装配式绿色建造体系在中小学校园建设的应用与实践

张桥　张坤　王伟杰　罗兵　吴婧

摘要：绿色发展是绿色建造的根本遵循。新形势下，中小学校园建筑产业发展的机遇和挑战并存，要实现建筑产业的绿色建造和高质量发展，其主要方式是装配式建筑、装配式BIM技术，装配式设计施工一体化管理模式。从青岛澳门路小学工程应用实践中，总结、探索装配式绿色建筑体系在中小学类项目中的实现路径。

关键词：钢结构、装配式、绿色建筑，中小学。

1  前言

校园是社会建设的重要组成部分，绿色校园对于学生的学习发展与健康成长有着重要的影响与价值。而在我国，中小学绿色校园建筑尚未发展完善，缺乏理论技术适宜性体系。由于校园建筑存在人口密集，建筑存量庞大，能源与资源需求量大的特点，校园蕴藏着巨大的节能潜力。目前绿色校园的建设还主要集中于大学校园，中小学幼儿园的绿色校园建筑实践发展较为缓慢，处于基础研究到付诸实践的过渡阶段。因此如何将绿色技术应用到校园建筑建造中，贯穿校园建筑的全生命周期，已成为中小学校园绿色发展的需求和趋势。

澳门路小学就是在这种背景下努力打造的示范工程，已成功注册国内首个WEL健康建筑认证中小学类项目、通过对该项目本身优化思考一套用于中小学校园的装配式绿色建造体系。

2  装配式绿色建造体系是绿色校园建造方式

2.1  钢结构是绿色校园建筑的天然载体

学校建筑的特点是房间多，面积大，但房间类型少，组织简单，基本为走廊式组合形式，因此多采用框架结构。根据现有的中小学建筑设计规范，一般中小学建筑的设计层数为1-5层，在防火及抗震等级划分中属于多层建筑，适应的建筑体系有两种：钢框架+内灌混凝土（或轻质材料）、纯框架体系（钢柱做防火涂料及外包处理）。学校类建筑属于生命线工程，钢结构建筑相较于传统混凝土建筑其抗震性能更加优越，材料可全部回收，绿色环保。该工程采用全钢框架结构。是最佳的选择。

同时，钢框架结构的柱截面面积更小有利于增加教学用房使用面积。而风雨操场等大跨度的空间，钢结构具有天然优势。教室净高不宜太低，小学室内净高为3.1m～3.4m，中学为3.4m，进深大于7.2m的专用教室、公共教学用房不低于3.9m。澳门路小学钢框架结构楼板采用钢筋桁架板，可有效减少楼板厚度，增加房间净高，更好的实现教学用房容纳人数、通换气管线安装、采光与室内空间观感。

本工程由于钢结构增加净高最明显的例子在风雨操场的应用，由于该学校用地紧张，风雨操场布置在地下一层，顶板跨度达到21m。在最初的混凝土结构设计方案中，为了更好的与混凝土结构结合，頂采用网架结构，导致楼板厚度达到1.95m。风雨操场的净高为5.85m，这样无法满足室内篮球场净高8m的要求，而采用钢梁+钢筋桁架楼承板的组合后，房间净高达到8m，不仅具备室内篮球场的功能，同时在施工过程中避免了高支模的施工。

在该项目主体结构全钢结构装配式施工中，结构构件全部为BIM建模，数字化加工，到场既安装，构件连接全部采用栓接方式，减少焊接和焊缝检测时间，减少了焊接烟尘对环境的污染，结构安装现场工人数量比传统施工方式减少2/3，工期仅用1.5个月。

2.2  装配式一体化外墙校园

学校楼属于人员密集场所建筑，其外墙外保温材料的燃烧性能应为A级，澳门路校园建筑外墙保温的采用200厚装配式CF蒸压瓷粉加气混凝土墙板自保温系统构造，传热系数达到0.39W/㎡·K，可省去传统外墙粘贴岩棉保温板，减少对施工现场的环境影响，避免后期保温板脱落的风险。同时蒸压瓷粉墙板是充分利用陶瓷工业的产生的瓷粉等固废弃物为原材料研发而成新型装配式墙板，是装配式建筑的重要组成部分。

3  BIM+技术是绿色校园建筑的技术保障

BIM技术是当前智慧建造中最基础性的应用，已经在房屋建筑特别是超高层建筑和大体量建筑、高铁建设、高速公路建设、特大型桥梁建设以及市政工程建设等方面广泛应用。

3.1  BIM虚拟拼装技术

校园建筑包含教学用房、辅助用房、行政管理用房、运动场地、自然科学园地及生活区，且应分区明确，联系方便，互不干扰。中小学建筑方便中小学生串联，要求建筑组合尽量紧凑集中，为保证体育活动场地创造条件。由于该项目工期紧，对施工组织的紧密性和一次成优率提出极高的要求，必须借助BIM技术才能实现。该项目还存在工作面受限、各专业集中交叉、管线排布复杂等困难，也只有通过BIM技术，实现事前模拟，提前发现并处理潜在问题，节省工期。

项目施工的BIM团队与设计团队合署办公，打通了设计与施工的壁垒，实现了真正的设计施工一体化融合。在设计阶段共发现疑似碰撞并将碰撞问题及时消灭在设计阶段，真正实现了BIM正向设计。例如，为保证风雨操场、教室净高，机电管线需从钢梁梁腹穿过，项目部应用BIM技术进行综合排布，穿孔位置提前定位并准确留洞，将两个专业的协调时间缩短为零;又如，工程装配式自保温混凝土外墙、异形造型工艺、这些材料均具有加工制作周期长、补件慢的特点，采用“BIM+三维扫描”技术，保证“精确下料，精准安装、一次成优”，将损耗率和返工率降低为零。解决这些问题，减少成本，可减少返工的工期损失。同时，BIM还能提供外形优化措施，进一步提升建筑的节能属性，通过相关计算降低建筑整体的外形系数，通过此方法较少建筑的表面积，进一步降低能耗。并尽量结合数据调整建筑外形的规则状况，避免出现外形凹凸现象，只有这样才能达到绿色建筑的形体设计标准。

3.2  BIM室内明度模拟技术

利用BIM技术根据照度模拟，最终确定设计方案：选用 SP140P L1135 灯具，灯具距课桌面高度 2.2M，课桌区采用 3×3PCS40W LED灯具，所有灯垂直向下照明以达到整个课桌区域具有很高的均匀度，黑板区安装 4PCS40W LED灯具重点照明。

教室课桌面的平均照度值 435LX，均匀度 0.7;教室黑板面的平均照度值 513LX，均匀度 0.72;教室功率密度 6.48W/m?，符合《 GB50034-2013 建筑照明设计标准设计》中的规定。

3.3  室内舒适度模拟技术

以教室为例进行模拟分析，通过使用BIM 模型导入到CFD有限元分析模拟软件 ANASYS Fluent 中，进行对室内空调设计的模拟计算。根据室内最优的体感风速、体感温度分布及压力感受，对室内空调分布进行优化：将原设计中标准授课教室中的4台空调优化为2台，并增加1台全热交换器进行新风通风，减少室内温度损耗的同时保证室内空气质量。

根据模拟结果，进行空调 EPC设计优化，使室内空气温度分布更加均衡，并且通过增加全热交换器的方式减少开窗，降低室内冷热负荷，绿色节能，且保证较低空气龄。将优化结果通过BIM深化出图，并三方签字确认，指导现场落地施工。

3.4   室外日照优化

结合BIM模型、日照模拟分析，通过 Enscape 进行模拟渲染室内日照状态对教室采光窗进行面积优化，减轻室内冷热负荷并满足采光需求，以达到绿色节能的效果。增加教室窗户面积约 110㎡，有效增加采光面積和冬季辐射热量，并运用一体化遮阳帘，保证采光度的前提下，降低夏季辐射热量。

装配式建筑+智慧建造是未来的发展方向，包括装配式建筑与人工智能、大数据、云计算、物联网等新型信息技术的结合。今后在校园装配式建筑中，使用AI赋能的机器人建造技术已然成为必然选择。

4  装配式+EPC是绿色校园建筑的管理模式

推进公共投资项目供给侧结构性改革，关键在于转变发展方式，一则是建设模式必须转变，要充分体现节能、节地、节水、节材和环境保护。再则就是市场模式必须转变，实现设计施工总承包模式（即EPC），通过一次性定价，总包方可单独或与业主共享优化设计、降低成本、缩短工期所带来的效益，使得总包方有动因即讲节约又讲效率。

校园建筑绿色设计和绿色施工管理的基础在于整合设计与施工，强调从建筑产品全生命周期视角、站在项目全过程管理控制的高度，提高各专业的协同一级设计方案的可建造性，实现更高品质，减少变更和浪费，实现价值创造。装配式建筑必须结合设计施工总承包模式来降低成本。EPC总承包单位在建设项目实施的过程中，以“四节一环保”为目标，由全过程咨询单位牵头，成立绿色管理领导小组，建立协调合作、权责明确、沟通高效、资源共享的绿色项目管理体系。

5  结语

综上，装配式绿色建造体系构筑的亲生命、亲自然的健康建筑，将助推新时期中小学绿色建筑产业转型升级的新征程。校园建筑的发展是我国建筑发展的一个缩影，它是社会的摇篮，绿色学校发展势头迅猛，将成为实现建筑产业转型升级和科技跨越的重要途径。