基于全生命周期考量的綠色智能建材在商業建筑中的研究與應用

謝斌，胡青蓮

（1.上海城建物資有限公司，上海 200438；2.上海匯綠電子商務有限公司，上海 200438）

0 引言

在針對綠色建筑的國家標準中，綠色建筑的全生命周期長期受到關注，只有運營階段的效果能全面反映綠色建筑的綠色性。GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》的改版呈現了不同的創新點，其中較為突出的一點是運營期間評價的比重增加。在建筑的全生命周期中，建筑材料是關鍵環節，該環節主要包括設計階段對建筑材料的選取、施工階段對建筑材料的應用實施、運營階段對建筑材料的維護以及拆除階段對建筑材料的回收利用。綠源天地項目的業主為建筑材料的生產服務企業，因此在本項目的實施過程中需重點關注建筑材料，特別是新型建筑材料在綠色商業辦公建筑上的研究和應用。同時，建筑中空間的創造是為了內部活動人員的使用，可通過智能化的環境監控來提升人員的便利性和舒適性。

1 項目綜述

1.1 項目概況

綠源天地是上海城建物資有限公司開發的大型商業、辦公綜合體項目，位于上海市楊浦區五角場鎮。項目分北區和南區2 個地塊，由2 棟高層商業辦公建筑和1棟多層配套建筑組成，地下2 層，地上11 層，總建筑面積為88 705 m2，其中地上部分建筑面積為62 255 m2，地下部分建筑面積為26 450 m2。圖1 為綠源天地項目效果圖。

1.2 項目榮譽

該項目于2015 年取得二星級綠色建筑設計標識，同年入選國家資源再生利用重大示范工程，2019 年獲得WELL 健康建筑金級認證，并獲得上海市勘察設計協會優秀工程設計建筑結構專業一等獎，目前正在進行二星級綠色建筑運營標識的認證工作。

2 基于全生命周期考量的建筑材料選材研究

在設計之初，綠源天地項目就以綠色建筑二星級設計和運營標識為目標（參考GB/T 50378—2014《綠色建筑評價標準》）。該項目以因地制宜、整合設計為原則，在建筑能源性能和節水性能、全生命周期選材和節材、室內外環境控制以及運營管理等方面均按照綠色建筑標準要求實施，以保證能夠實現綠色建筑二星級的建設目標。在項目二次裝修階段，業主又提出了WELL 健康建筑的目標，在內裝階段充分考慮空間與員工健康之間的關系，進一步提升了項目健康、綠色的性能。

2.1 結構材料

在該項目1 號樓的主體結構材料中，再生混凝土（RC）的使用比例較大，其強度等級為C30～C50，再生骨料取代率為10%～30%，最高泵送高度為49.2 m（屋面層）。

研究表明[1]，在上海地區，強度等級為C20～C30 的再生混凝土的單位產品總碳排放量低于市內預拌混凝土行業水平的30%～35%。上海城建物資有限公司聯合同濟大學開展了關于高性能再生混凝土制備成套技術和抗震性能的研究，并通過振動臺試驗與有限元分析相結合的方法，建立了基于結構設計軟件的計算模型。本項目選用該研究成果作為主體結構材料并進行示范應用，應用方案如表1 所示[2]。

表1 再生混凝土應用方案（Tab.1 Recycled concrete application scheme）

在項目實施過程中，通過在1 號樓和2 號樓（2 號樓使用普通混凝土）中預埋傳感器，對2 棟樓進行結構性能監測對比分析，在項目的全生命周期中進行實時監測。經過3 年的監測，發現在合理的設計條件下，高強度（C30 以上）再生混凝土可用于高層混凝土主體工程。

2.2 圍護結構材料

在建筑圍護結構材料應用方面，本項目人員也進行了相關研究和創新，包括成功采用標準化的裝配式外掛墻板和裝配式光伏一體化墻板技術，從預制外墻板標準化和建筑光伏一體化（building integrated PV，BIPV）的角度進行了應用性研究。從商業建筑的全生命周期角度來看，無論是經濟性還是綠色度，標準化預制裝配式技術的優勢均較為明顯[3]。近年來，相關研究機構已經針對裝配式構件在全生命周期各個階段的應用進行了深入研究[4-5]。

2.2.1 裝配式外掛墻板

本項目的2 號樓采用了裝配式外掛墻板，4 層及以上部分外墻采用預制外掛墻板，外墻板與板之間采用螺栓連接的施工技術。2 號樓的單體預制率約為9.3%，外墻采用預制構件（precast concrete，PC）墻板部分的建筑面積約占地上總建筑面積的66.9%。圖2 為預制PC外墻板立面布置圖（以1 號樓為例）。圖2 中1 個PC 標準段為1 塊預制外掛墻板，根據結構計算，每塊板之間的板縫寬度為26 mm，具體預制PC 外墻板尺寸見圖3。

圖3 預制PC 外墻板尺寸（Fig.3 Prefabricated PC exterior panel dimensions）

PC 板外立面主要采用仿石涂料和仿金屬涂料，以達到豐富的立面效果。PC 板室內面平整，表面通過模具形成豐富的凹凸效果，立面造型豐富，見圖4。

圖4 預制PC 板展示圖(Fig.4 Prefabricated PC wall panel display drawing)

2.2.2 光伏一體化預制墻板

該項目采用了光伏發電與預制外墻一體化技術，以提供清潔環保的綠色電力，并且安裝簡便，無需破壞外墻立面和搭設腳手架。該墻板采用壓條滑槽式安裝方式，在混凝土墻體內預埋鋼板和預留螺釘孔，滑槽由螺釘和預埋件固定。壓條滑槽式安裝示意圖見圖5。光伏組件通過上、下2 個滑槽卡牢固定，安裝后整個外墻能基本保持平整和協調。

圖5 壓條滑槽式安裝示意圖（Fig.5 Layering chute installation diagram）

該項目運營后，按設計壽命25 年，光伏板發電總量可達63.8×104kW·h，節約標準煤量226.35 t，減少二氧化碳排放量為830.15 t，減少粉塵量為170.54 t，說明其經濟性良好，節能效果顯著。

2.3 健康內裝建材

以該項目A 座3 樓綠智匯辦公空間為案例，室內打造了健康空間，并因此獲得了美國WELL 建筑金級認證?？臻g內部使用的建材均按照WELL 標準要求進行嚴選。項目墻面均采用硅藻泥，與傳統的涂料相比，硅藻泥不僅具有低醛、低揮發性有機化合物（VOC）的優點，還具備分解甲醛的凈化作用[6]。水吧由透光混凝土筑成，見圖6（a）。在透光混凝土中添加了大量的光學纖維和精致混凝土，在不失素雅的同時又增強了觀感。地面均采用無機藝術地坪，色彩亮麗，且耐磨度和潔凈度均較高，如圖6（b）所示。

圖6 健康建材應用實景圖（Fig.6 Health building materials application reality）

通過健康建材的使用，在項目裝修完成后的第2天即已通過室內空氣質量檢測，結果顯示可直接入住使用。同時，在運營期間，在空間內設置的傳感器可實時監測室內外PM2.5、PM10，以及室內CO2、甲醛、VOC 等相關參數。這反映了健康建筑的理念。

3 智能綠色健康模塊化空間產品探索

3.1 智能綠色健康模塊化空間產品的需求分析

隨著大型商業建筑的發展，辦公室變成更為寬敞的空間場所，由弗蘭克·勞埃德·賴特在1906 年為Larkin Soap Company 建造的拉金大廈以及于1939 年為Johnson Wax 公司設計的辦公室深刻體現了這種演變。由此，工作的物理空間定義由“工作站”轉變為“開放式辦公空間”。隨著建筑材料科技和建筑技術的不斷進步，在開放式辦公空間中可以使用更加多變的模塊化空間，使其成為多種功能需求的載體。當空間作為整體可拆疊、移動和臨時構造時，材料設備也逐漸向規?；?、自動化方向發展。模塊化空間是通過集裝箱技術生產、組合成尺寸規格相同的構件，在環境中進行拼裝組合，其結構整體性強、剛度大、密閉性好，可適應于不同環境下的各種場地，其依托的技術方式體現了“機器美學”[7]。

（1） 模塊化辦公功能型空間

開放式辦公空間中相對封閉的空間（如會議室、高管辦公室等）往往固定在某一特定區域。當辦公空間使用主體或功能需求變更時，往往需要采用二次裝修的方式，通過破壞原有隔墻、重新分隔新的空間來進行調整。為此，智能綠色健康模塊化辦公功能型空間提供了一種新的技術和方法，見圖7。當空間如同設備或家具可以整體移動，且不會對地面、墻體和頂部造成破壞性改變時，空間的再次排列變得更便捷和環保。

圖7 模塊化辦公功能型空間（Fig.7 Modular functional office space）

（2） 模塊化輔助功能型空間

人們越來越重視辦公區域的健康問題，如上班族希望辦公場所能提供健身區域，女性希望得到更多的特色服務，因此辦公場所的輔助功能型空間越來越多。這些輔助功能型空間同時承載了健康需求和空間隔離需求，智能綠色健康模塊化輔助功能型空間可在滿足基礎空間需求的同時，進一步滿足不同輔助功能型空間的特色化需求，并為此提供了工廠化實施的可能性。模塊化輔助功能型空間見圖8。

圖8 模塊化輔助功能型空間（Fig.8 Modular auxiliary functional space）

3.2 智能綠色健康模塊化空間產品的健康指標分析

通過建筑材料和空氣調節設備的綜合運用，采用物聯網（IOT）方式，模塊化空間可達到空間綠色健康化實時控制和查看的效果。

考慮到辦公功能型空間和輔助功能型空間可能同時受到室內和室外空氣質量的影響，根據GB 3095—2012《環境空氣質量標準》中的空氣標準以及環境分類標準來確定傳感器的監控指標和標準。表2 給出了環境空氣污染物基本項目的濃度限值。其中，SO2的主要來源為工業污染，在城市環境中暫不作考慮；O3為由NO2導致的二次污染物，也不作為直接監控的參數。

表2 環境空氣污染物基本項目的濃度限值（Tab.2 Basic item concentration limits for ambient air pollutants）

環境空氣功能區分為2 類：一類區為自然保護區、風景名勝區和其他需要特殊保護的區域；二類區為居住區、商業交通居民混合區、文化區、工業區和農村地區。根據以上標準，確定智能綠色健康模塊化空間的健康指標為顆粒物（PM2.5與PM10）、溫度、濕度、一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO2）這6 項參數，并選取二類區標準為監控調節標準。

3.3 智能母嬰室應用案例

如圖9 所示，在綠源天地的二樓會議區設置智能母嬰室，以供綠源天地2 樓～11 樓辦公區域的女性使用。表3 給出了智能母嬰室所用綠色化部件。

表3 智能母嬰室所用綠色化部件（Tab.3 Green components used in intelligent mother and baby room）

圖9 綠源天地智能母嬰室（Fig.9 Lüyuan square intelligent mother and baby room）

圖10 為智能母嬰室小程序界面，通過手機微信小程序，可實現空氣質量監測、通風調節和門鎖開關等功能。

圖10 智能母嬰室小程序(Fig.10 Intelligent mother and baby room)

4 結語

隨著綠色建筑的飛速發展，建筑材料在全生命周期內的“綠色化”是建材行業未來的發展方向，符合世界發展趨勢和人類發展需要。從選材、生產到應用全階段，綠色化的建筑材料才是符合建筑全生命周期需求的綠色建材，具體如下：

（1）“綠色化”建筑材料是全生命周期綠色建筑的基石。只有在對項目需求進行分析后，在設計之初選擇適宜的新型材料，才能順利達到綠色建筑的設計目標。

（2） 建筑材料的全生命周期分析應從材料的技術選擇、結構設計、生產應用和循環利用等方面進行多階段全方位考量。

（3） 在選擇合適的綠色建材后，如何科學、綠色化地將建材應用在項目上也是保證項目全生命周期綠色化的不可或缺的步驟。通過應用場景模擬、應用技術研發等方式，使項目所使用的綠色建材能最大限度地發揮作用，進而有效提升項目的綠色化程度。

（4） 再生混凝土、圍護結構材料、健康內裝建材等新型材料分別對應資源節約型綠色建材、能源節約型綠色建材和環境友好型綠色建材。新型材料的研發及其綠色化應用技術可有效匹配綠色建筑發展的需求，有助于環境保護、節約資源和提高人類的居住環境水平。

（5） 隨著工作的物理空間定義由“工作站”轉變為“開放式辦公空間”，多變的模塊化空間得到發展。同時，在模塊化空間的使用中，綠色建材、智能化設備和IOT智能控制得到綜合性應用，這能夠在一定應用場景中滿足高效、高質、多元、韌性的特色需求。