多学科配合下的装配式负碳住宅快速建造实践——以2021迪拜国际太阳能十项全能竞赛作品“X-HOUSE”为例

魏 莹，陈晓星，乔永强，曾志文，熊清清，温庆年

（中建科工集团有限公司 深圳 518054）

0 前言

国际太阳能十项全能竞赛（Solar Decathlon，简称SD）是由美国能源局发起并主办，以全球高校为参赛单位的学生太阳能建筑竞赛［1］，旨在推进太阳能技术的创新发展和深度应用。

科工-华南团队自2019 年起，在参赛作品“XHOUSE”的方案设计、结构设计、生产与建造、跨国海运等问题上密切配合，最终在规定时间内于迪拜太阳能公园顺利落成并运营，斩获竞赛总冠军，如图1所示。

图1 “X HOUSE”建成外景（地点：迪拜）Fig.1 Exterior of X HOUSE（Location: Dubai）

1 精细化设计：以能源策略激活传统

中东大部分地区地处北纬20°～30°，北回归线从中部穿过，光线充足，呈现出日照时间长、强度高的特点［2］。同时，副热带高压及来自亚洲内陆干旱地区东北信风使中东地区承受着干旱少雨且多沙尘的恶劣气候，同时也拥有丰富的太阳能、风能源与海洋能源。X-HOUSE 立足于当地的气候条件与文化背景，整合中东地区传统中庭式住宅与捕风塔的原理与特征，采取弹性空间、高效利用外部资源、智能管理内部循环三大能源策略，以新材料、新技术打造一个未来负碳住宅的原型。

1.1 弹性空间

在中东与北非地区，当地传统民居多采用外围护封闭、向内庭院开放的形式。外墙基本没有窗户，以隔绝热量和保证私密性，房间向中庭开放［3］。中庭不仅能用以接待客人，举办丰富的活动，还能为房屋提供良好的自然采光与通风［4］。X-HOUSE 的室内空间由4 个尺寸相同（3.6 m×3.6 m×8.1 m）的模块拼合而成，它们具有不同的功能属性，以“风车形”围合出一个中心庭院。通过置入可开启的天窗与可调节的侧窗百叶，使得中庭可以与周围的环境联通或隔断，中庭因此成为了气候缓冲区。以之为核心，餐厨模块与中庭3者共同构成了X-HOUSE的公共活动区，折叠门与推拉门的开合实现了公共空间的灵活变换，使其既能分隔成4 个独立控温的小空间，又能组合出若干种不同活动的场所，赋予了住宅空间弹性，如图2所示。

图2 4个模块围合出多功能中庭Fig.2 Four Modules Surround the Multi-function Atrium

1.2 高效利用外部自然资源

对于一栋太阳能住宅而言，外部资源主要包括自然风、自然光、热辐射、太阳能等自然资源。在气候适应性基础上，以一种更高效的方式组织环境的风、光、热来实现室内舒适性，是设计应该探索的命题［3］。

中东地区特有的风塔是当地住宅实现自然通风的被动式节能措施。X-HOUSE 以传统风塔为原型，将主体模块上方的光伏系统抬高0.8 m，形成通风间层，其中置入X 形电动导风板以模拟风塔隔断。该系统通过智能系统控制导风板与中庭侧窗百叶的开合，可却换成3 种模式——提高室内舒适度的的通风模式、提高光伏系统发电效率的冷却模式、极端天气下保护房屋的安全模式，如图3 所示。此外，可开启的天窗、外遮阳门窗百叶等组件也实现了光和热的选择性透过，通过调节天窗遮光帘的开启率与门窗百叶的角度，营造室内活动最舒适的光、热环境。

图3 新风塔的3种通风模式Fig.3 Three Ventilation Modes of Fresh Air Tower

可再生能源系统是实现减少碳足迹和建筑可持续的关键技术。建筑集成光伏（BIPV）是可再生能源系统，可作为建筑围护结构的组成部分，同时产生电能［5］。X-HOUSE 的建筑光伏一体化设计主要有两点体现：①上层屋面采用装机容量最大的水平铺设方式，铺设光电转化效率高达22.5%的N 形单晶硅双面组件，光伏系统同时充当了通风间层的上边界以及建筑的屋顶遮阳系统；②在多功能模块化的室外绿墙上设计了光伏板的连接节点，单晶硅电池与碲化镉电池在抵挡太阳辐射、保护住户私密性的同时，也为建筑提供了额外的直流电。

1.3 智能管理内部物质循环

“可持续性”（Sustainability）是国际太阳能十项全能竞赛的子竞赛之一，会从项目的可持续性、材料、生物与气候策略、积极有效的系统和设备、太阳能系统、节水装置、植被应用方案和废物回收等方面对建筑进行评估。通过设计策略和绿色建造主动地提高建筑内部资源与能量的回用率，能够促进太阳能住宅的可持续发展。

水循环方面，X-HOUSE 利用水质自动监测系统控制初、高级水处理设备，设计了完整的水资源利用与循环系统，其中包含雨水收集、灰水处理、沉淀池等措施，妥善处理市政供水、自然降水、生活用水、灌溉用水、黑水废水之间的关系。灰水分为两级，第一级经过3道处理，可达到90%回用率，第二级经过5道处理，可达到60%回用率。中庭北面嵌入了鱼缸与整面绿墙，与物质循环系统共同组成了鱼菜共生系统，它不仅可供观赏疗愈，还能够吸附空气中的沙尘与微小粒子。鱼菜共生系统的运作有利于建筑内部的水循环与物质循环。

暖通方面，采用新风全热交换机回收排气中的热量，根据室内温度需求，对引入的新风进行预冷或预热，实现能量回收。水冷空调以水作为冷媒，并配置了4条水管使冷热的输送分开进行，使得控温更稳定，热损失更少。通过检测空气中的CO2、PM2.5 浓度，利用高效空气内循环过滤或引入新风实现对空气的净化，为住户提供健康的呼吸环境。

建造是建筑生命周期中极其重要的环节，而建材的选择同样应当遵循物质循环的理念。X-HOUSE 的建造材料中有80%是可回收材料，包括主体结构中的钢结构、木龙骨、隔声板，装饰材料中的胶合板、铝板等。原料的来源是材料选择的考虑因素之一，作品中室内外的地板材料均为95%以上回收材制作，所使用的木材均有FSC（森林管理委员会）认证，如图4所示。

图4 建造材料中的绿色建材Fig.4 Green Building Materials in Construction Materials

在住宅运营过程中，新风塔系统、百叶遮阳系统、水系统、暖通系统、物料循环系统都整合在一个智能控制系统中，如图5 所示。智能管理系统能帮助用户更直观地获取室内指标与能源特征，管理内部物质循环，引导用户在建筑中形成可持续的生活方式。

图5 中控系统示意图与系统面板Fig.5 Schematic and System Panel of Central Control System

2 BIM应用：多学科配合的建造优化策略

国际太阳能十项全能竞赛不仅要求住宅满足各系统功能上的正常运作，也要求团队通过良好的空间组织去协调众多系统。对装配式负碳房屋而言，从方案设计阶段开始即需要兼顾建筑中各功能系统的物理空间关系，基于真实建造的水、电、暖通等的设备管线往往会随着建筑结构与室内布局的优化而不断调整，此时，就需要建筑信息模型（BIM）的介入。在设计过程中BIM 的作用体现在碰撞检测与施工模拟——将所创建的建筑、结构、机电等BIM模型，通过IFC或rvt文件导入专业的碰撞检测与施工模拟软件中，进行结构构件及管线综合的碰撞检测和分析，并对项目整个建造过程或重要环节及工艺进行模拟［6］。

2.1 基于BIM的碰撞检测

X-HOUSE 在方案深化阶段主要应用ARCHICAD 进行建模与建造模拟。设计团队包含建筑学、土木工程、电力、计算机等专业，与各专业对应的建筑部件统一在一个信息模型之中，所有用户可以实时监测模型的更新情况。通过各专业建模和模型整合，利用BIM 模型的碰撞检测软件，进行三维碰撞检测，通过检测反馈不断调整各系统的空间关系，从而减少了施工阶段返工带来的时间损耗。此外，碰撞检测亦优化了管线排布方案，更加合理集成的管线为建筑创造了更多的室内空间。

2.2 基于BIM的施工模拟

碰撞检测优化后的方案，即可进入施工技术交底阶段。利用BIM 技术的三维可视化功能再赋予时间参数，可以进行施工作业模拟和项目虚拟建造。通过施工作业模拟，可以让施工单位、监测单位、业主单位能够掌握完整的数据信息，并通过BIM 技术实时监控施工现场，避免和较少施工安全以及质量问题，提高经济效益［7］。X-HOUSE 采用BIM 技术进行施工模拟，以时间为主轴，妥善规划好人力资源、建筑材料、场地界面、建造措施等参数，在建造实施前制定了一套系统性的施工计划，如图6所示。

图6 基于人-材料-场地-措施制定的施工计划Fig.6 Construction Plan Based on People-Material-Site-Measure

3 预搭建：应对异国建造与快速建造的策略

X-HOUSE 的建造主要面临两个难题：①异国建造；②快速建造。在快速建造的发展趋势下，对施工单位的技术创新能力提出了新的要求［8-9］，BIM施工模拟为建造提供了较完整的计划，然而相较于国内，海外的人力、物资调配等方面必然存在着极大的不确定性。此外，组委会对所有赛队都有严苛的建造时间与空间限制，为此，科工-华南联队在国内进行了两次预搭建。

第一次预搭建在广东省东莞市进行，历时45 d，以完成主体钢结构、硬装系统、内装龙骨系统及防水防潮处理为首要目标，并通过吊装试验控制主体结构的误差，如图7 所示。X-HOUSE 采用国内成熟的轻钢龙骨墙体体系，利用钢结构作为主要承重构件。钢材表面进行除锈处理并喷涂防腐漆，避免被漫长的海运腐蚀而损害主体结构。结构箱体的首次拼装在反复核对与调整下完成，保障了后续屋面墙面木龙骨安装、基层板安装、地面水泥纤维板安装、保温材料填充等硬装工序顺利完成。完成室内装修的节点预埋和龙骨敷设后，房屋按照结构被拆分为若干部分，运输至下一场地进行第二次装配。在此过程中，由于主体结构与硬装系统的完成赋予建筑80%左右的重量，因此吊装过程作为实地建造的一次模拟。第一次预搭建为后续的实战积累经验。

图7 第一次预搭建记录Fig.7 Record of the First Pre-construction

第二次预搭建在广东省广州市进行，依照规划好的施工日程，严格把控施工进度，是一次真实尺度的“实战模拟”，如图8 所示。施工过程可分为主体模块组装、内饰面、水电暖通、景观、外立面与外围护、软装6 个界面。主体模块组装工程包含功能模块拼装、庭院地板结构拼装与屋顶结构拼装；内饰面工程包含天窗安装、墙面与天花面板安装、被动式门窗安装、PVC 地板铺设、踢脚线与收口线条安装、柜体安装；水电暖通工程包含照明、洁具、空调、光热系统等的设备安装、管线敷设与连接测试；景观工程包含中庭绿墙的制作、鱼菜共生系统的营建、室外多功能模块化绿墙的安装、外甲板的铺装、外庭院的景观布置；外立面与围护工程主要包括光伏系统的安装与检测、外墙与屋顶铝板的安装及美缝处理；软装工程作为室内空间品质提升的最终环节，包含家具的组装与布置、家用电器的安装、智能家居系统的调试及房屋整体清洁。在预搭建过程中，各项工程同时开展、交叉配合，团队通过驻场严格把控施工精度与质量，统筹各项资源的调配，以期达到最高的完成度。各项工程之间时常会产生时间或空间的矛盾，团队在现场及时反应、制定相应措施，并将经验整合到后续的真实建造中去。

图8 第二次预搭建记录Fig.8 Record of the Second Pre-construction

国内两次预搭建是对施工计划的检验，在实践中优化建造策略，不仅提高团队异国建造的信心，同时也提高了实地建造的效率。

4 应对多次拆装的策略

在我国，钢结构装配式住宅建筑属于一种新型建筑模式［10-11］，因其绿色环保的建造工法与极高的建造效率，近年来在建筑行业得到越来越广泛的青睐。装配式建造过程的主要问题是拆分与拼装的精准性、有序性及可逆性问题。纵观X-HOUSE 建造全过程，两次预搭建与一次实地建造，经历了多次拆装，一次跨市陆运和一次跨国海运，为应对如此复杂情况，团队实施了以下策略。

由于结构体系本身具有一定的挠度，在吊装过程中建筑部件必然发生形变，导致后续安装的构件难以安装在相应的位置。然而多次吊装造成的实际变形难以提前量化，仅仅通过虚拟的结构计算优化无法尚不足够，针对这一问题，团队以正确的施工方法为前提，给予建造一定的弹性，其主要体现在维护结构的构造方案与构件选择：①采用外挂被动式门窗。被动式门窗是一种兼顾效能、建筑外观和良好舒适度的系统门窗解决方案，而外挂式节点能够避免门窗在拆装过程中受到挤压而损坏，此外干式外挂工法也与门窗多次拆装的需求相吻合；②采用灵活安装的龙骨系统。室内墙面与天花应用铝制如意龙骨系统，面板与龙骨之间为卡扣连接，这一节点能够让内饰面系统易于安装的同时也易于拆卸；外立面的轻质铝板与钢龙骨之间通过螺栓连接，龙骨在构造上预留了宽度，便于消化吊装变形产生的误差；③采用系统化的模块拼缝策略。在装配过程中，各模块之间的缝隙宽度直接反映了施工误差与变形幅度，团队将模块间的拼缝弹性控制在10 mm 之内，在现场根据实测数据重新制作室内盖缝地板、墙板与天花板，由此消减结构变形带来的空间感受差异。外部则通过硅酮密封胶填缝的方式美化外立面铝板之间的拼缝。

5 结语：从真实建造到快速建造

随着产品研发与技术创新，住宅同光伏产品将产生更紧密的结合，从耗能到产能的属性转变亦将是未来的趋势，负碳住宅的设计及建造策略也将不断优化。相较于当代普遍存在的传统住宅，以太阳能为能源的装配式负碳住宅对建筑结构、内部系统及施工都提出了更高的要求。而长距离的运输及多次拆装，则带给住宅设计与建造更大的挑战，装配式负碳住宅是建筑向工业化、绿色化发展的趋势。通过精细化设计整合建筑空间、外部资源，应用BIM 优化建造策略与施工计划，后期采用真实建造实践检验前面两阶段的理论基础，最终保证了多次拆装、跨国运输与快速建造，并实现了住宅良好的负碳性能。X-HOUSE 在建筑设计、模型管理、运输方案、施工建造等方面的实践，为复杂条件下多学科交叉配合快速建成装配式负碳住宅提供理论和实践支撑。