装配式构件在绿色建筑施工中的应用与节能环保价值

刘 毅

(上海思博职业技术学院，上海 201300)

当前社会建筑体系不断扩大，各类大型商业、工业建筑以及小型的家居、农业建筑分布在全国各个省市范围内。由于体系不断扩增，建筑物的施工年限及工作量不断上升，大规模的土地开发及建筑材料耗用引起了严重的能源环保问题，导致建筑行业的走向朝着不可控制的方向发展，绿色节能环保建筑施工迫在眉睫。现阶段，多数工程主要通过直接缩减材料成本或使用装配式构件辅助来进行开流节源，其中，直接缩减材料成本方式有极大可能会降低施工质量，而装配式构件可以通过建筑施工中的具体构件材料如：墙壁隔温板、窗口包板、钢木转实木安装等实现节能环保，这种方法更具有可控性，一旦出现错误可立即停止，风险较小、实用性更强。

结合目前绿色建筑施工情况，本文选择竹质材料作为装配式主要构件，更符合绿色环保的应用价值。相比普通的钢铁材料，竹质构件外露位置不需要后续甲醛颜料刷漆，对身体危害小，具有保温隔声、施工便捷、抗震防火、轻质高强等优势，在同样的建筑面积中，竹质材料可比一般材料节省50%～80%的能源消耗。本文利用目标函数对竹质的宽度、可接受的最大弯度以及导热系数进行计算，分析竹质材料加入复合式建筑墙体内的热流走向及导热值，得出最为平衡的导热参数。仿真测试证明，竹质装配式构件的环保性能好，节约了能源耗费，所需的取暖费用低。

1 装配式构件在绿色建筑施工中的应用

1.1 装配式构件抗弯性能分析

绿色建筑中装配式竹质双拼梁应用如图1所示。

图1 装配式竹质双拼梁示意Fig.1 Schematic diagram of prefabricated bamboo double girder

明确装配式竹质双拼梁[1]构件的抗弯性能[2]，降低后续墙体加固应用的形变概率[3]，装配式竹质双拼梁构件的位移检测模型与抗弯载荷位移[4]曲线如图2、图3所示。

图2 装配式竹质双拼梁构件的位移检测模型Fig.2 Displacement detection model of prefabricated bamboo twin-beam member

由图3可知，在载荷量100 kN下，1号楠木位移变形值为24 mm、2号樟木位移变形值为17.5 mm、3号椴木位移变形值为9.1 mm以及4号竹木位移变形值为6.8 mm，其他关键系数见表1。由此可见，本文采用的竹木双拼梁的变形值是最小的，该值可代表材质材料在应用时可接受的最大塑性能力[5-9]，说明竹木的抗弯性能较好，具有很好的适应能力，安全系数高，且相比其他材料价格更低、质量更小，更加符合建筑施工过程中的高强度施压要求和绿色环保要求。

图3 竹质双拼梁构件抗弯载荷下跨中变形位移曲线Fig.3 Medium deformation displacement curve of cross span under bending load of bamboo double beam member

表1 不同跨度类型下装配式竹质双拼梁构件Tab.1 Prefabricated bamboo double beam members under different span types

1.2 求解构件在墙体上的作用系数

设建筑物墙体保温应用模型的宽度为W,长度为L，所有墙体面积符合竹木装配式构件安装要求。需要预先装配的竹木构件有N个，单个竹木构件i高度设为hi(图4)，宽度设为wi。以墙面左下角作为坐标系的原点，竹木构件在墙体上的装配坐标可以由坐标系精准确定，在第r位置时，横放及竖放竹木构件的关系式如下。

图4 竹木构件与墙体坐标关系示意Fig.4 Coordinate relationship between bamboo and wood components and the wall diagram

竹木构件横放情况：

(1)

竹木构件竖放情况：

(2)

式中，x1，i为第i个竹木装配式构件的左下角横坐标数值；y1，i为第i个竹木装配式构件的左下角纵坐标数值；xr，i为第i个竹木在右下角横坐标数值；yr，i为第i个竹木在右下角纵坐标数值。

在已知长宽的建筑墙体上放置N个装配式竹木构件，其竹木构件中心点距离建筑墙体边缘点[10]的和为：

(3)

式中，S为全部竹木构件中心点与墙体边缘点的距离之和；x0为边缘点相对于整体墙体的横坐标；y0为边缘点相对于整体墙体的纵坐标。

建立约束条件[11]，约束管制竹木构件的可放置距离，降低放置点的误判率及出界率[12]，提高应用性能。装配式竹木构件之间高度及宽度限制参数计算公式：

(4)

式中，tij、sij分别为限制参数变量，取值为0或1。当限制变量sij为1时，表明竹木构件i、j在墙体左侧；当变量sij为0时，表明竹木构件i、j在墙体右侧；当tij为1时，表明竹木构件i、j在墙体上方；当tij为0时，表明竹木构件i、j在墙体下方。根据绿色建筑施工的现场实际情况，通过上述高度及宽度的参数进行精准限制，提高竹木构件在墙体保温应用的连接性及稳定性。

将装配式竹质双拼梁构件按照上述的作用系数，放置于墙体的内外两侧，让墙体内的保温层[13]包裹在竹木，整体的构造层次为保护层—竹木构件—保温层—防水层[14]—隔气层[15]，具体使用要求可根据实际建筑情况拟定。

2 节能环保价值评估

在绿色建筑施工应用中，墙体的保温一直是环保应用的重点及难点问题，将上述提出的装配式竹木构件应用于墙体保温，通过导热评价系数[16]具体评价该竹木构件的应用及环保性能，其导热系数越高，表示导热性能越佳，越能节省保温材料的耗用，减少污染及资源浪费，计算公式为：

(5)

基于此，推导得出导热系数K公式为：

(6)

利用该系数K可完成精准环保节能价值评价。

3 仿真实验

3.1 装配式竹木构件对墙体节能温度效果

采用河南省南阳市某地区的办公建筑作为实验对象，竹木纤维墙板材料的试件如图5所示。

图5 竹木纤维墙板Fig.5 Bamboo and wood fiber wallboard

将本文的装配式竹木墙板构件与水泥砂浆、钢筋混凝土、挤塑聚苯板材料的导热性能进行分析，导热参数是文中所提到的导热系数、蓄热系数、修正系数，可准确评判构件对墙体保温的应用效果。实验结果如图6所示。

图6 同一厚度不同板材对建筑墙体的导热性能Fig.6 Thermal conductivity of different plates of the same thickness on building walls

从图6中可以看出，随着保温层厚度不断增加，4种板材的导热性能均有不同程度的下降。其中，水泥砂浆、钢筋混凝土及挤塑聚苯板材料曲线下降幅度较大，相比之下，本文的装配式竹木构件曲线下降范围较小，没有呈现过高的正比下降趋势。这说明，本文的竹木材料保温性能最好，传热系数最高，对建筑节能提供有力帮助。

为了使仿真实验结果更加清晰易观察，综合评价各板材的导热性能(表2)，最终的保温性能分析见表3。

表2 不同板材对建筑墙体的保温性能参数Tab.2 Thermal insulation performance parameters of different panels for building walls

由表3可知，装配式竹木构件应用效果除外墙体导热系数、热惰性指标不满足要求外，其余指标均符合保温要求。由于建筑房屋外墙围护结构作用主要就是保护室内墙体，不受外界空气、温度变化的影响，如果仅从保温效果考虑，外界墙体不需要过高的导热性能。同时，外墙体直接接触冷空气，与墙体内的导热管的温差过大，还会造成损坏。

表3 装配式竹木构件建筑墙体保温分析Tab.3 Thermal insulation analysis of prefabricated bamboo and wood component building wall

3.2 装配式构件年际温度变化及能耗分析

以上述对装配式构件保温性能的验证结果为基础，再进一步验证文中构件对绿色建筑施工的具体环保应用价值，结果如图7和图8所示。

图7 装配式构件逐月耗电量与室外温度对比Fig.7 Monthly power consumption of prefabricated components and outdoor temperature comparison

从图7和图8中可以看出，采用装配式竹木构件前建筑施工的整体耗电量过大，其中，冬季11月和12月的能耗量是所有月份中占比较大的；相比之下，应用文中构件后，建筑施工的整体能量出现明显下降，秋季末、冬季以及早春的电量耗用均下降60%以上。这说明，装配式竹木构件环保节能的性能表现较好，不仅解决了用电量过大的问题，还降低了所需的保温费用。

图8 建筑保温能耗分项百分比Fig.8 Percentage of energy consumption in building insulation

4 结论

本文以减少能源消耗及降低资源浪费为目标，分析了装配式竹木构件在绿色建筑施工中的应用与节能的环保价值。装配式竹木构件具有施工简单、安全高效、稳定性好、耐久性好、造型优美以及轻质高强等特点。计算墙体与构件间的作用系数，根据作用系数实现距离限制，达到应用效果最大化。仿真实验证明，所提装配式竹木构件不仅对建筑墙体的保温性能较好，还具有降低能源消耗的环保价值。