裝配式綠色建造體系在中小學(xué)校園建設(shè)的應(yīng)用與實(shí)踐

張橋　張坤　王偉杰　羅兵　吳婧

摘要：綠色發(fā)展是綠色建造的根本遵循。新形勢下，中小學(xué)校園建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存，要實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)的綠色建造和高質(zhì)量發(fā)展，其主要方式是裝配式建筑、裝配式BIM技術(shù)，裝配式設(shè)計(jì)施工一體化管理模式。從青島澳門路小學(xué)工程應(yīng)用實(shí)踐中，總結(jié)、探索裝配式綠色建筑體系在中小學(xué)類項(xiàng)目中的實(shí)現(xiàn)路徑。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)、裝配式、綠色建筑，中小學(xué)。

1? 前言

校園是社會(huì)建設(shè)的重要組成部分，綠色校園對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)發(fā)展與健康成長有著重要的影響與價(jià)值。而在我國，中小學(xué)綠色校園建筑尚未發(fā)展完善，缺乏理論技術(shù)適宜性體系。由于校園建筑存在人口密集，建筑存量龐大，能源與資源需求量大的特點(diǎn)，校園蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能潛力。目前綠色校園的建設(shè)還主要集中于大學(xué)校園，中小學(xué)幼兒園的綠色校園建筑實(shí)踐發(fā)展較為緩慢，處于基礎(chǔ)研究到付諸實(shí)踐的過渡階段。因此如何將綠色技術(shù)應(yīng)用到校園建筑建造中，貫穿校園建筑的全生命周期，已成為中小學(xué)校園綠色發(fā)展的需求和趨勢。

澳門路小學(xué)就是在這種背景下努力打造的示范工程，已成功注冊(cè)國內(nèi)首個(gè)WEL健康建筑認(rèn)證中小學(xué)類項(xiàng)目、通過對(duì)該項(xiàng)目本身優(yōu)化思考一套用于中小學(xué)校園的裝配式綠色建造體系。

2? 裝配式綠色建造體系是綠色校園建造方式

2.1? 鋼結(jié)構(gòu)是綠色校園建筑的天然載體

學(xué)校建筑的特點(diǎn)是房間多，面積大，但房間類型少，組織簡單，基本為走廊式組合形式，因此多采用框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)有的中小學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，一般中小學(xué)建筑的設(shè)計(jì)層數(shù)為1-5層，在防火及抗震等級(jí)劃分中屬于多層建筑，適應(yīng)的建筑體系有兩種：鋼框架+內(nèi)灌混凝土（或輕質(zhì)材料）、純框架體系（鋼柱做防火涂料及外包處理）。學(xué)校類建筑屬于生命線工程，鋼結(jié)構(gòu)建筑相較于傳統(tǒng)混凝土建筑其抗震性能更加優(yōu)越，材料可全部回收，綠色環(huán)保。該工程采用全鋼框架結(jié)構(gòu)。是最佳的選擇。

同時(shí)，鋼框架結(jié)構(gòu)的柱截面面積更小有利于增加教學(xué)用房使用面積。而風(fēng)雨操場等大跨度的空間，鋼結(jié)構(gòu)具有天然優(yōu)勢。教室凈高不宜太低，小學(xué)室內(nèi)凈高為3.1m～3.4m，中學(xué)為3.4m，進(jìn)深大于7.2m的專用教室、公共教學(xué)用房不低于3.9m。澳門路小學(xué)鋼框架結(jié)構(gòu)樓板采用鋼筋桁架板，可有效減少樓板厚度，增加房間凈高，更好的實(shí)現(xiàn)教學(xué)用房容納人數(shù)、通換氣管線安裝、采光與室內(nèi)空間觀感。

本工程由于鋼結(jié)構(gòu)增加凈高最明顯的例子在風(fēng)雨操場的應(yīng)用，由于該學(xué)校用地緊張，風(fēng)雨操場布置在地下一層，頂板跨度達(dá)到21m。在最初的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，為了更好的與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合，頂采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致樓板厚度達(dá)到1.95m。風(fēng)雨操場的凈高為5.85m，這樣無法滿足室內(nèi)籃球場凈高8m的要求，而采用鋼梁+鋼筋桁架樓承板的組合后，房間凈高達(dá)到8m，不僅具備室內(nèi)籃球場的功能，同時(shí)在施工過程中避免了高支模的施工。

在該項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)全鋼結(jié)構(gòu)裝配式施工中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部為BIM建模，數(shù)字化加工，到場既安裝，構(gòu)件連接全部采用栓接方式，減少焊接和焊縫檢測時(shí)間，減少了焊接煙塵對(duì)環(huán)境的污染，結(jié)構(gòu)安裝現(xiàn)場工人數(shù)量比傳統(tǒng)施工方式減少2/3，工期僅用1.5個(gè)月。

2.2? 裝配式一體化外墻校園

學(xué)校樓屬于人員密集場所建筑，其外墻外保溫材料的燃燒性能應(yīng)為A級(jí)，澳門路校園建筑外墻保溫的采用200厚裝配式CF蒸壓瓷粉加氣混凝土墻板自保溫系統(tǒng)構(gòu)造，傳熱系數(shù)達(dá)到0.39W/㎡·K，可省去傳統(tǒng)外墻粘貼巖棉保溫板，減少對(duì)施工現(xiàn)場的環(huán)境影響，避免后期保溫板脫落的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)蒸壓瓷粉墻板是充分利用陶瓷工業(yè)的產(chǎn)生的瓷粉等固廢棄物為原材料研發(fā)而成新型裝配式墻板，是裝配式建筑的重要組成部分。

3? BIM+技術(shù)是綠色校園建筑的技術(shù)保障

BIM技術(shù)是當(dāng)前智慧建造中最基礎(chǔ)性的應(yīng)用，已經(jīng)在房屋建筑特別是超高層建筑和大體量建筑、高鐵建設(shè)、高速公路建設(shè)、特大型橋梁建設(shè)以及市政工程建設(shè)等方面廣泛應(yīng)用。

3.1? BIM虛擬拼裝技術(shù)

校園建筑包含教學(xué)用房、輔助用房、行政管理用房、運(yùn)動(dòng)場地、自然科學(xué)園地及生活區(qū)，且應(yīng)分區(qū)明確，聯(lián)系方便，互不干擾。中小學(xué)建筑方便中小學(xué)生串聯(lián)，要求建筑組合盡量緊湊集中，為保證體育活動(dòng)場地創(chuàng)造條件。由于該項(xiàng)目工期緊，對(duì)施工組織的緊密性和一次成優(yōu)率提出極高的要求，必須借助BIM技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)目還存在工作面受限、各專業(yè)集中交叉、管線排布復(fù)雜等困難，也只有通過BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)事前模擬，提前發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題，節(jié)省工期。

項(xiàng)目施工的BIM團(tuán)隊(duì)與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合署辦公，打通了設(shè)計(jì)與施工的壁壘，實(shí)現(xiàn)了真正的設(shè)計(jì)施工一體化融合。在設(shè)計(jì)階段共發(fā)現(xiàn)疑似碰撞并將碰撞問題及時(shí)消滅在設(shè)計(jì)階段，真正實(shí)現(xiàn)了BIM正向設(shè)計(jì)。例如，為保證風(fēng)雨操場、教室凈高，機(jī)電管線需從鋼梁梁腹穿過，項(xiàng)目部應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行綜合排布，穿孔位置提前定位并準(zhǔn)確留洞，將兩個(gè)專業(yè)的協(xié)調(diào)時(shí)間縮短為零;又如，工程裝配式自保溫混凝土外墻、異形造型工藝、這些材料均具有加工制作周期長、補(bǔ)件慢的特點(diǎn)，采用“BIM+三維掃描”技術(shù)，保證“精確下料，精準(zhǔn)安裝、一次成優(yōu)”，將損耗率和返工率降低為零。解決這些問題，減少成本，可減少返工的工期損失。同時(shí)，BIM還能提供外形優(yōu)化措施，進(jìn)一步提升建筑的節(jié)能屬性，通過相關(guān)計(jì)算降低建筑整體的外形系數(shù)，通過此方法較少建筑的表面積，進(jìn)一步降低能耗。并盡量結(jié)合數(shù)據(jù)調(diào)整建筑外形的規(guī)則狀況，避免出現(xiàn)外形凹凸現(xiàn)象，只有這樣才能達(dá)到綠色建筑的形體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2? BIM室內(nèi)明度模擬技術(shù)

利用BIM技術(shù)根據(jù)照度模擬，最終確定設(shè)計(jì)方案：選用 SP140P L1135 燈具，燈具距課桌面高度 2.2M，課桌區(qū)采用 3×3PCS40W LED燈具，所有燈垂直向下照明以達(dá)到整個(gè)課桌區(qū)域具有很高的均勻度，黑板區(qū)安裝 4PCS40W LED燈具重點(diǎn)照明。

教室課桌面的平均照度值 435LX，均勻度 0.7;教室黑板面的平均照度值 513LX，均勻度 0.72;教室功率密度 6.48W/m?，符合《 GB50034-2013 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)》中的規(guī)定。

3.3? 室內(nèi)舒適度模擬技術(shù)

以教室為例進(jìn)行模擬分析，通過使用BIM 模型導(dǎo)入到CFD有限元分析模擬軟件 ANASYS Fluent 中，進(jìn)行對(duì)室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)的模擬計(jì)算。根據(jù)室內(nèi)最優(yōu)的體感風(fēng)速、體感溫度分布及壓力感受，對(duì)室內(nèi)空調(diào)分布進(jìn)行優(yōu)化：將原設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)授課教室中的4臺(tái)空調(diào)優(yōu)化為2臺(tái)，并增加1臺(tái)全熱交換器進(jìn)行新風(fēng)通風(fēng)，減少室內(nèi)溫度損耗的同時(shí)保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

根據(jù)模擬結(jié)果，進(jìn)行空調(diào) EPC設(shè)計(jì)優(yōu)化，使室內(nèi)空氣溫度分布更加均衡，并且通過增加全熱交換器的方式減少開窗，降低室內(nèi)冷熱負(fù)荷，綠色節(jié)能，且保證較低空氣齡。將優(yōu)化結(jié)果通過BIM深化出圖，并三方簽字確認(rèn)，指導(dǎo)現(xiàn)場落地施工。

3.4? ?室外日照優(yōu)化

結(jié)合BIM模型、日照模擬分析，通過 Enscape 進(jìn)行模擬渲染室內(nèi)日照狀態(tài)對(duì)教室采光窗進(jìn)行面積優(yōu)化，減輕室內(nèi)冷熱負(fù)荷并滿足采光需求，以達(dá)到綠色節(jié)能的效果。增加教室窗戶面積約 110㎡，有效增加采光面積和冬季輻射熱量，并運(yùn)用一體化遮陽簾，保證采光度的前提下，降低夏季輻射熱量。

裝配式建筑+智慧建造是未來的發(fā)展方向，包括裝配式建筑與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新型信息技術(shù)的結(jié)合。今后在校園裝配式建筑中，使用AI賦能的機(jī)器人建造技術(shù)已然成為必然選擇。

4? 裝配式+EPC是綠色校園建筑的管理模式

推進(jìn)公共投資項(xiàng)目供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，一則是建設(shè)模式必須轉(zhuǎn)變，要充分體現(xiàn)節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)。再則就是市場模式必須轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工總承包模式（即EPC），通過一次性定價(jià)，總包方可單獨(dú)或與業(yè)主共享優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本、縮短工期所帶來的效益，使得總包方有動(dòng)因即講節(jié)約又講效率。

校園建筑綠色設(shè)計(jì)和綠色施工管理的基礎(chǔ)在于整合設(shè)計(jì)與施工，強(qiáng)調(diào)從建筑產(chǎn)品全生命周期視角、站在項(xiàng)目全過程管理控制的高度，提高各專業(yè)的協(xié)同一級(jí)設(shè)計(jì)方案的可建造性，實(shí)現(xiàn)更高品質(zhì)，減少變更和浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值創(chuàng)造。裝配式建筑必須結(jié)合設(shè)計(jì)施工總承包模式來降低成本。EPC總承包單位在建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施的過程中，以“四節(jié)一環(huán)保”為目標(biāo)，由全過程咨詢單位牽頭，成立綠色管理領(lǐng)導(dǎo)小組，建立協(xié)調(diào)合作、權(quán)責(zé)明確、溝通高效、資源共享的綠色項(xiàng)目管理體系。

5? 結(jié)語

綜上，裝配式綠色建造體系構(gòu)筑的親生命、親自然的健康建筑，將助推新時(shí)期中小學(xué)綠色建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新征程。校園建筑的發(fā)展是我國建筑發(fā)展的一個(gè)縮影，它是社會(huì)的搖籃，綠色學(xué)校發(fā)展勢頭迅猛，將成為實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和科技跨越的重要途徑。