低碳背景下模塊化建筑設計的應用研究

摘要：隨著全球氣候變化問題日益嚴峻，低碳發(fā)展已成為國際社會共同追求的目標。建筑行業(yè)作為能源消耗和碳排放的主要領域之一，其低碳轉(zhuǎn)型亦刻不容緩。其中，模塊化建筑設計是一種創(chuàng)新的建筑方法，憑借其在資源節(jié)約、環(huán)境污染減少、建筑生命周期內(nèi)的靈活性等方面的優(yōu)勢，如今已成為實現(xiàn)建筑領域低碳發(fā)展目標的有效途徑。從模塊化建筑設計的低碳價值及其發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，分析模塊化建筑設計原則，進而結(jié)合具體案例探討低碳背景下模塊化建筑設計的應用。

關鍵詞：模塊化建筑設計"低碳"裝配式建筑"能源消耗"碳排放

Application"Research"on"Modular"Building"Design"Under"Low"Carbon"Background

JIANG"Guanghan

Guangdong"Jianke"Architectural"Design"Institute"Co.，"Ltd.，"Guangzhou，"Guangdong"Province，"501010"China

Abstract："With"the"increasingly"serious"problem"of"global"climate"change，"low-carbon"development"has"become"a"common"goal"pursued"by"the"international"community."As"one"of"the"major"areas"of"energy"consumption"and"carbon"emissions，"the"low-carbon"transformation"of"the"construction"industrynbsp;is"also"urgent."Among"them，"modular"building"design"is"an"innovative"construction"method"that"has"become"an"effective"way"to"achieve"low-carbon"development"goals"in"the"field"of"architecture，with"its"advantages"in"resource"conservation，"environmental"pollution"reduction"and"flexibility"throughout"the"building"lifecycle，"and"has"become"an"effective"way"to"achieve"low-carbon"development"goals"in"the"construction"sector."This"paper"starts"from"the"low-carbon"value"of"modular"building"design"and"its"development"status，"analyzes"the"principles"of"modular"building"design，"and"then"discusses"the"application"of"modular"building"design"under"the"background"of"low"carbon"combined"with"specific"cases.

Key"Words："Modular"architectural"design;"Low"carbon;"Prefabricated"buildings;"Energy"consumption;"Carbon"emission

在建筑領域，模塊化建筑作為一種新興的建造方式，因其低碳特性、高效施工和靈活設計等優(yōu)勢，正逐漸成為推動建筑業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的重要力量。近年來，模塊化建筑設計在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，其市場規(guī)模和技術水平均取得了顯著進步。在歐美國家，模塊化建筑技術已經(jīng)相對成熟，并廣泛應用于住宅、商業(yè)、醫(yī)療等多個領域。在國內(nèi)，模塊化建筑市場規(guī)模持續(xù)擴大，裝配式建筑面積占比逐年提升。然而，盡管模塊化建筑在低碳環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢，但其設計、施工和維護等方面仍存在諸多挑戰(zhàn)和問題。因此，深入研究模塊化建筑的低碳特性，并對其設計原則、方法及具體應用等進行探索，有助于進一步挖掘其節(jié)能減排的潛力，為建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)和技術支持。

1"模塊化建筑設計的低碳價值

模塊化建筑設計是一種創(chuàng)新的建筑方法，其對實現(xiàn)低碳發(fā)展目標具有重要意義。這種設計思路強調(diào)將建筑物分解為多個獨立的、可重復使用的模塊單元，并在工廠環(huán)境中預制，從而大大減少了現(xiàn)場施工帶來的資源浪費和環(huán)境污染。模塊化建筑通過標準化生產(chǎn)，可以提高材料利用率，減少廢料產(chǎn)生，同時因為預制件在受控環(huán)境下制作，能夠更好地保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低后期維護成本[1]。

此外，模塊化建筑的靈活性允許建筑物根據(jù)需求的變化進行擴展或縮減，這意味著在建筑物的整個生命周期內(nèi)，可以通過重新配置而非拆除重建來適應不同的使用功能，從而延長建筑使用壽命，減少不必要的建筑材料消耗。更重要地，模塊化建筑易于拆卸和搬遷的特點使建筑組件可以被循環(huán)利用，降低了資源的總體消耗。而在能源效率方面，模塊化建筑設計往往會整合太陽能板、雨水回收系統(tǒng)等綠色建材和技術，以進一步減少碳排放。

2"國內(nèi)外模塊化建筑設計的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，模塊化建筑設計在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，尤其在歐美國家和中國等地表現(xiàn)得尤為突出。美國、英國、日本等國的模塊化建筑技術已經(jīng)相對成熟，并廣泛應用在住宅、商業(yè)、醫(yī)療等多個領域。

在國內(nèi)，模塊化建筑同樣受到政府的大力推廣和支持。據(jù)住建部公布的數(shù)據(jù)，到2020年全國新開工裝配式建筑面積已達630，000，000"m2，而在2021年，這一數(shù)字繼續(xù)擴大，預計到2025年，大部分省市的裝配式建筑面積占比將達到30%以上，部分地區(qū)甚至要求達到50%，天津、上海等地更是要求全部實施裝配式建筑[3]。2022年，中國模塊化建筑市場規(guī)模約8"040.98億元人民幣，且預計到2028年市場規(guī)模將超過1萬億元人民幣[2]。

國內(nèi)以萬科為代表的房地產(chǎn)開發(fā)商已經(jīng)開始大量采用模塊化建筑技術，保障性住房領域也大量應用了裝配式建筑技術，提高了住房建設的效率和質(zhì)量，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

隨著技術的進步和市場需求的增長，預計未來模塊化建筑設計將繼續(xù)向著更加智能化、數(shù)字化和自動化的方向發(fā)展，同時也將更加注重可持續(xù)性和環(huán)保，推廣綠色建筑材料和能源利用方式，從而更好地服務于低碳環(huán)保的目標。

3低碳背景下模塊化建筑設計原則

3.1標準化和規(guī)范化

模塊化建筑設計強調(diào)標準化和規(guī)范化，即在設計過程中應遵循統(tǒng)一的技術標準和規(guī)范，確保各個模塊具備一致的接口和尺寸，從而實現(xiàn)不同模塊之間的無縫對接與互換性[4]。這種標準化極大地便利了模塊的批量生產(chǎn)和現(xiàn)場快速組裝，顯著提高了建筑施工的效率和質(zhì)量，同時降低了成本，縮短了建設周期。

3.2注重功能性和可擴展性

注重功能性和可擴展性即要求在設計之初就要考慮到建筑未來可能面臨的不同使用需求和擴展?jié)摿ΑＭㄟ^靈活的模塊組合與搭配，不但可以根據(jù)不同階段的實際需求快速調(diào)整空間布局，還能在必要時輕松增添新的功能模塊，以適應環(huán)境或業(yè)務的變化。這種設計思路極大增強了建筑的適應性和靈活性，還為其長遠發(fā)展提供了堅實的基礎，確保了投資的有效性和建筑生命周期內(nèi)的持續(xù)價值。

3.3可持續(xù)性和環(huán)保性

模塊化建筑設計的可持續(xù)性和環(huán)保性體現(xiàn)在多個方面。首先，應選用環(huán)保材料和先進的節(jié)能技術，以減少建筑能耗和對環(huán)境的負面影響。其次，模塊化建筑的預制特性允許在工廠環(huán)境中進行高精度加工，減少了施工現(xiàn)場的廢物產(chǎn)生，也有助于控制污染。最后，模塊的可重復使用性和靈活性要求建筑部件可以在不同項目間流轉(zhuǎn)使用，從而大幅度減少建筑廢棄物的產(chǎn)生，減輕環(huán)境負擔。

3.4空間集約

空間集約要求模塊化建筑設計必須最大限度地優(yōu)化土地資源和空間利用效率，通過緊湊而合理的設計方案，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)功能的完善與集成[5]。遵循該設計原則，可以減少不必要的空間浪費，還能通過靈活的模塊組合，實現(xiàn)功能區(qū)域的高效布局與銜接，從而在有限的空間內(nèi)提供更多樣化的使用功能。例如：通過垂直空間的開發(fā)利用，可以在不增加占地面積的前提下增加建筑面積，有效提升土地利用價值。

4"模塊化建筑設計的應用案例分析

4.1項目概況

某學院實訓樓坐落于廣東省清遠市，占地面積7"660"m2，總建筑面積達37"309"m2，建筑共5層，首層層高5.5"m，2～5層層高4.2"m，主要功能為實訓教學，建筑外觀新穎大氣，與周邊山水相映成趣，極具嶺南庭院特色。該項目設計充分考慮了公共建筑特有的可持續(xù)發(fā)展特征，將其視為一個有機體，強調(diào)建筑的持續(xù)進化和發(fā)展。同時，在低碳目標下，采用模塊化設計理念，使實訓樓具備高度的環(huán)境適應性，且能夠在使用過程中根據(jù)不同科目的實訓需求靈活調(diào)整，展現(xiàn)了極佳的功能可拓展性和空間生長性。

4.2模塊化設計方法

4.2.1總體布局設計

本項目設計方案采用模塊化布局，以靈活應對不規(guī)則用地。設計核心由4個單體建筑通過“U”字型連廊連接，設有6個產(chǎn)教融合實訓中心，構建高效的實訓教學體系。“U”字型空間形成了兩組功能庭院，提供寧靜的休憩和交流空間。此布局不僅拓寬了室外視野，還優(yōu)化了室內(nèi)空氣質(zhì)量，助力節(jié)能減排。

4.2.2模塊化功能布局設計

首層為入口大堂、實訓室及配套用房，配置高大空間需求的大型實訓室，2～5層為實訓室。平面為4個規(guī)則的矩形組合成一個U形的形狀。設備管井和衛(wèi)生間沿豎向交通布置在矩形平面的東、西兩側(cè)，各層主要功能用房集中布置在中部南、北兩側(cè)，功能分區(qū)明確，流線順暢合理。

柱子采用10"m為基準跨度，每個10"m跨度的柱網(wǎng)組合作為基本模塊。每個單元均采用模塊化設計，確保空間布局的高效性和靈活性。標準模塊基于2個10"m跨度的柱網(wǎng)構建而成，基本模塊則擴展至3個1"m跨度的柱網(wǎng)組合，為實訓提供了穩(wěn)固的空間基礎（如圖1所示）。這種模塊化設計不僅優(yōu)化了輔助用房、樓梯及衛(wèi)生間的布置，使其緊鄰實訓主要功能單元，確保了使用流線的順暢與高效性，還賦予了空間極大的靈活性。此外，基本模塊可以靈活擴展，形成大面積實訓空間，適用于不同規(guī)模的實訓室。

模塊之間的組合方式也極為靈活，無論是線性排列，還是環(huán)狀連接，都能夠滿足功能區(qū)域的靈活劃分需求，體現(xiàn)了設計的前瞻性和適應性。在墻體設計方面，同樣強調(diào)靈活性，為未來可能出現(xiàn)的功能調(diào)整預留了足夠空間，保證了建筑的長期適應能力。

在具體設計中，設計團隊為模塊化的平面布局創(chuàng)建了一個串聯(lián)的交通網(wǎng)絡，使得各種功能需求能夠靈活組合，在處理復雜功能需求與用地限制的同時，設計還融合了當?shù)氐纳顖鼍霸兀瑒?chuàng)造出一個既專業(yè)又充滿生活氣息的實訓教學環(huán)境。

4.2.3模塊化外立面設計

實訓樓的模塊化建筑設計呈現(xiàn)出一種簡約而現(xiàn)代的風格，其外觀設計追求自然與傳統(tǒng)文化的和諧、統(tǒng)一。在塑造建筑形象的過程中，設計團隊巧妙地運用了“學院文化、尺度靈活變換”等策略，基于簡潔而精致的形體布局與模塊化設計語言，賦予建筑一種獨特的韻律美感。這種美感不僅突顯了建筑的獨特標識性，更深刻地傳遞了學院“求是、篤實、創(chuàng)新、立業(yè)”的校園文化。

整體形態(tài)方面，遵循職地區(qū)的風貌要求，主要教育建筑風格以現(xiàn)代嶺南為主，通過建筑群體的組合，形成具有書院氣息的活潑通透的建筑風格，并注重自然通風和采光。色彩以紅色系為主，白、灰為輔，形成三段式設計，營造靜謐又不失活潑的書院式整體意向（如圖2所示）。

基于統(tǒng)一模塊的規(guī)律性排列，外墻主要采用極具文化感染力的紅色條形外墻磚、白色外墻漆和通透的玻璃窗，形成鮮明對比。紅色外墻磚的文化底蘊與穩(wěn)重、白色外墻漆的靈動與玻璃的透明感三者相結(jié)合，完美演繹了“學院文化之美”的設計理念。建筑的外觀設計與功能模塊化布局緊密結(jié)合，構件的尺寸與材質(zhì)的選用嚴格遵循模數(shù)化原則。模塊化的設計元素也強化了建筑平面特征在立面上的表現(xiàn)，賦予了立面豐富的變化與統(tǒng)一的秩序感。

5結(jié)語

綜上所述，模塊化建筑設計在低碳背景下的應用有助于提高建筑行業(yè)的可持續(xù)性，同時實現(xiàn)資源的高效利用與環(huán)境影響的最小化。而上述案例的成功實踐表明，模塊化設計能夠大幅度提升建筑的靈活性和適應性，同時在保證功能需求的前提下，通過優(yōu)化空間布局與采用綠色建材技術，有效推進了建筑領域的節(jié)能減排目標，為未來低碳建筑的發(fā)展提供了有益借鑒。

參考文獻

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[2]殷廣慶.模塊化建筑的結(jié)構設計與BIM技術應用研究[J].當代化工研究，2021（5）：94-95.

[3]劉杰，顧容竹，胡雨辰.現(xiàn)代木構建筑工業(yè)生產(chǎn)的設計實踐：以木結(jié)構模塊化集成建筑為例[J].建筑學報，2024（4）：78-84.

[4]袁凡.基于傳統(tǒng)建筑文化的居住區(qū)改造設計[J].設計，2023，36（11）：2.

[5]何泉，石翠瑩，黃煒.低能耗裝配式建筑外墻設計研究綜述[J].建筑節(jié)能（中英文），2023，51（3）：30-36.