夢想居 | 被動式+主動式+鋼結構集成的未來屋

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，是由東南大學建筑學院采用協(xié)同設計模式，在前三代輕型鋼結構房屋系統(tǒng)產(chǎn)品的基礎上，聯(lián)合相關團隊，設計研發(fā)的新一代被動、主動式技術相結合的可移動輕型鋼結構房屋系統(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】?、產(chǎn)能、低碳、多用途、有文化特色等8大特點。設計研發(fā)目標為：從材料構件加工、構件組裝到現(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)能技術應用

1 圍護體綠色節(jié)能技術

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外兩層復合圍護體（圖2），分別安裝在 60mm方鋼管結構構件兩側，內、外圍護體間形成封閉空氣腔。內、外圍護體均采用外側覆有鋁箔的聚氨酯保溫板作為內芯，可防輻射熱，加強復合圍護體保溫隔熱性能。

圖2 圍護體保溫結構詳圖

木飾面作為圍護體內面層，將性能與室內裝修相結合。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造，卡固在一起，連接在方管結構體上。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填保溫材料加鋁箔的鋁復合板，這不僅減少房屋系統(tǒng)構件類型，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。之前的輕型結構房屋系統(tǒng)-“夢想居”未來屋示范項目經(jīng)江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司2016年12月檢測結果（圖3），房屋在冬季室內環(huán)境舒適，性能優(yōu)越。

圖3 輕型結構房屋會議室東北側外墻檢測數(shù)據(jù)

2 陽光廊道熱緩沖區(qū)設計

“夢想居”項目在設計建造中遵循“多適應性”原則，采用被動式節(jié)能技術。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，內部空氣經(jīng)太陽加熱后迅速升溫，形成蓄熱陽光房；夏季，關閉全部遮陽簾，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，減小室內熱環(huán)境的波動性。同時，遮陽簾的開啟與關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”采用模塊化設計，用有限標準構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”增強了外圍護結構的保溫性能。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“的設置，也增強了東、西外圍護結構的保溫性能。南邊老年居住單元的設計，將無障礙整體式廚房和衛(wèi)浴設置在西端，形成了節(jié)能過渡空間。

被動式間接節(jié)能技術應用

1 結構體綠色節(jié)能技術

主結構體和坡屋頂結構體分別由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件，具有很強的結構穩(wěn)定性，抗結構變形，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，還能獲得更大的結構整體強度。為實現(xiàn)快速拆裝、環(huán)境友好的目標，基礎構件組的設計非常重要。本項目研發(fā)生產(chǎn)了可調節(jié)高度的高強度獨立基座基礎構件組，通過抗拔構件，將基礎牢牢固定在地面上，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構件組，最大限度降低了對環(huán)境的不利影響，是一種環(huán)境友好型的結構體綠色建筑技術。

2 可重復拆卸循環(huán)使用技術

本項目構件間、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)可重復周轉使用30次以上（圖4），能滿足短時間內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)。本項目在構件和空間模塊層面重復使用，改變構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，其碳排放量呈拋物線下降的趨勢。原因分析：100年內，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，其中設備體更換1次；100年的住宅完成1次全生命周期，其中設備體更換3次，而圍護體與結構體同壽命。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之上，其結構體、圍護體、設備體的功能相互獨立，為長壽命設計提供了技術支持。

3 協(xié)同建造技術

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，即將各種建筑構件、設備廠家聯(lián)系協(xié)同在一起，進行設計研發(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)的構件庫，只需針對項目特點從構件庫中選擇合適的構件進行組合。

構件產(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)將各自的構件和設備產(chǎn)品按照構件明細表，在規(guī)定時間內將構件送到裝配工廠，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。通過灰水、黑水相分離，生物、生態(tài)處理工藝相結合，設計“高效折板厭氧反應器—缺氧調節(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。

房屋內污水處理后的水質達到《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

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

另外，本項目還采用了智能控制系統(tǒng)，通過智能終端與 APP 應用的結合，控制遮陽、燈光、門禁、監(jiān)控和空調使用， 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)能技術應用

建筑產(chǎn)能技術

在“夢想居”項目中有一部分被動式節(jié)能技術需要電力驅動，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)生的動能轉換為電能，實現(xiàn)全方位的能量回收。

結語

“夢想居”作為一次先進建造技術實踐的同時，也是一次對建筑設計和房屋系統(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)階段的新技術提供了可靠的市場需求，也大大提高了新技術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計建造模式下的產(chǎn)物，體現(xiàn)了各相關企業(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)能技術相結合的可移動式輕型鋼結構房屋示范——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《建設科技》雜志，版權歸期刊編輯部及作者所有。