基于低碳理念的装配式工业建筑模块设计研究

工业建筑生命周期划分为物化阶段、使用阶段以及拆除阶段，其中物化阶段包括设计阶段和施工建造阶段。目前我国在工业建筑全生命周期的低碳研究中主要关注使用阶段，物化阶段研究相对较少，对于工业建筑碳排放的研究也多基于技术手段的定量研究。定量研究是低碳策略中重要的依据和指标控制，但设计阶段的低碳理念和模块设计策略，直接影响生命周期全过程的碳排放。因此，本研究采用定性研究方法，探讨装配式工业建筑的模块设计低碳策略。

从建筑学视角出发，对装配式工业建筑通过充分利用自然资源、减少构件种类和材料总量、方便运输、缩短工期、易于安装和拆卸、管线集中、路径损耗少等降低物化阶段碳排放；通过增加自身采光通风、增加自身保温性、自身遮阳、构件的可再利用等设计来减少使用阶段碳排放，将低碳理念贯穿设计全局。

1 装配式工业建筑研究现状

利用中国知网数据库对我国的装配式建筑研进行分析，通过交叉搜索“低碳、装配式、工业建筑”等关键词，共检索出“装配式工业建筑”关键词96项，通过分析检索结果发现，关于装配式工业建筑的研究于2016年呈现明显增多，这一结果与我国2016年颁布装配式建筑发展规划密切相关；而从研究主题来看，装配式工业建筑的研究内容又以结构性能研究居多。以“低碳工业建筑”为关键词共检索出100项相关结果，其中2009年开始增多；从研究主题来看，研究主要集中在旧工业建筑的改造和再利用，其次为工业建筑低碳设计和策略研究。

我国装配式工业建筑的低碳设计相关规范在不断完善和发展，但现有标准体系对装配式工业建筑设计阶段的低碳研究不完全适用，如GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》评价对象主要针对居住建筑、

GB/T 50640—2010《建筑工程绿色施工评价标准》主要为施工阶段的评价。在学术研究方面，相关学者也从多个角度进行了研究：如张扬等主张研究旧工业建筑的绿色改造和再利用研究；王玉基于BIM技术对装配式建筑在全生命周期各阶段提出低碳策略；李云霞等针对建筑材料碳排放测算开展研究。

我国对于工业建筑的低碳研究大多基于旧建筑改造利用、结构研究、材料选择等技术手段控制碳排放。从全生命周期出发的研究，主要集中在使用阶段，而物化阶段的研究主要为施工阶段的材料选择、施工技术的研究，设计阶段的装配式模块设计研究相对较少。

2 装配式工业建筑碳排放规律

工业建筑生命周期系统划分为物化阶段、使用阶段以及拆除阶段。相较于使用阶段，虽然设计阶段在全生命周期占比较小，但科学合理的低碳设计直接影响施工阶段、使用阶段、拆除阶段的碳排放，对建筑碳排放总量控制有至关重要的作用，如图1所示。

图1 全生命周期各阶段碳排放占比

建筑全生命周期内装配式工业建筑碳排放影响因素包括建筑材料生产、材料运输、现场组装和加工、使用阶段以及拆除阶段各流程中影响碳排放的各种因素，具体主要考虑以下几个方面。

（1）材料自身碳排放：材料自身为适合装配式工业建筑的环保低碳材料。

（2）构件的规格和数量：装配式建筑是指将传统建筑生产中的结构设计为多个模板化、标准化设计的可组装构件，其种类和数量对生产和运输过程中的碳排放结果影响较大。

（3）建筑整体装配率：装配式工业建筑的装配率越高，越能缩短施工周期和简化施工难度，碳排放也会随之降低。因此在进行低碳设计时，尽量采用统一协调的标准模块来提高装配率。

3 装配式工业建筑模数化低碳设计策略

结合实际工程项目，以模块设计为研究内容，通过构件材料、模数尺寸、构造方式、物理环境协调以及造型设计等方面，提出影响全生命周期的装配式工业建筑低碳设计策略。某变压器生产厂区位于河北省保定市，属寒冷地区，此工厂主要生产变压器，无特殊工艺流程要求，厂房为框架结构，厂房平面如图2所示。

图2 原厂房总平面示意

3.1 低碳材料策略

装配式工业建筑中材料的选择涉及建筑构件生产加工、运输、现场组装，以及后期的拆除和再利用，材料的能耗影响着建筑碳排放，因此在材料选择上需要考虑以下方面。

3.1.1 选择低碳材料

尽量使用绿色低碳且具有保温隔热、抗压、耐久性等性能的天然材料。目前比较普遍使用的低碳材料主要有：木材、石材、橡胶等天然材料；钢材、铝合金以及其他低碳有色金属材料；绿色真空玻璃、橡胶密封条、部分塑料等新型环保材料；高密度纤维板、岩棉、聚苯乙烯保温板等低碳合成材料。在低碳材料选择时，应尽量减少材料的种类和数量，减少构件运输和二次组装阶段的碳排放。同种材料应可同时用于多个部位，如石材、钢材等既可用于结构，也可用于墙体、门窗等。

3.1.2 使用复合材料

建筑不同部位所需材料性能是复合且不同的，装配式构件宜选择多种功能组成的复合材料，减少材料和构件种类。外墙围护预制墙板选用新型金属防火保温装饰一体板，同时满足保温性、稳定性和装饰效果。如聚氨酯夹芯板既防水防潮，外墙挂板具有金属雕花饰面效果，又可兼作外墙装饰材料；屋面阻燃隔热岩棉保温一体板可减少屋面构造层次，简化施工工艺。内墙隔板根据不同功能需求可选择EPS轻质复合隔墙板、发泡水泥轻质隔墙板等，具有阻燃保温、防水防潮、隔音防噪等多功能复合轻质墙板。因此在构件预制中选择多种材料复合预制，形成集多种性能于一体的复合板材，满足不同部位构件需求。

3.2 模数统一策略

装配式工业建筑的低碳设计需要提高建筑构件的预制率来减少碳排放。建筑构件的模块设计是在符合生产工艺流程的前提下，尽量使构件规格统一、降低制造和运输成本， 现场施工工艺简单、便捷，降低能耗，减少二氧化碳的排放量。

以河北某生产变压器厂1号厂房和4号厂房为例，分别采用长宽高模数为6 m×6 m×3 m进行模块设计。如图3所示，1号厂房保留其L形形体，将其模数设计尺寸为进深18 m（6 m×3 ），开间分别为90 m（6 m×15）和42 m（6 m×7），总高18 m（3 m×6）；如图4所示，4号厂房为矩形平面，模块设计总开间进深为90 m×24 m，层高9 m（3 m×3）。

图3 1号厂房模数化平面示意（m）

图4 4号厂房模数化平面示意（m）

3.3 低碳构造策略

传统建筑的构造方式主要为现场施工，需要浇筑、支模、砌筑、焊接等，工序复杂，施工人数多，工期长，碳排放总量较大。而装配式工业建筑需要更低碳的构造方式。因此装配式工业建筑的构造方式以易组装、易拆分、易更换、易重组为主。

3.3.1 榫卯式

我国的榫卯技术最早运用于木构件中，已形成较为成熟的体系，榫卯技术具有易组装、易拆分、可重组、可替换以及良好的抗震性等优点。近些年榫卯技术也运用于钢构件、木构件、混凝土等构件的组装中，相较于焊接和浇筑的传统方式，榫卯技术能在很大程度上降低碳排放。

3.3.2 铰接式

钢结构中，梁与柱的连接通常采用3种形式，柔性连接、半刚性连接和刚性连接，其中柔性连接也称为铰接。铰接的碳排放量相对较少；且易组装和拆分，因此可根据建造需求选择铰接方式进行构件组装。

3.4 物理环境协调策略

建筑物理环境主要包括声、光、热3个方面。所选变压器生产厂需考虑的物理环境主要有采光、通风、散热、保温、遮阳等。

3.4.1 采光通风

内部空间良好的自然采光和通风，可减少人工采光和空调装备，也是装配式工业建筑低碳设计策略之一。如图5所示，厂房模块以6 m×6 m×3 m为模数进行设计，分别有实墙模块、常规窗模块、高窗模块以及带遮阳模块几种。4号厂房进深为24 m，南北两侧窗户无法满足其大进深采光要求，因此需增加老虎窗，老虎窗以1.5 m为模数预制，如图5（f）（g）所示。

图5 各模块类型

（a）实墙模块；（b）带窗户模块；（c）带高窗模块；（d）西侧遮阳窗模块；（e）南侧遮阳窗模块；（f）老虎窗模块立面；（g）老虎窗

以4号厂房为例，工业生产主要在厂房内进行，室内机器等设备产热量较多，室内需要通风、除热以及除湿等处理。合理的模块组合可在高温时段形成空气对流，达到自然通风效果；同时由于生产车间进深较大，所以需要高侧窗和老虎窗将热空气自然向外排出，达到室内自然通风的效果；北侧墙体需保温和通风，因此北侧墙体多为实墙或只设高侧窗。

3.4.2 保温遮阳

保温遮阳也是装配式工业建筑中低碳设计中需要考虑的因素。外墙板的预制和拼接需充分考虑墙板的保温隔热性，根据不同模块的不同要求，采取不同的材料和构造方式。东侧和北侧的墙体需要采用保温隔热性能较高的材质，因此墙体设计多采用保温性能较高的材料预制，如聚苯乙烯保温板等。遮阳也可进行模块设计，如图6所示，西侧窗户两侧和南向窗户上沿采用预制遮阳板，避免不同时间日晒影响室内采光，达到低碳遮阳效果。

图6 夏季带遮阳模块

（a）竖向遮阳；（b）横向遮阳

3.5 造型一体化设计策略

建筑模块设计应将造型进行一体化，减少二次装饰带来的材料和施工的资源浪费。造型一体化设计同样遵循工业建筑构图中形式美法则，同时还要兼顾工业化生产的工艺要求，尽量做到简洁、统一，与装配式模块设计相协调。如越南FPT大学理工楼，每个单元模块规格相同，通过与窗户、出入口、功能以及其构件相结合，将模块进行叠合、架空、出挑等手法，使之组合成美观且丰富的造型一体化装配式建筑；再如拉科鲁尼亚妇产科医院停车楼，通过不同颜色的金属条来增加外立面设计感，同时减少了混凝土的使用。

在厂房的装配式模块设计中，将雨篷板、檐口梁、窗户及窗户套线、露台栏杆等构件墙板构件组合成型，并赋予不同颜色、材质、肌理感、编织感，达到建筑造型美观协调的同时降低材料碳排放。在河北某变压器生产厂的装配式设计中，以4号楼为例分析建筑模板一体化设计策略，如图7所示。

图7 造型一体化模块组合

（a）不同墙体模块组合；（b）横向遮阳与模块组合；（c）竖向遮阳和门窗套与模块组合

（1）墙体：选用具有特殊质感和纹理的复合墙板，  加工制作成线条感强烈（横向条、竖线条、斜线条或相互组合）的墙板模块，根据金属、混凝土、木质等不同材料表现的不同质感和色彩，进行一体化设计和一体成型。

（2）窗户：绿色真空玻璃具有良好的隔音、保温隔热性能，与传统玻璃相比，绿色真空玻璃能有效降低建筑能耗。可选铝合金、绿色真空玻璃、橡胶密封条等进行窗户模块预制；外窗模块分为方形和矩形，尺寸分别为1.5 m×1.5 m和1.5 m×0.9 m，根据外窗位置和尺寸需要进行拼接组合，满足采光通风要求，同时体现丰富的视觉形象。

（3）附属构件：遮阳板、窗套、外檐等装饰构件可使用防腐木板、水泥板、铝合金板等材质制成装饰模块。该附件不仅实现低碳的目的，同时可在质感、纹理和色彩上与外墙面呼应，也可与墙板组成外墙墙板模块，在需要的部位进行组装，更简洁方便。

4 结论

低碳设计是未来建筑发展的必然选择，工业建筑作为建筑中一个庞大且不可或缺的分支；装配式工业建筑的模块设计是实现低碳目标的有效手段。通过采取一系列设计策略将装配式工业建筑在设计阶段有效控制碳排放，对工业建筑节能减排具有重要意义。以装配式工业建筑为研究对象，从建筑学专业视角提供装配式模块设计低碳策略，使工业建筑从设计阶段开始，将低碳理念贯穿建筑全寿命过程，为绿色低碳工业建筑发展提供参考依据和建议。