能對(duì)我國(guó)建筑節(jié)能工程至關(guān)重要，需要在材料、結(jié)構(gòu)、節(jié)能、通風(fēng)、隔音、裝配工藝上進(jìn)行綜合的系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)。部品鑲嵌裝配化插接技術(shù)，集成光伏能源轉(zhuǎn)換、雙層皮通風(fēng)系統(tǒng)、自然光的運(yùn)用與智能遮陽(yáng)系統(tǒng)、智能通風(fēng)換氣、智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)能性能及室內(nèi)空氣環(huán)境為一體的多功能超低能耗裝配式立面系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)。智慧裝配立面系統(tǒng)還可以提高城市的韌性和適應(yīng)性，應(yīng)對(duì)氣候變化和自然災(zāi)害的影響。智慧裝配立面系統(tǒng)在“雙碳”背景下具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可以為建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、環(huán)?？沙掷m(xù)性、城市形象和生活質(zhì)量等方面帶來(lái)積極的影響。

在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，綠色建造和智能建造將是我國(guó)建筑業(yè)當(dāng)下和未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)，智慧裝配立面系統(tǒng)正成為城市高質(zhì)量發(fā)展的新助力，這一系統(tǒng)的研發(fā)與發(fā)展，將促進(jìn)城市建設(shè)的綠色、智能和可持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)城市環(huán)境的優(yōu)化和提升。