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彭翔 徐毅敏 王利峰 | 装配式建筑助力实现“双碳”目标的路径研究
发布日期:2021-10-28 信息来源:十大研究 访问次数: 字号:[ ]

摘要:实现碳达峰、碳中和是一场硬仗。我国力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和,是党中央做出的重大战略决策,事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。“十四五”时期,建筑领域应抓好绿色低碳发展目标,加快推广装配式建筑。装配式建筑高效节能,是建筑行业助力实现“双碳”目标的重要技术路径之一。本文概述了背景情况,梳理分析了创新应用体系,在此基础上结合北京地区某综合楼建筑设计项目,研究了适宜的实施路径方法,并进行体系化的有益探索。为建筑行业通过发展装配式建筑,实现建筑绿色发展,助力实现“双碳”目标提供方法路径。

关键词:装配式建筑;绿色建筑;“双碳”目标;BIM技术

一、装配式建筑背景概述

(一)概念及优势

装配式建筑是一个系统工程,是将预制部品部件通过系统集成的方法在工地装配,实现建筑主体结构构件预制,非承重围护墙和内隔墙非砌筑并实行全装修的建筑。

装配式建筑根据主体结构承重材料的不同,可分为装配式混凝土建筑、装配式钢结构建筑、装配式木结构建筑及装配式混合结构建筑。

主体结构因为采用标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理、智能化应用,从而成为现代工业化生产方式的典型代表[1]。

装配式装修同样也是装配式建筑的倡导方向。装配式装修是将工厂生产的部品部件在现场进行组合安装的装修方式,主要包括干式工法楼(地)面、集成厨房、集成卫生间、管线分离等方面。预制部品部件由于采用标准化的设计、加工模式,产品细节精致,外观美观,安装方便又快捷,可缩短施工工期。构件采用机械化工厂生产,产品质量得到有效控制;施工现场构件机械化操作程度提高,减少现场施工人员配备;周转料具投入量减少,减少材料浪费,料具租赁费用降低;大幅减少施工现场的湿作业量,有利于环保节能,符合绿色建筑的要求[2]。

(二)政策导向

自国家大力推广装配式建筑以来,各省区市响应号召,出台了一系列相关政策并取得了实际的进展。2020年,全国31个省、自治区、直辖市和新疆生产建设兵团新开工装配式建筑共计6.3亿平方米,较2019年增长50%,占新建建筑面积的比例约为20.5%,完成了《“十三五”装配式建筑行动方案》确定的到2020年达到15%以上的工作目标。主要城市及地区装配式建筑推广情况如下:

2020年,京津冀、长三角、珠三角等重点推进地区新开工装配式建筑占全国的比例为54.6%,积极推进地区和鼓励推进地区占45.4%。重点推进地区所占比重较2019年进一步提高。北京市到2022年将实现装配式建筑占新建建筑面积比例达到40%以上,到2025年实现装配式建筑占新建建筑比例达到55%。江苏省到2025年,新开工装配式建筑占同期开工建筑面积比达50%,成品化住房占新建住宅70%,装配化装修占成品住房的30%。广东省到2025年实现新建装配式建筑面积占新建建筑面积的35%以上,其中政府投资工程装配式建筑面积占比达到70%以上。

2021年上半年,全国各地装配式建筑发展目标及扶持政策汇总共有100余条。以北京市为例,自2017年以来,逐年发布各类发展装配式建筑的相关政策文件,大力支持发展并不断提高装配式建筑在新建建筑中的占比。相关政策文件如下[3]:

表1 北京地区相关政策文件

2020年,北京市住房和城乡建设委员会、北京市规划和自然资源委员会、北京市财政局制定了《北京市装配式建筑、绿色建筑、绿色生态示范区项目市级奖励资金管理暂行办法》,对于自愿实施的项目,如满足相应的各项要求,可对其进行一定比例的财政补贴。该暂行办法实施至2023年4月[5]。具体建筑指标要求参见下表:

表2 北京地区财政补贴指标

注:单项目奖励金额最高不超2500万元。已享受奖励的装配式项目,另外取得绿建二星级、三星级标识的,增加奖励金额。达到相对应的绿建星级后,单项目再奖励金额最高不超500万元。

(三)规范依据

为在建筑领域贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念,加快推进建筑业生产方式转变,促进北京市装配式建筑发展,规范装配式建筑评价,自2021年7月1日北京市开始全面执行《装配式建筑评价标准》(DB11/T 1831-2021)。该标准适用于北京市行政区域内民用建筑的装配化程度评价。建筑项目在考虑装配式建筑技术应用时,可根据标准中四大类、十四个评价项的评价要求和评价分值进行选择。详见下表:

表3 北京地区装配式建筑评价要求

二、应用体系梳理

根据清华大学建筑节能研究中心发布的《中国建筑节能年度发展研究报告2021》显示,2019年,我国建筑总量面积达644亿平方米,建筑运行中碳排放总量达22亿吨,民用建筑建造由于建材生产、运输和施工过程导致的CO2排放量已达16亿吨,这二者之和几乎达到我国碳排放总量的40%,成为全社会CO2排放占比最大的部门[6]。

装配式建筑作为实现建筑业减排的主要路径之一,其低碳、新型的主体结构体系、内装体系等建造模式,可以有效地改善老旧、高耗能的建造模式。装配式建筑应用体系一般由结构系统、外围护系统、装修和设备管线分离系统三部分组成,同时辅助信息化技术应用(BIM)。不同体系主要应用方法的技术特点及其对“双碳”的贡献分析如下:

(一)结构系统

结构系统主要由各种混凝土类的预制构件、钢结构、木结构等构成建筑主体结构的承重体系,以混凝土类材料为例,构件形式包括柱、支撑、承重墙、延性墙板等预制竖向构件以及梁、楼板、楼梯、阳台、空调板等预制水平构件。

从《装配式建筑评价标准》可以看出,主体结构占比权重最高。根据水平和竖向构件预制率的不同,在进行装配式建筑评价过程中得分也不同,而且竖向构件的分值比重是水平构件的2倍。

(二)外围护系统

外围护系统即立面系统,分为外挂墙板自承重体系及多种形式的幕墙构件。实现非砌筑非现浇,同时也可选择外围护系统与保温、装饰一体化。外围护系统适宜应用在规律简洁的建筑外立面中。外立面可节约后期维护的成本,外立面效果历久弥新。

立面设计应利用标准化、模块化、系列化的模数组合特点,通过不同饰面材料展现不同肌理与色彩的变化,再通过不同外墙预制构件的灵活组合,实现富有工业化特点的建筑立面效果。

(三)装修和设备管线分离系统

装配式装修是采用干式工法,将内装部品、设备管线等在现场进行组合安装的装修方式。装配式装修凭借其生产效率高、工期短、资源消耗量少、环境污染低等优势被国家大力推广。根据住建部数据显示,2020年,我国采用装配式装修技术实施的建筑面积达7186万平方米,同比增长58.7%。装配式装修作为新型的、迅速发展的内装技术体系,对其碳排放开展研究具有重要的意义[6]。

装配式装修主要方法包括内隔墙非砌筑、干式工法楼(地)面、集成厨房、集成卫生间、管线分离等技术,其中设备管线分离是将电气管线、给(排)水管线、供暖管线通过裸露于室内空间以及敷设在墙地面架空层、龙骨类墙体和吊顶内等多种方式,设置在结构系统之外。装配式建筑应采用全装修做法,并且宜采用装配式装修做法。装配式装修对于室内空间效果的可变性、设备后期运行的可维护性、室内环境的洁净性有益。

(四)辅助信息化技术应用(BIM)

BIM技术在装配式建筑中的应用是为了满足设计、生产、施工全过程的建筑信息模型创建、使用和管理的要求,从而实现建设工程各相关方的协同工作与信息共享。项目都要在平台上、服务器上、在一个模型上进行设计。完成的成果不仅有建筑、结构、管线、内装、甚至包括厨房卫生间、轻钢龙骨、吊顶等。

图1 装配式建筑集成系统

发展装配式建筑有利于节约资源能源,提升劳动生产效率和质量安全水平,减少施工时间与材料浪费,降低施工过程中的耗能和排放。据资料显示,相较传统的施工方式,装配式建筑方式可使每平方米建筑面积节约用水65%、能源37%、钢材2%、木材85%,减少垃圾59%、污水排放65%,生产施工过程中基本消除了粉尘和噪音对环境的影响,最终实现绿色、低碳、节能、环保施工。全生命周期或降低碳排放超过40%,是实现建筑行业“碳达峰”和“碳中和”的重要技术路径[7]。

三、实施路径研究

下面以北京地区某综合楼建筑设计项目为例,针对装配式建筑涉及到的结构系统、外围护系统、装修和设备管线分离系统三部分,结合项目特点及标准定位分析其如何合理经济的选用装配式建筑应用体系技术。同时,针对全生命周期来评价碳排放情况。

根据《关于进一步发展装配式建筑的实施意见》中关于实施范围的规定,该项目为新建公共建筑,但是地上建筑面积未达到2万平方米,可不纳入装配式建筑的计划项目中。该项目原则上无装配率指标要求。

该项目计划借助装配式技术优势,在成本可控的前提下,对实施路径进行研究,实现绿色建造。首先,结构系统方面,针对拟选定的传统钢筋混凝土结构和钢结构体系,通过定性和定量方法对比分析,建议选用钢筋混凝土结构,更为经济合理。其次,鉴于项目特点为标准化功能布局,外立面效果统一,我们重点对装修和设备管线分离系统、内隔墙非砌筑、外围护系统的装配式应用技术进行实施路径研究。

研究成果表明,装修和设备管线分离系统可以在部分空间选用干式楼面及内隔墙非砌筑方案,外围护系统可以选用外挂墙板自承重体系,结合保温、装饰一体化技术,同时在项目过程中辅助信息化技术(BIM)的应用。

图2 实施路径和方法

根据《建筑碳排放计算标准》(GBT 51366-2019)的规范要求,建筑全过程的碳排放包括建筑运行阶段、建筑建造及拆除阶段、建材生产及运输阶段等3个部分,其中,生产环节与部品的各种材料加工有关,运输环节与部品的重量、运输方式以及运输距离有直接关系,安装环节与安装机械类型和安装时间相关,运维环节直接由使用功能和使用量决定,拆卸环节取决于拆卸机械类型与拆卸时间,回收环节包括部品回收处理所引起的碳排放。

(一)内装系统

该项目建筑功能以办公为主,地上十层,平面布局方正。首层为大厅、展示区及餐饮,二层至五层为出租办公,六层至八层为自用办公,九层为会议及活动用房,十层为活动用房。装配式内装系统适合标准化、批量化生产安装,建筑六层至十层为自用,功能简单明确,装修标准化程度高,建议在六层至十层选用干式工法楼面和内隔墙非砌筑,可同时实现墙面和地面部位的水、暖、电管线与主体结构分离,提升施工效率、提高标准化的装修质量、利于后期维护。

1.干式工法楼面

(1)技术概述

传统楼面做法为湿法铺摊砂浆施工方法,包括找平层、结合层、水泥砂浆粘贴面砖等多道工序,必要的管线将敷设其中。干式工法楼面做法采用架空自调平地面支撑系统,配合复合地面装饰材料,如地板、干法地砖等。干式工法楼面设置地面检修口,内部的架空层可用于安装各类管线,达到管线与主体楼地面结构分离。

干式工法楼面饰面可选用复合木材、复合瓷砖、复合石塑地面等多种面层材料,可以营造舒适自然、丰富多样的使用环境。

图3 办公空间效果

图4 办公区及运动场效果

(2)实施方法

由调节支脚和架空格栅组成的调平模块空腔中不仅可以敷设管线,而且缩短了架空高度,节省了室内空间,实现管线分离;饰面地板模块单独可拆卸,实现设备和管线的可视化,便于后期设备和管线的检修及更换,参见下图。若选用地暖采暖,干法楼面可以组合采暖模块,在架空格栅上直接安装地暖模块,并可直接敷设饰面地板,导热快速。

图5 干式工法地面模块示意图

(3)对比分析

2.内隔墙非砌筑

(1)技术概述

传统内隔墙常用材料为多孔砖、混凝土砌块及石膏龙骨隔墙等。装配式内隔墙板主要包括ALC板(Autoclaved Lightweight Concrete,蒸压加气混凝土板)、轻钢龙骨内墙隔板等,其中ALC板中间为空心,成品板材工业化生产、现场拼装,其施工效率是传统砖砌体的4~5倍,取消了现场砌筑和抹灰工序;轻钢龙骨内墙隔板可根据实际需要采用纤维石膏板或硅酸钙板,管线通过龙骨来实现分离。

装配式内隔墙,做法可选择ALC板或轻钢龙骨墙体系,意向效果如下图。以内隔墙200mm厚为例,ALC板构造为75mm厚ALC条板+50mm厚空腔+75mm厚ALC条板。轻钢龙骨墙体构造为膜饰面或涂料+硅酸钙板基层+墙面龙骨挂装系统。

图6 办公空间效果

(2)实施方法

实施方法以轻钢龙骨内墙隔板为例,整个内隔墙体系由轻钢龙骨隔墙体,横向龙骨,饰面材料组成,敷设管线时,可在轻钢龙骨隔墙体空腔中安排布置,不受传统点位布置的局限。

图7 轻钢龙骨隔墙体示意图

(3)对比分析(以200mm厚内隔墙为例)

(二)外墙挂板系统

1.技术概述

外墙挂板系统是集外墙装饰面,例如面砖、石材、涂料、装饰混凝土等形式、保温材料于一体,工厂生产一次成型,工艺外观效果优于传统外墙,省去了建筑外装修的环节。外墙挂板常见类型按材料类型分为普通混凝土外墙挂板及轻骨料混凝土外墙挂板。

随着技术创新,ECP板(Extruded Cement Panel,挤出水泥板)是近年国内出现的一种新型建筑围护装饰一体材料。主要原材料为硅酸盐水泥、纤维、硅质材料,通过真空高压挤出成型,进行低温蒸汽养护,出养护窑之后进行自然养护或者高温高压蒸汽养护制成。ECP水泥制品墙板具有强度高、重量轻、表现力强、耐久性好、性价比高等特点。

2.做法效果

外墙挂板系统可通过多种形式实现丰富的立面效果。传统做法是选用不同材质的幕墙构件进行拼装组合。例如可采用清水混凝土外挂墙板、反打石材预制外挂墙板、玻璃幕墙、混凝土薄板、陶板等多种形式的幕墙构件,拼装组合形成丰富的立面形式。多种幕墙的有序组合,结合横纵遮阳板的规律使用,打破了传统装配式呆板、单调的固有模式。

通过技术的不断发展和革新,同一种外墙挂板材质,也可以通过自身机理和颜色的不同打造丰富而有质感的立面效果。ECP板按照表现加工工艺分为清水饰面板、表面涂装板和基层板材。宽度规格为500~600mm,生产长度规格为5m。ECP装配式外墙安装构造,内墙是ALC墙板,外做岩棉保温,覆防水透气膜,空气层外挂ECP板。面板可以制成不同的肌理效果,并且饰面颜色选择多样化。

图8 ECP板外墙挂板效果

(三)辅助信息化技术应用(BIM)

装配式技术的应用是为了实现建筑行业全面、系统化的精密建造,BIM技术的应用起到辅助精细化设计、加工、装配的作用,采用BIM技术的装配式建筑过程可以最大化的产生叠加效应。

该项目建议采用的外墙挂板、干式工法楼面、内隔墙非砌筑、管线分离技术,均可采用BIM技术进行协同设计,从而提升设计效率,优化整合预制构件的生产。

图9 BIM技术在不同建设阶段的应用

具体路径及方法包括设计阶段提供装配式部品部件的BIM信息化模型,部品部件的生产由BIM技术辅助进行,基于BIM模型进行物料清单及信息的统计,将大大提高运维阶段的管理水平。

(四)碳排放分析

装配式建筑核心本质是将传统现场人工作业方式转变成工业产品,从而大幅提高建造效率。部品经过工厂生产集成,在现场高效安装,替代了传统低效率、人工作业模式。装配式部品在全生命周期的六个环节生产、运输、安装、运维、拆除、回收中,生产环节的能源消耗占比最大,而在运输、安装等其他环节的能源消耗占比较小。传统建造所需的主要材料重量明显大于装配式建筑,材料需求量大带来了材料生产、运输、安装、拆除、回收各环节的碳排放量大幅上升。

据调查研究,碳排放量数据对比,以装配式干式工法装修地面应用技术为例,装配式地面做法比传统装修地面做法减少碳排放量达73%。在运维使用阶段,传统及装配式地面均是供暖产生的碳排放,能源消耗数据基本一致。而在其余生产、运输、安装、拆除、回收各阶段,装配式地面的碳排放量均远低于传统地面的碳排放量,可大幅度节约能源。由此可以推算,装配式内装修、装配式结构体系及外墙维护体系均会对减少碳排放做出巨大贡献。

四、研究结论及建议

本文概述了装配式建筑的相关背景,梳理分析了应用体系,以北京地区某综合楼建筑设计项目为例,结合政策背景及项目需求,研究适宜的装配式技术应用路径、对“双碳”目标的贡献,并进行对比分析,总结主要观点并提出建议如下:

(一)从装配式建筑的背景和优势看,推广装配式建筑势在必行。装配式建筑的应用技术具有资源可回收利用、安全、节能环保,施工周期短、抗震性能好等特点。大力推广和发展,是保障建筑业实现碳减排目标的必要手段和措施,为实现国家“双碳”目标提供有效支撑。

(二)从具体建筑项目的实施方面看,在方案阶段着手研究应用体系的实施路径,有助于指导装配式建筑合理化落地。建议发挥装配式建筑的技术优势,结合政策及规范标准,根据项目特点和需求,对应用体系中的四大类、十四个评价项进行技术清单组合式方案分析比选,提供安全、可靠、经济、合理的装配式建筑应用技术方案。

(三)从技术层面助力“双碳”目标看,长期以来,高耗能、高污染的发展局面急需改变,寻找一条绿色低碳循环的发展道路。装配式建筑恰好满足了绿色低碳的发展方向。从碳排放分析结果可以看出,仅考虑地面装修的情况下,装配式地面比传统地面做法减少碳排放量达73%。若计算整体建筑装配式建筑的碳排放量,预计至少比传统建造做法减少80%。基础部品是发展装配式建筑的核心产品,加快基础部品研发和推广是建筑行业提高建造效率、发展装配式建筑、减少碳排放的重要抓手。

参考文献

[1] 郭灶忠.预制装配式建筑工程施工技术探讨[J].建筑·建材·装饰.2018.

[2] 装配式装修设计的分析与研究[J].建筑·建材·装饰.2018.

[3] 协力共创新时期为行业发展建言献策[J].混凝土世界.2020.

[4] 王克印.基于BIM的装配整体式混凝土建筑结构工程施工质量评价研究[D].中国矿业大学.2019.

[5] 刘戈,李楠.装配式混凝土建筑发展及研究现状[J].建筑技术.2020.

[6] 王强,王炜,石利汝,王瑶.装配式装修基础部品低碳化及重要性研究[J].世界建筑.2021.

[7] 全面推进建筑节能 助力实现“双碳”目标[N].中国建材报.2021.

注:文中部分图片来源于网络。




 
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