全生命周期視角下的裝配式建筑設(shè)計(jì)趨勢(shì)
——基于可拆卸設(shè)計(jì)的研究

TANG Zheng XU Jingxin

1 概述

1.1 研究背景介紹

建筑在其全生命周期（建造、維護(hù)、翻修、拆除）過程中都在消費(fèi)自然資源。在全球材料生產(chǎn)和消費(fèi)的過程中（按體積計(jì)算），高達(dá)40%的世界廢物產(chǎn)生量（按體積計(jì)算）來源于建造行為[1]，而20%～35%的負(fù)面環(huán)境因素（例如全球變暖和煙霧形成）等是由這些廢棄物產(chǎn)生[2]。如果按照目前人類的消費(fèi)水平，到2050年，全球人口日益增長(zhǎng)的需求將超過對(duì)全球資源庫的大多數(shù)上限[3]。因此，如何從建造、運(yùn)營(yíng)、圍護(hù)與拆卸的全生命周期層面改善資源消耗和相關(guān)環(huán)境影響至關(guān)重要。

裝配式建筑技術(shù)與設(shè)計(jì)方法是目前建筑學(xué)領(lǐng)域研究的前沿之一，也是推廣綠色建筑技術(shù)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要措施。裝配式建筑將建造過程更多地轉(zhuǎn)移到工廠生產(chǎn)，而在施工現(xiàn)場(chǎng)，則通過預(yù)制部品直接裝配，從而減少施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境負(fù)擔(dān)，并提高現(xiàn)場(chǎng)安全性和生產(chǎn)率。目前，我國(guó)對(duì)建筑的預(yù)制率、裝配率進(jìn)行了量化指標(biāo)規(guī)定，較為關(guān)注建筑在部件生產(chǎn)與現(xiàn)場(chǎng)施工階段對(duì)節(jié)能減排的作用，但是，建筑物建成后的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)與拆卸階段對(duì)環(huán)境的影響更大。例如，隨著建筑物施工階段與運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步，拆卸階段的能量消耗逐漸凸顯。在美國(guó)，建造和拆除廢物的年度總量為4.84億t（2014年數(shù)據(jù)），其中90%以上是拆除過程中產(chǎn)生的碎片，因此，建立全生命周期的建筑設(shè)計(jì)評(píng)估機(jī)制刻不容緩[4]。當(dāng)前國(guó)際上已有多種定量分析的工具，可以對(duì)建筑活動(dòng)全程的能量消耗進(jìn)行模擬分析。但是，定量工具的運(yùn)用還未能充分影響到建筑設(shè)計(jì)階段的策劃與預(yù)判過程，這需要我們從建筑學(xué)基本架構(gòu)的視角出發(fā)，反思全生命周期分析方法對(duì)建筑學(xué)本體的反饋?zhàn)饔?，將分析過程中所能歸納的一般規(guī)律反哺到建筑設(shè)計(jì)的方法與策略中。

1.2 可拆卸的裝配式建筑相關(guān)理論簡(jiǎn)介

預(yù)制建筑技術(shù)的探索開始于20世紀(jì)初期，在二次大戰(zhàn)之后呈井噴式發(fā)展?fàn)顟B(tài)。匈牙利建筑師布勞耶（Marcel Breuer）以集成化的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)墻板為基礎(chǔ)材料，創(chuàng)造了基于雕塑性美學(xué)的混凝土建筑體系。20世紀(jì)60年代，荷蘭建筑師約翰·哈伯勒肯（N.John Habraken）開始推動(dòng)開放式建筑運(yùn)動(dòng)（Open Building Architecture），開放式建筑運(yùn)動(dòng)提倡個(gè)人參與式的靈活建造，以提升居住者對(duì)所居住環(huán)境的歸屬感與情感依賴；1959年國(guó)際現(xiàn)代建筑協(xié)會(huì)（CIAM）會(huì)議期間，丹下健三和麻省理工學(xué)院工作室的學(xué)生首次提出日本建筑運(yùn)動(dòng)新陳代謝理論。這兩種理論的一個(gè)共同點(diǎn)是建筑應(yīng)該有機(jī)地增長(zhǎng)，它們需要適應(yīng)隨著城市和人們生活方式的不同而產(chǎn)生的變化，并可以替換。黑川紀(jì)章的中銀膠囊塔是“新陳代謝派”建筑的代表，強(qiáng)調(diào)適應(yīng)性、成長(zhǎng)性和可替換的設(shè)計(jì)思想（圖1、2）。2000年后，裝配式建筑技術(shù)的發(fā)展開始與綠色建筑運(yùn)動(dòng)合流，“預(yù)制建筑”這一概念被“綠色建筑技術(shù)”囊括。美國(guó)能源與環(huán)境設(shè)計(jì)先鋒評(píng)價(jià)體系（LEED-NC）中就有“減少建筑物的全生命周期（環(huán)境）影響”一項(xiàng)，并規(guī)定“歷史建筑再利用”“廢棄建筑再更新”與“建筑材料再循環(huán)”三種做法可獲取相應(yīng)績(jī)點(diǎn)。

1.3 全生命周期評(píng)估方法（LCA）簡(jiǎn)介

建筑的全生命周期，是建筑物最初獲取原材料，至制作成建筑材料再經(jīng)過運(yùn)輸和使用，直到建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維、拆除處理等的完整過程，裝配式建筑的評(píng)價(jià)應(yīng)貫穿建筑全生命周期各個(gè)階段，忽略任何一個(gè)階段，都無法真正對(duì)裝配式建筑綠色工業(yè)化的優(yōu)勢(shì)做出完整客觀的評(píng)價(jià)。我們研究建筑的拆除再利用過程，需要一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)，全生命周期評(píng)價(jià)（Life-Cycle Assessment）是一種可行方式。全生命周期評(píng)價(jià)主要是為設(shè)計(jì)低環(huán)境影響產(chǎn)品而開發(fā)的。建筑的生命周期通常由三個(gè)主要階段組成：生產(chǎn)、管理和破壞[6]。在建筑層面，全生命周期評(píng)價(jià)常用于量化建筑材料、構(gòu)件回收以及再利用的能源和環(huán)境效益。全生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果的主要潛在用戶是房地產(chǎn)開發(fā)商、建筑師和城市規(guī)劃師（圖3）。

圖1 中銀膠囊塔

圖2 中銀膠囊塔建造過程[5]

圖3 建筑活動(dòng)的全生命周期過程圖解

由于執(zhí)行生命周期評(píng)估需要大量數(shù)據(jù)，使用軟件應(yīng)用程序能使研究更加有效。相關(guān)專家開發(fā)了針對(duì)建筑的具體應(yīng)用軟件，以便于提升建筑部門使用全生命周期評(píng)價(jià)的高效性。建筑全生命周期評(píng)估工具有很多，例如：Eco-quantum、Eco-Soft、Simapro、Bees等。將LCA應(yīng)用于建筑中，既有優(yōu)勢(shì)也有障礙。優(yōu)勢(shì)因素包括：簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集過程、量化建筑物的環(huán)境影響、促使建筑物環(huán)境目標(biāo)的制定等。應(yīng)用中的障礙則包括：業(yè)界對(duì)全生命周期評(píng)價(jià)的復(fù)雜性、準(zhǔn)確性和結(jié)果的信任程度低，環(huán)境影響因素知識(shí)和計(jì)算方式的匱乏以及普及度低，對(duì)全生命周期普遍認(rèn)知度低，應(yīng)用程序制造商和潛在客戶之間的溝通配合程度低下，以及與流行的能源認(rèn)證應(yīng)用程序之間的相關(guān)性低等[7]。因此，如何將相關(guān)評(píng)價(jià)方式投入到建筑層面的應(yīng)用當(dāng)中，使其高效便捷易上手，同時(shí)又能夠在建筑經(jīng)濟(jì)中起到重要作用，成為需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵。如，西班牙已經(jīng)有政策制定出如何將LCA應(yīng)用于建筑中，并使其推廣發(fā)揮參考價(jià)值。西班牙的第47/2007號(hào)皇家法令規(guī)定，新建筑或改造建筑的能源效率必須進(jìn)行項(xiàng)目評(píng)級(jí)，人們必須向建筑物的購(gòu)買者或使用者提供該建筑的能效證書，包括建筑物能源特性的客觀信息，以便購(gòu)買者或使用者對(duì)不同建筑的能效進(jìn)行評(píng)估和比較，從而推廣高能效建筑物和節(jié)能投資等。

2 可拆卸再利用的裝配式建筑設(shè)計(jì)

2.1 可拆卸建筑設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

實(shí)現(xiàn)可拆卸的設(shè)計(jì)（Design for Deconstruction，簡(jiǎn)稱DfD）是全生命周期評(píng)價(jià)的目標(biāo)指向。英國(guó)建筑研究院（Building Research Establishment,BRE）較早提出可拆卸設(shè)計(jì)的導(dǎo)則體系，建議導(dǎo)則分為“行為陳述”“效能標(biāo)準(zhǔn)”“行規(guī)導(dǎo)引”三種。具體的導(dǎo)則包括，減少難以拆分的復(fù)合材料構(gòu)件、減少節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件的類型、強(qiáng)化模數(shù)與網(wǎng)格的使用、選擇開放靈活的結(jié)構(gòu)體系、采用清晰標(biāo)識(shí)并可追溯的部件等[8]?？刹鹦对O(shè)計(jì)導(dǎo)則主張采用耐用材料、清晰節(jié)點(diǎn)、開放結(jié)構(gòu)，并能夠在建筑使用壽命結(jié)束時(shí)實(shí)現(xiàn)回收和再利用。綜合BREEAM與LEED等綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以看到，建筑材料拆除后的再利用可分為四種情況（從整體到局部）：①建筑物（剩余主體結(jié)構(gòu)）的重新安置；②建筑部品部件的再利用；③建筑材料的再處理加工；④建筑材料的循環(huán)再利用。在這四種情況中，相對(duì)于再加工或再循環(huán)，建筑物的重新安置或部品再利用被視為是更好的選擇，因?yàn)槠洳恍枰~外的能量，而再加工或再循環(huán)常常需要產(chǎn)生能耗并造成材料降級(jí)，其對(duì)新產(chǎn)品的貢獻(xiàn)也相對(duì)有限。

具體來說，建筑材料的回收仍然會(huì)帶來環(huán)境負(fù)擔(dān)，因?yàn)椴牧媳仨毐皇占?、分類、運(yùn)輸、清潔和預(yù)處理，然后再制造。而在循環(huán)利用過程中，一些建筑材料被降級(jí)為價(jià)值較低的產(chǎn)品，比如將建筑混凝土碾壓粉碎并用作路基材料等。而另一些材料，比如用作結(jié)構(gòu)的金屬材料，需要耗費(fèi)大量的能源來重新熔化它們，這對(duì)環(huán)境有很大的影響。而采用可拆卸設(shè)計(jì)方式，舊建筑拆除的部件及材料可直接用于新項(xiàng)目中，因此減少了廢物處理、新材料制造和回收的相關(guān)成本及能量消耗。由于這些原因，當(dāng)準(zhǔn)備拆除的舊建筑和新建筑的位置相對(duì)較近時(shí)，直接再使用更具有優(yōu)勢(shì)。

可拆卸設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)策略包括：預(yù)制、預(yù)裝配和模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)干式裝配的模塊化零件設(shè)計(jì)，互相具有獨(dú)立性簡(jiǎn)化和分離的建筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以減少建筑部件模板的建筑構(gòu)件種類標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化連接細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，可逆機(jī)械連接的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，適應(yīng)運(yùn)輸物流的模塊設(shè)計(jì)，可重復(fù)使用的部件設(shè)計(jì)，可快速便捷拆卸和移除可重復(fù)使用部件的配件、緊固件、黏合劑和密封劑等。

2.2 可拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，裝配式建筑建造方式已成為我國(guó)重點(diǎn)推進(jìn)的重要建造方式之一，大多數(shù)裝配式混凝土建筑的建造采用裝配式框架結(jié)構(gòu)、裝配式框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)等，在工廠生產(chǎn)預(yù)制外墻板、預(yù)制內(nèi)墻板、預(yù)制陽臺(tái)板、空調(diào)板、預(yù)制樓板、預(yù)制樓梯等裝配式混凝土構(gòu)件，再將其運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)并現(xiàn)場(chǎng)安裝連接這些部件。目前比較普及的連接方式采用套筒灌漿技術(shù)，但是這種方法是不可逆的濕連接方式，無法提供建筑部件重復(fù)使用的可能性。

干連接方式具體包括：焊接、鋼吊架式、螺栓式、牛腿式等，它們具有各自的優(yōu)劣勢(shì)，目前學(xué)術(shù)界對(duì)可拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究主要集中在連接處的設(shè)計(jì)上。一些學(xué)者試圖將新型可拆卸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可解構(gòu)的復(fù)合原型，該原型采用鋼-混凝土的復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖4）；還有學(xué)者試圖設(shè)計(jì)一種新型的預(yù)制混凝土梁柱干連接節(jié)點(diǎn)（圖5）。

第一種鋼-混凝土的復(fù)合可解構(gòu)結(jié)構(gòu)由預(yù)制混凝土板和鋼梁組成，用夾緊連接器相連接。傳統(tǒng)鋼-混凝土復(fù)合地板系統(tǒng)作為商業(yè)和住宅建筑中最常見的結(jié)構(gòu)類型，有效地利用了這兩種材料，鋼受到拉伸而混凝土抵抗壓縮。但是在該系統(tǒng)中，混凝土板與支撐鋼框架系統(tǒng)整體澆鑄，抑制了結(jié)構(gòu)部件的分離和重復(fù)使用。新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用可回收利用材料，而夾緊連接器中的可拆卸螺栓使預(yù)制混凝土板和鋼梁能夠拆卸，并在未來項(xiàng)目中重復(fù)使用。傳統(tǒng)的疊合板使用板間灌漿的連接方式，使得預(yù)制板無法重復(fù)使用，而這個(gè)新的設(shè)計(jì)中，使用未黏結(jié)的螺紋桿，將預(yù)制混凝土板拉緊在一起再連接到鋼梁上，提供了二次使用的可能性。這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過嘗試結(jié)合預(yù)制和可拆卸設(shè)計(jì)策略，研究結(jié)構(gòu)的潛在環(huán)境效益和可持續(xù)性，希望實(shí)現(xiàn)復(fù)合地板螺栓框架系統(tǒng)的完全可重復(fù)使用[9]。

第二種預(yù)制混凝土梁柱干連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)包括以下元素：①預(yù)制鋼筋混凝土與鋼筋混凝土；②螺栓鋼板；③內(nèi)藏鋼板；④位于梁中間位置的后張鋼筋。這些元素旨在代替現(xiàn)場(chǎng)鑄造濕連接的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境影響的目標(biāo)[10]。

圖4 鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 預(yù)制混凝土梁柱干連接節(jié)點(diǎn)示意圖[10]

這兩項(xiàng)方案都將其設(shè)計(jì)應(yīng)用于若干建筑中，并使用全生命周期評(píng)價(jià)方法，來分析傳統(tǒng)建筑與使用新型可拆卸連接設(shè)計(jì)的預(yù)制建筑的能量和經(jīng)濟(jì)影響，并將其進(jìn)行比較。第一項(xiàng)研究的結(jié)果表明，傳統(tǒng)建筑與不重復(fù)使用的可拆卸預(yù)制建筑之間的結(jié)果具有相似的影響，而重復(fù)使用1～3次的可拆卸預(yù)制建筑對(duì)環(huán)境的影響顯著降低（圖6）。第二項(xiàng)研究的結(jié)果表明，當(dāng)使用預(yù)制系統(tǒng)時(shí)，柱和梁建造工程的任務(wù)持續(xù)時(shí)間和工作時(shí)間大幅度減少（圖7）。對(duì)于柱子，新型可拆卸干連接節(jié)點(diǎn)縮短了81.58%的任務(wù)持續(xù)時(shí)間。就梁而言，工作時(shí)長(zhǎng)也有顯著的降低（有后張預(yù)應(yīng)力筋時(shí)為83.99%，無后張預(yù)應(yīng)力筋時(shí)為87.16%）。然而，樓板的工作時(shí)長(zhǎng)并沒有明顯的變化。第二項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件的拆卸及重復(fù)使用將在經(jīng)濟(jì)方面產(chǎn)生顯著影響。研究表明，建筑壽命終期拆除費(fèi)用與前期建造費(fèi)用相近，但當(dāng)預(yù)制構(gòu)件不可拆卸時(shí)，預(yù)制建筑比傳統(tǒng)施工方式造價(jià)更高，根據(jù)不同情況，大約高出10%～30%。但當(dāng)預(yù)制構(gòu)件可拆卸并重復(fù)使用時(shí)，預(yù)制裝配式建筑費(fèi)用更低，根據(jù)不同情況，大約節(jié)省5%～20%[10。

另一些研究不關(guān)注可拆卸結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)、運(yùn)輸儲(chǔ)存和勞動(dòng)力等其他因素，而是基于已有可拆卸連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，只考慮材料構(gòu)件本身的影響，將應(yīng)用可拆卸結(jié)構(gòu)的預(yù)制建筑與傳統(tǒng)建筑進(jìn)行比較，分析其全生命周期對(duì)環(huán)境的影響。研究顯示，因?yàn)椴牧仙a(chǎn)階段的環(huán)境影響在所有類別中影響最大，因此，建筑建造及拆除階段能耗最大，而建筑構(gòu)件的二次使用過程能夠節(jié)約相對(duì)較多的能源。材料的高回收率及使用率（鋼材可以達(dá)到99%，混凝土和玻璃均可達(dá)到90%），使得在淡水水生生態(tài)毒性潛力（freshwater aquatic ecotroxicity potential，簡(jiǎn)稱FAETP））、人類毒性潛力（human toxicity potential簡(jiǎn)稱HTP）、陸地生態(tài)毒性潛力（terrestrial ecotoxicity potential簡(jiǎn)稱TETP）等方面節(jié)約了大量能源，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境能源的節(jié)約[11]。因此，可拆卸設(shè)計(jì)建筑的再使用對(duì)于節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)極其重要。

圖6 比較傳統(tǒng)建筑和可拆卸建筑的四期類階影段響分因類素）的[9]相對(duì)生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果（按生命周

圖7 擁有不同生命周期的傳統(tǒng)建筑和可拆卸建筑的各個(gè)部件勞動(dòng)時(shí)長(zhǎng)和工程耗時(shí)[10]

上述研究表明，可拆卸預(yù)制建筑具有減少環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)成本和縮短工作時(shí)長(zhǎng)的可能性。但是，由于建筑的構(gòu)造多樣，建筑的全生命過程較為復(fù)雜，涉及人力、物力、時(shí)間、地點(diǎn)等各種因素，仍然有很多問題還未涉及，比如現(xiàn)在建筑的基礎(chǔ)部分仍無法重復(fù)使用。此外，人們對(duì)一些問題還存在爭(zhēng)論，如業(yè)界普遍認(rèn)為，預(yù)制建筑安裝所需的勞動(dòng)時(shí)間較少，但一些研究表明可拆卸的預(yù)制建筑安裝和拆除的時(shí)間比傳統(tǒng)建筑要長(zhǎng)，這與可拆卸的目標(biāo)相悖。與此同時(shí)，由于在施工、維護(hù)、拆除和再次建造的過程中存在許多不確定性問題，如勞動(dòng)力的運(yùn)輸時(shí)間、預(yù)制裝配部件的體積、預(yù)制結(jié)構(gòu)的連接質(zhì)量等，因此，關(guān)于可拆卸預(yù)制建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步研究。

2.3 拆卸次序設(shè)計(jì)及再使用次數(shù)研究

除了可拆卸結(jié)構(gòu)連接之外，還有一些研究對(duì)拆卸過程和順序，以及建筑部件可重復(fù)使用次數(shù)可能性及影響因素進(jìn)行研究。一些學(xué)者試圖找出適合建筑物更新再使用的選擇性拆卸序列新方法，其目的在于運(yùn)用基于規(guī)則的遞歸分析，使得環(huán)境影響和建筑移除成本最小化，來選擇性地探索生成有效的建筑部件拆卸規(guī)劃方法和拆卸順序（圖8）。這種新的拆卸方法來源于產(chǎn)品制造部門使用的拆卸序列結(jié)構(gòu)圖（Disassembly Sequence Structure Graph，簡(jiǎn) 稱DSSG）模型。他們使用專門的6D BIM軟件和Revit插件Tally進(jìn)行評(píng)價(jià)。幾乎所有這些公司都使用全生命周期評(píng)估方法，來量化評(píng)估回收和/或再使用建筑材料、部件的能源和環(huán)境效益[12]。

另一些研究從設(shè)計(jì)理論層面將一個(gè)整體的建筑分成不同層級(jí)的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的建筑將建筑視為一個(gè)整體，建筑結(jié)構(gòu)與建筑材料、構(gòu)件、系統(tǒng)和空間之間互相關(guān)聯(lián)，互為一體，建筑的壽命周期結(jié)束，整棟建筑都會(huì)被拆除。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，未來用戶需求多樣，構(gòu)件的退化程度及壽命周期各不相同，相對(duì)于拆除整體建筑結(jié)構(gòu)來適應(yīng)新的用戶需求，把建筑分解成多組構(gòu)件，并使其能以不同的新的組合方式重新組裝，將使得建筑更加具有靈活性，延長(zhǎng)了建筑的壽命周期，從而減少了大拆大建，減少了環(huán)境污染及建造花費(fèi)。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)被視為元素的層次結(jié)構(gòu)，而可拆卸的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)被視為子構(gòu)件的層次結(jié)構(gòu)：在最高層次（建筑層次）作為系統(tǒng)的整體裝配，在中間層次（系統(tǒng)層次）作為組件的組合，在最低層次（組件層次）作為元素/材料的裝配（圖9）[13]。因此，DfD預(yù)制裝配式建筑將建筑從壽命周期分為不同的系統(tǒng)，而這些不同壽命層級(jí)的低層次部件又組裝成了一個(gè)高層級(jí)的整體建筑。建筑的更新將劃分為不同壽命周期系統(tǒng)的迭代，從而在建筑部品拆卸替換過程中實(shí)現(xiàn)了分批次使用。例如，日本住宅SI體系，S（skeleton支撐體）和I（infill填充體）的這種不同系統(tǒng)的分離可以達(dá)到多次拆卸替換填充體，而不干擾支撐體使用的效果，從而達(dá)到增加建筑壽命周期，節(jié)約環(huán)境能源及降低經(jīng)濟(jì)消耗的目的。還有一些學(xué)者假設(shè)提出，將每個(gè)組件劃分為不同的可重復(fù)使用次數(shù)，以查看它們對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的影響（圖10）。然而，盡管相關(guān)研究提出了這些理論假設(shè)，如何具體地將建筑每個(gè)部件分為不同的壽命體系，不同材料及建筑部件的重復(fù)使用壽命周期受到哪些因素的影響，以及如何影響，仍需要我們進(jìn)一步研究。

2.4 MEP管線與樓板分離

目前針對(duì)DfD的預(yù)制裝配管線與樓板的處理有兩種方法——NPC機(jī)電預(yù)留預(yù)埋設(shè)計(jì)與架空地板即結(jié)構(gòu)與管線分離設(shè)計(jì)。NPC機(jī)電預(yù)留預(yù)埋設(shè)計(jì)方法采用疊合樓板，水平電線管敷設(shè)在樓板的現(xiàn)澆疊合層內(nèi)，此種設(shè)計(jì)方式由于半成品是在加工廠預(yù)制，所以耗材少、節(jié)約資源和費(fèi)用，同時(shí)，若進(jìn)行管線優(yōu)化布置，盡量減少管線交叉，合理的設(shè)計(jì)可減小結(jié)構(gòu)層厚度，從而降低工程造價(jià)。但缺陷在于，現(xiàn)澆部分需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，同時(shí)管線設(shè)備無法與主體結(jié)構(gòu)完全分離，始終處于暗埋狀態(tài)，若需改造必然伴隨高強(qiáng)度的破拆，進(jìn)而產(chǎn)生高噪音、高污染和大量垃圾。架空地板、結(jié)構(gòu)與管線分離設(shè)計(jì)方法在日本的SI住宅體系中廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)部分和管線及裝修部分完全分離，裝修部分的改造、拆解處理與主體結(jié)構(gòu)無涉。強(qiáng)弱電管線、供水供暖管線、排水管線，都可鋪設(shè)在架空層之內(nèi)，拆除裝飾面材和基層板之后，所有管線一覽無遺，有利于保養(yǎng)維修和后期改造，但此種方式的缺陷在于增加了建筑層高并帶來不必要的成本[14]。

2.5 可拆卸設(shè)計(jì)案例研究——美國(guó)密蘇里大學(xué)音樂學(xué)院新院樓

圖8 可拆卸原型[12]

圖9 可拆卸建筑層級(jí)示意圖

美國(guó)密蘇里大學(xué)音樂學(xué)院新院樓（University of Missouri New School of Music）由建筑事務(wù)所BNIM設(shè)計(jì)，它采用預(yù)制裝配式建筑的建造方法，從建筑全生命周期入手考慮設(shè)計(jì)，該建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一二層及部分三層結(jié)構(gòu)采用預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)，三層部分結(jié)構(gòu)及四層采用預(yù)制鋼框架支撐體系，部分結(jié)構(gòu)采用混凝土砌塊單元。工字鋼柱梁，及C型鋼主梁的使用，使得建筑在全生命周期前期的建造階段提高了建筑施工速度，增強(qiáng)了建筑的靈活性，由于施工時(shí)減少了砂、石、灰的用量，具有良好的環(huán)保效果。而建筑在全生命周期后期拆除，由于大部分的材料可以再使用或者降解使用，預(yù)期可以減少建筑垃圾的制造，但鋼結(jié)構(gòu)的使用也增加了整體建筑的造價(jià)。建筑有趣的部分在于南側(cè)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。南側(cè)房間為四層通高的音樂演奏廳，并未采用鋼結(jié)構(gòu)或者混凝土框架結(jié)構(gòu)，而是采用預(yù)制混凝土墻板作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并同時(shí)承擔(dān)了建筑結(jié)構(gòu)承重功能。筆者對(duì)建筑的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了屋頂、墻面連接和基礎(chǔ)的三部分研究。該立面由若干約為10英尺（約3 m ）寬，47英尺（約14.3 m）高的預(yù)制混凝土墻板構(gòu)成，墻板在工廠制造，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，采用直接吊裝的方式安裝至整體建筑中。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)攝像頭記錄顯示，該面墻身的安裝僅耗時(shí)一天，速度很快，由于沒有現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，也減少了對(duì)環(huán)境的污染及噪音影響。由于需要確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性，建筑屋頂及建筑基礎(chǔ)采用濕作業(yè)連接，無法輕易拆卸，但建筑裝配式外墻板與內(nèi)墻板的連接是可拆卸的。內(nèi)墻裝飾板與外墻板采用防晃支架、支撐系統(tǒng)、金屬螺柱等構(gòu)件形成干連接。C型鋼金屬螺柱和金屬支撐系統(tǒng)起到了內(nèi)墻板的結(jié)構(gòu)支撐作用，不僅增強(qiáng)了建筑隔音效果，由于干連接的靈活性也實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與裝飾板分離拆卸的可能性（圖11）。這不僅增加了建筑后期拆卸再利用的可能性，也提高了縮短建筑拆卸勞動(dòng)工時(shí)的可能性。該建筑從2018年4月開始動(dòng)工，于2019年10月完工。

3 實(shí)際可拆卸建筑案例研究

雖然學(xué)者們?cè)诶碚撋献隽搜芯亢图僭O(shè)，發(fā)現(xiàn)可拆卸的預(yù)制裝配式建筑既節(jié)能又省錢，還可以減少勞動(dòng)者的工作時(shí)長(zhǎng)，但當(dāng)我們將這些理論研究應(yīng)用于實(shí)際案例中，由于現(xiàn)實(shí)問題產(chǎn)生的一系列復(fù)雜因素，仍然會(huì)造成很多矛盾，使預(yù)制建筑失去其原本應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。其中一個(gè)例子是用可回收材料建造的瑞典學(xué)生宿舍（Nya Udden Project in Linkoping）。兩座舊建筑的400多個(gè)預(yù)制混凝土構(gòu)件被拆除，并重新應(yīng)用于該建筑。然而，盡管混凝土材料的拆卸和重新組裝沒有重大的結(jié)構(gòu)或技術(shù)困難，但由于在拆卸和再使用之間缺乏整體協(xié)調(diào)，貨物儲(chǔ)存也面臨一定困難，項(xiàng)目成本比使用傳統(tǒng)技術(shù)和材料建造的類似建筑高出10%～15%[15-16]。從這個(gè)案例研究中，可以得出重復(fù)使用和重新組裝預(yù)制結(jié)構(gòu)在技術(shù)上是可行的，并且在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響方面可能具有很大的優(yōu)勢(shì)。但還有一些實(shí)際問題，比如協(xié)調(diào)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等需要我們進(jìn)一步考慮。此外，從這個(gè)案例研究中我們知道，如果建筑物的大小和結(jié)構(gòu)相似，建筑部件的重復(fù)使用將會(huì)更加便捷。

4 結(jié)語

學(xué)者們已經(jīng)對(duì)可拆卸設(shè)計(jì)進(jìn)行了充分研究并獲得了一定的認(rèn)知，然而，建筑物的全生命周期期間的各種影響因素增加了許多不確定性，這導(dǎo)致潛在的單個(gè)部件的優(yōu)化產(chǎn)生的能源節(jié)約，不一定能在整體建筑水平層面達(dá)到相同程度的獲益。這些不確定性包括：環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響的減少是否與材料重復(fù)使用的次數(shù)成正比？如何處理預(yù)制部件和勞動(dòng)力的運(yùn)輸時(shí)間？如何儲(chǔ)存預(yù)制部件？如何從政策層面促進(jìn)裝配式建筑的使用？可拆卸裝配式建筑的廣泛應(yīng)用將對(duì)初始階段的建筑設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生怎樣的影響等？由于建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐會(huì)遭遇復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)狀況，我們不僅應(yīng)關(guān)注理論研究，而要更多地考慮現(xiàn)實(shí)問題，從而真正發(fā)揮預(yù)制裝配建筑的優(yōu)勢(shì)。

圖10 可拆卸構(gòu)件重復(fù)使用次數(shù)示意圖[9]

圖11 密蘇里大學(xué)音樂學(xué)院新院樓內(nèi)墻裝飾板與外墻板連接結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖

將可拆卸的因素加入到預(yù)制裝配式建筑中，可發(fā)揮裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)，也將對(duì)建筑設(shè)計(jì)的基本思維產(chǎn)生一定影響。傳統(tǒng)建筑學(xué)設(shè)計(jì)思維將建筑物視為一個(gè)各部分始終相互依賴、相互關(guān)聯(lián)的靜態(tài)的、一次性的產(chǎn)品是有誤解的，達(dá)菲（Francis Duffy）在他的著作《建筑性能測(cè)量》（Measuring Building Performance）中指出：“我們的基本論點(diǎn)是，沒有（單體）建筑這種東西……一棟設(shè)計(jì)合理的建筑是各種擁有不同層次壽命周期的構(gòu)件的組合。”[17]傳統(tǒng)建筑學(xué)思維將建筑看作由各種元素最大化，相互融合、相互依賴形成的一個(gè)整體。而新的建筑思維把建筑視作由各種不同相互獨(dú)立的子構(gòu)件組成的一個(gè)可拆卸替換的產(chǎn)品。我們將建筑構(gòu)件歸類為不同層級(jí)的系統(tǒng)，并根據(jù)其功能壽命周期及技術(shù)性能壽命周期兩方面，結(jié)合考慮建筑整體的壽命周期。構(gòu)件獨(dú)立性（Independence）和可替換性（Exchangeability）將成為評(píng)價(jià)建筑拆卸的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。

預(yù)制裝配式建筑的性能需要從全生命周期出發(fā)來評(píng)測(cè)，這將涉及到原材料提取及生產(chǎn)，建筑構(gòu)件制作、運(yùn)輸，建筑建造，建筑維護(hù)（包括構(gòu)件的維修及替換），建筑拆除及循環(huán)使用，廢棄材料處理等步驟，這些方面都涉及預(yù)制裝配式建筑對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的影響。而從建筑學(xué)角度（設(shè)計(jì)角度）出發(fā)，則需考慮到建筑材料的選擇、建筑拆卸可能性、構(gòu)件重復(fù)使用次數(shù)、建筑形態(tài)等因素。而具體建筑拆卸可能性與重復(fù)使用的性能，則涉及到建筑構(gòu)件功能分組（結(jié)構(gòu)、外維護(hù)、內(nèi)墻家具、設(shè)備）與分類，部品分組（如廁所一體化、廚房一體化等，涉及到模塊化設(shè)計(jì)），可拆卸連接節(jié)點(diǎn)類型，拆卸順序等。

建筑材料的生產(chǎn)和建造及拆除階段能耗最大，而建筑構(gòu)件的二次使用過程能夠節(jié)約相對(duì)較多能源，當(dāng)預(yù)制裝配式建筑無法完成以整體部件為單元的重復(fù)使用時(shí)，從全生命周期角度評(píng)估，其環(huán)保經(jīng)濟(jì)性能與傳統(tǒng)建造方式差異很小，甚至在建造過程中用時(shí)更長(zhǎng)。因此，建筑整體構(gòu)件的可拆卸再使用性是建筑節(jié)能環(huán)保的關(guān)鍵。如圖12所示，首先，從全生命周期角度評(píng)估，對(duì)于一般建筑而言，建筑主體承重結(jié)構(gòu)的壽命周期最久，實(shí)現(xiàn)承重結(jié)構(gòu)的拆卸再使用，將在很大程度上提高建筑的節(jié)能表現(xiàn)，但由于建筑承重結(jié)構(gòu)規(guī)范要求相對(duì)較高，實(shí)現(xiàn)其再利用在實(shí)際操作中的難度也相對(duì)較大。其次，相對(duì)于建筑承重結(jié)構(gòu)，建筑樓板與外墻的可拆卸更加容易實(shí)現(xiàn)，也能夠在一定程度上提高建筑的節(jié)能環(huán)保性能。最后，建筑內(nèi)墻和裝飾及管線設(shè)施的可拆卸最易于實(shí)現(xiàn)，目前，日本SI體系及中國(guó)的CSI體系，在建筑部品的模數(shù)化及設(shè)備管線的拆卸可能性方面已有相關(guān)研究。

根據(jù)對(duì)既有的可拆卸建筑技術(shù)的綜述與考察，可以對(duì)可拆卸設(shè)計(jì)體系提出進(jìn)一步的研究方向，探尋從建筑設(shè)計(jì)的范式層面納入可拆卸技術(shù)的可能性：①如圖13所示，當(dāng)建筑功能與構(gòu)件的關(guān)系為傳統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)方式時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)制裝配式建筑的構(gòu)件與功能一一對(duì)應(yīng)相互獨(dú)立的關(guān)系，將更有助于建筑的可拆卸性。當(dāng)建筑的承重功能與立面圍護(hù)結(jié)構(gòu)功能相互關(guān)聯(lián)時(shí)，如傳統(tǒng)建筑采用濕連接方式，或者如密蘇里大學(xué)音樂學(xué)院新院樓南立面預(yù)制混凝土墻板，既承擔(dān)承重功能也承擔(dān)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)功能，構(gòu)件的拆卸將更加復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)構(gòu)件與功能一一對(duì)應(yīng)相互獨(dú)立時(shí)，根據(jù)不同壽命周期，建筑部分構(gòu)件的拆卸替換將更加可行。②為了實(shí)現(xiàn)可拆卸，滿足各種抗震防火等結(jié)構(gòu)要求，靈活的可拆卸連接方式十分重要。如圖14所示，當(dāng)預(yù)制構(gòu)件間直接連接或采用濕連接方式時(shí)，形成的是不可逆節(jié)點(diǎn)，建筑將無法拆卸，當(dāng)構(gòu)件間采用固定干連接或靈活干連接時(shí)，構(gòu)件將更易于拆卸和再使用。③除此之外，建筑材料的使用很關(guān)鍵，節(jié)能環(huán)保材料制作的建筑構(gòu)件，可滿足建筑構(gòu)件的二次使用或降解使用。而建筑構(gòu)件與功能的相對(duì)獨(dú)立，也更利于建筑的安裝拆卸順序，由傳統(tǒng)的順序安裝轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿邪惭b方式，有利于節(jié)約勞動(dòng)時(shí)間（圖15）。在建筑規(guī)范層面，在建造階段，不僅需要考慮預(yù)制率裝配率，還應(yīng)引入與建筑構(gòu)件種類有關(guān)的“模塊率”（特殊構(gòu)件的數(shù)量與所有構(gòu)件數(shù)量的比值），以評(píng)價(jià)建筑材料拆卸再利用的可能性。④最后，目前的西方研究尚較少涉及到實(shí)施可拆卸建筑技術(shù)的激勵(lì)機(jī)制，除了通過LEED和BREEAM這類綠色建筑評(píng)價(jià)體系的評(píng)級(jí)機(jī)制來激勵(lì)，可拆卸技術(shù)的主要推動(dòng)方依然是公租房建設(shè)部門。大量的盈利性開發(fā)部門對(duì)建筑的質(zhì)量要求較高，因結(jié)構(gòu)要求無法使用干連接，也難以接受標(biāo)準(zhǔn)化的建筑空間與部件，這就需要對(duì)建筑的適應(yīng)性與可塑性進(jìn)行先期研究，提升建筑不同技術(shù)系統(tǒng)的更新效率，最終從深層激勵(lì)機(jī)制上提升全社會(huì)對(duì)可拆卸設(shè)計(jì)的接受與認(rèn)同[17]。

圖12 可拆卸預(yù)制裝配式內(nèi)部層級(jí)關(guān)系圖

圖13 傳統(tǒng)建筑和可拆卸預(yù)制裝配式建筑功能與構(gòu)件分組方式比較

圖14 預(yù)制裝配式建筑連接節(jié)點(diǎn)可能性

圖15 裝配順序研究示意圖