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        中咨視界

        彭翔 徐毅敏 王利峰 | 裝配式建筑助力實現“雙碳”目標的路徑研究
        發布日期:2021-10-28 信息來源:中咨研究 訪問次數: 字號:[ ]

        摘要:實現碳達峰、碳中和是一場硬仗。我國力爭2030年前實現碳達峰,2060年前實現碳中和,是黨中央做出的重大戰略決策,事關中華民族永續發展和構建人類命運共同體?!笆奈濉睍r期,建筑領域應抓好綠色低碳發展目標,加快推廣裝配式建筑。裝配式建筑高效節能,是建筑行業助力實現“雙碳”目標的重要技術路徑之一。本文概述了背景情況,梳理分析了創新應用體系,在此基礎上結合北京地區某綜合樓建筑設計項目,研究了適宜的實施路徑方法,并進行體系化的有益探索。為建筑行業通過發展裝配式建筑,實現建筑綠色發展,助力實現“雙碳”目標提供方法路徑。

        關鍵詞:裝配式建筑;綠色建筑;“雙碳”目標;BIM技術

        一、裝配式建筑背景概述

        (一)概念及優勢

        裝配式建筑是一個系統工程,是將預制部品部件通過系統集成的方法在工地裝配,實現建筑主體結構構件預制,非承重圍護墻和內隔墻非砌筑并實行全裝修的建筑。

        裝配式建筑根據主體結構承重材料的不同,可分為裝配式混凝土建筑、裝配式鋼結構建筑、裝配式木結構建筑及裝配式混合結構建筑。

        主體結構因為采用標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理、智能化應用,從而成為現代工業化生產方式的典型代表[1]。

        裝配式裝修同樣也是裝配式建筑的倡導方向。裝配式裝修是將工廠生產的部品部件在現場進行組合安裝的裝修方式,主要包括干式工法樓(地)面、集成廚房、集成衛生間、管線分離等方面。預制部品部件由于采用標準化的設計、加工模式,產品細節精致,外觀美觀,安裝方便又快捷,可縮短施工工期。構件采用機械化工廠生產,產品質量得到有效控制;施工現場構件機械化操作程度提高,減少現場施工人員配備;周轉料具投入量減少,減少材料浪費,料具租賃費用降低;大幅減少施工現場的濕作業量,有利于環保節能,符合綠色建筑的要求[2]。

        (二)政策導向

        自國家大力推廣裝配式建筑以來,各省區市響應號召,出臺了一系列相關政策并取得了實際的進展。2020年,全國31個省、自治區、直轄市和新疆生產建設兵團新開工裝配式建筑共計6.3億平方米,較2019年增長50%,占新建建筑面積的比例約為20.5%,完成了《“十三五”裝配式建筑行動方案》確定的到2020年達到15%以上的工作目標。主要城市及地區裝配式建筑推廣情況如下:

        2020年,京津冀、長三角、珠三角等重點推進地區新開工裝配式建筑占全國的比例為54.6%,積極推進地區和鼓勵推進地區占45.4%。重點推進地區所占比重較2019年進一步提高。北京市到2022年將實現裝配式建筑占新建建筑面積比例達到40%以上,到2025年實現裝配式建筑占新建建筑比例達到55%。江蘇省到2025年,新開工裝配式建筑占同期開工建筑面積比達50%,成品化住房占新建住宅70%,裝配化裝修占成品住房的30%。廣東省到2025年實現新建裝配式建筑面積占新建建筑面積的35%以上,其中政府投資工程裝配式建筑面積占比達到70%以上。

        2021年上半年,全國各地裝配式建筑發展目標及扶持政策匯總共有100余條。以北京市為例,自2017年以來,逐年發布各類發展裝配式建筑的相關政策文件,大力支持發展并不斷提高裝配式建筑在新建建筑中的占比。相關政策文件如下[3]:

        表1 北京地區相關政策文件

        2020年,北京市住房和城鄉建設委員會、北京市規劃和自然資源委員會、北京市財政局制定了《北京市裝配式建筑、綠色建筑、綠色生態示范區項目市級獎勵資金管理暫行辦法》,對于自愿實施的項目,如滿足相應的各項要求,可對其進行一定比例的財政補貼。該暫行辦法實施至2023年4月[5]。具體建筑指標要求參見下表:

        表2 北京地區財政補貼指標

        注:單項目獎勵金額最高不超2500萬元。已享受獎勵的裝配式項目,另外取得綠建二星級、三星級標識的,增加獎勵金額。達到相對應的綠建星級后,單項目再獎勵金額最高不超500萬元。

        (三)規范依據

        為在建筑領域貫徹落實創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念,加快推進建筑業生產方式轉變,促進北京市裝配式建筑發展,規范裝配式建筑評價,自2021年7月1日北京市開始全面執行《裝配式建筑評價標準》(DB11/T 1831-2021)。該標準適用于北京市行政區域內民用建筑的裝配化程度評價。建筑項目在考慮裝配式建筑技術應用時,可根據標準中四大類、十四個評價項的評價要求和評價分值進行選擇。詳見下表:

        表3 北京地區裝配式建筑評價要求

        二、應用體系梳理

        根據清華大學建筑節能研究中心發布的《中國建筑節能年度發展研究報告2021》顯示,2019年,我國建筑總量面積達644億平方米,建筑運行中碳排放總量達22億噸,民用建筑建造由于建材生產、運輸和施工過程導致的CO2排放量已達16億噸,這二者之和幾乎達到我國碳排放總量的40%,成為全社會CO2排放占比最大的部門[6]。

        裝配式建筑作為實現建筑業減排的主要路徑之一,其低碳、新型的主體結構體系、內裝體系等建造模式,可以有效地改善老舊、高耗能的建造模式。裝配式建筑應用體系一般由結構系統、外圍護系統、裝修和設備管線分離系統三部分組成,同時輔助信息化技術應用(BIM)。不同體系主要應用方法的技術特點及其對“雙碳”的貢獻分析如下:

        (一)結構系統

        結構系統主要由各種混凝土類的預制構件、鋼結構、木結構等構成建筑主體結構的承重體系,以混凝土類材料為例,構件形式包括柱、支撐、承重墻、延性墻板等預制豎向構件以及梁、樓板、樓梯、陽臺、空調板等預制水平構件。

        從《裝配式建筑評價標準》可以看出,主體結構占比權重最高。根據水平和豎向構件預制率的不同,在進行裝配式建筑評價過程中得分也不同,而且豎向構件的分值比重是水平構件的2倍。

        (二)外圍護系統

        外圍護系統即立面系統,分為外掛墻板自承重體系及多種形式的幕墻構件。實現非砌筑非現澆,同時也可選擇外圍護系統與保溫、裝飾一體化。外圍護系統適宜應用在規律簡潔的建筑外立面中。外立面可節約后期維護的成本,外立面效果歷久彌新。

        立面設計應利用標準化、模塊化、系列化的模數組合特點,通過不同飾面材料展現不同肌理與色彩的變化,再通過不同外墻預制構件的靈活組合,實現富有工業化特點的建筑立面效果。

        (三)裝修和設備管線分離系統

        裝配式裝修是采用干式工法,將內裝部品、設備管線等在現場進行組合安裝的裝修方式。裝配式裝修憑借其生產效率高、工期短、資源消耗量少、環境污染低等優勢被國家大力推廣。根據住建部數據顯示,2020年,我國采用裝配式裝修技術實施的建筑面積達7186萬平方米,同比增長58.7%。裝配式裝修作為新型的、迅速發展的內裝技術體系,對其碳排放開展研究具有重要的意義[6]。

        裝配式裝修主要方法包括內隔墻非砌筑、干式工法樓(地)面、集成廚房、集成衛生間、管線分離等技術,其中設備管線分離是將電氣管線、給(排)水管線、供暖管線通過裸露于室內空間以及敷設在墻地面架空層、龍骨類墻體和吊頂內等多種方式,設置在結構系統之外。裝配式建筑應采用全裝修做法,并且宜采用裝配式裝修做法。裝配式裝修對于室內空間效果的可變性、設備后期運行的可維護性、室內環境的潔凈性有益。

        (四)輔助信息化技術應用(BIM)

        BIM技術在裝配式建筑中的應用是為了滿足設計、生產、施工全過程的建筑信息模型創建、使用和管理的要求,從而實現建設工程各相關方的協同工作與信息共享。項目都要在平臺上、服務器上、在一個模型上進行設計。完成的成果不僅有建筑、結構、管線、內裝、甚至包括廚房衛生間、輕鋼龍骨、吊頂等。

        圖1 裝配式建筑集成系統

        發展裝配式建筑有利于節約資源能源,提升勞動生產效率和質量安全水平,減少施工時間與材料浪費,降低施工過程中的耗能和排放。據資料顯示,相較傳統的施工方式,裝配式建筑方式可使每平方米建筑面積節約用水65%、能源37%、鋼材2%、木材85%,減少垃圾59%、污水排放65%,生產施工過程中基本消除了粉塵和噪音對環境的影響,最終實現綠色、低碳、節能、環保施工。全生命周期或降低碳排放超過40%,是實現建筑行業“碳達峰”和“碳中和”的重要技術路徑[7]。

        三、實施路徑研究

        下面以北京地區某綜合樓建筑設計項目為例,針對裝配式建筑涉及到的結構系統、外圍護系統、裝修和設備管線分離系統三部分,結合項目特點及標準定位分析其如何合理經濟的選用裝配式建筑應用體系技術。同時,針對全生命周期來評價碳排放情況。

        根據《關于進一步發展裝配式建筑的實施意見》中關于實施范圍的規定,該項目為新建公共建筑,但是地上建筑面積未達到2萬平方米,可不納入裝配式建筑的計劃項目中。該項目原則上無裝配率指標要求。

        該項目計劃借助裝配式技術優勢,在成本可控的前提下,對實施路徑進行研究,實現綠色建造。首先,結構系統方面,針對擬選定的傳統鋼筋混凝土結構和鋼結構體系,通過定性和定量方法對比分析,建議選用鋼筋混凝土結構,更為經濟合理。其次,鑒于項目特點為標準化功能布局,外立面效果統一,我們重點對裝修和設備管線分離系統、內隔墻非砌筑、外圍護系統的裝配式應用技術進行實施路徑研究。

        研究成果表明,裝修和設備管線分離系統可以在部分空間選用干式樓面及內隔墻非砌筑方案,外圍護系統可以選用外掛墻板自承重體系,結合保溫、裝飾一體化技術,同時在項目過程中輔助信息化技術(BIM)的應用。

        圖2 實施路徑和方法

        根據《建筑碳排放計算標準》(GBT 51366-2019)的規范要求,建筑全過程的碳排放包括建筑運行階段、建筑建造及拆除階段、建材生產及運輸階段等3個部分,其中,生產環節與部品的各種材料加工有關,運輸環節與部品的重量、運輸方式以及運輸距離有直接關系,安裝環節與安裝機械類型和安裝時間相關,運維環節直接由使用功能和使用量決定,拆卸環節取決于拆卸機械類型與拆卸時間,回收環節包括部品回收處理所引起的碳排放。

        (一)內裝系統

        該項目建筑功能以辦公為主,地上十層,平面布局方正。首層為大廳、展示區及餐飲,二層至五層為出租辦公,六層至八層為自用辦公,九層為會議及活動用房,十層為活動用房。裝配式內裝系統適合標準化、批量化生產安裝,建筑六層至十層為自用,功能簡單明確,裝修標準化程度高,建議在六層至十層選用干式工法樓面和內隔墻非砌筑,可同時實現墻面和地面部位的水、暖、電管線與主體結構分離,提升施工效率、提高標準化的裝修質量、利于后期維護。

        1.干式工法樓面

        (1)技術概述

        傳統樓面做法為濕法鋪攤砂漿施工方法,包括找平層、結合層、水泥砂漿粘貼面磚等多道工序,必要的管線將敷設其中。干式工法樓面做法采用架空自調平地面支撐系統,配合復合地面裝飾材料,如地板、干法地磚等。干式工法樓面設置地面檢修口,內部的架空層可用于安裝各類管線,達到管線與主體樓地面結構分離。

        干式工法樓面飾面可選用復合木材、復合瓷磚、復合石塑地面等多種面層材料,可以營造舒適自然、豐富多樣的使用環境。

        圖3 辦公空間效果

        圖4 辦公區及運動場效果

        (2)實施方法

        由調節支腳和架空格柵組成的調平模塊空腔中不僅可以敷設管線,而且縮短了架空高度,節省了室內空間,實現管線分離;飾面地板模塊單獨可拆卸,實現設備和管線的可視化,便于后期設備和管線的檢修及更換,參見下圖。若選用地暖采暖,干法樓面可以組合采暖模塊,在架空格柵上直接安裝地暖模塊,并可直接敷設飾面地板,導熱快速。

        圖5 干式工法地面模塊示意圖

        (3)對比分析

        2.內隔墻非砌筑

        (1)技術概述

        傳統內隔墻常用材料為多孔磚、混凝土砌塊及石膏龍骨隔墻等。裝配式內隔墻板主要包括ALC板(Autoclaved Lightweight Concrete,蒸壓加氣混凝土板)、輕鋼龍骨內墻隔板等,其中ALC板中間為空心,成品板材工業化生產、現場拼裝,其施工效率是傳統磚砌體的4~5倍,取消了現場砌筑和抹灰工序;輕鋼龍骨內墻隔板可根據實際需要采用纖維石膏板或硅酸鈣板,管線通過龍骨來實現分離。

        裝配式內隔墻,做法可選擇ALC板或輕鋼龍骨墻體系,意向效果如下圖。以內隔墻200mm厚為例,ALC板構造為75mm厚ALC條板+50mm厚空腔+75mm厚ALC條板。輕鋼龍骨墻體構造為膜飾面或涂料+硅酸鈣板基層+墻面龍骨掛裝系統。

        圖6 辦公空間效果

        (2)實施方法

        實施方法以輕鋼龍骨內墻隔板為例,整個內隔墻體系由輕鋼龍骨隔墻體,橫向龍骨,飾面材料組成,敷設管線時,可在輕鋼龍骨隔墻體空腔中安排布置,不受傳統點位布置的局限。

        圖7 輕鋼龍骨隔墻體示意圖

        (3)對比分析(以200mm厚內隔墻為例)

        (二)外墻掛板系統

        1.技術概述

        外墻掛板系統是集外墻裝飾面,例如面磚、石材、涂料、裝飾混凝土等形式、保溫材料于一體,工廠生產一次成型,工藝外觀效果優于傳統外墻,省去了建筑外裝修的環節。外墻掛板常見類型按材料類型分為普通混凝土外墻掛板及輕骨料混凝土外墻掛板。

        隨著技術創新,ECP板(Extruded Cement Panel,擠出水泥板)是近年國內出現的一種新型建筑圍護裝飾一體材料。主要原材料為硅酸鹽水泥、纖維、硅質材料,通過真空高壓擠出成型,進行低溫蒸汽養護,出養護窯之后進行自然養護或者高溫高壓蒸汽養護制成。ECP水泥制品墻板具有強度高、重量輕、表現力強、耐久性好、性價比高等特點。

        2.做法效果

        外墻掛板系統可通過多種形式實現豐富的立面效果。傳統做法是選用不同材質的幕墻構件進行拼裝組合。例如可采用清水混凝土外掛墻板、反打石材預制外掛墻板、玻璃幕墻、混凝土薄板、陶板等多種形式的幕墻構件,拼裝組合形成豐富的立面形式。多種幕墻的有序組合,結合橫縱遮陽板的規律使用,打破了傳統裝配式呆板、單調的固有模式。

        通過技術的不斷發展和革新,同一種外墻掛板材質,也可以通過自身機理和顏色的不同打造豐富而有質感的立面效果。ECP板按照表現加工工藝分為清水飾面板、表面涂裝板和基層板材。寬度規格為500~600mm,生產長度規格為5m。ECP裝配式外墻安裝構造,內墻是ALC墻板,外做巖棉保溫,覆防水透氣膜,空氣層外掛ECP板。面板可以制成不同的肌理效果,并且飾面顏色選擇多樣化。

        圖8 ECP板外墻掛板效果

        (三)輔助信息化技術應用(BIM)

        裝配式技術的應用是為了實現建筑行業全面、系統化的精密建造,BIM技術的應用起到輔助精細化設計、加工、裝配的作用,采用BIM技術的裝配式建筑過程可以最大化的產生疊加效應。

        該項目建議采用的外墻掛板、干式工法樓面、內隔墻非砌筑、管線分離技術,均可采用BIM技術進行協同設計,從而提升設計效率,優化整合預制構件的生產。

        圖9 BIM技術在不同建設階段的應用

        具體路徑及方法包括設計階段提供裝配式部品部件的BIM信息化模型,部品部件的生產由BIM技術輔助進行,基于BIM模型進行物料清單及信息的統計,將大大提高運維階段的管理水平。

        (四)碳排放分析

        裝配式建筑核心本質是將傳統現場人工作業方式轉變成工業產品,從而大幅提高建造效率。部品經過工廠生產集成,在現場高效安裝,替代了傳統低效率、人工作業模式。裝配式部品在全生命周期的六個環節生產、運輸、安裝、運維、拆除、回收中,生產環節的能源消耗占比最大,而在運輸、安裝等其他環節的能源消耗占比較小。傳統建造所需的主要材料重量明顯大于裝配式建筑,材料需求量大帶來了材料生產、運輸、安裝、拆除、回收各環節的碳排放量大幅上升。

        據調查研究,碳排放量數據對比,以裝配式干式工法裝修地面應用技術為例,裝配式地面做法比傳統裝修地面做法減少碳排放量達73%。在運維使用階段,傳統及裝配式地面均是供暖產生的碳排放,能源消耗數據基本一致。而在其余生產、運輸、安裝、拆除、回收各階段,裝配式地面的碳排放量均遠低于傳統地面的碳排放量,可大幅度節約能源。由此可以推算,裝配式內裝修、裝配式結構體系及外墻維護體系均會對減少碳排放做出巨大貢獻。

        四、研究結論及建議

        本文概述了裝配式建筑的相關背景,梳理分析了應用體系,以北京地區某綜合樓建筑設計項目為例,結合政策背景及項目需求,研究適宜的裝配式技術應用路徑、對“雙碳”目標的貢獻,并進行對比分析,總結主要觀點并提出建議如下:

        (一)從裝配式建筑的背景和優勢看,推廣裝配式建筑勢在必行。裝配式建筑的應用技術具有資源可回收利用、安全、節能環保,施工周期短、抗震性能好等特點。大力推廣和發展,是保障建筑業實現碳減排目標的必要手段和措施,為實現國家“雙碳”目標提供有效支撐。

        (二)從具體建筑項目的實施方面看,在方案階段著手研究應用體系的實施路徑,有助于指導裝配式建筑合理化落地。建議發揮裝配式建筑的技術優勢,結合政策及規范標準,根據項目特點和需求,對應用體系中的四大類、十四個評價項進行技術清單組合式方案分析比選,提供安全、可靠、經濟、合理的裝配式建筑應用技術方案。

        (三)從技術層面助力“雙碳”目標看,長期以來,高耗能、高污染的發展局面急需改變,尋找一條綠色低碳循環的發展道路。裝配式建筑恰好滿足了綠色低碳的發展方向。從碳排放分析結果可以看出,僅考慮地面裝修的情況下,裝配式地面比傳統地面做法減少碳排放量達73%。若計算整體建筑裝配式建筑的碳排放量,預計至少比傳統建造做法減少80%?;A部品是發展裝配式建筑的核心產品,加快基礎部品研發和推廣是建筑行業提高建造效率、發展裝配式建筑、減少碳排放的重要抓手。

        參考文獻

        [1] 郭灶忠.預制裝配式建筑工程施工技術探討[J].建筑·建材·裝飾.2018.

        [2] 裝配式裝修設計的分析與研究[J].建筑·建材·裝飾.2018.

        [3] 協力共創新時期為行業發展建言獻策[J].混凝土世界.2020.

        [4] 王克印.基于BIM的裝配整體式混凝土建筑結構工程施工質量評價研究[D].中國礦業大學.2019.

        [5] 劉戈,李楠.裝配式混凝土建筑發展及研究現狀[J].建筑技術.2020.

        [6] 王強,王煒,石利汝,王瑤.裝配式裝修基礎部品低碳化及重要性研究[J].世界建筑.2021.

        [7] 全面推進建筑節能 助力實現“雙碳”目標[N].中國建材報.2021.

        注:文中部分圖片來源于網絡。




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