绿色建筑全寿命周期的技术应用及功能提升

孙盛楠,赵晓光

(河北环境工程学院,河北 秦皇岛 066102)

2015 年11 月30 日,国家主席习近平在巴黎出席气候变化巴黎大会开幕式并发表题为《携手构建合作共赢、公平合理的气候变化治理机制》的重要讲话[1],在讲话中,习近平主席提到了中国的建造业正在朝着更加绿色的方向发展。近年来,我国建筑业逐步由高速发展转换为良性发展,与此同时,绿色建筑逐渐地进入到人们的视野中,并且越来越受到人们的青睐。绿色建筑的出现,不仅提高了建筑工程的经济效益,更促进了建筑业的可持续发展。

1 绿色建筑的定义与发展

绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内,最大限度地节约资源,保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间,与自然和谐共生的建筑[2]。绿色建筑的出现既满足了人类在面临能源短缺时尽量节约能源的追求,也最大限度地降低了人类对环境的影响。

绿色建筑起源于20 世纪70 年代中期,能源危机的爆发,使人们逐步认识到经济社会的发展不能过度依赖单一的能源,同时,建筑学家也开始寻找建筑的绿色节能途径,包括采取各种措施来提高建筑物的供暖和供冷效率以及将更多的绿色环保材料应用到建筑中。在这一思想的激发下,欧洲国家设计出了很多“生态建筑”住宅,这类住宅利用覆土、温室以及自然通风等技术为室内提供一个稳定、舒适的环境,并且起到了良好的效果。1985 年,首次出现“绿色建筑”的概念,以后更多的建筑专业人士意识到绿色建筑是地球友好的建筑物,并且能够确保建筑质量、节约能源、再循环,把建筑对环境的负面影响降到最低,由此,绿色建筑的概念也越来越成熟。

1986 年3 月,我国原城乡建设环境保护部出台《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》,提出30%的节能设计标准被行业内称为“一步节能”,首次实现了我国建筑节能设计标准“零”的突破[3],为我国后期绿色建筑的发展做了良好的铺垫。2005 年,我国正式提出发展绿色建筑,明确了我国建筑业的发展方向。绿色建筑在我国起步较晚,但发展速度却十分迅速,相关部委及各地政府纷纷出台绿色建筑政策、制定相关标准、发布绿色建筑实施方案,形成了目标清晰、政策配套、标准完善、管理到位的体系。2020 年7月住建部等7 部门联合印发的《绿色建筑创建行动方案》明确提出:到2022 年,城镇新建建筑中绿色建筑面积占比达到70%,星级绿色建筑持续增加,既有建筑能效水平不断提高,住宅健康性能不断完善,装配化建造方式占比稳步提升,绿色建材应用进一步扩大[4]。由此可见,我国绿色建筑的发展已经步入成熟化的阶段。河北省作为京津冀发展重要承载地和新型城镇化示范区,大力发展绿色建筑、被动式超低能耗建筑、装配式建筑已成为共识。截至2020 年底,河北省绿色建筑占比达到92%,累计建设被动式超低能耗建筑108 项,建设总面积417 万km2,建设规模位居全国第一。在今后一个时期,被动房建设仍是河北省建筑节能的工作重点。

2 绿色建筑设计阶段的应用策略

2.1 绿色设计的要求

绿色发展是绿色建筑的核心思想,本着节约资源、降低污染、减少能耗的原则,设计出更加健康、环保、舒适、低碳的建筑,实现人与自然的和谐发展、自然与建筑的协调发展。在设计过程中,首先应考虑项目选址及场地设计,选择项目地点时应充分考虑风向、水文、日照、周边环境等因素,有效地利用现有地形地貌,因地制宜,实现布局、交通、环境、设施和管网配套系统的合理设计;其次,基于“被动式技术优先、主动式技术优化”理念[5],充分利用太阳能、风能、光能、地热能等零碳能源及可再生能源,降低能源消耗,达到节能目标,如利用太阳能蓄热、自然风通风、自然采光照明等。在设计中应合理规划空间、优化使用功能、建造超低能耗建筑,发掘节约资源的潜力;同时要综合考虑建筑的安全耐久性、良好的经济效益、节能减排等要求,选择紧凑的结构、最合适的体形系数(A/V 比);还应采用装配式技术,使用集成标准化构件,减少现场环境污染,提高建筑品质。

2.2 协同性设计要求

设计师在项目设计初期要充分考虑建筑的协同性原则,应贯穿绿色建筑的整个生命周期,建立涵盖规划、设计、施工等不同过程的协同设计体系,统筹管理规划设计、初步设计、扩大设计、施工图设计。同时应用BIM 技术协同平台,集成建筑、结构、给排水、采暖、通风空调、电气、弱电、消防各专业模型进行项目信息查看,通过协作,加强质量安全施工的可视化操作,实现绿色建筑的全过程、全专业、全主体的协同参与。

2.3 数字化设计要求

集成应用BIM、GIS、PKPM、PHPP、Ecotect、绿建斯维尔等数字技术软件,进行性能分析、模拟分析、优化方案和成果交付,确保不同专业及设计与施工过程中的数据交互和信息共享,以确保科学合理的设计方案,实现建筑与环境的协调统一。

2.4 选材设计要求

选用符合绿色环保要求的建筑材料,从经济性和功能性方面考虑,尽可能选择可再生、可循环使用的优质绿色建材。如高保温的围护隔热结构采用加气混凝土砌块、挤塑聚苯板、石墨聚苯板[6];门窗采用专用保温隔热Low-E 玻璃,用惰性气体填充,选用高度隔热的断桥铝窗框;通过太阳能光伏电板获得热能来满足额外的能源需求等。

3 绿色建筑建设阶段的管控措施

3.1 绿色建筑的施工管控

3.1.1 绿色建筑施工的水循环利用

施工过程中,很多施工工序需要大量用水,因此,在施工过程中,需要对现场的临时用水进行设计、布置,以满足施工的需要[7]。在施工现场,最节约的用水措施就是将收集到的污水进行多次循环利用。例如,施工现场收集的雨水等,经过沉淀池净化处理后,可作为混凝土的养护水使用。此外,在施工现场出入口处设置沉砂池,可用于出入车辆冲洗轮胎,避免轮胎将泥土、垃圾等带出工地现场,造成外部道路污染,如图1 所示:

图1 施工现场出入口的沉砂池

3.1.2 绿色建筑施工的防尘除尘

在施工现场,浇筑混凝土或者材料加工等,会引起路面大量扬尘,导致施工环境污染严重,因此,在现场需要采取有效的防尘除尘措施来保障施工现场的作业环境清洁。在施工现场的主要地点设置扬尘监测器,实时监测施工现场的尘土量、PM2.5、PM10的浓度。当设备监测到施工现场的扬尘量超过了规范要求,会发出警示,现场将会立即采取除尘措施进行除尘处理。常见的除尘措施有雾炮机除尘和现场周边喷淋除尘、塔吊喷淋除尘,如图2 所示。在施工现场除了采取必要的除尘措施外,更要设置防尘措施,例如对裸露的地表土采用密目网进行遮盖或者是对施工现场进行绿化,都能起到较好的防尘作用。

图2 除尘设施

3.1.3 绿色建筑施工的降噪处理

在施工现场,由于机械设备的运转及构件的碰撞等,不可避免会出现噪音,这对现场文明施工有很大的影响,同时也会对施工现场周边居民的生活带来很大困扰,因此,必须要采取相关措施进行管控。从声源上降低噪声,是防止噪声污染的根本措施[8]。因此采用低噪声设备和工艺,可以起到较好的降噪作用。例如,在混凝土振捣时,采用环保型振捣棒,振捣时严禁用振捣棒直接接触钢筋和模板,并做到快插慢拔,防止振捣棒空转,避免产生刺耳的噪音[9]。此外,在机械设备声源处,安装消声器进行消音以及在正式施工前,提前修建施工现场的围挡等,均可以达到降低噪声的效果。

3.2 绿色建筑的造价管控

发展绿色建筑对我国的可持续发展是十分有利的,但是在当前阶段,绿色建筑的理念与建筑企业的经济利益是存在一些冲突的,究其原因有以下几点:第一,绿色建筑所采用的环保绿色材料,价格较普通材料昂贵,无疑会增加绿色建筑的建造成本;第二,绿色建筑的通风采光等要求,较普通建筑物要求高,因此,在后期运营维护过程中也需要较大的投入,进而增加后期运维成本。基于此,为了更好地发展绿色建筑,需要对绿色建筑的全寿命周期进行造价管控,以达到发展绿色建筑与扩大经济效益双赢的效果。主要管控措施如下:

3.2.1 应用BIM 技术实现建筑材料全面精细化管理

绿色建筑的建造全过程离不开绿色建材的使用,绿色建筑材料的管理需要建设单位、设计单位、施工单位、监理单位以及材料供应商的全程协同管理。在绿色建筑的设计阶段,建设单位和设计单位应严格审核绿色建筑的设计方案,同时考虑到绿色建筑材料的生产、加工等具体情况,利用BIM 技术将绿色建筑的各种信息进行精细化处理,为后期绿色建筑的施工和运营维护提供便利。

3.2.2 应用BIM 技术实现建造过程的优化设计

应用BIM 技术可以对绿色建筑的建造过程进行全方位模拟,包括绿色建筑的模型构建,建造过程虚拟模拟,施工场布的模拟以及设备安装中的优化设计,不仅确保了施工质量,避免了重复返工,同时也为后期的运营维护提供了技术保障,BIM 操作流程如图3 所示。借助BIM 模型,可以精准定位各建筑构件的信息,精准指导施工的每一个步骤,并提供相关参数指导,极大地为降低施工成本提供了可靠的助力。在建设初期,通过多专业模型的构建,利用Naviswork、BIM5D、鲁班工场等BIM 工具进行碰撞检查,输出碰撞报告,如图4 所示。本研究根据河北环境工程学院食堂及校园服务中心项目图纸,建立结构建筑安装模型,应用鲁班工场进行数据输出。将碰撞报告反馈给设计院,提前发现问题,修改碰撞点以进行避让(如图5 所示),从而减少在施工过程中的设计变更,提高施工效率。

图3 BIM 应用操作流程

图4 碰撞报告

图5 碰撞避让

3.2.3 加强造价控制理念,提升造价人员素养

绿色建筑更重要的理念是将环保意识和工程项目相结合,节能减排,避免污染环境,让建筑与自然环境协调发展,同时要加强企业对造价成本预算的控制。造价控制是全寿命周期的造价控制,从设计阶段到项目投入使用后的运营维护阶段,造价人员都应该对绿色建筑的造价进行严格的管控。例如,在施工阶段,结合施工现场的特点,进行统筹安排,制定合理的施工方案,避免建筑材料的二次搬运,从而降低造价。

对于新型绿色建筑而言,其技术要求比一般建筑的要求高,这就要求其造价人员具备相应的职业素养和职业技能,对绿色建筑的施工要求、技术要求有精准的掌握,对绿色建筑的计算规则能够熟练地运用[7]。基于此,企业应加强对绿色建筑造价人员的培训,增强造价人员编制绿色建筑预算的能力,为绿色建筑的造价控制打好基础。

4 绿色建筑运营维护期面临的问题

从项目的全寿命周期来看,相比于设计和施工阶段,运营维护通常要持续十几年甚至几十年,也就是说项目的重点在于运维阶段。绿色建筑在运营维护期面临的主要问题如下:第一,绿色建筑在运营维护期存在一些安全隐患,这些安全隐患一般是绿色建筑在设计阶段的技术选用不合理导致的。例如,绿色建筑中经常采用的雨水花园技术,在浅表喀斯特地貌中,雨水花园渗透的雨水会进入地下,冲刷表土进入地下溶洞,造成地陷,破坏地表建筑[10]。第二,绿色建筑物所采用的系统投入产出比较低,经济效益不明显。目前,绿色建筑所采用的系统缺乏整合与优化,系统中的设备运营成本较高,这导致绿色建筑在后期的运营中,设备闲置,没有达到应有的效果。第三,绿色建筑的设备运营维护技术难度大。当前,绿色建筑所采用的设备,其施工和运营维护的技术含量较高,专业性较强,而我国目前缺乏此类高新技术人才,导致绿色建筑的运营与维护没有达到理想的要求。

为了解决绿色建筑在后期运营维护中面临的问题,一方面可以通过优化绿色建筑的运维管理模式,另一方面,可以通过提升绿色建筑的功能,从根本上解决绿色建筑的后期运维问题。住房和城乡建设部在2015 年提出在BIM 技术下建立运营维护管理模式。利用BIM 技术,可以提供大量的建筑信息以及可视化的模型,更有利于管理人员了解和熟悉建筑的内部构造,方便人员进行维护与管理。例如在一些大型商业写字楼的运营管理过程中,利用建筑的可视化模型,可以为管理人员进行消防演练提供帮助。其次,利用BIM 技术可以精确定位建筑设备的位置信息,展示该设备与其他设备的相对位置和相互关联情况,可以为设备的维护和检修提供助力[11]。最后,利用性能分析软件,结合BIM 模型的信息,模拟计算出能源消耗、光照、得热系数及温度分布等信息,通过物联网对建筑的远程监控,选择出最适合的节能使用方案。

5 绿色建筑的功能提升

要从根本上解决绿色建筑的后期运维问题,实现绿色建筑的功能提升,需要在设计阶段就要做出合理的优化,保障绿色建筑的性能和功能均能满足要求。绿色建筑的设计优化主要涉及系统化、健康化、因地制宜化等方面。

绿色建筑的系统化就是要提高建筑物的自我调节能力,通过改变建筑物的外部体形以及建筑的内部空间组织,改善建筑物的体形系数和朝向等,通过建筑物自身特点调整室内和室外环境条件,达到环境系统的统一和平衡,最终来增强建筑物的协调性和整体利用率,同时减少外部设备的协助。绿色建筑的健康化就是要创造健康、舒适、低污染的空间。健康化并不是简单对人体的安全、卫生、无害,同时也是为人类的精神创造一种舒适的状态,此外,更应该是与周边自然环境相适应。为达到此项优化目的,需要综合考虑建筑空间、建筑技术和资源投入的共同协调。建筑物的因地制宜化使建筑的建筑形式、建筑功能、建筑材料和技术等都应该与当地的自然气候、地理环境、人文素养以及当地能源等相协调,尊重建筑物所在地的特点,达到与其互相融合、降低能耗的效果。

6 结论

随着我国对节能环保的重视程度越来越大,传统建筑以及建造方式已经不再适应现在社会的发展,绿色建筑的诞生,体现了建筑与自然、环境、生态和谐发展的理念,具有无限的潜力。通过BIM 应用的手段,在绿色建筑的设计、施工、运营维护全生命周期各个阶段进行协同设计、精细化管理和功能提升,有效地提高了项目的实施效率,顺利地实现了可持续发展的目标。