可重復裝配設計與建造技術研究*——以C-House為例

文/東南大學建筑設計研究院有限公司 羅 申

東南大學建筑學院 張 宏 張睿哲 張軍軍

1 研究背景

2020年，我國在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上提出在2030年實現碳達峰承諾。要實現2030年前碳達峰和2060年前碳中和的“雙碳”目標，意味著我國經濟結構和經濟社會運轉方式必然產生深層次變革。建筑業是我國國民經濟支柱產業，碳排放量的40%來自建筑業，因此建筑業亟需改變。當前我國建筑業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件會產生大量的碳排放。如果建筑可實現重復裝配，而不是爆破拆除，則可實現資源重復利用，可極大減少碳排放量。因此，可重復裝配的建筑是實現“雙碳”目標的有力抓手。

2 可重復裝配建筑技術

2.1 標準化可變空間設計技術

可重復裝配建筑建立在使用多樣性的前提下，滿足空間可變，其重復拆裝后具有更大的經濟和使用價值，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，當使用者對空間有新的需求時，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，這也是當前建筑行業高資源消耗的主要原因之一。在建筑設計前端提出標準化可變空間設計是實現建筑重復裝配的基本需求。

2.2 構件組獨立組合設計技術

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

2.3 三級裝配技術

三級裝配技術是指根據構件的建造信息對構件進行分級，通過構件分級，明確各構件的生產和施工地點，保證建造工作順利進行。一級構件是指將建筑原材料在工廠進行加工后形成建筑構件，其成型位置是在工廠。二級構件是指一級構件在工地工廠（即在工地上臨時搭建用于工地臨時裝配的場所）進行組合、裝配后形成的建筑構件，其成型位置是工地工廠。三級構件是指構件在現場工位進行裝配形成的整體大構件，其成型位置在工位之上。三級裝配技術的實質是根據構件特性和建造邏輯進行分類：通過構件三級分類，將構件分為適宜運輸的小構件和適宜裝配的大構件，可大幅提高建造速度，優化建造工序，提高并行建造效率，通過高效的施工組織，實現安全、快速、可靠、低碳建造。

2.4 可逆連接技術

可逆連接技術是指構件之間的連接具有可拆卸特點和可重復利用性。目前建筑構件連接節點多為一次性連接，連接完成后不具備可逆能力，重復裝配會導致破壞性拆除，造成建筑構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。可逆連接技術能夠保證在拆除過程中構件不被破壞，后續可對狀態良好且未達到使用壽命的建筑構件重復利用，降低建造和拆除過程中的碳排放量，實現可重復裝配設計與建造。

3 案例分析——以C-House為例

3.1 C-House簡介及其重復拆裝

在2018年中國國際太陽能十項全能競賽中，要求每支賽隊以建設永久性房屋為目標，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上進行設計，在20d時間內完成全部建造過程并投入使用。

針對競賽提出的要求，C-House房屋從設計階段組建了完整的建造團隊，并在競賽開始之前進行預建造以進行建筑設計和建造設計的驗證，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進行，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建造團隊在山東德州太陽能小鎮完成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，團隊在南京市同步進行第3次建造，并在30d內完成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標準化可變空間設計技術

C-House在建筑空間設計過程中，采用空間可變的設計方法，建筑空間設計過程中，以能源核心Core作為空間限定的主要構件，將空間劃分為圍繞能源核心Core一周的均質空間，這種空間的特質不明顯，可根據使用者的需求進行后續的空間劃分和使用。考慮到不同使用場景和應用方式，可劃分為以下建筑空間：自由職業者之家、三口之家、青年公寓等。

3.3 C-House構件組獨立組合設計技術

構件獨立組合是實現可重復裝配的必要條件。以C-House為例，主體結構構件節點全部采用螺栓連接方式，以保證連接的可靠性和可重復性。圍護構件組裝配過程中，2塊裝配式整體墻板之間預留200mm空隙，在現場填充聚氨酯進行可逆式連接，拆除時可直接對節點進行破壞性拆除而不損壞裝配式墻板構件。傳統密縫拼接的連接方式拆除時由于施工空間不足進行破壞性拆除，對建筑構件造成永久性破壞。螺栓連接方式更具可逆性，通過拆除節點保證主要構件不受損壞并可重復利用。性能構件組完全獨立布置于建筑內，重復建造時僅需進行管線連接斷開即可實現重復利用。

3.4 C-House三級裝配技術

C-House的構件組可根據其建造工序和裝配位置分為三級，每級構件有明確的建造信息，以C-House的結構構件為例，其可分為5個主要的三級構件：東西南北四面側墻結構構件和屋頂結構構件，每個三級構件依據框式組合建造原則拆分為二級構件，以東側結構墻體三級構件組為例，三級構件被拆分為2個二級構件和6個一級構件，2個二級構件分別又可分為4個一級構件。1個三級構件通過構件分級后拆分為14個一級構件和其他連接構件。

通過構件分級，使復雜的建造過程清晰簡單，此種構件設計方法保證了C-House的結構構件組在2d之內全部裝配完成，也保證了后期多次重復裝配的安全可靠實施。其中利用的框式構件技術，是在東南大學新型工業化團隊兩項專利的基礎上，以構件組框為基本原則研發的建造技術體系。框式構件建造設計原則是指一級構件和二級構件在相應地點進行裝配時盡可能裝配成框型構件，三級構件在工位進行裝配時，盡可能多地利用框式構件剛性大、形態穩定的特點，可快速完成構件定位與連接，節省建造時間，提高建造效率。

3.5 C-House可逆連接技術

C-House的所有構件組均采用可逆連接節點設計。結構構件組采用限位定位連接件和螺栓剛性連接節點，節點連接可逆可重復。圍護構件組采用寬縫連接構造，縫外側寬20mm，內側寬200mm，在進行連接作業時，外側采用密封性能好的硅酮膠密封，防止雨水進入，內側采用聚氨酯噴涂，在圍護構件組拆除時僅需對寬縫連接進行破壞性拆除，整體裝配式墻板可確保完好無損。可逆連接技術是可重復裝配設計和建造的重要技術，可逆連接使多次拆卸和重復建造成為可能，同時可減少重復建造過程中的材料損壞，為重復建造提供靈活性。

4 C-House三次重復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，使建筑可進行多次低損耗重復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、臨時展覽建筑或客運高峰期臨時站房等，由于在一地的使用時長較短，在遠未達到建筑構件自身壽命前就結束了功能。若此類特殊建筑采用傳統建筑工藝建造，會因建筑過早廢棄拆除形成不必要的碳排放浪費；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行碳排放。C-House這類可重復裝配建筑，可在具備高性能的前提下，實現低損耗反復拆裝搬遷。采用該技術的建筑，可在一地使用功能結束后，利用原有建筑構件低損耗地在下一個有功能需求的地點重新建造，在建筑主要構件壽命未盡前多次進行異地裝配，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重復建造次數越多，減碳收益越大。

以C-House為例，統計C-House三次建造裝配過程，建筑全構件完整回收占比極高，達95.9%；完全不可回收構件僅為1.0%，其余構件僅需修繕后便可重復投入使用，是損耗率相當低的重復建造工程。C-House的碳排放計算與碳減排收益結果分析如表1所示。C-House在第1次建造時，碳排放為258.39tCO2。后續兩次再建造雖然因為環境和運輸距離不同，各階段碳排放有一定區別，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305.47tCO2，已高于初次建造的碳排放量，是名副其實的低碳建筑，如果再進行數次建造，就能實現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據

5 結語

“雙碳”目標是實現社會節能減排的重要指向，建筑業作為我國國民經濟的支柱產業，成為節能減排的重要抓手。實現建筑整體或局部的可重復拆裝與再利用，是未來建筑設計必須面對的新問題，也是建筑行業由粗獷型向精細型轉變的重要特征。本文提出可重復裝配建筑的4個技術要點：標準化可變空間設計技術、構件組獨立組合設計技術、三級裝配建造技術和可逆連接技術，并以2018年中國國際太陽能十項全能競賽的作品C-House的3次重復裝配為例進一步闡釋上述技術要點。同時通過C-House的3次重復裝配，驗證了可重復裝配建筑技術對于延長建筑壽命、減少建筑全生命周期碳排放量的可行性，為我國建筑行業碳達峰、碳中和的戰略目標探尋了一條新的技術路線。同時也希望以C-House作為起點，推動更多建筑的構件系統實現可重復裝配，從而盡早達成“雙碳”目標，實現建筑資源的最大化利用和可持續發展。