低多层“低碳装配式绿色建筑”精细化设计研究

徐华伦（重庆市建筑工程设计院有限责任公司，重庆 401122）

装配式建筑在我国建筑领域内经历了漫长的发展历程，属于我国建筑产业建设工业化的主要产物。由于早期设计理念与设计手段存在缺陷，导致传统的装配式建筑在设计中没有正确处理建筑美观性与环境发展之间的关系，设计成果大多存在外观粗糙、功能不完善的问题[1]。本文将开展低多层“低碳装配式绿色建筑”的精细化设计研究，基于节能节材的角度，优化装配式建筑结构，促进建筑行业在我国市场内更加长久地发展。

1 工程概况

本次设计的低多层“低碳装配式绿色建筑”为办公楼建筑，位于城乡建设区域。通过与工程建设方的交涉，掌握与此项目相关的概况信息，见表1。

表1 低多层“低碳装配式绿色建筑”概况信息

掌握此建筑的概况信息后，对建筑的装配式情况进行分析。根据工程建设方的设计要求，此工程的基础采用现浇钢筋混凝土独立基础结构，建筑的一层至三层属于功能层，整体按照装配式框架结构设计，屋顶层的构架属于功能拓展结构，整体按照预制钢结构进行设计[2]。图1为该低多层装配式建筑工程项目效果图。

预制工程技术在此建筑项目中主要应用在四个方面：①首层至屋顶层结构中柱、梁、板、楼梯均属于预制式构件；②首层至屋顶层墙体和装修部位，均为装配式构件；③屋顶层的构架整体为预制钢结构；④建筑室外的门廊和雨篷为钢结构拼接设计，属于装配式结构。

图1 低多层装配式建筑工程项目效果图

2 低多层“低碳装配式绿色建筑”精细化设计

2.1 低碳装配式建筑材料选择

为实现“低碳装配式绿色建筑”建设目标，针对其进行精细化设计，对装配式建筑中的材料进行低碳选择。通过选择低碳建筑材料或提升建筑材料的回收利用率均能够达到良好的低碳效果。首先，针对第一种低碳材料选择方面入手进行设计。可选用高强、高性能建筑材料以及轻集料和轻集料混凝土等。在使用水泥、混凝土等无机材料时，应当尽可能降低消耗量，以此达到间接减少排放，节约能耗的低碳目的。通过选择具备优良耐久性的材料，并利用其大幅度替代传统建筑材料，实现节能效果[3]。并从节省维修费用和重建费用上，解决对自然资源无节制使用的问题。其次，为实现建筑材料的高效回收利用，通过降低建筑层数、改变建筑主材料的方式，能够促进轻型建筑结构体系比重的提升。针对各类金属、木材、塑料等建筑建设施工中产生的垃圾，可通过分离技术进行处理，而不是简单填埋[4]。在选择装配式建筑材料时，可结合建筑材料施工中的耗能量计算公式，在设计阶段完成对其耗能量的预测，其公式为：

式中W-为建筑材料耗能量；

Td-为某一种施工工艺d的材料加工时间；

Pd-为某一种施工工艺d的材料施工中使用机械设备产生的额定功率。

除此之外，在选择装配式建筑材料时，还需要考虑到该材料在开采阶段产生的能耗，可通过公式（2）计算得出：

式中P-为建筑材料在可开采时产生的能耗；

Vc-为某一种建筑材料c在开采过程中碳排放因子；

Qc-为某一种建筑材料c在装配式建筑中的用量。

综合公式（1）和公式（2）得出的数据实现对所选材料能耗的预测和评价，在设计过程中尽可能挑选符合低碳绿色要求的建筑材料。

2.2 装配式结构连接部位精细化设计

在按照上述思路，确定装配式建筑中低碳绿色材料后，再针对装配式结构的连接部位进行精细化设计。针对低多层装配式建筑，可选用预制构件实现整体式连接。在设计过程中，运用如图2所示的连接方法。

图2 装配式结构连接部位

上述设计的构件其纵向受力钢筋的搭接长度应当符合装配式结构设计的要求，即：

式中l-为构件纵向受力钢筋搭接长度；

ξ-为长度修正系数；

la-为纵向受拉钢筋锚固长度。

根据公式（3），确定该构件结构的搭接长度。在实际应用中，若传力性能条件良好，则可以适当将搭接接头的百分率限制数值放宽。考虑到在后续施工中钢筋应力会出现不均匀问题，为了避免出现大幅度变化，甚至造成受拉和受压共存的问题，对该装配式结构连接部位进行适当加宽处理，在对长度修正系数ξ取值时，可设置ξ=1.12；当存在墙体竖向钢筋结构同一截面连接的情况，则ξ的取值可设置为1.2[5]。除此之外，在实现对连接部位的设计后，还需要对其搭接的具体长度进行设计，可按照公式（4）计算得出：

式中l′-为搭接长度；d-为纵筋直径大小；ft-为装配式构件抗拉强度；46.2和35.2均为折减系数。当长度修正系数的取值为1.12时，可按照公式（4）上半部分计算，得出搭接长度；当长度修正系数的取值为1.2时，可按照公式（4）下半部分计算，得出搭接长度。

2.3 建筑外围护结构节能设计

在明确装配式结构连接部位设计后，还需要对低多层装配式建筑的外围护结构进行节能设计，以此进一步体现低碳绿色建筑特色。根据装配式建筑建设所在区域的气候环境，选择符合其功能要求的双玻中空玻璃门窗。针对装配式建筑墙体构造进行设计时，也可通过对比不同构造的导热系数，进行合理选择[6]。外墙体采用预制装配式轻质保温装饰一体化墙板[7]，填充层材料采用35mm厚岩棉（A级材料），其材料的导热系数为0.044W/（m·k）。屋面和地面均采用增强型改性发泡水泥保温板B型[8]（A级材料），屋面采用120mm厚度，地面采用90mm厚度，其材料的导热系数为0.070W/（m·k）。在设计过程中，通过增加保温层厚度的方式，可进一步降低空调、采暖的负荷，达到节能效果，结合建筑经济性条件，建议按上述提供厚度进行设计。

2.4 节点防水精细化设计

墙板及门窗洞口等防水薄弱部位应符合下列规定：①接缝处采用不少于一道材料防水和构造防水相结合的防水构造设计；②板缝空腔设置排水导管，板缝内侧设置防水密封胶条密封构造，防水密封胶条直径大于缝宽1.5倍；③十字接头部位的纵、横板缝上下左右300mm范围内建筑密封胶嵌缝应一次完成。接缝防水构造如图3所示。

穿墙套管与穿墙管之间的缝隙应采用嵌缝材料进行填充，并用防水密封胶进行密封处理。女儿墙应采用与下部墙板相同的接缝密封构造，女儿墙内侧在泛水高度处设置凹槽或挑檐等防水构造。

3 设计成果质量验收

完成上述对低多层“低碳装配式绿色建筑”的精细化设计后，统计此建筑的预制装配率，见表2。

表2 低多层“低碳装配式绿色建筑”预制装配率

图3 接缝防水构造图

通过表2中统计的数据可知，本文此次研究的低多层“低碳装配式绿色建筑”装配率为85%。按照本文提出的精细化设计方法，进行此建筑的装配式设计，使用电能表统计此建筑日用电，将其与某现浇式混凝土建筑日耗能进行对比，对比结果见图4。

图4 建筑日耗能统计结果对比图

从图4可以看出，本文设计的低多层“低碳装配式绿色建筑”建筑日能耗显著小于传统现浇多层建筑。说明本文此次提出的建筑精细化设计方法在实际应用中具有一定可行性。

在此基础上，将设计的低多层“低碳装配式绿色建筑”与《装配式建筑评价标准》（GB/T51129-2017）和《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2019）中的相关条文进行比对，此次设计的建筑不仅满足规范条文的要求，更实现了在建筑结构优化设计过程中对工程材料的合理优化。通过工程造价人员的基本核算与初步统计，该项目的装配式设计共节约了约700m3的现场现浇混凝土、约160t的现场制作钢筋。

同时，建筑整体结构中的基础结构与上部结构均满足合理性设计需求，除少部分结构受到裂缝控制而使用了非预制装配构件以外，其他部位均使用了HRB500级别的高强度钢筋，在设计施工中，对此材料的有效使用率达到85%以上。此外，装配式设计过程中，整体结构采用了工业化生产的预制构件，减少了现场湿作业任务，有效降低了建筑施工过程中对周边环境造成的影响与污染。在深入低多层“低碳装配式绿色建筑”的研究中发现，此建筑柱网和楼层布置合理，并节约了大量模板工程，满足市场推广需求，按照本文设计的方法，进行低多层“低碳装配式绿色建筑”的精细化设计，可以使建筑在满足《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2019）的同时，使本建筑整体达到二星级标准的要求。

4 结语

本文开展了低多层“低碳装配式绿色建筑”精细化设计方法的研究，此次研究明确了我国建筑行业的未来主流发展趋势。同时，使用装配式方式进行现场施工，还可以缓解由于现场施工造成的环境负担，有助于施工现场对环境的保护，降低工程的综合经济支出。

总而言之，在完成上述对本文设计方法的评估与分析后，可以证明：此次研究的低多层“低碳装配式绿色建筑”精细化设计方法在建筑的全寿命周期内，不仅可以提高建筑的安全性和节能性，还可以解决建筑施工消耗大、经济支出高、保护环境和减少污染等方面的问题，为建筑使用者提供健康舒适、低碳绿色的宜居环境。