可重复装配设计与建造技术研究*——以C-House为例

文/东南大学建筑设计研究院有限公司 罗 申

东南大学建筑学院 张 宏 张睿哲 张军军

1 研究背景

2020年，我国在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出在2030年实现碳达峰承诺。要实现2030年前碳达峰和2060年前碳中和的“双碳”目标，意味着我国经济结构和经济社会运转方式必然产生深层次变革。建筑业是我国国民经济支柱产业，碳排放量的40%来自建筑业，因此建筑业亟需改变。当前我国建筑业普遍存在建筑寿命短、建筑拆除难及回收利用难等问题，且拆除后无法重新利用的建筑构件会产生大量的碳排放。如果建筑可实现重复装配，而不是爆破拆除，则可实现资源重复利用，可极大减少碳排放量。因此，可重复装配的建筑是实现“双碳”目标的有力抓手。

2 可重复装配建筑技术

2.1 标准化可变空间设计技术

可重复装配建筑建立在使用多样性的前提下，满足空间可变，其重复拆装后具有更大的经济和使用价值，尤其在目前全球的居住建筑中，建筑空间属性较单一，灵活性较差，当使用者对空间有新的需求时，建筑空间往往无法满足使用者需求的变化，只有采取拆除再建的方式，这也是当前建筑行业高资源消耗的主要原因之一。在建筑设计前端提出标准化可变空间设计是实现建筑重复装配的基本需求。

2.2 构件组独立组合设计技术

建筑的各组成部分，如结构体、外围护体、内分隔体、装修体和设备体应尽量保持独立，不与其他构件穿插。此种方式既可保证在生产、建造过程中不相互影响，更重要的是，在日后的改造更新中，构件可独立更换，为建筑提供较好的可改造性和可更新性。各构件组和组内各构件之间的组合与连接全部遵循独立设计原则，尽可能减少交叉和交织，简化构件连接，使建筑的反复拆装成为可能。同时在建筑全生命周期中，因构件寿命差异造成的构件更换维修难以避免，构件系统相互独立可保证各构件组独立进行维修和更换。

2.3 三级装配技术

三级装配技术是指根据构件的建造信息对构件进行分级，通过构件分级，明确各构件的生产和施工地点，保证建造工作顺利进行。一级构件是指将建筑原材料在工厂进行加工后形成建筑构件，其成型位置是在工厂。二级构件是指一级构件在工地工厂（即在工地上临时搭建用于工地临时装配的场所）进行组合、装配后形成的建筑构件，其成型位置是工地工厂。三级构件是指构件在现场工位进行装配形成的整体大构件，其成型位置在工位之上。三级装配技术的实质是根据构件特性和建造逻辑进行分类：通过构件三级分类，将构件分为适宜运输的小构件和适宜装配的大构件，可大幅提高建造速度，优化建造工序，提高并行建造效率，通过高效的施工组织，实现安全、快速、可靠、低碳建造。

2.4 可逆连接技术

可逆连接技术是指构件之间的连接具有可拆卸特点和可重复利用性。目前建筑构件连接节点多为一次性连接，连接完成后不具备可逆能力，重复装配会导致破坏性拆除，造成建筑构件损坏并难以再利用，这也是目前拆卸过程中造成大量碳排放的原因。可逆连接技术能够保证在拆除过程中构件不被破坏，后续可对状态良好且未达到使用寿命的建筑构件重复利用，降低建造和拆除过程中的碳排放量，实现可重复装配设计与建造。

3 案例分析——以C-House为例

3.1 C-House简介及其重复拆装

在2018年中国国际太阳能十项全能竞赛中，要求每支赛队以建设永久性房屋为目标，建造1栋完成面积为120～200m2的单层或双层太阳能住宅。房屋在已完成的地基和基础上进行设计，在20d时间内完成全部建造过程并投入使用。

针对竞赛提出的要求，C-House房屋从设计阶段组建了完整的建造团队，并在竞赛开始之前进行预建造以进行建筑设计和建造设计的验证，第1次建造和拆除于2018年4月在山东德州皇明太阳能股份有限公司内进行，如图1所示。

图1 第1次建造与拆除

正式比赛自2018年7月10日开始，C-House建造团队在山东德州太阳能小镇完成C-House第2次建造，并在之后的公开展览和评比之中取得好成绩。2021年4月，在同一地点完成建筑拆除，如图2所示。

图2 第2次建造与拆除

2021年5月，在C-House于德州拆除的同时，团队在南京市同步进行第3次建造，并在30d内完成C-House的第3次建造，建造过程如图3所示。

图3 第3次建造

3.2 C-House标准化可变空间设计技术

C-House在建筑空间设计过程中，采用空间可变的设计方法，建筑空间设计过程中，以能源核心Core作为空间限定的主要构件，将空间划分为围绕能源核心Core一周的均质空间，这种空间的特质不明显，可根据使用者的需求进行后续的空间划分和使用。考虑到不同使用场景和应用方式，可划分为以下建筑空间：自由职业者之家、三口之家、青年公寓等。

3.3 C-House构件组独立组合设计技术

构件独立组合是实现可重复装配的必要条件。以C-House为例，主体结构构件节点全部采用螺栓连接方式，以保证连接的可靠性和可重复性。围护构件组装配过程中，2块装配式整体墙板之间预留200mm空隙，在现场填充聚氨酯进行可逆式连接，拆除时可直接对节点进行破坏性拆除而不损坏装配式墙板构件。传统密缝拼接的连接方式拆除时由于施工空间不足进行破坏性拆除，对建筑构件造成永久性破坏。螺栓连接方式更具可逆性，通过拆除节点保证主要构件不受损坏并可重复利用。性能构件组完全独立布置于建筑内，重复建造时仅需进行管线连接断开即可实现重复利用。

3.4 C-House三级装配技术

C-House的构件组可根据其建造工序和装配位置分为三级，每级构件有明确的建造信息，以C-House的结构构件为例，其可分为5个主要的三级构件：东西南北四面侧墙结构构件和屋顶结构构件，每个三级构件依据框式组合建造原则拆分为二级构件，以东侧结构墙体三级构件组为例，三级构件被拆分为2个二级构件和6个一级构件，2个二级构件分别又可分为4个一级构件。1个三级构件通过构件分级后拆分为14个一级构件和其他连接构件。

通过构件分级，使复杂的建造过程清晰简单，此种构件设计方法保证了C-House的结构构件组在2d之内全部装配完成，也保证了后期多次重复装配的安全可靠实施。其中利用的框式构件技术，是在东南大学新型工业化团队两项专利的基础上，以构件组框为基本原则研发的建造技术体系。框式构件建造设计原则是指一级构件和二级构件在相应地点进行装配时尽可能装配成框型构件，三级构件在工位进行装配时，尽可能多地利用框式构件刚性大、形态稳定的特点，可快速完成构件定位与连接，节省建造时间，提高建造效率。

3.5 C-House可逆连接技术

C-House的所有构件组均采用可逆连接节点设计。结构构件组采用限位定位连接件和螺栓刚性连接节点，节点连接可逆可重复。围护构件组采用宽缝连接构造，缝外侧宽20mm，内侧宽200mm，在进行连接作业时，外侧采用密封性能好的硅酮胶密封，防止雨水进入，内侧采用聚氨酯喷涂，在围护构件组拆除时仅需对宽缝连接进行破坏性拆除，整体装配式墙板可确保完好无损。可逆连接技术是可重复装配设计和建造的重要技术，可逆连接使多次拆卸和重复建造成为可能，同时可减少重复建造过程中的材料损坏，为重复建造提供灵活性。

4 C-House三次重复建造装配的建造碳减排

延长建筑寿命是建筑减碳的重要手段，使建筑可进行多次低损耗重复建造装配是延长建筑寿命的方法之一。一些特殊功能的建筑，如科考站、临时展览建筑或客运高峰期临时站房等，由于在一地的使用时长较短，在远未达到建筑构件自身寿命前就结束了功能。若此类特殊建筑采用传统建筑工艺建造，会因建筑过早废弃拆除形成不必要的碳排放浪费；若采用集装箱房的建造方式，此类建筑天然的性能缺陷则会提高建筑的运行碳排放。C-House这类可重复装配建筑，可在具备高性能的前提下，实现低损耗反复拆装搬迁。采用该技术的建筑，可在一地使用功能结束后，利用原有建筑构件低损耗地在下一个有功能需求的地点重新建造，在建筑主要构件寿命未尽前多次进行异地装配，使建筑寿命最大化。在此过程中，每次的再建造均相当于避免了一座相同建筑的建造与拆除。该建筑在其生命周期内重复建造次数越多，减碳收益越大。

以C-House为例，统计C-House三次建造装配过程，建筑全构件完整回收占比极高，达95.9%；完全不可回收构件仅为1.0%，其余构件仅需修缮后便可重复投入使用，是损耗率相当低的重复建造工程。C-House的碳排放计算与碳减排收益结果分析如表1所示。C-House在第1次建造时，碳排放为258.39tCO2。后续两次再建造虽然因为环境和运输距离不同，各阶段碳排放有一定区别，但总体呈显著下降趋势。第3次再建造后，C-House在建造装配过程的减碳量达305.47tCO2，已高于初次建造的碳排放量，是名副其实的低碳建筑，如果再进行数次建造，就能实现建筑建造的净零碳排放。

表1 C-House三次建造装配过程碳排放与碳减排数据

5 结语

“双碳”目标是实现社会节能减排的重要指向，建筑业作为我国国民经济的支柱产业，成为节能减排的重要抓手。实现建筑整体或局部的可重复拆装与再利用，是未来建筑设计必须面对的新问题，也是建筑行业由粗犷型向精细型转变的重要特征。本文提出可重复装配建筑的4个技术要点：标准化可变空间设计技术、构件组独立组合设计技术、三级装配建造技术和可逆连接技术，并以2018年中国国际太阳能十项全能竞赛的作品C-House的3次重复装配为例进一步阐释上述技术要点。同时通过C-House的3次重复装配，验证了可重复装配建筑技术对于延长建筑寿命、减少建筑全生命周期碳排放量的可行性，为我国建筑行业碳达峰、碳中和的战略目标探寻了一条新的技术路线。同时也希望以C-House作为起点，推动更多建筑的构件系统实现可重复装配，从而尽早达成“双碳”目标，实现建筑资源的最大化利用和可持续发展。