低多層“低碳裝配式綠色建筑”精細(xì)化設(shè)計(jì)研究

徐華倫（重慶市建筑工程設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，重慶 401122）

裝配式建筑在我國建筑領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程，屬于我國建筑產(chǎn)業(yè)建設(shè)工業(yè)化的主要產(chǎn)物。由于早期設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)手段存在缺陷，導(dǎo)致傳統(tǒng)的裝配式建筑在設(shè)計(jì)中沒有正確處理建筑美觀性與環(huán)境發(fā)展之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)成果大多存在外觀粗糙、功能不完善的問題[1]。本文將開展低多層“低碳裝配式綠色建筑”的精細(xì)化設(shè)計(jì)研究，基于節(jié)能節(jié)材的角度，優(yōu)化裝配式建筑結(jié)構(gòu)，促進(jìn)建筑行業(yè)在我國市場(chǎng)內(nèi)更加長久地發(fā)展。

1 工程概況

本次設(shè)計(jì)的低多層“低碳裝配式綠色建筑”為辦公樓建筑，位于城鄉(xiāng)建設(shè)區(qū)域。通過與工程建設(shè)方的交涉，掌握與此項(xiàng)目相關(guān)的概況信息，見表1。

表1 低多層“低碳裝配式綠色建筑”概況信息

掌握此建筑的概況信息后，對(duì)建筑的裝配式情況進(jìn)行分析。根據(jù)工程建設(shè)方的設(shè)計(jì)要求，此工程的基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，建筑的一層至三層屬于功能層，整體按照裝配式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，屋頂層的構(gòu)架屬于功能拓展結(jié)構(gòu)，整體按照預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。圖1為該低多層裝配式建筑工程項(xiàng)目效果圖。

預(yù)制工程技術(shù)在此建筑項(xiàng)目中主要應(yīng)用在四個(gè)方面：①首層至屋頂層結(jié)構(gòu)中柱、梁、板、樓梯均屬于預(yù)制式構(gòu)件；②首層至屋頂層墻體和裝修部位，均為裝配式構(gòu)件；③屋頂層的構(gòu)架整體為預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)；④建筑室外的門廊和雨篷為鋼結(jié)構(gòu)拼接設(shè)計(jì)，屬于裝配式結(jié)構(gòu)。

圖1 低多層裝配式建筑工程項(xiàng)目效果圖

2 低多層“低碳裝配式綠色建筑”精細(xì)化設(shè)計(jì)

2.1 低碳裝配式建筑材料選擇

為實(shí)現(xiàn)“低碳裝配式綠色建筑”建設(shè)目標(biāo)，針對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，對(duì)裝配式建筑中的材料進(jìn)行低碳選擇。通過選擇低碳建筑材料或提升建筑材料的回收利用率均能夠達(dá)到良好的低碳效果。首先，針對(duì)第一種低碳材料選擇方面入手進(jìn)行設(shè)計(jì)?？蛇x用高強(qiáng)、高性能建筑材料以及輕集料和輕集料混凝土等。在使用水泥、混凝土等無機(jī)材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能降低消耗量，以此達(dá)到間接減少排放，節(jié)約能耗的低碳目的。通過選擇具備優(yōu)良耐久性的材料，并利用其大幅度替代傳統(tǒng)建筑材料，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果[3]。并從節(jié)省維修費(fèi)用和重建費(fèi)用上，解決對(duì)自然資源無節(jié)制使用的問題。其次，為實(shí)現(xiàn)建筑材料的高效回收利用，通過降低建筑層數(shù)、改變建筑主材料的方式，能夠促進(jìn)輕型建筑結(jié)構(gòu)體系比重的提升。針對(duì)各類金屬、木材、塑料等建筑建設(shè)施工中產(chǎn)生的垃圾，可通過分離技術(shù)進(jìn)行處理，而不是簡單填埋[4]。在選擇裝配式建筑材料時(shí)，可結(jié)合建筑材料施工中的耗能量計(jì)算公式，在設(shè)計(jì)階段完成對(duì)其耗能量的預(yù)測(cè)，其公式為：

式中W-為建筑材料耗能量；

Td-為某一種施工工藝d的材料加工時(shí)間；

Pd-為某一種施工工藝d的材料施工中使用機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的額定功率。

除此之外，在選擇裝配式建筑材料時(shí)，還需要考慮到該材料在開采階段產(chǎn)生的能耗，可通過公式（2）計(jì)算得出：

式中P-為建筑材料在可開采時(shí)產(chǎn)生的能耗；

Vc-為某一種建筑材料c在開采過程中碳排放因子；

Qc-為某一種建筑材料c在裝配式建筑中的用量。

綜合公式（1）和公式（2）得出的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)所選材料能耗的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，在設(shè)計(jì)過程中盡可能挑選符合低碳綠色要求的建筑材料。

2.2 裝配式結(jié)構(gòu)連接部位精細(xì)化設(shè)計(jì)

在按照上述思路，確定裝配式建筑中低碳綠色材料后，再針對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的連接部位進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。針對(duì)低多層裝配式建筑，可選用預(yù)制構(gòu)件實(shí)現(xiàn)整體式連接。在設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用如圖2所示的連接方法。

圖2 裝配式結(jié)構(gòu)連接部位

上述設(shè)計(jì)的構(gòu)件其縱向受力鋼筋的搭接長度應(yīng)當(dāng)符合裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，即：

式中l(wèi)-為構(gòu)件縱向受力鋼筋搭接長度；

ξ-為長度修正系數(shù)；

la-為縱向受拉鋼筋錨固長度。

根據(jù)公式（3），確定該構(gòu)件結(jié)構(gòu)的搭接長度。在實(shí)際應(yīng)用中，若傳力性能條件良好，則可以適當(dāng)將搭接接頭的百分率限制數(shù)值放寬。考慮到在后續(xù)施工中鋼筋應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)不均勻問題，為了避免出現(xiàn)大幅度變化，甚至造成受拉和受壓共存的問題，對(duì)該裝配式結(jié)構(gòu)連接部位進(jìn)行適當(dāng)加寬處理，在對(duì)長度修正系數(shù)ξ取值時(shí)，可設(shè)置ξ=1.12；當(dāng)存在墻體豎向鋼筋結(jié)構(gòu)同一截面連接的情況，則ξ的取值可設(shè)置為1.2[5]。除此之外，在實(shí)現(xiàn)對(duì)連接部位的設(shè)計(jì)后，還需要對(duì)其搭接的具體長度進(jìn)行設(shè)計(jì)，可按照公式（4）計(jì)算得出：

式中l(wèi)′-為搭接長度；d-為縱筋直徑大??；ft-為裝配式構(gòu)件抗拉強(qiáng)度；46.2和35.2均為折減系數(shù)。當(dāng)長度修正系數(shù)的取值為1.12時(shí)，可按照公式（4）上半部分計(jì)算，得出搭接長度；當(dāng)長度修正系數(shù)的取值為1.2時(shí)，可按照公式（4）下半部分計(jì)算，得出搭接長度。

2.3 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)

在明確裝配式結(jié)構(gòu)連接部位設(shè)計(jì)后，還需要對(duì)低多層裝配式建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，以此進(jìn)一步體現(xiàn)低碳綠色建筑特色。根據(jù)裝配式建筑建設(shè)所在區(qū)域的氣候環(huán)境，選擇符合其功能要求的雙玻中空玻璃門窗。針對(duì)裝配式建筑墻體構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也可通過對(duì)比不同構(gòu)造的導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)行合理選擇[6]。外墻體采用預(yù)制裝配式輕質(zhì)保溫裝飾一體化墻板[7]，填充層材料采用35mm厚巖棉（A級(jí)材料），其材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.044W/（m·k）。屋面和地面均采用增強(qiáng)型改性發(fā)泡水泥保溫板B型[8]（A級(jí)材料），屋面采用120mm厚度，地面采用90mm厚度，其材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.070W/（m·k）。在設(shè)計(jì)過程中，通過增加保溫層厚度的方式，可進(jìn)一步降低空調(diào)、采暖的負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能效果，結(jié)合建筑經(jīng)濟(jì)性條件，建議按上述提供厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.4 節(jié)點(diǎn)防水精細(xì)化設(shè)計(jì)

墻板及門窗洞口等防水薄弱部位應(yīng)符合下列規(guī)定：①接縫處采用不少于一道材料防水和構(gòu)造防水相結(jié)合的防水構(gòu)造設(shè)計(jì)；②板縫空腔設(shè)置排水導(dǎo)管，板縫內(nèi)側(cè)設(shè)置防水密封膠條密封構(gòu)造，防水密封膠條直徑大于縫寬1.5倍；③十字接頭部位的縱、橫板縫上下左右300mm范圍內(nèi)建筑密封膠嵌縫應(yīng)一次完成。接縫防水構(gòu)造如圖3所示。

穿墻套管與穿墻管之間的縫隙應(yīng)采用嵌縫材料進(jìn)行填充，并用防水密封膠進(jìn)行密封處理。女兒墻應(yīng)采用與下部墻板相同的接縫密封構(gòu)造，女兒墻內(nèi)側(cè)在泛水高度處設(shè)置凹槽或挑檐等防水構(gòu)造。

3 設(shè)計(jì)成果質(zhì)量驗(yàn)收

完成上述對(duì)低多層“低碳裝配式綠色建筑”的精細(xì)化設(shè)計(jì)后，統(tǒng)計(jì)此建筑的預(yù)制裝配率，見表2。

表2 低多層“低碳裝配式綠色建筑”預(yù)制裝配率

圖3 接縫防水構(gòu)造圖

通過表2中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可知，本文此次研究的低多層“低碳裝配式綠色建筑”裝配率為85%。按照本文提出的精細(xì)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行此建筑的裝配式設(shè)計(jì)，使用電能表統(tǒng)計(jì)此建筑日用電，將其與某現(xiàn)澆式混凝土建筑日耗能進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖4。

圖4 建筑日耗能統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比圖

從圖4可以看出，本文設(shè)計(jì)的低多層“低碳裝配式綠色建筑”建筑日能耗顯著小于傳統(tǒng)現(xiàn)澆多層建筑。說明本文此次提出的建筑精細(xì)化設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定可行性。

在此基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)的低多層“低碳裝配式綠色建筑”與《裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51129-2017）和《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378-2019）中的相關(guān)條文進(jìn)行比對(duì)，此次設(shè)計(jì)的建筑不僅滿足規(guī)范條文的要求，更實(shí)現(xiàn)了在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中對(duì)工程材料的合理優(yōu)化。通過工程造價(jià)人員的基本核算與初步統(tǒng)計(jì)，該項(xiàng)目的裝配式設(shè)計(jì)共節(jié)約了約700m3的現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆混凝土、約160t的現(xiàn)場(chǎng)制作鋼筋。

同時(shí)，建筑整體結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)均滿足合理性設(shè)計(jì)需求，除少部分結(jié)構(gòu)受到裂縫控制而使用了非預(yù)制裝配構(gòu)件以外，其他部位均使用了HRB500級(jí)別的高強(qiáng)度鋼筋，在設(shè)計(jì)施工中，對(duì)此材料的有效使用率達(dá)到85%以上。此外，裝配式設(shè)計(jì)過程中，整體結(jié)構(gòu)采用了工業(yè)化生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件，減少了現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)任務(wù)，有效降低了建筑施工過程中對(duì)周邊環(huán)境造成的影響與污染。在深入低多層“低碳裝配式綠色建筑”的研究中發(fā)現(xiàn)，此建筑柱網(wǎng)和樓層布置合理，并節(jié)約了大量模板工程，滿足市場(chǎng)推廣需求，按照本文設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行低多層“低碳裝配式綠色建筑”的精細(xì)化設(shè)計(jì)，可以使建筑在滿足《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378-2019）的同時(shí)，使本建筑整體達(dá)到二星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)語

本文開展了低多層“低碳裝配式綠色建筑”精細(xì)化設(shè)計(jì)方法的研究，此次研究明確了我國建筑行業(yè)的未來主流發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，使用裝配式方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，還可以緩解由于現(xiàn)場(chǎng)施工造成的環(huán)境負(fù)擔(dān)，有助于施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)，降低工程的綜合經(jīng)濟(jì)支出。

總而言之，在完成上述對(duì)本文設(shè)計(jì)方法的評(píng)估與分析后，可以證明：此次研究的低多層“低碳裝配式綠色建筑”精細(xì)化設(shè)計(jì)方法在建筑的全壽命周期內(nèi)，不僅可以提高建筑的安全性和節(jié)能性，還可以解決建筑施工消耗大、經(jīng)濟(jì)支出高、保護(hù)環(huán)境和減少污染等方面的問題，為建筑使用者提供健康舒適、低碳綠色的宜居環(huán)境。