碳中和導向的裝配式建筑整體設計關鍵要素研究

霍偉

（山西省安裝集團股份有限公司，山西 太原 030001）

新形勢下，裝配式建筑已經成為了國內建筑施工行業的關鍵組成要素，而裝配式建筑的推廣應用也是實現國內建筑施工行業轉型升級的重要路徑。“十三五”以來，在上級部門的引導和支持之下裝配式建筑行業也迎來了全新的發展機遇。就目前國內的環保以及碳排放形勢分析，其實完全可以利用裝配式建筑來解決建筑施工行業普遍存在的能耗過高、能源浪費相對嚴重等問題，最終實現建筑施工行業的轉型發展并且為城市化進程的有序推進打好基礎。

1 裝配式建筑的發展現狀分析

近幾年，上級部門正在大力推廣裝配式建筑，這在很大程度上推動了裝配式建筑行業的轉型發展。2016年，國務院等部門針對裝配式建筑的轉型發展問題提出了一系列扶持政策和優化改革措施，用于指導裝配式建筑行業的轉型發展。在此基礎上，各省市也在通過出臺地方性政策或是管理辦法的方式規范本區域內裝配式建筑行業的轉型發展。有學者曾專門進行過統計，目前相關方面的政策管理細則主要以行業發展指導意見、行業標準為主，因此行業法規、激勵政策正處在仍需進一步完善的階段。

全新的行業發展形勢之下，各級政府部門為了落實政策要求，也在嘗試制定各類行業指導意見以及具體的實施細則，力求實現裝配式建筑行業的轉型發展。以此為前提，各大建筑設計研究所也在開始嘗試開展裝配式建筑技術標準和設計圖集的繪制工作，進而在設計環節把控好裝配式建筑的技術難點、推動其標準化的設計進程。最后各類建筑施工單位也在嘗試依托裝配式建筑的技術要求推動標準化圖集的編制與推廣應用，核心在于按照集成技術系統化的思路推動各項細節工作的創新改革[1]。

在各方的共同努力之下，近幾年涌現了一大批裝配式建筑示范項目，這方面的變化為裝配式建筑的轉型發展積累下了寶貴的經驗，并且進一步提升了裝配式建筑的工業化水平。裝配式建筑的差異主要體現在建筑結構以及裝配體系之上。雄安市民服務中心是近幾年備受關注的裝配式建筑項目（如下圖1），項目的板材和門窗結構均采用的是標準化的生產制造模式。而外墻則采用的是夾心保溫一體板，整體部品裝配率已經達到了90%。該項目于2017年開始規劃建設，實際工期為6個月，因此在保證施工質量的基礎之上極大節省了施工成本。隨著節能環保理念在建筑行業的應用實踐，以木質結構為主導的裝配式建筑效果也正在走入公眾的日常生活。貴安清控人居科技示范樓便是這類裝配式建筑項目中的重要代表。該項目的主體結構以膠合木材和輕鋼箱式框架結構為主，各個結構之間基本已經達到了相互獨立、互不干擾的效果（如下圖2）。在此基礎上，項目建設方還按照內裝與外裝施工協同推進的工作原則出現了工期的進一步壓縮，因此在保證施工質量的基礎之上進一步提高了施工效率。

圖1 雄安市民服務中心剪影

圖2 貴安清控人居科技示范樓剪影

在碳中和發展目標的引導之下，建筑施工行業的能耗問題已經成為了必須要重點關注的核心問題，而裝配式建筑則為相關問題的順利解決帶來了全新的思路。綜合各個環節的因素分析，如果想要讓裝配式建筑行業能夠在碳中和目標的引導之下實現自身的轉型發展，那就必須要在整合各方技術資源的基礎之上推動各環節細節工作的創新升級。其核心在于重點關注過去單一化的發展模式被忽視掉的問題，進而通過更加系統立體化的構件生產制造與施工管理流程為裝配式建筑的創新轉型升級注入新活力。相關環節的改革實踐之中，還需要注意解放設計師的創新創造能力，讓其在準確領會裝配式建筑內涵的基礎之上用更加高效簡潔以及充滿人情味的設計語言全方位滿足公眾對于建筑物的實際需求。關注上述問題之余，還應當重點關注建筑物在后續使用階段的能耗和碳排放問題，從而推動裝配式建筑向著長周期性能導向的方向發展。在此基礎上，還應當在相關環節的改革實踐之中關注到裝配式建筑體系在后續使用階段可能會造成的設施耐久性不足的問題，進而通過相關技術的轉型升級提高裝配式建筑的可靠性并且贏得公眾的支持及認可。模塊化思維是裝配式建筑的重要立足點，后期建議將模塊化思維融入裝配式建筑的設計理念，真正實現建筑施工行業的節能降耗并且為民眾創造出更加低碳環保的居住和生活空間。例如，可以在相關環節的設計實踐之中推動建筑材料的再生及二次利用，并且需要在推廣應用裝配式建筑之余重視太陽能或風能等清潔能源的應用實踐，為民眾創造出更加舒適宜居親近自然的建筑工程。

新形勢下，建筑施工行業的轉型升級已迫在眉睫，而能否讓裝配式建筑及其所代表的建筑行業發展模式成為推動建筑施工行業轉型發展的新動力則需要每一位建筑從業者為之付出努力。

2 碳融合目標引導下裝配式建筑整體設計的關鍵要素分析

2.1 推廣落實協同發展式的設計理念

首先需要在設計師負責制度的背景之下搭建齊全新的設計工作機制。設計師負責制是目前相對主流的建筑設計工作模式。在裝配式建筑的設計之中，需要以設計師負責制為前提推動各專業工作人員的協調配合，進而讓其在整體化思維的引導之下統籌把控好相關環節的細節問題，營造出全新的建筑設計工作格局。相關環節的改革實踐之中，設計師首先要堅守明確本職工作，之后還需要主動參與到其他環節的細節工作之中并且對實際工作情況進行監督把控，以保證整體設計效果。在裝配式建筑的設計之中，設計師還需要直接參與到有關構件的生產制造之中，并且需要在后續安裝施工環節對實際施工質量進行必要的監督管控。

其次需要按照數字化工作思路完成施工組織設計以及各個細節層面的運營維護工作。數字化工作思路的核心在于利用數字化的工作思維對建筑設計、構建生產制造以及現場安裝施工和運營維護等環節的細節工作進行優化整合，目的在于以保證工作質量為前提提高工作效率[2]。這一環節的改革實踐需要用到計算機集成制造式的工作思維，重點在于在計算機系統的引導之下對各個環節的工作流程進行拆分整合，進而通過多品種、小批量式的生產以及施工管理模式實現對于實際工作情況的精準把控，最終提高裝配式建筑設計以及后續施工的智能化程度。與傳統建筑施工模式相比，裝配式建筑對于有關構件以及原材料的精度要求要更為嚴格，再加上裝配式建筑的設計風格往往更加新穎，因此單靠傳統的設計工作模式可能無法實現對于各環節細節問題的精準把控。在整體化設計理念的引導之下，設計人員完全可以利用數字化式的設計工具完成不同設計需求之下的模型演示、優化調整，進而實現整體設計工作的針對性。面對規格不一、功能各異的裝配式建筑構件，設計人員也可以通過計算機軟件進行動態模擬的方式提前了解相關建筑構件的組裝效果，并且根據實際需要對構件的參數進行優化調整。建筑施工生產環節，設計師也可以在計算機系統的輔助之下實現對于各環節細節工作的精準把控，進而在保證生產質量的基礎之上提高生產效率并且實現對于各環節細節問題的精準把控。

2.2 推廣應用長周期可持續式的性能設計策略

首先需要重視被動優先式的整體設計策略。現有的文獻資料已經能夠證實，建筑設計階段所作出的設計決策會對建筑物后續使用階段的能耗問題產生直接影響，因此需要通過被動優先式的設計策略降低裝配式建筑的整體能耗。首先需要在設計階段規劃好建筑物的空間布局、外形并且需要根據建筑物的所在區域對這一系列的細節內容進行優化調整。必要時，應當配合綠化水體景觀優化建筑物內外的冷熱循環，并且需要通過調整建筑物標高尺寸的方式延長其在寒冷季節的日照時長。立足于上述改革實踐，還需要針對具體的環境氣候特點完成圍護結構的參數調整工作，以確保能夠在寒冷季節實現圍護結構傳熱系數、單位供熱負荷以及外窗太陽能得到系數的最優化。為了在高溫季節提高裝配式建筑的舒適度，還需要根據建筑物所在區域最熱月的溫度數值對外窗導熱系數和屋面傳熱系數進行優化調整，并且需要優化一次能源的消耗總量、外窗太陽能得到系數、地面傳熱系數、外墻傳熱系數，從而優化建筑物內外的冷熱交換。關注上述問題之余，還需要重點關注裝配式建筑的節點設計工作[3]。其核心在于通過對于水密或氣密構件的重點把控來提高裝配式建筑的密封性能，進而延長裝配式建筑的使用周期。其中需要重點關注的主要以門窗和板材安裝拼接所產生的縫隙為主，可以通過添加輔助材料的方式來降低這部分細節對于建筑物整體使用效能以及居住舒適度所造成的負面影響，進而提高裝配式建筑的整體水準。

其次需要在相關環節的設計工作之中重視可再生能源的整合利用。碳中和目標的引導之下，建筑物對于可再生能源的整合利用已經成為了實現重點關注的熱點話題，因此在裝配式建筑的設計之中也必須要提高對于這類問題的關注度。現階段，光伏建筑一體化技術已經成為了建筑施工領域可再生能源整合利用的重要代表，其實也可以將其引入裝配式建筑領域，進而從源頭降低裝配式建筑的能源消耗問題。這一環節的改革實踐之中，需要設計師能夠根據實際場地情況以及建筑物的所在區域選擇對應的可再生能源利用技術。期間，要注意考慮到可再生能源利用技術可能會對建筑物所在區域自然環境所造成的影響、設備本身的成本以及后期的運營維護難度。如非必要，不能因為可再生能源利用設備而影響到建筑物的外觀結構、圍護結構以及建筑物內部的空間布局，這需要設計人通過設計語言的分析把控讓其變為建筑物的固定組成部分。綜合相關環節的實踐經驗和理論研究現狀分析，目前太陽能是人類利用最為充分的清潔能源。后期既需要總結梳理先前涉及到的應用實踐經驗，又需要根據這方面的經驗進一步做好其他清潔能源的開發利用。雖說這一環節的改革實踐可能需要各方工作人員共同努力，并且需要投入不夠的人力物力資源，但從長遠來看還是應當堅持下去。立足于上述改革實踐，還應當重視本土可回收材料在裝配式建筑設計規劃建設施工中的應用實踐。其核心在于利用本土材料和可回收材料可獲得性較強的特點來降低前期規劃建設以及后續施工過程中的能源消耗問題，并且在裝配式建筑走向終點時避免產生其他建筑垃圾，真正將建筑施工行業節能降碳的轉型發展目標落實到位[4]。

2.3 重點攻克材料關，提升裝配式建筑體系的能量和底蘊

結合實際工作現狀分析，應當在全生命周期理論的指導之下完成這一環節的改革實踐，并且立足于前文提及的本土材料和可回收材料營造出全新的裝配式建筑發展格局。其重點在于發揮出本土材料的優勢，利用本土建筑材料的可獲得性以及低碳、低排放特點為碳中和視角下裝配式建筑行業的轉型發展注入新動力。在此基礎上，還應當在相關環節的改革實踐之中重點關注建筑材料的耐久性以及分離難度。近幾年，進行拆除處理的建筑工程主體結構正在不斷增多，而建筑材料的處置問題也成為了目前必須要重視的一部分工作。鑒于上述情況，其實應當從設計階段著手提前規劃好建筑材料的拆除以及回收處理工作。對于裝配式建筑而言，需要重點關注材料的分離難度，應當從建構措施、空間形態、細部質感等環節著手完成好相關環節的規劃設計。以埃因霍溫公共展館的臨建項目為例，前期規劃設計階段立足于臨時性特點以及可持續理念將該項目的主體結構設置成了可全部拆除以及可重復回收使用的結構體系。該項目的主體結構、維護界面、構造節點設計均在最小干預材料的承受范圍之內完成，之后還利用膠粘、鉆孔、切割等傳統建筑施工技術完成了該項目的主體框架。進一步分析可知，該項目的上半部分采用的是標準尺寸、未進行創平處理的組合木梁，之后借助于標準鐵箍完成了各個細節環節的組裝工作。后期，完全可以將其拆除后對木材進行二次出售。該項目的屋頂部分使用的是溫室大棚的通用產品模塊，后期也可以將其拆除之后作為溫室大棚模塊進行二次利用。其首層的玻璃幕墻材料主要來源于BOL公司總部經過翻新處理的剩余產品，而具體用到的立面色彩塑料磚則由當地居民處回收所得。后期，如果需要拆除處理，也可以將其應用到居民住宅建筑項目的裝飾裝修施工之中。如果可以按照上述步驟完成好相關環節的改革實踐，便能夠進一步降低裝配式建筑的能力消耗、提高其能量和底蘊。相關環節的改革實踐之中，還需要重點關注系統的最優解，不能只將關注重點放在單相最優之上。例如，輕質建筑材料的保溫蓄熱性能通常要落后于重質材料，因此如果不能準確把控裝配式建筑的保溫隔熱需求并且盲目選擇建筑材料，則會有可能抬高建筑工程的總能耗。在此基礎上，如果對于裝配式建筑的使用壽命擁有特殊要求，也應當在材料選擇環節下足功夫[5]。

3 結語

碳中和目標的引導之下，裝配式建筑正在成為國內建筑施工行業轉型發展的新趨勢，因此需要在相關環節的改革實踐之中正確認識裝配式建筑整體設計工作的重要性并且梳理清楚具體的整體設計關鍵要素。以此為前提，才能夠讓裝配式建筑煥發出別樣的光彩并且推動國內建筑施工行業的轉型升級。前文中筆者立足于實際工作經驗針對這部分問題進行了討論分析，希望能夠推動各項細節工作的創新改革。