裝配式綠色建造體系在中小學校園建設的應用與實踐

張橋　張坤　王偉杰　羅兵　吳婧

摘要：綠色發展是綠色建造的根本遵循。新形勢下，中小學校園建筑產業發展的機遇和挑戰并存，要實現建筑產業的綠色建造和高質量發展，其主要方式是裝配式建筑、裝配式BIM技術，裝配式設計施工一體化管理模式。從青島澳門路小學工程應用實踐中，總結、探索裝配式綠色建筑體系在中小學類項目中的實現路徑。

關鍵詞：鋼結構、裝配式、綠色建筑，中小學。

1? 前言

校園是社會建設的重要組成部分，綠色校園對于學生的學習發展與健康成長有著重要的影響與價值。而在我國，中小學綠色校園建筑尚未發展完善，缺乏理論技術適宜性體系。由于校園建筑存在人口密集，建筑存量龐大，能源與資源需求量大的特點，校園蘊藏著巨大的節能潛力。目前綠色校園的建設還主要集中于大學校園，中小學幼兒園的綠色校園建筑實踐發展較為緩慢，處于基礎研究到付諸實踐的過渡階段。因此如何將綠色技術應用到校園建筑建造中，貫穿校園建筑的全生命周期，已成為中小學校園綠色發展的需求和趨勢。

澳門路小學就是在這種背景下努力打造的示范工程，已成功注冊國內首個WEL健康建筑認證中小學類項目、通過對該項目本身優化思考一套用于中小學校園的裝配式綠色建造體系。

2? 裝配式綠色建造體系是綠色校園建造方式

2.1? 鋼結構是綠色校園建筑的天然載體

學校建筑的特點是房間多，面積大，但房間類型少，組織簡單，基本為走廊式組合形式，因此多采用框架結構。根據現有的中小學建筑設計規范，一般中小學建筑的設計層數為1-5層，在防火及抗震等級劃分中屬于多層建筑，適應的建筑體系有兩種：鋼框架+內灌混凝土（或輕質材料）、純框架體系（鋼柱做防火涂料及外包處理）。學校類建筑屬于生命線工程，鋼結構建筑相較于傳統混凝土建筑其抗震性能更加優越，材料可全部回收，綠色環保。該工程采用全鋼框架結構。是最佳的選擇。

同時，鋼框架結構的柱截面面積更小有利于增加教學用房使用面積。而風雨操場等大跨度的空間，鋼結構具有天然優勢。教室凈高不宜太低，小學室內凈高為3.1m～3.4m，中學為3.4m，進深大于7.2m的專用教室、公共教學用房不低于3.9m。澳門路小學鋼框架結構樓板采用鋼筋桁架板，可有效減少樓板厚度，增加房間凈高，更好的實現教學用房容納人數、通換氣管線安裝、采光與室內空間觀感。

本工程由于鋼結構增加凈高最明顯的例子在風雨操場的應用，由于該學校用地緊張，風雨操場布置在地下一層，頂板跨度達到21m。在最初的混凝土結構設計方案中，為了更好的與混凝土結構結合，頂采用網架結構，導致樓板厚度達到1.95m。風雨操場的凈高為5.85m，這樣無法滿足室內籃球場凈高8m的要求，而采用鋼梁+鋼筋桁架樓承板的組合后，房間凈高達到8m，不僅具備室內籃球場的功能，同時在施工過程中避免了高支模的施工。

在該項目主體結構全鋼結構裝配式施工中，結構構件全部為BIM建模，數字化加工，到場既安裝，構件連接全部采用栓接方式，減少焊接和焊縫檢測時間，減少了焊接煙塵對環境的污染，結構安裝現場工人數量比傳統施工方式減少2/3，工期僅用1.5個月。

2.2? 裝配式一體化外墻校園

學校樓屬于人員密集場所建筑，其外墻外保溫材料的燃燒性能應為A級，澳門路校園建筑外墻保溫的采用200厚裝配式CF蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板自保溫系統構造，傳熱系數達到0.39W/㎡·K，可省去傳統外墻粘貼巖棉保溫板，減少對施工現場的環境影響，避免后期保溫板脫落的風險。同時蒸壓瓷粉墻板是充分利用陶瓷工業的產生的瓷粉等固廢棄物為原材料研發而成新型裝配式墻板，是裝配式建筑的重要組成部分。

3? BIM+技術是綠色校園建筑的技術保障

BIM技術是當前智慧建造中最基礎性的應用，已經在房屋建筑特別是超高層建筑和大體量建筑、高鐵建設、高速公路建設、特大型橋梁建設以及市政工程建設等方面廣泛應用。

3.1? BIM虛擬拼裝技術

校園建筑包含教學用房、輔助用房、行政管理用房、運動場地、自然科學園地及生活區，且應分區明確，聯系方便，互不干擾。中小學建筑方便中小學生串聯，要求建筑組合盡量緊湊集中，為保證體育活動場地創造條件。由于該項目工期緊，對施工組織的緊密性和一次成優率提出極高的要求，必須借助BIM技術才能實現。該項目還存在工作面受限、各專業集中交叉、管線排布復雜等困難，也只有通過BIM技術，實現事前模擬，提前發現并處理潛在問題，節省工期。

項目施工的BIM團隊與設計團隊合署辦公，打通了設計與施工的壁壘，實現了真正的設計施工一體化融合。在設計階段共發現疑似碰撞并將碰撞問題及時消滅在設計階段，真正實現了BIM正向設計。例如，為保證風雨操場、教室凈高，機電管線需從鋼梁梁腹穿過，項目部應用BIM技術進行綜合排布，穿孔位置提前定位并準確留洞，將兩個專業的協調時間縮短為零;又如，工程裝配式自保溫混凝土外墻、異形造型工藝、這些材料均具有加工制作周期長、補件慢的特點，采用“BIM+三維掃描”技術，保證“精確下料，精準安裝、一次成優”，將損耗率和返工率降低為零。解決這些問題，減少成本，可減少返工的工期損失。同時，BIM還能提供外形優化措施，進一步提升建筑的節能屬性，通過相關計算降低建筑整體的外形系數，通過此方法較少建筑的表面積，進一步降低能耗。并盡量結合數據調整建筑外形的規則狀況，避免出現外形凹凸現象，只有這樣才能達到綠色建筑的形體設計標準。

3.2? BIM室內明度模擬技術

利用BIM技術根據照度模擬，最終確定設計方案：選用 SP140P L1135 燈具，燈具距課桌面高度 2.2M，課桌區采用 3×3PCS40W LED燈具，所有燈垂直向下照明以達到整個課桌區域具有很高的均勻度，黑板區安裝 4PCS40W LED燈具重點照明。

教室課桌面的平均照度值 435LX，均勻度 0.7;教室黑板面的平均照度值 513LX，均勻度 0.72;教室功率密度 6.48W/m?，符合《 GB50034-2013 建筑照明設計標準設計》中的規定。

3.3? 室內舒適度模擬技術

以教室為例進行模擬分析，通過使用BIM 模型導入到CFD有限元分析模擬軟件 ANASYS Fluent 中，進行對室內空調設計的模擬計算。根據室內最優的體感風速、體感溫度分布及壓力感受，對室內空調分布進行優化：將原設計中標準授課教室中的4臺空調優化為2臺，并增加1臺全熱交換器進行新風通風，減少室內溫度損耗的同時保證室內空氣質量。

根據模擬結果，進行空調 EPC設計優化，使室內空氣溫度分布更加均衡，并且通過增加全熱交換器的方式減少開窗，降低室內冷熱負荷，綠色節能，且保證較低空氣齡。將優化結果通過BIM深化出圖，并三方簽字確認，指導現場落地施工。

3.4? ?室外日照優化

結合BIM模型、日照模擬分析，通過 Enscape 進行模擬渲染室內日照狀態對教室采光窗進行面積優化，減輕室內冷熱負荷并滿足采光需求，以達到綠色節能的效果。增加教室窗戶面積約 110㎡，有效增加采光面積和冬季輻射熱量，并運用一體化遮陽簾，保證采光度的前提下，降低夏季輻射熱量。

裝配式建筑+智慧建造是未來的發展方向，包括裝配式建筑與人工智能、大數據、云計算、物聯網等新型信息技術的結合。今后在校園裝配式建筑中，使用AI賦能的機器人建造技術已然成為必然選擇。

4? 裝配式+EPC是綠色校園建筑的管理模式

推進公共投資項目供給側結構性改革，關鍵在于轉變發展方式，一則是建設模式必須轉變，要充分體現節能、節地、節水、節材和環境保護。再則就是市場模式必須轉變，實現設計施工總承包模式（即EPC），通過一次性定價，總包方可單獨或與業主共享優化設計、降低成本、縮短工期所帶來的效益，使得總包方有動因即講節約又講效率。

校園建筑綠色設計和綠色施工管理的基礎在于整合設計與施工，強調從建筑產品全生命周期視角、站在項目全過程管理控制的高度，提高各專業的協同一級設計方案的可建造性，實現更高品質，減少變更和浪費，實現價值創造。裝配式建筑必須結合設計施工總承包模式來降低成本。EPC總承包單位在建設項目實施的過程中，以“四節一環保”為目標，由全過程咨詢單位牽頭，成立綠色管理領導小組，建立協調合作、權責明確、溝通高效、資源共享的綠色項目管理體系。

5? 結語

綜上，裝配式綠色建造體系構筑的親生命、親自然的健康建筑，將助推新時期中小學綠色建筑產業轉型升級的新征程。校園建筑的發展是我國建筑發展的一個縮影，它是社會的搖籃，綠色學校發展勢頭迅猛，將成為實現建筑產業轉型升級和科技跨越的重要途徑。