夢(mèng)想居 | 被動(dòng)式+主動(dòng)式+鋼結(jié)構(gòu)集成的未來(lái)屋

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

“夢(mèng)想居”未來(lái)屋示范項(xiàng)目( 以下簡(jiǎn)稱“夢(mèng)想居”，圖1) 位于常州市武進(jìn)區(qū)江蘇省綠色建筑博覽園內(nèi)，是由東南大學(xué)建筑學(xué)院采用協(xié)同設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)研發(fā)的新一代被動(dòng)、主動(dòng)式技術(shù)相結(jié)合的可移動(dòng)輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋系統(tǒng)。

項(xiàng)目總建筑面積420m2，由12個(gè)3m×6m×3m 的標(biāo)準(zhǔn)空間模塊和獨(dú)立連廊組合成四合院。南面是4個(gè)模塊的老年居住單元，東西兩側(cè)為2個(gè)模塊的青年居住單元，北面是4個(gè)模塊的公共活動(dòng)單元。“夢(mèng)想居”具有健康、產(chǎn)能、低碳、多用途、有文化特色等8大特點(diǎn)。設(shè)計(jì)研發(fā)目標(biāo)為：從材料構(gòu)件加工、構(gòu)件組裝到現(xiàn)場(chǎng)組裝空間模塊，全面實(shí)現(xiàn)工廠化制造、機(jī)械化裝配的工業(yè)化建造方式。預(yù)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(chǎng)進(jìn)行空間模塊間拼裝，過(guò)程簡(jiǎn)易快捷。

圖1 “夢(mèng)想居”未來(lái)屋示范項(xiàng)目

被動(dòng)式直接節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

1 圍護(hù)體綠色節(jié)能技術(shù)

為保證建筑保溫隔熱性能，本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)空間模塊和屋頂都采用內(nèi)外兩層復(fù)合圍護(hù)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(hù)體間形成封閉空氣腔。內(nèi)、外圍護(hù)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(qiáng)復(fù)合圍護(hù)體保溫隔熱性能。

圖2 圍護(hù)體保溫結(jié)構(gòu)詳圖

木飾面作為圍護(hù)體內(nèi)面層，將性能與室內(nèi)裝修相結(jié)合。外圍護(hù)體用豎向三角形空腔輕鋼專(zhuān)用龍骨，將相鄰?fù)鈬o(hù)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(guò)程簡(jiǎn)捷，且能有效保證外圍護(hù)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(fù)合板，這不僅減少房屋系統(tǒng)構(gòu)件類(lèi)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(guò)對(duì)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(mèng)想居”未來(lái)屋示范項(xiàng)目經(jīng)江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司2016年12月檢測(cè)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(huì)議室東北側(cè)外墻檢測(cè)數(shù)據(jù)

2 陽(yáng)光廊道熱緩沖區(qū)設(shè)計(jì)

“夢(mèng)想居”項(xiàng)目在設(shè)計(jì)建造中遵循“多適應(yīng)性”原則，采用被動(dòng)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(dòng)場(chǎng)地同時(shí)，還起到了熱緩沖區(qū)作用。冬季，在開(kāi)啟回廊頂部和四面的遮陽(yáng)卷簾后，內(nèi)部空氣經(jīng)太陽(yáng)加熱后迅速升溫，形成蓄熱陽(yáng)光房；夏季，關(guān)閉全部遮陽(yáng)簾，并開(kāi)啟回廊四周窗戶，形成自然通風(fēng)，控制廊內(nèi)環(huán)境溫濕度，以此達(dá)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(dòng)性。同時(shí)，遮陽(yáng)簾的開(kāi)啟與關(guān)閉亦可形成錯(cuò)落有致的光影效果。

3“家具墻”和過(guò)渡空間節(jié)能

為豐富“夢(mèng)想居”功能和用途，其組合式“家具墻”采用模塊化設(shè)計(jì)，用有限標(biāo)準(zhǔn)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(gè)相對(duì)獨(dú)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(qiáng)了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能。北邊的公共活動(dòng)單元東西兩端，通過(guò)過(guò)渡節(jié)能空間和“家具墻“的設(shè)置，也增強(qiáng)了東、西外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能。南邊老年居住單元的設(shè)計(jì)，將無(wú)障礙整體式廚房和衛(wèi)浴設(shè)置在西端，形成了節(jié)能過(guò)渡空間。

被動(dòng)式間接節(jié)能技術(shù)應(yīng)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(dú)立節(jié)點(diǎn)，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(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，抗結(jié)構(gòu)變形，從而滿足運(yùn)輸、裝配、使用過(guò)程中多種工況受力需要。

各標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度。為實(shí)現(xiàn)快速拆裝、環(huán)境友好的目標(biāo)，基礎(chǔ)構(gòu)件組的設(shè)計(jì)非常重要。本項(xiàng)目研發(fā)生產(chǎn)了可調(diào)節(jié)高度的高強(qiáng)度獨(dú)立基座基礎(chǔ)構(gòu)件組，通過(guò)抗拔構(gòu)件，將基礎(chǔ)牢牢固定在地面上，以抵抗風(fēng)等水平荷載。由于輕型房屋系統(tǒng)自重較輕 (200~250kg/m2)，所以對(duì)建造場(chǎng)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(duì)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(fù)拆卸循環(huán)使用技術(shù)

本項(xiàng)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(duì)環(huán)境不利影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，輕型房屋系統(tǒng)可重復(fù)周轉(zhuǎn)使用30次以上（圖4），能滿足短時(shí)間內(nèi)大量性臨時(shí)房屋空間使用需求(如救災(zāi)用房、臨時(shí)居住區(qū)、臨時(shí)候車(chē)廳)。本項(xiàng)目在構(gòu)件和空間模塊層面重復(fù)使用，改變構(gòu)件材料的回收重復(fù)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(duì)比節(jié)能降耗測(cè)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(zhǎng)壽命碳排放分析
100年評(píng)價(jià)周期內(nèi)碳排放總量對(duì)比分別統(tǒng)計(jì)本項(xiàng)目壽命為30、50、100年的碳排放量，在100年評(píng)價(jià)期內(nèi)，其碳排放量呈拋物線下降的趨勢(shì)。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(hù)體與結(jié)構(gòu)體同壽命。由此證明，長(zhǎng)壽命建筑具有低碳性，當(dāng)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(hù)體、設(shè)備體的功能相互獨(dú)立，為長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。

3 協(xié)同建造技術(shù)

本項(xiàng)目的建造過(guò)程從一開(kāi)始就是一種分類(lèi)、選擇與合作的過(guò)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(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)和建造。由于本項(xiàng)目是東南大學(xué)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(kù)，只需針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)從構(gòu)件庫(kù)中選擇合適的構(gòu)件進(jìn)行組合。

構(gòu)件產(chǎn)品選定后，由廠家研發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)要求對(duì)產(chǎn)品做進(jìn)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(xì)表，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將構(gòu)件送到裝配工廠，進(jìn)行空間模塊的組裝。通過(guò)協(xié)同建造模式，在建造設(shè)計(jì)過(guò)程中減少不必要的資源浪費(fèi)和重復(fù)工作量，從房屋建造的源頭設(shè)計(jì)階段便達(dá)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(xué)能源與環(huán)境學(xué)院團(tuán)隊(duì)研發(fā)的小型分散式生物生態(tài)污水處理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的污水處理、高效和穩(wěn)定的出水水質(zhì)。通過(guò)灰水、黑水相分離，生物、生態(tài)處理工藝相結(jié)合，設(shè)計(jì)“高效折板厭氧反應(yīng)器—缺氧調(diào)節(jié)池—水車(chē)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(dá)到去除生活污水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)。

房屋內(nèi)污水處理后的水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，可回用于廁所便器沖洗和綠色灌溉。污水重復(fù)利用達(dá)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(xiàng)目室內(nèi)采用空氣凈化系統(tǒng)和直飲水系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi) PM2.5 的數(shù)值，智能啟動(dòng)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(hù)維修和快速拆裝。長(zhǎng)短坡屋頂模塊形成的高側(cè)窗，配合電動(dòng)窗簾，控制北側(cè)自然光線進(jìn)入，獲得充足穩(wěn)定的采光來(lái)減少室內(nèi)電燈照明時(shí)間。

另外，本項(xiàng)目還采用了智能控制系統(tǒng)，通過(guò)智能終端與 APP 應(yīng)用的結(jié)合，控制遮陽(yáng)、燈光、門(mén)禁、監(jiān)控和空調(diào)使用， 實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，為用戶提供“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的未來(lái)之家。

主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

建筑產(chǎn)能技術(shù)

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

“夢(mèng)想居”光電系統(tǒng)采用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式產(chǎn)能供電。在此項(xiàng)目中，安裝了170 塊光伏發(fā)電板，每年發(fā)電3.1 萬(wàn)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(wàn)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(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)全方位的能量回收。

結(jié)語(yǔ)

“夢(mèng)想居”作為一次先進(jìn)建造技術(shù)實(shí)踐的同時(shí)，也是一次對(duì)建筑設(shè)計(jì)和房屋系統(tǒng)建造模式的探索和嘗試。東南大學(xué)建筑學(xué)院正工作室團(tuán)隊(duì)通過(guò)與多家研發(fā)單位、設(shè)計(jì)單位以及生產(chǎn)制造企業(yè)建立的長(zhǎng)時(shí)間合作，達(dá)成全方位的協(xié)同模式。

通過(guò)這一模式發(fā)展出成熟的構(gòu)件庫(kù)，并以其為核心形成一條可被市場(chǎng)快速接受的輕型可移動(dòng)房屋系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)、建造、維護(hù)，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(chǎng)需求，也大大提高了新技術(shù)的整合和運(yùn)用所需要的效率。

“夢(mèng)想居”正是基于這樣一套新型設(shè)計(jì)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(mèng)想居”未來(lái)屋輕型可移動(dòng)房屋系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)周轉(zhuǎn)使用與高度集成的性能系統(tǒng)這樣的優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)出來(lái)，為被動(dòng)式與主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的組合式綜合應(yīng)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(hù)等不同類(lèi)型建筑和環(huán)境。

本文原標(biāo)題為：《被動(dòng)與主動(dòng)節(jié)能技術(shù)相結(jié)合的可移動(dòng)式輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋示范——以東南大學(xué)“夢(mèng)想居”未來(lái)屋項(xiàng)目為例》；作者單位：東南大學(xué)建筑學(xué)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。