装配式建筑设计的材料选择与可持续性考量

文／王果 安徽省金田建筑设计咨询有限公司 安徽合肥 230051

引言：

随着城市化进程的加速和人们对高效、绿色建筑需求的提升，装配式建筑在现代建筑领域中扮演着日益重要的角色。然而，装配式建筑设计过程中的材料选择与可持续性问题成为亟待解决的挑战。本文将系统研究装配式建筑设计中，如何在材料选择方面考虑可持续性因素，以实现生态友好的建筑目标。

1.装配式建筑建造的基本原理

装配式建筑建造是一种将建筑构件在工厂内预制完成，然后运至现场进行组装和安装的建筑方法。其基本原理包括以下几个方面：（1）工厂预制：装配式建筑的核心思想是在工厂内对建筑构件进行预制[1]。各种构件，如墙板、楼板、柱子等，会在具备标准化生产设备和工艺的工厂中进行精确的制造和装配。这样可以保证构件的质量和尺寸的准确性。（2）节约时间和成本：由于在工厂环境下进行预制，装配式建筑可以避免受到天气和季节的限制，节约了施工时间。此外，由于材料的规模化生产和集中采购，装配式建筑施工可以降低材料成本和人力成本。（3）交付与安装：完成预制的建筑构件将通过运输工具运至现场。现场施工时，只需进行简单的组装和安装即可。相比传统的现场施工，装配式建筑施工的安装速度更快、更高效。（4）灵活性和可重复性：装配式建筑施工提供了更大的设计灵活性。通过模块化设计，可以根据项目需求进行构件的组合和配置。同时，装配式建筑的构件是可重复使用的，可在不同项目中重复利用，减少资源浪费。

2.当前装配式建筑存在的问题

2.1 材料选择与质量控制

（1）材料选择多样性：装配式建筑需要使用不同类型的材料，如钢结构、混凝土、木材、复合材料等。然而，不同材料的性能、质量和适用范围各不相同，选择合适的材料对于保证建筑的质量至关重要。在实际应用中，对于某些特殊场景或要求，可能缺乏符合标准的、经过验证的材料选择指南。

（2）材料质量不稳定：装配式建筑所需的预制构件通常采用批量生产的方式进行制造。然而，由于生产环境的差异、工艺和工人水平的不一致以及厂家管理的差异等原因，给材料的质量带来了一定的不确定性。部分厂家可能无法达到质量标准，导致材料强度不足、外观尺寸偏差较大等问题。

（3）质量控制难度大：装配式建筑涉及大规模的材料加工和构件生产及安装，加之涉及多个环节和参与方，质量控制变得更加复杂和困难。从原材料的采购到生产过程中的质量控制，再到构件运输和现场安装的监督，需要有效的管理和监督机制以确保每个环节的质量可控。

（4）缺乏标准和规范：在一些地区，装配式建筑施工的标准和规范仍不完善。缺乏统一的技术规程和检测标准，使得质量控制更加困难。同时，缺乏对装配式建筑材料及构件的强制性认证制度，使得市场上存在质量良莠不齐的产品。

2.2 环境适应性

（1）气候适应性：不同地区的气候条件存在差异，装配式建筑需要能够适应各种气候条件，包括寒冷地区、炎热地区、高海拔地区等。然而，一些装配式建筑在设计过程中未能充分考虑气候因素，导致建筑外观、保温、通风等方面的性能不符合当地气候条件的要求。

（2）地理适应性：不同地理环境的装配式建筑需要具备相应的适应性。例如，在地震设防地区，装配式建筑需要采用抗震设计，且比传统建筑更为严格；在海滨地区，装配式建筑设计需要考虑防腐蚀和抗盐碱性能。然而，目前的装配式建筑在某些地区的适应性方面仍存在不足，缺乏特定地区的技术指导和规范。

（3）建筑密封性和隔音性：装配式建筑的构件之间连接方式直接影响建筑的密封性和隔音性能。一些装配式建筑在连接处存在漏风、渗水等问题，导致建筑的能源效率下降和室内环境质量不佳。

（4）建筑保温和节能性能：装配式建筑需要在保温和节能方面具备良好的性能，以降低能源消耗。然而，一些装配式建筑的保温材料选择和施工方式不合理，导致保温性能差，无法满足当地的能耗要求。保温层过厚也会带来外叶墙脱落的安全隐患。

2.3 建筑设计灵活性

（1）模块化限制：装配式建筑设计通常采用模块化设计和生产方式，这导致了装配式建筑设计的灵活性受限。因为设计必须适应预制构件的尺寸和形状，从而限制了建筑形式和结构的多样性。某些非常规或定制化的建筑设计难以实现，因为模块化系统往往无法满足特殊形状或复杂结构的要求。不按模块化设计的装配式建筑其造价也必然大于传统建筑，导致经济性较差。

（2）室内空间布局限制：由于模块化的特点，装配式建筑在室内空间布局方面存在一定的限制[2]。标准化的构件尺寸和连接方式可能限制了内部空间的自由度和个性化设计。对于需要特定功能或灵活布局的建筑项目，装配式建筑难以提供高度个性化的解决方案。

（3）变化和扩展困难：装配式建筑的构件通常是在工厂环境下预制完成，然后运输到现场组装。这意味着在现场进行建筑变化、扩展或改造相对困难。传统的施工方式可以更容易地根据实际需求进行调整，而装配式建筑则需要更多的计划和准备工作才能进行变动。

（4）建筑外观单一化：装配式建筑的模块化性质可能导致建筑外观单一化的问题。大量相似的构件在不同建筑中被重复使用，缺乏个性化和独特性。这对于注重建筑美学和文化表达的项目存在挑战，无法满足设计师和业主对建筑外观的多样性要求。

2.4 建筑标准和规范

（1）不完善的标准体系：目前装配式建筑领域的标准体系相对不完善，难以确保装配式建筑在设计、生产和施工等环节的安全性、质量和可靠性。这导致了不同企业之间标准的不一致性，造成了市场的混乱。

（2）缺乏全面统一的规范标准：传统建筑行业已经具备较为完善的标准体系和规范。然而，目前装配式建筑的设计及施工规范标准不够全面，全国各地的标准规范不统一，使得相关技术和工艺无法得到有效的指导和规范。

（3）技术更新滞后：装配式建筑技术日新月异，不断涌现出新的材料、设备和施工方法。然而，建筑标准和规范更新的速度滞后于技术的发展，无法及时适应和引导行业的进步。这导致一些先进的装配式建筑技术无法得到充分应用，同时也存在一些老旧标准的使用，无法满足装配式建筑发展的需要。

（4）设计单位对标准规范不熟悉：装配式建筑是近几年才兴起的建造方式，很多设计人员对装配式建筑的标准规范理解不够，装配式建筑的设计跟传统建筑设计方式是不同的，需要在设计过程中考虑建筑美观，建筑功能，同时还要考虑构件的拆分、生产、运输及安装的全过程。

（5）装配式建筑行业监管和执法的薄弱也是一个问题。由于行业标准和规范的不全面，监管机构难以对装配式建筑项目进行有效监督和检查，维护市场秩序和消费者权益。

2.5 资源消耗和回收利用

（1）资源消耗：装配式建筑在生产过程中需要大量的原材料，如钢材、混凝土、木材等。这些原材料的采集和加工过程会消耗大量的能源和水资源，并产生固体废弃物和排放物。由于装配式建筑在短时间内完成，对原材料的需求量较大，可能导致资源的过度消耗和产生环境压力。

（2）废弃物处理：装配式建筑在施工和拆除过程中产生的废弃物比传统建筑更多。这些废弃物包括旧构件、包装材料、工地废料等。如不妥善处理，将对环境造成负面影响。然而，目前废弃物的回收利用和处理体系还不够健全。缺乏有效的回收和再利用机制，导致很多废弃物最终进入垃圾填埋场或焚烧处理，浪费了可再生的资源。

（3）循环经济缺失：装配式建筑领域尚未形成完善的循环经济模式。在建筑的设计、材料选择和生产过程中，缺乏考虑资源的循环利用和再生利用。材料的选择和使用往往更注重建筑成本和效率，而忽视了资源的可持续利用。这导致了大量的资源浪费和环境压力。

（4）缺乏标准化指导：目前，关于装配式建筑资源消耗和回收利用的标准和指导还相对不完善。缺乏统一的评估方法和指标体系，难以对不同装配式建筑项目的资源消耗和回收利用进行有效的评估和比较。同时，缺乏相关政策和法规的支持，使得企业对资源节约和回收利用的意识和行动不足。

3.解决问题的措施

3.1 加强材料质量控制和标准制定

（1）强化供应链管理：装配式建筑的材料供应涉及到多个环节，包括原材料采购、运输、加工等。加强供应链管理可以确保每个环节的材料质量符合标准要求。建立健全的供应商评估机制，选取可靠的供应商，并与供应商建立长期合作关系，确保所采购的材料的质量可控。

（2）设立材料质量检测机构：在装配式建筑施工中，设立专门的材料质量检测机构非常必要。该机构可以负责对各类材料进行抽样和检测，确保其达到相关的质量标准。检测项目可以涵盖材料的力学性能、耐久性、防火性能等多个方面，以确保施工过程中使用的材料具备良好的质量。

（3）制定标准规范：加强材料质量控制需要制定相应的标准规范。这些规范可以包括材料的技术指标、使用标准、质量检测方法等。制定标准规范可以统一材料质量的要求，提高整个行业的质量水平，并为监督检查提供依据。

（4）强化质量管理体系：装配式建筑施工需要建立完善的质量管理体系。这包括从材料采购到施工过程的全过程质量控制。设立严格的质量验收程序，建立合理的质量评估指标和检查机制，对施工现场进行定期检查和监督，及时发现和纠正质量问题，确保装配式建筑的质量可靠。

（5）引入第三方质量监督机构：为了提高材料质量的独立性和公正性，可以引入第三方质量监督机构进行监督和评估。这些机构可以对材料供应商、生产企业和施工单位进行质量审查和监督，确保质量控制的客观性和有效性。

3.2 提高环境适应性

（1）材料选择与设计：在装配式建筑的设计过程中，应考虑环境因素，如气候、地理位置等。选择与当地环境相适应的材料，例如采用可再生材料、低碳材料和环保材料，以减少对自然资源的消耗和环境的影响。同时，在设计上要注重建筑的通风、遮阳、保温等性能，以提高建筑的能源效益和舒适性。

（2）节能与能源利用：装配式建筑应注重节能，例如利用先进的节能技术和设备，如高效隔热材料、太阳能光伏系统、地源热泵等，以减少能源的消耗和二氧化碳的排放。同时，通过科学规划建筑布局，合理利用自然光和自然通风，减少对人工照明和机械通风的需求，降低对能源的依赖。

（3）水资源管理：装配式建筑应注重水资源的合理利用和管理。可以采用废水收集系统，将雨水或构件生产过程中的废水回收后再处理利用，节约水资源。

（4）建筑循环利用：装配式建筑应注重建筑废弃物的处理与再利用。在施工结束后，要对不再需要的构件和材料进行分类、回收和再利用，以减少废弃物的排放。可以推行建筑物料回收体系，将能够再利用的部分重新加工使用，减少对新材料的需求，实现建筑材料的循环利用。

（5）生态环境保护：装配式建筑应注重生态环境的保护。在建设过程中，要尽量减少对周边自然环境的破坏，避免对生态系统的不良影响。可通过植物绿化、保护野生动植物栖息地等方式，提高建筑与自然环境的融合性，增强建筑的生态适应性。

3.3 完善标准和规范

（1）完善统一的行业标准：针对不同类型的装配式建筑及装配式建筑施工过程中的各个环节，建立统一的行业标准是必要的。这包括材料选用、设计规范、构件制造、运输安装等方面的标准。通过制定明确的技术要求和验收标准，使各参与方在实施过程中有明确的依据，提高施工质量的可控性和一致性。

（2）完善质量控制规范：装配式建筑施工的特点决定了需要制定更加细致的质量控制规范。这包括材料质量检测、构件生产过程控制、施工现场质量管控等方面的规范。规定关键节点的质量要求和控制方法，确保每个环节都符合要求，从而提高整体质量水平。

（3）引入第三方评估和监测机制：为了确保标准和规范的有效执行，可以引入第三方评估和监测机制。通过独立的专业机构对施工过程和成果进行评估和监测，确保其符合标准和规范要求。这可以增强质量控制的公正性和客观性，提高建筑质量的可信度。

（4）加强培训和技能认证：装配式建筑施工涉及吊装工、灌浆工等多个专业领域，需要各参与方具备相应的技术和操作能力。因此，应加强相关人员的培训和技能认证。通过建立健全的培训体系和技能认证机制，提升从设计师到生产工人的整体素质水平，使其能够适应装配式建筑的要求，并熟练掌握装配式建筑设计规范和施工规范的相关要求。

（5）完善配套法律法规和政策支持：为了推动标准和规范的实施，需要制定相应的法律法规和政策支持。相关部门可以出台行业标准、建筑法规和质量管理办法等文件，明确责任主体和监督机制，并加强对违规行为的查处和处罚，形成科学合理的监管体系。通过完善标准和规范，可以推动装配式建筑施工的规范化和标准化，提高施工质量和安全性。同时，还能加强行业自律和监督，促进技术进步和创新，推动装配式建筑行业的健康发展。

3.4 推动技术创新和设计灵活性

（1）推动材料和构件的技术创新：装配式建筑需要采用先进的材料和构件，以提高施工效率和建筑质量。可以通过不断推动材料和构件的技术创新，引进新的材料和设备，如大型3D 打印机、自动化生产线等，提升生产效率和质量水平，并降低成本。

（2）加强工艺和系统集成创新：装配式建筑有机结合了工程、制造、建筑和信息技术等多种学科的知识，需要在工艺和系统集成方面不断创新。可以开发新的装配式构件连接方式和工艺流程，采用数字化的设计和生产流程，提高施工效率和工程质量。

（3）优化设计和构思方法：装配式建筑需要满足不同用户的需求和设计灵活性，需要在设计和构思方法上进行不断改进。可以使用BIM技术进行三维建模和优化设计，提高设计效率和精度，同时也可以深度参与建筑设计过程，实现定制化的设计方案。

（4）推广数字化施工管理：装配式建筑施工是涉及多个领域和分布式协作的复杂工程过程，需要借助数字化技术进行施工管理。可以采用数字化的施工地图、质量管理系统和生产计划管理等工具，大幅提高施工效率和质量水平。

（5）强化科技创新和人才培育：推动技术创新和设计灵活性需要强化科技创新和人才培育。可以建立行业联盟，集中研发和应用先进的技术和工艺，同时建立装配式建筑技术与文化交流平台，推广先进技术及最佳实践，提高从业人员的专业技能和素养。

3.5 加强资源管理和循环利用

（1）优化材料和构件选用：装配式建筑需要选择合适的材料和构件，以保证施工质量和建筑性能。可以优选环保、可循环利用的材料和构件，如钢材、木材、混凝土等，并严格控制材料和构件的质量，减少资源浪费。

（2）推广绿色施工理念：装配式建筑施工需要采用绿色施工理念，推广低碳、节能、环保的施工方式。可以采用可再生能源、节能型设备等先进技术，大幅降低能耗和废气排放，实现资源的节约和环境保护。

（3）完善材料和资源回收机制：装配式建筑施工需要建立完善的材料和资源回收机制。可以将废旧材料和构件进行分类和回收，再次利用资源，并采用可再生的建筑材料和构件，延长使用寿命，最大程度地减少浪费和污染。

（4）实现生产和施工中的闭环管理：装配式建筑施工需要实现生产和施工中的闭环管理。可以采用数字化技术，实现施工过程的信息化和透明化，最大程度地减少人为因素的干扰和误差，提高资源利用率和施工效率。

（5）强化节约意识和循环利用教育：加强资源管理和循环利用需要强化节约意识和循环利用教育。可以开展相关培训和宣传活动，引导从业人员和用户关注资源消耗和环境保护问题，提高资源利用效益和循环利用能力。

结语：

本论文综合了装配式建筑设计中材料选择与可持续性考量的相关问题，并提出了一系列解决问题的办法。通过材料选择的合理性与可持续性的结合，可以推动装配式建筑行业的绿色发展，为城市建设与环境保护做出贡献。