夢想居 | 被動式+主動式+鋼結(jié)構(gòu)集成的未來屋

項目簡介

“夢想居”未來屋示范項目( 以下簡稱“夢想居”，圖1) 位于常州市武進區(qū)江蘇省綠色建筑博覽園內(nèi)，是由東南大學建筑學院采用協(xié)同設(shè)計模式，在前三代輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋系統(tǒng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，聯(lián)合相關(guān)團隊，設(shè)計研發(fā)的新一代被動、主動式技術(shù)相結(jié)合的可移動輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋系統(tǒng)。

項目總建筑面積420m2，由12個3m×6m×3m 的標準空間模塊和獨立連廊組合成四合院。南面是4個模塊的老年居住單元，東西兩側(cè)為2個模塊的青年居住單元，北面是4個模塊的公共活動單元?！皦粝刖印本哂薪】怠a(chǎn)能、低碳、多用途、有文化特色等8大特點。設(shè)計研發(fā)目標為：從材料構(gòu)件加工、構(gòu)件組裝到現(xiàn)場組裝空間模塊，全面實現(xiàn)工廠化制造、機械化裝配的工業(yè)化建造方式。預制構(gòu)件和空間模塊在位于南京的工廠生產(chǎn)組裝完成，在施工現(xiàn)場進行空間模塊間拼裝，過程簡易快捷。

圖1 “夢想居”未來屋示范項目

被動式直接節(jié)能技術(shù)應用

1 圍護體綠色節(jié)能技術(shù)

為保證建筑保溫隔熱性能，本項目標準空間模塊和屋頂都采用內(nèi)外兩層復合圍護體（圖2），分別安裝在 60mm方鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件兩側(cè)，內(nèi)、外圍護體間形成封閉空氣腔。內(nèi)、外圍護體均采用外側(cè)覆有鋁箔的聚氨酯保溫板作為內(nèi)芯，可防輻射熱，加強復合圍護體保溫隔熱性能。

圖2 圍護體保溫結(jié)構(gòu)詳圖

木飾面作為圍護體內(nèi)面層，將性能與室內(nèi)裝修相結(jié)合。外圍護體用豎向三角形空腔輕鋼專用龍骨，將相鄰外圍護體鋁板的邊緣用線型卡扣構(gòu)造，卡固在一起，連接在方管結(jié)構(gòu)體上。這不僅使安裝過程簡捷，且能有效保證外圍護體的防水性和空氣密閉性。

屋頂面板同樣采用內(nèi)填保溫材料加鋁箔的鋁復合板，這不僅減少房屋系統(tǒng)構(gòu)件類型，且減輕了屋頂重量。每塊屋面鋁板相互卡扣咬合，屋面板脊間嵌有密封膠條，并通過對穿螺絲夾緊，有效地防止雨雪滲入。之前的輕型結(jié)構(gòu)房屋系統(tǒng)-“夢想居”未來屋示范項目經(jīng)江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司2016年12月檢測結(jié)果（圖3），房屋在冬季室內(nèi)環(huán)境舒適，性能優(yōu)越。

圖3 輕型結(jié)構(gòu)房屋會議室東北側(cè)外墻檢測數(shù)據(jù)

2 陽光廊道熱緩沖區(qū)設(shè)計

“夢想居”項目在設(shè)計建造中遵循“多適應性”原則，采用被動式節(jié)能技術(shù)。四合院中連接各單元的3m 寬玻璃回廊在提供全天候活動場地同時，還起到了熱緩沖區(qū)作用。冬季，在開啟回廊頂部和四面的遮陽卷簾后，內(nèi)部空氣經(jīng)太陽加熱后迅速升溫，形成蓄熱陽光房；夏季，關(guān)閉全部遮陽簾，并開啟回廊四周窗戶，形成自然通風，控制廊內(nèi)環(huán)境溫濕度，以此達到建筑主要使用空間與室外空間熱緩沖的目的，減小室內(nèi)熱環(huán)境的波動性。同時，遮陽簾的開啟與關(guān)閉亦可形成錯落有致的光影效果。

3“家具墻”和過渡空間節(jié)能

為豐富“夢想居”功能和用途，其組合式“家具墻”采用模塊化設(shè)計，用有限標準構(gòu)件拼裝出靈活多變家具使用形式。東西兩邊青年居住單元，組合式“家具墻”將櫥柜和桌椅等家具整合其中?！凹揖邏Α狈譃?個相對獨立模塊，與桌椅等家具采用了統(tǒng)一的模數(shù)。組合式“家具墻”增強了外圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能。北邊的公共活動單元東西兩端，通過過渡節(jié)能空間和“家具墻“的設(shè)置，也增強了東、西外圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能。南邊老年居住單元的設(shè)計，將無障礙整體式廚房和衛(wèi)浴設(shè)置在西端，形成了節(jié)能過渡空間。

被動式間接節(jié)能技術(shù)應用

1 結(jié)構(gòu)體綠色節(jié)能技術(shù)

主結(jié)構(gòu)體和坡屋頂結(jié)構(gòu)體分別由60mm×60mm 的方鋼管與獨立節(jié)點，用螺栓連接成空間立體框架，縱向墻框架和坡屋頂框架上裝有十字交叉斜拉索鋼構(gòu)件，具有很強的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抗結(jié)構(gòu)變形，從而滿足運輸、裝配、使用過程中多種工況受力需要。

各標準空間模塊間螺栓連接固定后，還能獲得更大的結(jié)構(gòu)整體強度。為實現(xiàn)快速拆裝、環(huán)境友好的目標，基礎(chǔ)構(gòu)件組的設(shè)計非常重要。本項目研發(fā)生產(chǎn)了可調(diào)節(jié)高度的高強度獨立基座基礎(chǔ)構(gòu)件組，通過抗拔構(gòu)件，將基礎(chǔ)牢牢固定在地面上，以抵抗風等水平荷載。由于輕型房屋系統(tǒng)自重較輕 (200~250kg/m2)，所以對建造場地只需做基本的處理即可安放基座基礎(chǔ)構(gòu)件組，最大限度降低了對環(huán)境的不利影響，是一種環(huán)境友好型的結(jié)構(gòu)體綠色建筑技術(shù)。

2 可重復拆卸循環(huán)使用技術(shù)

本項目構(gòu)件間、空間模塊間均采用螺栓連接，便于拆卸重建，所以能夠減少對環(huán)境不利影響。經(jīng)實驗統(tǒng)計，輕型房屋系統(tǒng)可重復周轉(zhuǎn)使用30次以上（圖4），能滿足短時間內(nèi)大量性臨時房屋空間使用需求(如救災用房、臨時居住區(qū)、臨時候車廳)。本項目在構(gòu)件和空間模塊層面重復使用，改變構(gòu)件材料的回收重復加工模式，提高節(jié)能減排效率。

圖4 建設(shè)行為可逆

（1）與傳統(tǒng)施工方式對比節(jié)能降耗測算

①電節(jié)約：（工地節(jié)約用電量-工廠消耗電量）/建筑總面積=（1710+138-940）/320=2.83kwh/m2；

②水節(jié)約：（工地節(jié)約用水量-工廠消耗水量）/建筑總面積=（390-310）/320=0.25t/m2；

③ 廢棄物節(jié)約： 廢棄物節(jié)約量/ 建筑總面積=3m3/320=0.0093m3/m2。

（2）長壽命碳排放分析
100年評價周期內(nèi)碳排放總量對比分別統(tǒng)計本項目壽命為30、50、100年的碳排放量，在100年評價期內(nèi)，其碳排放量呈拋物線下降的趨勢。原因分析：100年內(nèi)，壽命30年的住宅共完成3次全生命周期，50年的住宅完成2次全生命周期，其中設(shè)備體更換1次；100年的住宅完成1次全生命周期，其中設(shè)備體更換3次，而圍護體與結(jié)構(gòu)體同壽命。由此證明，長壽命建筑具有低碳性，當然這是建立在工業(yè)化建筑裝配體系的基礎(chǔ)之上，其結(jié)構(gòu)體、圍護體、設(shè)備體的功能相互獨立，為長壽命設(shè)計提供了技術(shù)支持。

3 協(xié)同建造技術(shù)

本項目的建造過程從一開始就是一種分類、選擇與合作的過程，即將各種建筑構(gòu)件、設(shè)備廠家聯(lián)系協(xié)同在一起，進行設(shè)計研發(fā)和建造。由于本項目是東南大學的第四代輕型房屋系統(tǒng)產(chǎn)品，已建立起系統(tǒng)的構(gòu)件庫，只需針對項目特點從構(gòu)件庫中選擇合適的構(gòu)件進行組合。

構(gòu)件產(chǎn)品選定后，由廠家研發(fā)團隊根據(jù)要求對產(chǎn)品做進一步優(yōu)化。所有合作企業(yè)將各自的構(gòu)件和設(shè)備產(chǎn)品按照構(gòu)件明細表，在規(guī)定時間內(nèi)將構(gòu)件送到裝配工廠，進行空間模塊的組裝。通過協(xié)同建造模式，在建造設(shè)計過程中減少不必要的資源浪費和重復工作量，從房屋建造的源頭設(shè)計階段便達到低碳節(jié)能。

4 小型生物膜污水處理系統(tǒng)

輕型房屋系統(tǒng)還采用了東南大學能源與環(huán)境學院團隊研發(fā)的小型分散式生物生態(tài)污水處理系統(tǒng)，以實現(xiàn)節(jié)能的污水處理、高效和穩(wěn)定的出水水質(zhì)。通過灰水、黑水相分離，生物、生態(tài)處理工藝相結(jié)合，設(shè)計“高效折板厭氧反應器—缺氧調(diào)節(jié)池—水車跌水充氧接觸氧化—景觀型人工濕地”的生物生態(tài)組合式污水處理工藝，達到去除生活污水中的氮磷營養(yǎng)鹽等物質(zhì)。

房屋內(nèi)污水處理后的水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一級A標準，可回用于廁所便器沖洗和綠色灌溉。污水重復利用達到節(jié)約水資源的目的，從環(huán)境上降低能耗、降低碳排放。

5 智能化家居綠色節(jié)能技術(shù)

本項目室內(nèi)采用空氣凈化系統(tǒng)和直飲水系統(tǒng)，并實時監(jiān)控室內(nèi) PM2.5 的數(shù)值，智能啟動室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)，為居住者提供舒適健康的生活環(huán)境。室內(nèi)管線、設(shè)備及燈具露明布置，以方便維護維修和快速拆裝。長短坡屋頂模塊形成的高側(cè)窗，配合電動窗簾，控制北側(cè)自然光線進入，獲得充足穩(wěn)定的采光來減少室內(nèi)電燈照明時間。

另外，本項目還采用了智能控制系統(tǒng)，通過智能終端與 APP 應用的結(jié)合，控制遮陽、燈光、門禁、監(jiān)控和空調(diào)使用， 實現(xiàn)節(jié)能減排，為用戶提供“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的未來之家。

主動式節(jié)能技術(shù)應用

建筑產(chǎn)能技術(shù)

在“夢想居”項目中有一部分被動式節(jié)能技術(shù)需要電力驅(qū)動，因此在本項目中配套了太陽能光電光熱系統(tǒng)實現(xiàn)能量平衡，以達到自供給的目的。該系統(tǒng)采用了兩種太陽能板安裝使用方式：屋頂一體式和獨立太陽能架式。屋頂一體式太陽能系統(tǒng)將支撐太陽能板的龍骨直接安裝在坡屋頂外表面上；獨立太陽能架作為完整的構(gòu)件組，可以根據(jù)項目的需要增減其數(shù)量，靈活性大。

“夢想居”光電系統(tǒng)采用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式產(chǎn)能供電。在此項目中，安裝了170 塊光伏發(fā)電板，每年發(fā)電3.1 萬kW/h，除滿足建筑自身用電，還每年為電網(wǎng)系統(tǒng)提供1.7 萬kW/h 的電力，是一棟產(chǎn)能的房屋。此外，3m 寬的回廊里還設(shè)置有多部自發(fā)電健身器材，能將居住者健身運動時產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)全方位的能量回收。

結(jié)語

“夢想居”作為一次先進建造技術(shù)實踐的同時，也是一次對建筑設(shè)計和房屋系統(tǒng)建造模式的探索和嘗試。東南大學建筑學院正工作室團隊通過與多家研發(fā)單位、設(shè)計單位以及生產(chǎn)制造企業(yè)建立的長時間合作，達成全方位的協(xié)同模式。

通過這一模式發(fā)展出成熟的構(gòu)件庫，并以其為核心形成一條可被市場快速接受的輕型可移動房屋系統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)建造產(chǎn)業(yè)鏈。在這套協(xié)同模式下，建筑的研發(fā)、設(shè)計、建造、維護，都將得到系統(tǒng)化、信息化的管理。這為研發(fā)階段的新技術(shù)提供了可靠的市場需求，也大大提高了新技術(shù)的整合和運用所需要的效率。

“夢想居”正是基于這樣一套新型設(shè)計建造模式下的產(chǎn)物，體現(xiàn)了各相關(guān)企業(yè)間高效的兼容性和協(xié)同性。使“夢想居”未來屋輕型可移動房屋系統(tǒng)標準空間模塊化生產(chǎn)、超高速組裝的建造方式和可拆卸可重復周轉(zhuǎn)使用與高度集成的性能系統(tǒng)這樣的優(yōu)勢展現(xiàn)出來，為被動式與主動式節(jié)能技術(shù)的組合式綜合應用探索出新的路徑，廣泛適用于居住、辦公、軍用、展覽、商業(yè)、景觀、遺產(chǎn)保護等不同類型建筑和環(huán)境。

本文原標題為：《被動與主動節(jié)能技術(shù)相結(jié)合的可移動式輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋示范——以東南大學“夢想居”未來屋項目為例》；作者單位：東南大學建筑學院 張睿哲 叢勐 伍雁華 張宏；原文刊登于《建設(shè)科技》雜志，版權(quán)歸期刊編輯部及作者所有。