屋顶上的“向日葵”——零碳装配式建筑

来源：华建筑

与自然和谐相处的零碳建筑将成为趋势，从几十平米的装配式预制房屋，到几十万平米的装配式预制酒店，再到零排放城市社区，有理由相信，零碳装配式建筑这种集环保、生态、自然、科技于一体的建筑产业将获得蓬勃的发展。本文中建于屋顶的“零碳馆”是建筑工业化产业技术创新战略联盟副理事长单位华建集团的工程建设咨询公司设计团队对零碳装配式建筑多年研究的一次实践。

项目实施方案鸟瞰图
一、走向自然的装配式零碳建筑
回顾人类建筑的发展史，最早出现的建筑更多地是作为人类遮风避雨和抵御严寒及猛兽的庇护所；那时除了取暖、照明、烹饪消耗少量能源外，建筑几乎是没有能耗的。然而，随着工业革命的到来，新材料、新设备被不断应用，建筑步入了“舒适建筑”阶段；这时的建筑，通过大量消耗自然资源获取能源来运行电气照明、空调、电梯等现代设施，人与自然界的和谐也被彻底打破。
进入到20世纪九十年代，自然环境的不断恶劣，宣布了人类对抗自然界这场战役的失败，越来越多的学者开始意识到建筑业必须走上理性道路，建筑理念也从“征服自然”逐步转变为“顺应自然”，“绿色建筑”的概念在这时应运而生。
如今建筑如何脱离能源而存在，成为人类与自然和谐相处的又一课题，未来建筑的方向在哪里？如何对日益危急的环境作出回应？零碳装配式建筑将作为重要的建造形式更自由地出现在水面之上、森林深处、沙滩之上、城市中央……

水面之上

森林深处

沙滩之上

城市中央

前期探索方案之一
二、屋顶上的“零碳馆”
基于零碳技术路线的装配式建筑，应符合可全拆卸、全预制、全生命周期零排放的要求，以实现装配式建筑的拼装一体化、建筑工业化、建造低碳化的原则。设计团队在上海浦公检测新建厂房“零碳馆”项目在前期进行了大量的探索，针对不同材料在不同环境下的表现建立多组模型进行比对和理论论证，这些研究成果在该项目中得到充分应用。业主方作为一家专业从事建筑工程、市政道路、桥梁隧道等检测服务的第三方检测公司，在建筑新材料新技术的运用及环保理念上有着与零碳建筑追求全生命周期零碳排的共同理念。

前期探索方案之二
“零碳馆”项目既是对零碳装配式建筑的探索，亦作为业主方零碳展示区参观的重点出现于园区一号楼屋顶之上。

零碳馆建设现场
三、实现三大“零碳”目标
零碳馆总体实现三大目标。第一，完全预制可装配；第二，建筑每24小时自转一周，满足各功能对采光的要求；第三，建筑通过对雨水的收集利用及光伏板的利用，实现水电的自给自足，切实达到零碳排要求。为了实现这三大总体目标，设计团队将设计工作分为三个阶段进行。
1第一阶段：装配式建筑设计
未来建筑应适应不同地域环境及场地环境影响，如何克服外因，进行快速高效建造是影响未来建筑发展的一大难题，为此，装配式建筑应运而生。“零碳馆”采用可拆卸的建造模式。首先，结构系统模块化可拆卸；根据场地的使用条件调整结构体系、轴网尺寸，并在工厂进行整体预制，缩短了建造工期，减少了对施工场地的要求。其次，维护体系模块化可拆卸；根据地域需求，如墙体根据地域气候条件不同调整厚度和保温体系，并结合设备中管线系统排布进行整体预制。最后，建筑构件模块化可拆卸；建筑构件如楼梯、光伏板、遮阳板实现工厂内整体预制，在结构系统与维护结构搭建完成后，进行整体安装和拆卸。
同时，“零碳馆”使用对环境影响小的环保可追溯材料。在维护结构及板材的选择上，选用符合森林管理委员会（Forest Stewardship Council，简称FSC）标准要求的木材，该木材释放负氧离子，通过碳中和来实现零碳。
2第二阶段：被动式建筑节能设计
通过合理的柱网设计和构件设置实现了自然采光及通风，通过固定遮阳系统、屋顶绿化及热反射外墙涂层的利用，大大降低了90%的太阳不可见光对建筑的影响，实现了节能减排。
3第三阶段：主动式建筑节能设计
未来建筑应当顺应自然、适应自然、利用自然、回馈自然。
大自然的阳光、雨露和风，这些美景是对建筑的馈赠，如何适当利用，进行有效开发是未来建筑走向舒适节能的另一难题。设计团队各专业在各自的领域中对“零碳馆”如何有效利用资源、节约资源等方面做了充分的工作。电气专业，通过建筑底部转台随光线转动，形成“向日葵”追光系统，为建筑争取最佳朝向，利用屋顶光伏发电系统实现能源超值利用，并通过光伏系统并网实现了能源的自给自足。给排水专业，采用纳米反渗透户式污水处理系统，满足零排放的要求；合理选用节水节能用品减少了资源浪费，并采用微灌系统结合水循环系统对屋顶绿化进行浇灌。同时根据用水的不同情况安装分级计量水表，准确的计量可以有效地节约资源。对所有用水设备安装红外感应设备，避免人为用水浪费。暖通专业，选择多功能变制冷多联机系统作为空调冷热源，并综合利用太阳能为辅助热源。通过双幕墙系统、新风热回收技术及溶液除湿等技术实现了建筑的节能减排。
四、结语
此次实践是迈向未来装配式零碳建筑的第一步，设计团队以“九宫格”为设计思路，将本项目通过现代技术建造于既有建筑屋顶之上，并实现了建筑的重钢轻质墙体体系，内、外装及保温一体化工厂预制；建筑可预制安装、拆卸，预制部件可满足经济运输的要求；屋顶设计大面积太阳能光伏电池板，满足建筑零能耗的要求；采用纳米反渗透户式污水处理系统，满足零排放的要求，以期达到建筑全生命周期综合碳排放量小于零的目标；作为示范性展示，建筑整体可旋转，可跟踪直射阳光，在尽可能提高屋顶光伏发电效率的同时实现了各功能房间对采光的要求。
五、展望
放眼世界，人们越来越重视人类活动对环境的影响。随着技术的不断发展、标准的不断完善，与自然和谐相处的零碳建筑将成为趋势，从几十平米的装配式预制房屋，到几十万平米的装配式预制酒店，再到零排放城市社区，有理由相信，零碳装配式建筑这种集环保、生态、自然、科技于一体的建筑产业将获得蓬勃的发展。项目的设计团队也将坚持不懈地探索研究零碳装配式建筑的未来，通过开发研究装配式的建造模式使零碳建筑工业化，并整理零碳建筑建造数据为未来建筑提供数据支持，为国内尚未成熟的零碳建筑业提供参考，形成零碳建筑标准。