多學(xué)科配合下的裝配式負(fù)碳住宅快速建造實(shí)踐
——以2021迪拜國(guó)際太陽能十項(xiàng)全能競(jìng)賽作品“X-HOUSE”為例

魏 瑩，陳曉星，喬永強(qiáng)，曾志文，熊清清，溫慶年

（中建科工集團(tuán)有限公司 深圳 518054）

0 前言

國(guó)際太陽能十項(xiàng)全能競(jìng)賽（Solar Decathlon，簡(jiǎn)稱SD）是由美國(guó)能源局發(fā)起并主辦，以全球高校為參賽單位的學(xué)生太陽能建筑競(jìng)賽［1］，旨在推進(jìn)太陽能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和深度應(yīng)用。

科工-華南團(tuán)隊(duì)自2019 年起，在參賽作品“XHOUSE”的方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與建造、跨國(guó)海運(yùn)等問題上密切配合，最終在規(guī)定時(shí)間內(nèi)于迪拜太陽能公園順利落成并運(yùn)營(yíng)，斬獲競(jìng)賽總冠軍，如圖1所示。

圖1 “X HOUSE”建成外景（地點(diǎn)：迪拜）Fig.1 Exterior of X HOUSE（Location: Dubai）

1 精細(xì)化設(shè)計(jì)：以能源策略激活傳統(tǒng)

中東大部分地區(qū)地處北緯20°～30°，北回歸線從中部穿過，光線充足，呈現(xiàn)出日照時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度高的特點(diǎn)［2］。同時(shí)，副熱帶高壓及來自亞洲內(nèi)陸干旱地區(qū)東北信風(fēng)使中東地區(qū)承受著干旱少雨且多沙塵的惡劣氣候，同時(shí)也擁有豐富的太陽能、風(fēng)能源與海洋能源。X-HOUSE 立足于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件與文化背景，整合中東地區(qū)傳統(tǒng)中庭式住宅與捕風(fēng)塔的原理與特征，采取彈性空間、高效利用外部資源、智能管理內(nèi)部循環(huán)三大能源策略，以新材料、新技術(shù)打造一個(gè)未來負(fù)碳住宅的原型。

1.1 彈性空間

在中東與北非地區(qū)，當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居多采用外圍護(hù)封閉、向內(nèi)庭院開放的形式。外墻基本沒有窗戶，以隔絕熱量和保證私密性，房間向中庭開放［3］。中庭不僅能用以接待客人，舉辦豐富的活動(dòng)，還能為房屋提供良好的自然采光與通風(fēng)［4］。X-HOUSE 的室內(nèi)空間由4 個(gè)尺寸相同（3.6 m×3.6 m×8.1 m）的模塊拼合而成，它們具有不同的功能屬性，以“風(fēng)車形”圍合出一個(gè)中心庭院。通過置入可開啟的天窗與可調(diào)節(jié)的側(cè)窗百葉，使得中庭可以與周圍的環(huán)境聯(lián)通或隔斷，中庭因此成為了氣候緩沖區(qū)。以之為核心，餐廚模塊與中庭3者共同構(gòu)成了X-HOUSE的公共活動(dòng)區(qū)，折疊門與推拉門的開合實(shí)現(xiàn)了公共空間的靈活變換，使其既能分隔成4 個(gè)獨(dú)立控溫的小空間，又能組合出若干種不同活動(dòng)的場(chǎng)所，賦予了住宅空間彈性，如圖2所示。

圖2 4個(gè)模塊圍合出多功能中庭Fig.2 Four Modules Surround the Multi-function Atrium

1.2 高效利用外部自然資源

對(duì)于一棟太陽能住宅而言，外部資源主要包括自然風(fēng)、自然光、熱輻射、太陽能等自然資源。在氣候適應(yīng)性基礎(chǔ)上，以一種更高效的方式組織環(huán)境的風(fēng)、光、熱來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)舒適性，是設(shè)計(jì)應(yīng)該探索的命題［3］。

中東地區(qū)特有的風(fēng)塔是當(dāng)?shù)刈≌瑢?shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的被動(dòng)式節(jié)能措施。X-HOUSE 以傳統(tǒng)風(fēng)塔為原型，將主體模塊上方的光伏系統(tǒng)抬高0.8 m，形成通風(fēng)間層，其中置入X 形電動(dòng)導(dǎo)風(fēng)板以模擬風(fēng)塔隔斷。該系統(tǒng)通過智能系統(tǒng)控制導(dǎo)風(fēng)板與中庭側(cè)窗百葉的開合，可卻換成3 種模式——提高室內(nèi)舒適度的的通風(fēng)模式、提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的冷卻模式、極端天氣下保護(hù)房屋的安全模式，如圖3 所示。此外，可開啟的天窗、外遮陽門窗百葉等組件也實(shí)現(xiàn)了光和熱的選擇性透過，通過調(diào)節(jié)天窗遮光簾的開啟率與門窗百葉的角度，營(yíng)造室內(nèi)活動(dòng)最舒適的光、熱環(huán)境。

圖3 新風(fēng)塔的3種通風(fēng)模式Fig.3 Three Ventilation Modes of Fresh Air Tower

可再生能源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)減少碳足跡和建筑可持續(xù)的關(guān)鍵技術(shù)。建筑集成光伏（BIPV）是可再生能源系統(tǒng)，可作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，同時(shí)產(chǎn)生電能［5］。X-HOUSE 的建筑光伏一體化設(shè)計(jì)主要有兩點(diǎn)體現(xiàn)：①上層屋面采用裝機(jī)容量最大的水平鋪設(shè)方式，鋪設(shè)光電轉(zhuǎn)化效率高達(dá)22.5%的N 形單晶硅雙面組件，光伏系統(tǒng)同時(shí)充當(dāng)了通風(fēng)間層的上邊界以及建筑的屋頂遮陽系統(tǒng)；②在多功能模塊化的室外綠墻上設(shè)計(jì)了光伏板的連接節(jié)點(diǎn)，單晶硅電池與碲化鎘電池在抵擋太陽輻射、保護(hù)住戶私密性的同時(shí)，也為建筑提供了額外的直流電。

1.3 智能管理內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)

“可持續(xù)性”（Sustainability）是國(guó)際太陽能十項(xiàng)全能競(jìng)賽的子競(jìng)賽之一，會(huì)從項(xiàng)目的可持續(xù)性、材料、生物與氣候策略、積極有效的系統(tǒng)和設(shè)備、太陽能系統(tǒng)、節(jié)水裝置、植被應(yīng)用方案和廢物回收等方面對(duì)建筑進(jìn)行評(píng)估。通過設(shè)計(jì)策略和綠色建造主動(dòng)地提高建筑內(nèi)部資源與能量的回用率，能夠促進(jìn)太陽能住宅的可持續(xù)發(fā)展。

水循環(huán)方面，X-HOUSE 利用水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制初、高級(jí)水處理設(shè)備，設(shè)計(jì)了完整的水資源利用與循環(huán)系統(tǒng)，其中包含雨水收集、灰水處理、沉淀池等措施，妥善處理市政供水、自然降水、生活用水、灌溉用水、黑水廢水之間的關(guān)系。灰水分為兩級(jí)，第一級(jí)經(jīng)過3道處理，可達(dá)到90%回用率，第二級(jí)經(jīng)過5道處理，可達(dá)到60%回用率。中庭北面嵌入了魚缸與整面綠墻，與物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)共同組成了魚菜共生系統(tǒng)，它不僅可供觀賞療愈，還能夠吸附空氣中的沙塵與微小粒子。魚菜共生系統(tǒng)的運(yùn)作有利于建筑內(nèi)部的水循環(huán)與物質(zhì)循環(huán)。

暖通方面，采用新風(fēng)全熱交換機(jī)回收排氣中的熱量，根據(jù)室內(nèi)溫度需求，對(duì)引入的新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷或預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)能量回收。水冷空調(diào)以水作為冷媒，并配置了4條水管使冷熱的輸送分開進(jìn)行，使得控溫更穩(wěn)定，熱損失更少。通過檢測(cè)空氣中的CO2、PM2.5 濃度，利用高效空氣內(nèi)循環(huán)過濾或引入新風(fēng)實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的凈化，為住戶提供健康的呼吸環(huán)境。

建造是建筑生命周期中極其重要的環(huán)節(jié)，而建材的選擇同樣應(yīng)當(dāng)遵循物質(zhì)循環(huán)的理念。X-HOUSE 的建造材料中有80%是可回收材料，包括主體結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)、木龍骨、隔聲板，裝飾材料中的膠合板、鋁板等。原料的來源是材料選擇的考慮因素之一，作品中室內(nèi)外的地板材料均為95%以上回收材制作，所使用的木材均有FSC（森林管理委員會(huì)）認(rèn)證，如圖4所示。

圖4 建造材料中的綠色建材Fig.4 Green Building Materials in Construction Materials

在住宅運(yùn)營(yíng)過程中，新風(fēng)塔系統(tǒng)、百葉遮陽系統(tǒng)、水系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、物料循環(huán)系統(tǒng)都整合在一個(gè)智能控制系統(tǒng)中，如圖5 所示。智能管理系統(tǒng)能幫助用戶更直觀地獲取室內(nèi)指標(biāo)與能源特征，管理內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)，引導(dǎo)用戶在建筑中形成可持續(xù)的生活方式。

圖5 中控系統(tǒng)示意圖與系統(tǒng)面板Fig.5 Schematic and System Panel of Central Control System

2 BIM應(yīng)用：多學(xué)科配合的建造優(yōu)化策略

國(guó)際太陽能十項(xiàng)全能競(jìng)賽不僅要求住宅滿足各系統(tǒng)功能上的正常運(yùn)作，也要求團(tuán)隊(duì)通過良好的空間組織去協(xié)調(diào)眾多系統(tǒng)。對(duì)裝配式負(fù)碳房屋而言，從方案設(shè)計(jì)階段開始即需要兼顧建筑中各功能系統(tǒng)的物理空間關(guān)系，基于真實(shí)建造的水、電、暖通等的設(shè)備管線往往會(huì)隨著建筑結(jié)構(gòu)與室內(nèi)布局的優(yōu)化而不斷調(diào)整，此時(shí)，就需要建筑信息模型（BIM）的介入。在設(shè)計(jì)過程中BIM 的作用體現(xiàn)在碰撞檢測(cè)與施工模擬——將所創(chuàng)建的建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等BIM模型，通過IFC或rvt文件導(dǎo)入專業(yè)的碰撞檢測(cè)與施工模擬軟件中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件及管線綜合的碰撞檢測(cè)和分析，并對(duì)項(xiàng)目整個(gè)建造過程或重要環(huán)節(jié)及工藝進(jìn)行模擬［6］。

2.1 基于BIM的碰撞檢測(cè)

X-HOUSE 在方案深化階段主要應(yīng)用ARCHICAD 進(jìn)行建模與建造模擬。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)包含建筑學(xué)、土木工程、電力、計(jì)算機(jī)等專業(yè)，與各專業(yè)對(duì)應(yīng)的建筑部件統(tǒng)一在一個(gè)信息模型之中，所有用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型的更新情況。通過各專業(yè)建模和模型整合，利用BIM 模型的碰撞檢測(cè)軟件，進(jìn)行三維碰撞檢測(cè)，通過檢測(cè)反饋不斷調(diào)整各系統(tǒng)的空間關(guān)系，從而減少了施工階段返工帶來的時(shí)間損耗。此外，碰撞檢測(cè)亦優(yōu)化了管線排布方案，更加合理集成的管線為建筑創(chuàng)造了更多的室內(nèi)空間。

2.2 基于BIM的施工模擬

碰撞檢測(cè)優(yōu)化后的方案，即可進(jìn)入施工技術(shù)交底階段。利用BIM 技術(shù)的三維可視化功能再賦予時(shí)間參數(shù)，可以進(jìn)行施工作業(yè)模擬和項(xiàng)目虛擬建造。通過施工作業(yè)模擬，可以讓施工單位、監(jiān)測(cè)單位、業(yè)主單位能夠掌握完整的數(shù)據(jù)信息，并通過BIM 技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)，避免和較少施工安全以及質(zhì)量問題，提高經(jīng)濟(jì)效益［7］。X-HOUSE 采用BIM 技術(shù)進(jìn)行施工模擬，以時(shí)間為主軸，妥善規(guī)劃好人力資源、建筑材料、場(chǎng)地界面、建造措施等參數(shù)，在建造實(shí)施前制定了一套系統(tǒng)性的施工計(jì)劃，如圖6所示。

圖6 基于人-材料-場(chǎng)地-措施制定的施工計(jì)劃Fig.6 Construction Plan Based on People-Material-Site-Measure

3 預(yù)搭建：應(yīng)對(duì)異國(guó)建造與快速建造的策略

X-HOUSE 的建造主要面臨兩個(gè)難題：①異國(guó)建造；②快速建造。在快速建造的發(fā)展趨勢(shì)下，對(duì)施工單位的技術(shù)創(chuàng)新能力提出了新的要求［8-9］，BIM施工模擬為建造提供了較完整的計(jì)劃，然而相較于國(guó)內(nèi)，海外的人力、物資調(diào)配等方面必然存在著極大的不確定性。此外，組委會(huì)對(duì)所有賽隊(duì)都有嚴(yán)苛的建造時(shí)間與空間限制，為此，科工-華南聯(lián)隊(duì)在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了兩次預(yù)搭建。

第一次預(yù)搭建在廣東省東莞市進(jìn)行，歷時(shí)45 d，以完成主體鋼結(jié)構(gòu)、硬裝系統(tǒng)、內(nèi)裝龍骨系統(tǒng)及防水防潮處理為首要目標(biāo)，并通過吊裝試驗(yàn)控制主體結(jié)構(gòu)的誤差，如圖7 所示。X-HOUSE 采用國(guó)內(nèi)成熟的輕鋼龍骨墻體體系，利用鋼結(jié)構(gòu)作為主要承重構(gòu)件。鋼材表面進(jìn)行除銹處理并噴涂防腐漆，避免被漫長(zhǎng)的海運(yùn)腐蝕而損害主體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)箱體的首次拼裝在反復(fù)核對(duì)與調(diào)整下完成，保障了后續(xù)屋面墻面木龍骨安裝、基層板安裝、地面水泥纖維板安裝、保溫材料填充等硬裝工序順利完成。完成室內(nèi)裝修的節(jié)點(diǎn)預(yù)埋和龍骨敷設(shè)后，房屋按照結(jié)構(gòu)被拆分為若干部分，運(yùn)輸至下一場(chǎng)地進(jìn)行第二次裝配。在此過程中，由于主體結(jié)構(gòu)與硬裝系統(tǒng)的完成賦予建筑80%左右的重量，因此吊裝過程作為實(shí)地建造的一次模擬。第一次預(yù)搭建為后續(xù)的實(shí)戰(zhàn)積累經(jīng)驗(yàn)。

圖7 第一次預(yù)搭建記錄Fig.7 Record of the First Pre-construction

第二次預(yù)搭建在廣東省廣州市進(jìn)行，依照規(guī)劃好的施工日程，嚴(yán)格把控施工進(jìn)度，是一次真實(shí)尺度的“實(shí)戰(zhàn)模擬”，如圖8 所示。施工過程可分為主體模塊組裝、內(nèi)飾面、水電暖通、景觀、外立面與外圍護(hù)、軟裝6 個(gè)界面。主體模塊組裝工程包含功能模塊拼裝、庭院地板結(jié)構(gòu)拼裝與屋頂結(jié)構(gòu)拼裝；內(nèi)飾面工程包含天窗安裝、墻面與天花面板安裝、被動(dòng)式門窗安裝、PVC 地板鋪設(shè)、踢腳線與收口線條安裝、柜體安裝；水電暖通工程包含照明、潔具、空調(diào)、光熱系統(tǒng)等的設(shè)備安裝、管線敷設(shè)與連接測(cè)試；景觀工程包含中庭綠墻的制作、魚菜共生系統(tǒng)的營(yíng)建、室外多功能模塊化綠墻的安裝、外甲板的鋪裝、外庭院的景觀布置；外立面與圍護(hù)工程主要包括光伏系統(tǒng)的安裝與檢測(cè)、外墻與屋頂鋁板的安裝及美縫處理；軟裝工程作為室內(nèi)空間品質(zhì)提升的最終環(huán)節(jié)，包含家具的組裝與布置、家用電器的安裝、智能家居系統(tǒng)的調(diào)試及房屋整體清潔。在預(yù)搭建過程中，各項(xiàng)工程同時(shí)開展、交叉配合，團(tuán)隊(duì)通過駐場(chǎng)嚴(yán)格把控施工精度與質(zhì)量，統(tǒng)籌各項(xiàng)資源的調(diào)配，以期達(dá)到最高的完成度。各項(xiàng)工程之間時(shí)常會(huì)產(chǎn)生時(shí)間或空間的矛盾，團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)反應(yīng)、制定相應(yīng)措施，并將經(jīng)驗(yàn)整合到后續(xù)的真實(shí)建造中去。

圖8 第二次預(yù)搭建記錄Fig.8 Record of the Second Pre-construction

國(guó)內(nèi)兩次預(yù)搭建是對(duì)施工計(jì)劃的檢驗(yàn)，在實(shí)踐中優(yōu)化建造策略，不僅提高團(tuán)隊(duì)異國(guó)建造的信心，同時(shí)也提高了實(shí)地建造的效率。

4 應(yīng)對(duì)多次拆裝的策略

在我國(guó)，鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑屬于一種新型建筑模式［10-11］，因其綠色環(huán)保的建造工法與極高的建造效率，近年來在建筑行業(yè)得到越來越廣泛的青睞。裝配式建造過程的主要問題是拆分與拼裝的精準(zhǔn)性、有序性及可逆性問題?？v觀X-HOUSE 建造全過程，兩次預(yù)搭建與一次實(shí)地建造，經(jīng)歷了多次拆裝，一次跨市陸運(yùn)和一次跨國(guó)海運(yùn)，為應(yīng)對(duì)如此復(fù)雜情況，團(tuán)隊(duì)實(shí)施了以下策略。

由于結(jié)構(gòu)體系本身具有一定的撓度，在吊裝過程中建筑部件必然發(fā)生形變，導(dǎo)致后續(xù)安裝的構(gòu)件難以安裝在相應(yīng)的位置。然而多次吊裝造成的實(shí)際變形難以提前量化，僅僅通過虛擬的結(jié)構(gòu)計(jì)算優(yōu)化無法尚不足夠，針對(duì)這一問題，團(tuán)隊(duì)以正確的施工方法為前提，給予建造一定的彈性，其主要體現(xiàn)在維護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方案與構(gòu)件選擇：①采用外掛被動(dòng)式門窗。被動(dòng)式門窗是一種兼顧效能、建筑外觀和良好舒適度的系統(tǒng)門窗解決方案，而外掛式節(jié)點(diǎn)能夠避免門窗在拆裝過程中受到擠壓而損壞，此外干式外掛工法也與門窗多次拆裝的需求相吻合；②采用靈活安裝的龍骨系統(tǒng)。室內(nèi)墻面與天花應(yīng)用鋁制如意龍骨系統(tǒng)，面板與龍骨之間為卡扣連接，這一節(jié)點(diǎn)能夠讓內(nèi)飾面系統(tǒng)易于安裝的同時(shí)也易于拆卸；外立面的輕質(zhì)鋁板與鋼龍骨之間通過螺栓連接，龍骨在構(gòu)造上預(yù)留了寬度，便于消化吊裝變形產(chǎn)生的誤差；③采用系統(tǒng)化的模塊拼縫策略。在裝配過程中，各模塊之間的縫隙寬度直接反映了施工誤差與變形幅度，團(tuán)隊(duì)將模塊間的拼縫彈性控制在10 mm 之內(nèi)，在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重新制作室內(nèi)蓋縫地板、墻板與天花板，由此消減結(jié)構(gòu)變形帶來的空間感受差異。外部則通過硅酮密封膠填縫的方式美化外立面鋁板之間的拼縫。

5 結(jié)語：從真實(shí)建造到快速建造

隨著產(chǎn)品研發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新，住宅同光伏產(chǎn)品將產(chǎn)生更緊密的結(jié)合，從耗能到產(chǎn)能的屬性轉(zhuǎn)變亦將是未來的趨勢(shì)，負(fù)碳住宅的設(shè)計(jì)及建造策略也將不斷優(yōu)化。相較于當(dāng)代普遍存在的傳統(tǒng)住宅，以太陽能為能源的裝配式負(fù)碳住宅對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、內(nèi)部系統(tǒng)及施工都提出了更高的要求。而長(zhǎng)距離的運(yùn)輸及多次拆裝，則帶給住宅設(shè)計(jì)與建造更大的挑戰(zhàn)，裝配式負(fù)碳住宅是建筑向工業(yè)化、綠色化發(fā)展的趨勢(shì)。通過精細(xì)化設(shè)計(jì)整合建筑空間、外部資源，應(yīng)用BIM 優(yōu)化建造策略與施工計(jì)劃，后期采用真實(shí)建造實(shí)踐檢驗(yàn)前面兩階段的理論基礎(chǔ)，最終保證了多次拆裝、跨國(guó)運(yùn)輸與快速建造，并實(shí)現(xiàn)了住宅良好的負(fù)碳性能。X-HOUSE 在建筑設(shè)計(jì)、模型管理、運(yùn)輸方案、施工建造等方面的實(shí)踐，為復(fù)雜條件下多學(xué)科交叉配合快速建成裝配式負(fù)碳住宅提供理論和實(shí)踐支撐。