基于零碳技术路线的建筑工业化实例探索

陈立新(上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司，上海 200041)

基于零碳技术路线的建筑工业化实例探索

Research on Pre-fabricated Building Project Based on Technology of Zero-carbon

陈立新(上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司，上海 200041)

通过零碳建筑的工业化课题研究及其在实际项目上的应用，阐述了打造零碳建筑和预制装配式建筑的技术路线，提出了建筑全寿命周期实现零碳排放的解决方案。最后以图文并茂的形式，介绍了装配式零碳建筑从设计到建造的全过程。

建筑工业化； 零碳技术； 绿色建筑； 装配式建筑

1 零碳建筑及建筑工业化定义

按照建筑的全寿命周期理论，可将零碳建筑定义为在建筑材料、构件及部件的生产、规划与设计、建造与运输、运行与维护直到拆除与处理的全循环过程中, 建筑向外界环境排放的 CO2综合值为零。强调综合值, 是因为绝对的零碳排放在满足建筑一定舒适度和功能要求的前提下是不现实的，但可以通过建筑选材和利用清洁能源并将多余的能量输入电网，或者通过碳税和碳中和等措施来补偿寿命周期内的碳排放, 从而在全社会层面实现零碳排放。

建筑工业化顾名思义就是指在工厂生产、基地现场装配而成的建筑生产方式。工厂生产指的是建筑的零部件，如外墙板、楼板、阳台、楼梯等构件在工厂里预制，预制率要达到 30% 以上。模块化建设是装配式建筑的主要特征，预制率也是衡量装配式建筑技术水平的重要指标，装配率一般要求在 50% 以上。预制率是指装配式混凝土建筑室外地坪以上主体结构和围护结构中预制构件部分的材料用量占对应构件材料总用量的体积比。装配率是指装配式建筑中预制构件、建筑部品的数量(或面积)占同类构件或部品总数量(或面积)的比率。

2 零碳建筑及建筑工业化技术路线的研究

建筑工业化即预制、装配式建筑是实现建筑全寿命周期零碳化的重要环节。研究零碳建筑的技术路线自然要把这两方面的技术一并考虑进去。包括工业化的“五化”技术和零碳节能减排及清洁能源的应用技术。这些技术相互关联又可独立成章，“五化”指的是设计标准化、制造工厂化、施工装配化、装修一体化和运营管理信息化。节能包括主、被动式节能和高能效设备的应用，主动式节能就是通过建筑新能源设备收集自然界的可再生能源并转化为可替代的建筑能源的节能方式，是对能源的合理应用，如风力发电、水利发电和太阳能光伏发电，将风能、水能和太阳能转化为电能；被动式节能即通过建筑的布局和构造等方式使其对人造建筑环境和建筑设备的要求最小化。

不难看出，零碳是量化指标，便于实际操作控制，其实又有区间的概念，包括了低碳、零碳和负碳。而上述技术到底能够对减碳起到多少作用，也就是说各项技术怎么量化到碳排放指标上去呢？根据国际通用的碳排放理论，只要建筑的设计排放量相比较于 2005 年每平方米排放基准线有所减少，就可以称为低碳建筑。为了区别不同，英国 2006 年出台的建筑法规 Part L 要求所有建筑都要标注碳减排比率。基于碳计量的基本计算公式就是碳排放量=活动数据×活动因子。根据该公式，建筑实现零碳排放的方法无外乎两种，要么“活动数据”为零，要么“活动因子”为零。

碳活动数据为零就意味着没有任何能源消耗产生。对舒适度和功能有着较高要求的现代建筑，要达到这点是不现实的。

碳排放活动因子为零则要求全部排放源由零排放方式实现。一个建筑的全部能源由可再生能源提供，由于避免了传统火电能源生产过程中的燃烧和碳排放，能源供给活动排放因子为零；建筑的全部废弃物由可靠的垃圾分拣处理并且局部进行本地销毁和再利用，避免了传统垃圾焚烧生产过程中的燃烧和碳排放以及垃圾填埋过程中产生的温室气体排放，垃圾处理供给活动排放因子为零；建筑的全部水源由雨水和中水提供，避免了传统水资源生产过程中温室气体的排放，水源供给活动排放因子为零。由此可见以上 3 大条件构成了达到零碳建筑要求的基本条件，即可再生能源的利用、废弃物的处理、非传统水源的利用。

从实际项目的经济性操作角度而言，满足全部排放源由可再生能源提供建立在建筑能耗足够优化以减少可再生能源的提供的基础上。对于无法实现零碳建筑基本条件的，而通过绿化和植被等碳汇手段实现光合作用减排，平衡额外碳排放量的建筑也可定义为零碳建筑。

如何实现全生命周期的建筑零碳排放？目前在零碳和低碳领域存在的一个争论是运营零碳和全生命周期零碳的区别。严格的全生命周期碳排放包括每样产品的原料生产、加工、运输、使用和销毁的全生命周期碳排放。全生命周期排放量等于原料碳排放量、加工碳排放量、运输碳排放量、运营碳排放量、销毁碳排放量之和。建筑传统的“零碳”是建筑运营周期的温室气体排放为零，且运营周期的碳排放占全生命周期 2/3 以上。全生命周期的零碳建筑目前还没有严谨的实践，但是建材的全生命周期零碳已经有了尝试。如在香港联交所成功上市的中国地板控股有限公司，通过对原料生产、加工、运输、使用和销毁的全生命周期碳排放计量，可得 2010 年强化地板的全生命周期碳排放为 7.66 kg/m2。通过森林碳汇的补偿，实现综合的零碳地板。 如果一个建筑全部的建材均可实现零碳，亦或结余的碳排放能够通过额外的碳汇达到平衡，就可以实现全生命周期的零碳建筑。

3 实践案例

3.1 项目简介

华建集团建设咨询公司设立专门课题研究基于零碳技术路线的装配式建筑，尝试可全拆卸、全预制、全寿命周期零碳排放的装配式零碳建筑的研究和开发，以期达到像搭积木一样造房子，建造、使用和拆除全过程对周围环境没有破坏，把对自然环境的负面影响降到最低。本着绿色建筑的灵魂——因地制宜，课题成果可以应用到大部分场合和地区，根据场地及周围环境的不同拿出一揽子基于零碳路线的绿色装配式建筑的解决方案。

首次借助上海浦公检测新建厂房项目，把课题成果应用到实际工程中。该项目位于上海浦东新区川沙经济园区(北区) 9-2 局部，西至 9-2 剩余地块，东至通城河西侧防护绿带，南至 9-2 剩余地块，北至川大路。基地面积为 12 000 m2，设计地上建筑面积 12 000 m2。项目分接待服务区、检测试验区、行政办公区、生活配套区、商务科研区、零碳展示区。装配式零碳建筑是该项目的一个子项目，位于项目的零碳展示区，即1号楼的屋顶，共两层，建筑面积 434 m2，其中架空层 246 m2，2 层 188 m2。建筑采用重钢轻质墙体体系，内、外装及保温一体化工厂预制；建筑可全预制安装、全拆卸，预制部件可满足经济运输的要求；屋顶设计大面积太阳能光伏电池板，满足建筑零能耗的要求；采用纳米反渗透户式污水处理系统，满足零排放的要求，以期达到建筑全寿命周期综合碳排放量小于零的目标；展示建筑整体可旋转，可跟踪太阳方位角，尽可能提高屋顶光伏发电效率，同时可达到建筑东、西向自遮掩的效果；采用体块化设计，可无限拓展建造规模(图 1)。

图 1 项目鸟瞰图

该项目主要技术亮点在于：①采用重钢轻质墙体体系，内、外装及保温一体化。②建筑可全预制安装、全拆卸，预制部件可满足经济运输要求。③零能耗、零排放，建筑全寿命周期综合碳排放量小于零。④建筑整体可旋转，可跟踪太阳高度角。⑤体块化设计，可无限拓展建造规模。

此次实践是迈向未来装配式零碳建筑的第一步。我们以九宫格为设计思路，将本案通过现代技术建造于既有建筑屋顶之上，实现了结构、围护系统及构件的模块化可拆卸，并通过建造自转追光系统对太阳能的利用实现了能源的自给自足，最后通过设备的选型完善了建筑的智能化要求。

3.2 模块化设计

为了提高整体预制、装配的可实施度，建筑功能分割为轴网间距 5 400 mm× 5 400 mm 的空间，保证墙面规格统一(图 2)。

图 2 模块化组件图

采用九宫格的布局设计，将零碳建筑简单划分为 4 个功能区域，即接待区、居住区、办公区、共享区；4 个区域围绕中心交通有机组合成九宫格(图 3)。

图 3 九宫格的功能分区图

3.3 预制过程

工厂根据标准的建筑构件和部件，按照模块化设计的数量要求，像生产其他产品一样生产(预制)建筑构件，组装成部件。部分非标部件也尽量在工厂里定制完成。本项目采用了夹心保温轻质外墙模数尺寸为(1 200 mm×3 600 mm×22 mm)、(1 800 mm×3 600 mm×15 mm)、(900 mm×3 600 mm×3 mm) 等，轻质架空楼板 (1 800 mm×5 400 mm×42 mm)，包括墙垛 (600 mm×3 600 mm×22 mm) 等构件。

3.4 运输过程

卡车运输，结构体系中各个构件尺寸均满足交通工具运输要求。总体积约 156 m3(大型集卡标准尺寸 13.58 m×2.34 m×2.71 m，约 86 m3)。

3.5 装配过程

3.5.1 主体结构安装

本零碳建筑为重钢木结构体系，除底部支撑结构的4根钢柱截面尺寸为 400 mm×400 mm 外，其余主体结构梁柱截面尺寸为 300 mm×300 mm；并配以截面尺寸 200 mm×100 mm 钢梁及直径 100 mm 斜向钢柱进行加固。结构稳定，外观大气(图 4)。

图 4 钢结构吊装

3.5.2 围护结构安装

为减少结构荷载，零碳建筑采用 200 mm 厚木质架空地板及楼板；为方便工厂预制及减少构件数量方便现场搭建及拆卸，楼板及顶板采用 1 800 mm×5 400 mm 尺寸；结构轻盈，施工便捷。执行上海市 DGJ 08-107—2015《公共建筑节能设计标准》，对墙体及门窗保温要求较高，所以本方案中采用三玻两面涂门窗及 150 mm 厚内保温轻质外墙；为方便工厂预制及现场搭建，对墙体构件数量进行了精简；立面简洁，建筑节能；露台及阳台处安装玻璃栏板及可移动遮阳百叶，露台上部安装固定格栅(图 5)。

图 5 围护结构安装

3.5.3 建筑设备安装

主要设备管线通过中部 4 根结构柱进行上下贯通，大部分管线在结构梁柱及中空墙体、楼地板、顶板事先预留，实现各个房间的连通(图 6)。

图 6 建筑设备安装

3.6 案例小结

本案中，通过采用合理的自然通风、热工性能良好的围护结构等被动设计技术，有效地减少了建筑能耗。通过大面积采用光伏发电技术满足建筑运营的电力需求。通过建筑整体追日旋转提高了太阳能光伏发电效率。通过设计选用可再生或循环使用的建筑材料和建筑部件达到建筑全生命周期的节约材料，从而间接地减少了建筑的固有碳排。通过选用含碳建材实现部分碳汇。建筑的预制率接近 100%，装配率达到 100%。

本案建筑具有可整体旋转的功能，在国内开创了先河。不仅仅具备提高光伏效率和具有建筑自遮阳效果，还拓宽了建筑的艺术属性，建筑可能不再仅仅是凝固的艺术了。

本案采用的重钢木结构形式，在国内尚不多见，实现起来也并无太大的技术难度。这种结构形式有望突破规范对木结构建筑的高度限制。

本案清晰的技术路线，紧紧围绕着零碳排这一高度的量化指标，避免了展示建筑常见的技术堆砌的弊病，也为本案在其他项目上的推广应用提供了经济适用的解决方案。

4 结 语

我们旨在通过装配式的建造模式使零碳建筑工业化，整理零碳建筑建造数据为未来建筑提供数据支持，为国内尚未成熟的零碳建筑提供参考，并拟形成零碳建筑标准。

展望未来，放眼世界，人们越来越重视人类活动对环境的影响。随着技术的不断发展、标准的不断完善，与自然和谐相处的零碳建筑将成为趋势，从几十平方米的装配式预制房屋，到几十万平方米的装配式预制酒店，再到零排放城市社区。我们有理由相信，零碳装配式建筑这种集环保、生态、自然、科技于一体的新产业形态将获得蓬勃的发展。

[1] 李梁.办公建筑的零碳趋势及策略研究[J]. 山西建筑,2010(7):224-225.

[2] 操红.解读零碳建筑[J]. 工业建筑,2010(3):47-49.

[3] 赵继龙,李冬.零碳城市理念及设计策略分析[J]. 商场现代化,2009(6):26-28.

[4] 张宪良.浅谈零碳建筑的国内现实意义[J].建筑节能,2011(4):75-76.

TU50

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1674-814X(2017)03-0017-04

2017-02-11

陈立新，现任上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司研发总工。

作者通信地址：上海静安区石门二路258号6楼，邮编：200041。