碳中和导向的装配式建筑整体设计关键要素研究

宋晔皓，褚英男，何逸/

1 研究背景

装配式建筑是我国建筑工业化的重要组成部分，由于其重点发展工厂化加工制作、降低现场工作量、提升生产效率与质量、降低施工环境污染，是实现建筑产业转型与技术升级的重要路径。“十三五”规划以来国家相继出台文件，指导装配式建筑行业迅速发展。2016 年国务院出台《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，提出力争用10年时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。2020 年住建部、教育部、科技部、工信部等九部门联合印发《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》，在产业发展、体系建设、人才培养、转型升级等关键领域提出系统性要求，以装配式建筑为依托，推动城乡建设绿色发展和高质量发展，以新型建筑工业化带动建筑业全面转型升级，打造具有国际竞争力的“中国建造”品牌。

另一方面，随着气候变化问题的逐步凸显，节能减排日益为人所重视。习近平总书记提出的“2030碳达峰、2060 碳中和”发展目标更是对节能减排任务的提升。建筑运行节能、材料降碳潜力巨大，是碳减排领域的重要阵地。在这一发展趋势下，装配式建筑发展迎来转型关键阶段。一方面，装配式建筑由于其自身特征，对施工建造过程中的资源能源消耗较低，并且自身蕴能量低，具有先天优势[1]。因此装配式建筑将是双碳目标的有利技术支撑。

针对这种零碳化的发展趋势，本文首先回顾了近年来我国装配式建筑在政策法规、科研成果、建设示范、部品研发等领域的成就和现状，然后分别针对设计协同策略系统、长周期可持续性能维持、蕴能量的设计策略体系3 个关键点，探讨了装配式建筑设计的新路径。

2 发展现状

近年来国家大力推进装配式建筑，在政策保障、规范标准、示范建筑、关键部品等方面均取得了较大的提升，2020 年装配式建筑领域的规模远高于2015 年同期，形成了具有影响力的产业集群[2]。

随着2016 年国务院相关文件的发布，国家及各地方有关部门相继出台了一系列政策措施，指导行业发展。各省市出台管理办法、装配式建筑计算细则、生产基地名录，对新建建筑的装配化率提出了限值要求，进一步促进装配式建筑发展。已有研究表明，在目前颁布的各项政策法规中，行业发展指导意见、行业标准数量占比较多，而行业法规、激励政策偏低（图1）[3]。地方政府为落实相关要求，积极制定各类行动指导意见细则及实施路径，鼓励促进建筑工业化发展。各大建筑设计研究机构纷纷开展技术标准、设计图集的绘制，完善建筑设计要点，便于设计师迅速掌握，推动标准化进程。各大施工企业纷纷响应装配式要求，推动标准图集的编制与推广，将已有的集成技术系统化，便于建筑师采用[4]。

图1 装配式建筑行业政策法规时间分布及类型分布（片来源：参考文献[3 ]）

各地区纷纷出台政策支持新建装配式建筑，近年来也涌现一大批装配示范项目，极大地丰富了装配化的领域和市场，带动了建筑工业化水平。

表1 近年颁布的主要国家行业标准及标准图集（绘制：褚英男）

装配式建筑由于结构与装配体系的不同，具有较大的差异性。例如，雄安市民服务中心项目是以钢结构为主的装配项目（图2），于2017 年规划建设，板材门窗均采用标准化构建，外墙采用夹心保温一体板，整体部品装配化率高达90%，将建筑整体的施工工期降低至6 个月，极大地节约了建设时间，保证了高品质建筑环境[5]。贵安清控人居科技示范楼则是以木结构为主的装配项目（图3），于2016年规划建设，主体采用胶合木结构与轻钢箱式房整合的结构体系，各体系同步施工互不干扰，内装与外装效果同质化一体实施，项目周期大幅压缩[6]。而装配式混凝土体系常用于住宅建筑的施工，在主体结构施工时，同步开展外墙的制作及一体化拼装的施工，节约项目周期，同时可以保证相对完整的外观效果呈现[7-8]。例如，中建科技成都绿色建筑产业园研发中心项目（图4），作为“十三五”项目“近零能耗建筑关键技术”示范项目的同时，采用了结构与立面全装配的混凝土结构体系与PC 构件系统，装配率近90%，达到了性能与建造的双高标准。

图2 雄安市民服务中心（摄影：张广源）

图3 贵安清控人居科技示范楼（摄影：夏至）

图4 中建科技成都研发中心（片来源：https://www.sohu.com/a/433846571_771239 ）

碳中和的发展目标涉及到更加复杂的系统分工与建筑理念创新，在面对碳中和的新任务时，已有的装配式建筑需要在工作模式、建筑性能、材料属性等方面进一步创新发展。装配式建筑的零碳化转型，将是未来装配式建筑发展的关键要素。首先，该方向涉及多专业合作、多领域协同，传统单一领域发展的方向无法系统性改善问题，更加系统化的工作流程与项目管理模式创新将为装配式建筑注入新的活力，解放设计师的创造力。其次，考虑建筑运行过程的碳排放，装配式建筑将由建构导向转为长周期性能导向，真正关注基于装配式建造的体系对运行过程中室内环境和耐久性的长周期作用，实现建筑品质的进一步提升。第三，“模块化”不应局限于建筑施工技术，更应融入建筑设计的基本理念，可以预见的未来，低碳、环保可持续将成为全行业的基本共识，材料的可再生利用将成为装配式建筑的重要理念，并在设计中贯穿整个过程。综合各方面因素，建筑师在过程中的组织与协调作用将更有效地回应低碳的理念，因此建筑师主导的整体设计是未来装配式发展的重要方向。

3 基于碳中和的整体设计关键要素

3.1 协同发展路径的探索与创新

（1）建筑师负责制背景下的团队协同框架

建筑师负责制已成为当前我国建筑行业发展的主要趋势。在此背景下，以建筑师为中心，各专业团队深度协同的整体思维的设计策略重要性持续凸显（图5）。一方面，建筑师应完善本职工作：概念策划阶段，根据建筑场地、环境进行建筑方案设计，兼顾当地的传统建筑策略、自然资源和使用者的工作生活习惯，优化空间布局和能源供应来达到节能目标；工程设计阶段，注重前期规划和建筑细部把控，统筹各专业应协同开展工程设计，并与绿色建筑、照明泛光、幕墙深化等咨询团队配合完成工程设计图纸。另一方面，建筑师将对建筑全过程的效果进行把控，对落地的建筑效果负责：厂家深化阶段，配合装配式深化团队开展深化，讨论审核厂家深化图纸，审核材料样板效果，保障深化方案满足建筑整体效果；施工安装阶段，对现场出现的影响效果的问题进行讨论与解决，保障建筑品质。

图5 建筑设计协同路径的优化系统（绘制：褚英男）

（2）施工组织与运维的计算机集成制造

数字化集成实施意在建筑设计、建筑构件生产、现场施工以及运行维护等过程中推行数字化，通过计算机技术辅助技术来更高效地完成设计、生产和运维。它可以被看作是整体思维通过数字建筑技术手段得以在实践中的体现。建筑的数字化集成实施的思路来源于计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing, CIM），在信息技术自动化技术与制造的基础上，通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中的各种孤立的自动化子系统有机地集成起来，形成适用于多品种、小批量生产，提升整体效益和制造的智能化。秦佑国等于2003 年提出了整合的计算机集成建筑系统的构想，从计算机集成建筑信息系统、建造系统、制造系统和管理系统4 个方面阐述了该构想的基本框架[9]。数字化集成实施的概念在此基础上提出，其倡导所有的项目参与者通过数字化共享信息、处理信息和使用信息，最终完成项目，使得数字信息得以物化（图6）[10]。

图6 建筑数字化集成实施的信息转化过程（片来源：参考文献[10 ]）

装配式建筑本身对于其建筑构件的生产有更高的精度要求，再加上建筑个体的定制化需求，以及对被动式设计和可再生能源系统等的可持续需求，使得整个建筑系统愈发复杂。对此，数字化工具则体现了其优势，计算机可以辅助建筑设计团队根据多种需求完成建筑的设计、模拟和优化。例如，参数化工具可以高效地生成大量具有重复性的建筑构件、或具有特殊复杂形状的建筑构件；相关模拟软件可以验证相关可持续设计策略的有效性。进入生产环节，计算机可以模拟生产加工过程，数字化加工工具可以根据数字模型自动化生产建筑构件，使得生产更加高效、产品质量更加稳定。在建造环节中，计算机可以模拟建造过程和估算工期，例如，建筑信息化模型已被用于辅助管理施工进度。计算机在运行阶段可以根据环境变化和使用需求优化建筑能耗，数字孪生等技术的应用可以有助于建筑的全周期维护。

（3）项目实施模式的拓展与创新

随着建筑行业设计水平及制造加工条件的飞速发展，当前我国建筑领域项目的复杂度逐年提升。针对更加复杂的项目，传统的“设计—投标—施工”模式存在一定局限性。一方面，设计阶段无法将特殊定制的材料效果、做法、工艺、造价等完全落实；另一方面，施工团队签订承包合同后再开展相应产品的研发工作，不可预见成本较高，导致造价超出风险及施工延期风险。例如，德国汉堡音乐厅项目，立面单元的建筑效果及方案在设计阶段确定，但相关幕墙产品在承包商施工阶段开展研发工作，最终实施为双层中空弧形镀膜单元式幕墙系统，并附加了Low-E 及降低货船雷达干扰的特殊涂层材料。另外，施工过程中由于港口风浪等影响，单日安装6 块单元，最终建筑价格距离预算超出较大[11]。针对此种复杂度高、协同团队多、时间周期有限的项目，近年来多种项目操作模式均处于萌芽及探索阶段，例如工程总承包模式与承包商提前介入模式。

近年来， 我国在逐步探索工程总承包（Engineering Procurement Construction,EPC），将工程设计和施工纳入同一个合同中，降低建设方的管理风险。针对装配式建筑，EPC 模式从制度上有效地衔接了“设计—加工”的分离问题，降低了复杂项目的系统风险[12]。目前EPC 模式已成为我国未来建筑工程发展的方向之一，各地也纷纷出台政策鼓励装配式建筑采用工程总承包制度。

同时，EPC 模式对总包方的项目管理经验要求较高，近年时常出现由于管理失误导致项目进度、效果受到影响的案例[13]。针对这种情况，近年来国际学者提出了承包商提前介入（Early Contractor Involvement，ECI）的项目模式。该模式源于早期的承包商针对大型复杂项目在设计阶段提供无偿服务或独立咨询服务演变而来。项目造价的扰动随着工程推进逐步减小，而修改的成本逐步增加[14]（图7）。针对复杂项目，传统模式通常面临开展施工时的设计深化与产品研发工作。ECI 模式则把该部分工作前置，整合进主体设计阶段，这样可以在实际施工前锁定产品细节，有助于锁定造价规模，更好控制项目进展。已有研究表明，该模式对特殊产品、加工工艺的技术配合，可以使得建筑整体的施工周期压缩10%，造价节约12%～32%[15]。

图7 承包商提前介入对项目的优化影响：首选设计过程与传统设计过程对比（片来源：参考文献[14 ] ）

3.2 长周期可持续性能设计策略

（1）被动优先的整体设计策略

建筑运行阶段长周期的可持续性能是建筑设计无法忽视的关键因素。已有研究表明，建筑设计阶段的相关决策对建筑能源、资源消耗以及室内环境舒适度的影响巨大[16]，因此被动优先的整体策略是装配式建筑低碳发展的重要环节。

通过优化建筑群规划、建筑外形和建筑空间布局特征组织建筑能量流动。结合绿化水体等景观，增强炎热气候的自然通风及寒冷气候的日照范围和时长。根据不同地区的年平均温度，优化围护结构传热和外窗太阳能的比例；控制迎风面积比、冬夏季太阳利用率和气密性等级，组织室内空气流动及温湿度水平；采用适当的制冷除湿设备，减少一次能源消耗总量。

针对环境气候特点，有针对性地设计围护结构参数。为应对寒冷气候，可根据平均最低温度，调整围护结构传热系数、优化单位供热负荷、外窗太阳能得热系数、一次能源消耗总量和外墙传热系数；根据采暖度日，控制外墙传热系数、地面传热系数、外窗传热系数、外窗太阳能得热系数和单位供热负荷。为应对炎热气候，可根据最热月温度，调整外窗传热系数和屋面传热系数；优化一次能源消耗总量、外墙传热系数、外窗太阳能得热系数和地面传热系数。根据制冷日度数，控制外窗太阳能得热系数和地面传热系数；选择合适的外墙传热系数、外窗传热系数和单位供热负荷。

另外，节点设计同样不能忽略被动策略的重要意义。在解决水密、气密等构造时，通过构造设计降低对密封胶的依赖度同样能够起到延长性能周期的作用。例如，针对高性能门窗的研究表明，以密封圈压紧方式连接的节点通常具有更低的气密性衰减率，并且更换维护代价较低[17]；而针对板材缝隙的气密性，通过对不同缝隙企口形态的模拟研究表明，深浅复合型凹槽可有效降低空气渗漏率，这种企口构造的耐用年限远大于耐候密缝胶的作用[18]。因此在构造节点设计上，也应关注耐久原则有限的被动节点策略，降低长周期材料性能衰减导致的建筑性能降低。

（2）可再生能源利用与装配式产能表皮

在碳中和的发展目标下，建筑可再生能源利用应逐步加强。光伏建筑一体化技术由于有效提升可再生能源产出量、整合建筑效果与能源系统等优势，成为当前着力的发展方向[19]。

设计初期根据场地条件选择相对合适的可再生能源技术，选择过程中需考虑当地的自然资源、设备成本和运输条件等因素。可再生能源系统不应成为影响建筑外观、围护结构和建筑空间的消极因素，而应作为建筑的一部分，使其具有地域特征和时代特征。在所有可再生能源技术中，其中可重点关注太阳能的利用，因为绝大多数建筑都能接收到太阳辐射。因此，建议推进和装配式光伏建筑一体化的研究和设计，特别是光伏系统与建筑围护系统的一体化集成，以及相关系统的模块化与整合。

建筑的光伏围护系统一体化主要将光伏发电板集成于屋面和立面系统。光伏发电板的布置需考虑预选位置的太阳辐射强度，以提高发电的效率。在光伏屋面系统中，可将光伏发电板根据屋面形状制成相应形式并进行布置，如平屋面可采取水平或者带有一定倾斜角度地安置，坡屋面可沿屋面坡度铺设光伏发电板或光伏发电瓦。光伏屋面系统需考虑屋面的防水和保温问题，以及对光伏发电板的可维护性。光伏立面系统应与建筑外观统筹考虑，光伏发电板应结合建筑立面形式布置并相协调，同时不能忽略建筑立面的采光、保温、通风和防水功能需求。

对装配式系统进行针对性优化设计，拓展和深化装配式系统的优点、完善和规避装配式系统的弱点。装配式建筑体系本身具有可批量生产、快速建造、节约人力、空间灵活、循环利用等固有优势，但同时也由于其高度标准化的建构特征，导致装配式建筑缺乏根据不同场地、气候所进行的较强的针对性设计。

3.3 蕴能量及低碳装配体系建构

从全生命周期的角度来看，装配式建筑在材料加工、现场安装阶段的碳排放可以由蕴能量（Embodied Energy）来概括。该理念最早由理查德·施泰因（Richard Stein）和黛安娜·塞伯（Diane Serber）提出，指的是建筑材料从原材料提炼、加工、制造整个生产过程以及运送到建筑工地并进行装配最终转化为建筑元素所消耗的总能量[20]。蕴能量可以量化表征建筑建造过程中所消耗的材料和能源，从而衡量建筑的经济性能。能源消耗会产生CO2，属于温室气体排放，所以蕴能量还可用来衡量建筑材料和系统对总体环境碳排放的影响。

由于建筑性质、结构形式、建筑规模的差异，建筑材料与建造过程占全生命周期碳排放规模存在差异，但通长来说随着建筑能耗水平的降低，建筑材料与建造碳排放占比逐渐提升。通过对常规建筑及低能耗建筑的能耗对比研究发现，常规建筑的蕴能量占总能量的2%～38%，而低能耗建筑占比则在9%～46%之间[21]。而更详细的对比研究表明，普通建筑蕴能量占比6%～20%，被动式建筑11%～33%，低能耗建筑26%～57%，净零能耗建筑高达74%～100%[22]。由此可见，在建筑能耗水平逐步降低的趋势下，建筑蕴能量逐渐成为不可或缺的碳排放环节，应予以足够重视。

针对装配式建筑，在建筑设计和材料的选择过程中考虑有关蕴能量的问题时，除了针对主体结构形式、建筑规模与功能等关键指标的关注，还应进行降低蕴能量的针对性设计，包括以下几方面：

（1）探索本土材料、可回收材料的充分利用

一方面，当地传统建筑材料由于材料获得性强，加工强度低，往往具有较低的碳排放强度。另一方面，废弃回收利用的材料由于其生命期时间周期扩展，其碳排放强度同样较低。装配式建筑虽然较传统建筑体系更加依赖工厂的预制工作，但在设计过程中不应忽视对本土材料、可回收材料的装配和整合，这是降低建筑碳排放的重要路径。

东英吉利大学的建筑创业家中心项目（The Enterprise Centre, University of East Anglia）在设计过程中充分考量了当地传统建筑材料与工业装配体系的融合。最终全生命期碳排放仅为普通建筑的1/4（图8、9）。

图8 英国东英吉利大学建筑创业家中心（片来源：https://www.architype.co.uk/project/the-enterprise-centre-uea/）

图9 英国东英吉利大学建筑创业家中心项目本土材料来源及装配式安装（片来源：https://www.passivhaustrust.org.uk/news/detail/?nId=图4 图7 图6 ）

竹管垅茶青市场项目则充分挖掘本地材料和废弃材料作为景观环境的潜质（图10）。项目位于我国福建省寿宁县，属于欠发达地区，设计团队明确了回收废弃材料降低建筑造价，提升当地特色的设计策略。南侧石材铺地采用粗加工石废料，该材料具有相似的材料厚度但板材形态尺寸差异大，无法加工成成品石材。经过多方协调，采取控制3 种宽度但不控制长度并再加工形成具有特色肌理的石材铺地进行密拼。内部地面采用水磨石做法，选取石材加工边角料废料作为骨料进行整体打磨剖光，还原丰富石材的颜色效果。北侧夯土墙基础、景观座椅则挑选传统闽北民居破损坍台老屋的基础、木梁等材料，进行适当粗加工及清理形成。

图10 竹管垅茶青交易市场材料回收再利用及效果（a摄影：王文武，b摄影：褚英男）

通过一系列对当地弃置的半成品石材、坍塌老屋的砖石木梁等进行考察调研，并与业主、施工方共同商讨回用技术方案与样品试制，最终施工，形成了具有当地特色的景观环境，同时降低了建材废弃带来的进一步能源资源的消耗，实现了材料的全生命周期利用。

（2）关注建筑材料的耐久性及分离难度

当前建筑主体拆除后材料的弃置，在建筑设计初期就通过设计策略对建筑拆除和材料的回用进行深入考虑，是未来发展中建筑师无法忽略的关键要素。与传统建筑形态、空间、材质设计不同的是，材料分离涉及建构的一体化考量，即建构措施、空间形态、细部质感均由整体的设计策略引发，这对建筑设计提出了更高的要求。

埃因霍温公共展馆临建项目，考虑到临时性和可持续低碳理念的宣传贯彻，设计之初采用了全部可拆除回收重复使用的建筑与节点策略（图11）。建筑的主体结构、维护界面、构造节点的设计均在最小干预材料本身完成，并未采用胶粘、钻孔、切割等传统建筑技术。具体而言，上部主体结构采用了标准尺寸、未刨平的组合木梁，并用标准铁箍完成组装，拆除后重新作为木材出售；建筑屋顶采用标准的温室大棚的通用产品模块，拆除后作为温室大棚继续使用；首层的玻璃幕墙材料来源于BOL总部翻新的剩余产品，立面彩色塑料砖则由当地居民回收的塑料制成，拆除后可用于居民家庭生活装饰。因此建筑拆除后所有材料可继续用于其他永久建筑的建造使用，将此建筑的蕴能量降低至最小。

图11 埃因霍温公共展馆临建项目室内外效果（摄影：Filip Dujardin，图片来源：bureau SLA+Overtreders W）

（3）关注系统最优而非单相最优

在建筑项目中，盲目地降低蕴能量并不一定总是有益的，有必要站在建筑全生命期的角度对蕴能量进行长远考虑。例如，轻质建筑材料的蕴能量通常比重质材料低，但蓄热保温性能相对较弱，如果建筑使用过程中对制冷或采暖有较高需求，可能反而会提高建筑的总能耗；在很多情况下，使用较高蕴能量的建筑材料，可以降低建筑运行和使用过程中的能耗；选择更为耐用的建筑材料可以延长使用寿命，减少维护成本；选择具有高回收率和高循环利用率的金属等建筑材料；选择具有环保使用模式的建筑材料等等。

4 结论

通过对国内装配式建筑的发展现状、国际相关领域的发展趋势可以看出，装配式建筑在建筑碳排放领域起到关键作用，而建筑师作为项目设计及主导者，其重要作用无法忽视。在今后装配式建筑的设计中，基于碳中和的整体设计策略是有效技术手段，具体来说有3 个关键要素：其一，建筑师应充分融入多专业协同的复杂体系中。随着顾问团队的系统化、施工技术的丰富化、项目推动模式的创新化，建筑师适应应引领协调的工作模式，将低碳、可持续的设计理念自概念设计到工程推动贯彻始终。其二，装配式建筑应从关注建设过程转向关注运营过程长周期的可持续性能上来，切实发挥装配式建筑运营阶段的特征优点。以被动优先、主被动策略相协调的整体设计思路为主导，弱化临时的性能节点措施，着重关注长周期建筑性能的维持，保障项目运行耐久性。其三，装配式建筑的设计阶段应关注全生命周期的蕴能量变化，从传统的对空间、造型的关注，拓展到对材料全周期的利用上，运用创造力提出有效技术路径，实现项目的可持续属性。□