基于全生命周期考量的绿色智能建材在商业建筑中的研究与应用.pdf

期四第年O材建海P8息信闻新沿前技科基于全生命周期考量的绿色智能建材在商业建筑中的研究与应用谢斌，胡青莲？（1上海城建物资有限公司，上海2 0 0 43 8；2.上海汇绿电子商务有限公司，上海2 0 0 43 8）新材料新技术摘要：研究了新型绿色建材和智能化产品在大型商业综合体全生命周期内的应用。以上海绿源天地项目为例，从选材研究和应用技术两方面着手，分析了高性能再生混凝土、装配式构件、光伏一体化外墙和健康内装建材在商业建筑全生命周期内的应用情况，以及智能绿色健康模块化空间产品在办公空间和移动空间中的应用情况。针对全生命周期内建筑材料的研究从选材开始，同步考虑材料的设计、技术和生产等方面。研究建筑中智能绿色健康模块化空间产品技术的应用，旨在提升人员的便利性和舒适性。关键词：绿色建材；全生命周期；智能绿色健康模块化空间产品；绿色商业综合体中图分类号：TU50文献标志码：A文章编号：10 0 6-117 7（2 0 2 3)0 4-0 8-12doi:10.3969/j.issn.1006-1177.2023.04.001Research and Application of Green and Smart Building Materials in Large Commercial Complex Based on Whole Life-CycleConsiderationsXie Bin,Hu Qinglian?(1.Shanghai Urban Construction Material Co.,Ltd.,Shanghai 200438;2.Shanghai Igreenbuy Electronic Commerce Co.,Ltd.,Shanghai 200438)Abstract:In this paper,the life-cycle application of new green building materials in large-scale commercialcomplex projects was analyzed.Taking the Shanghai Lyuan square project as a case study,from aspects of materi-al selection and application,the whole life-cycle application of high-performance recycled concrete,fabricatedcomponents,photovoltaic integrated exterior wall and healthy interior materials were analyzed.Besides,smart envi-ronment monitoring systems implemented different applications in different spaces.The whole life-cycle applicationof building materials started with material selection,then considering the design,technology and production of ma-terials.In addition,the application process of green technology was a major aspect as well.In conclusion,thewhole life-cycle of building materials is critical to the project and the smart environment monitoring systems willpromote convenienceand comfort for peoplewhowork in the space.Keywords:green building material;whole life-cycle;smart environment monitoring system;green commercial complex0引言在针对绿色建筑的国家标准中，绿色建筑的全生命周期长期受到关注，只有运营阶段的效果能全面反映绿色建筑的绿色性。GB/T503782019绿色建筑评价标准的改版呈现了不同的创新点，其中较为突出的一点是运营期间评价的比重增加。在建筑的全生命周期四第年材建海术技新料材新P9息信闻新沿前技科期中，建筑材料是关键环节，该环节主要包括设计阶段对建筑材料的选取、施工阶段对建筑材料的应用实施、运营阶段对建筑材料的维护以及拆除阶段对建筑材料的回收利用。绿源天地项目的业主为建筑材料的生产服务企业，因此在本项目的实施过程中需重点关注建筑材料，特别是新型建筑材料在绿色商业办公建筑上的研究和应用。同时，建筑中空间的创造是为了内部活动人员的使用，可通过智能化的环境监控来提升人员的便利性和舒适性。1项目综述1.1项目概况绿源天地是上海城建物资有限公司开发的大型商业、办公综合体项目，位于上海市杨浦区五角场镇。项目分北区和南区2 个地块，由2 栋高层商业办公建筑和1栋多层配套建筑组成，地下2 层，地上11层，总建筑面积为8 8 7 0 5m,其中地上部分建筑面积为6 2 2 55m,地下部分建筑面积为2 6 450 m。图1为绿源天地项目效果图。图1绿源天地项目效果图(Fig.1 L u yuan square project renderings)1.2项目荣誉该项目于2 0 15年取得二星级绿色建筑设计标识，同年入选国家资源再生利用重大示范工程，2 0 19 年获得WELL健康建筑金级认证，并获得上海市勘察设计协会优秀工程设计建筑结构专业一等奖，目前正在进行二星级绿色建筑运营标识的认证工作。2基于全生命周期考量的建筑材料选材研究在设计之初，绿源天地项目就以绿色建筑二星级设计和运营标识为目标（参考GB/T503782014绿色建筑评价标准）。该项目以因地制宜、整合设计为原则，在建筑能源性能和节水性能、全生命周期选材和节材、室内外环境控制以及运营管理等方面均按照绿色建筑标准要求实施，以保证能够实现绿色建筑二星级的建设目标。在项目二次装修阶段，业主又提出了WELL健康建筑的目标，在内装阶段充分考虑空间与员工健康之间的关系，进一步提升了项目健康、绿色的性能。2.1结构材料在该项目1号楼的主体结构材料中，再生混凝土(RC)的使用比例较大,其强度等级为C30C50,再生骨料取代率为10%3 0%，最高泵送高度为49.2 m（屋面层）。研究表明,在上海地区，强度等级为C20C30的再生混凝土的单位产品总碳排放量低于市内预拌混凝土行业水平的3 0%3 5%。上海城建物资有限公司联合同济大学开展了关于高性能再生混凝土制备成套技术和抗震性能的研究，并通过振动台试验与有限元分析相结合的方法，建立了基于结构设计软件的计算模型本项目选用该研究成果作为主体结构材料并进行示范应用，应用方案如表1所示 2。表1再生混凝土应用方案(Tab.1Recycled concreteapplication scheme)墙、柱梁板层号标高/m层高/m混凝土再生骨料混凝土再生骨料强度等级取代率%强度等级取代率/%屋面层49.2003.650RC30301245.6003.950RC4030RC30301141.6503.900RC4030RC30301037.7503.900RC4030RC3030933.8503.900RC4030RC3030829.9503.900RC4030RC3030726.0503.900RC4030RC3030622.1503.900RC5010RC3030518.2503.900RC5010RC3030414.3503.900RC5010RC303039.8504.500RC5010RC303025.3504.500C50RC30301-0.0505.400C50C35地下1层-5.5005.400C50C30地下2 层-9.0003.500C50C35在项目实施过程中，通过在1号楼和2 号楼（2 号楼使用普通混凝土)中预埋传感器，对2 栋楼进行结构性能监测对比分析，在项目的全生命周期中进行实时监测。经过3 年的监测，发现在合理的设计条件下，高强度（C 3 0 以上）再生混凝土可用于高层混凝土主体工程。2.2围护结构材料在建筑围护结构材料应用方面，本项目人员也进行了相关研究和创新，包括成功采用标准化的装配式外挂墙板和装配式光伏一体化墙板技术，从预制外墙板标准化和建筑光伏一体化（building integratedPV，BIPV）的角度进行了应用性研究。从商业建筑的全生命期四第年0材建海术技新料材新P10息信闻新沿前技科周期角度来看，无论是经济性还是绿色度，标准化预制装配式技术的优势均较为明显3。近年来，相关研究机构已经针对装配式构件在全生命周期各个阶段的应用进行了深人研究 4-52.2.1装配式外挂墙板本项目的2 号楼采用了装配式外挂墙板，4层及以上部分外墙采用预制外挂墙板，外墙板与板之间采用螺栓连接的施工技术。2 号楼的单体预制率约为9.3%，外墙采用预制构件(precastconcrete,PC)墙板部分的建筑面积约占地上总建筑面积的6 6.9%。图2 为预制PC外墙板立面布置图（以1号楼为例）。图2 中1个PC标准段为1块预制外挂墙板，根据结构计算，每块板之间的板缝宽度为2 6 mm，具体预制PC外墙板尺寸见图3。1个PC标准段图2 预制PC外墙板立面布置图（以1号楼为例）(Fig.2 Prefabricated PC wall panel elevation layout(TakeBlockAasanexample)2.77427742.774+168单位：mm图3 预制PC外墙板尺寸(Fig.3 Prefabricated PC exterior panel dimensions)PC板外立面主要采用仿石涂料和仿金属涂料，以达到丰富的立面效果。PC板室内面平整，表面通过模具形成丰富的凹凸效果，立面造型丰富，见图4。图4预制PC板展示图(Fig.4 Prefabricated PC wall panel display drawing)2.2.2光伏一体化预制墙板该项目采用了光伏发电与预制外墙一体化技术，以提供清洁环保的绿色电力，并且安装简便，无需破坏外墙立面和搭设脚手架。该墙板采用压条滑槽式安装方式，在混凝土墙体内预埋钢板和预留螺钉孔，滑槽由螺钉和预埋件固定。压条滑槽式安装示意图见图5。光伏组件通过上、下2 个滑槽卡牢固定，安装后整个外墙能基本保持平整和协调。钢楼压条防水胶条螺钉光伏组件窗保温材料户(a）基于预制外墙的一体化光伏构件(b)局部放大图图5压条滑槽式安装示意图(Fig.5 Layering chute installation diagram)该项目运营后，按设计寿命2 5年，光伏板发电总量可达6 3.8 10 4kWh，节约标准煤量2 2 6.3 5t，减少二氧化碳排放量为8 3 0.15t，减少粉尘量为17 0.54t，说明其经济性良好，节能效果显著，2.3健康内装建材以该项目A座3 楼绿智汇办公空间为案例，室内打造了健康空间，并因此获得了美国WELL建筑金级期四第年0材建海术技新料材新P11息信闻新沿前技科认证。空间内部使用的建材均按照WELL标准要求进行严选。项目墙面均采用硅藻泥，与传统的涂料相比，硅藻泥不仅具有低醛、低挥发性有机化合物（VOC)的优点，还具备分解甲醛的净化作用。水吧由透光混凝土筑成，见图6(a）。在透光混凝土中添加了大量的光学纤维和精致混凝土，在不失素雅的同时又增强了观感。地面均采用无机艺术地坪，色彩亮丽，且耐磨度和洁净度均较高，如图6(b)所示。G（a）休闲水吧透光混凝土(b)无机艺术地坪健身实景图跑道实景图图6 健康建材应用实景图(Fig.6 Health building materials application reality)通过健康建材的使用，在项目装修完成后的第2天即已通过室内空气质量检测，结果显示可直接人住使用。同时，在运营期间，在空间内设置的传感器可实时监测室内外PM2.5、PMi o,以及室内CO2、甲醛、VOC等相关参数。这反映了健康建筑的理念。3智能绿色健康模块化空间产品探索3.1智能绿色健康模块化空间产品的需求分析随着大型商业建筑的发展，办公室变成更为宽的空间场所，由弗兰克劳埃德赖特在19 0 6 年为LarkinSoapCompany建造的拉金大厦以及于19 3 9 年为JohnsonWax公司设计的办公室深刻体现了这种演变。由此，工作的物理空间定义由“工作站”转变为“开放式办公空间”。随着建筑材料科技和建筑技术的不断进步，在开放式办公空间中可以使用更加多变的模块化空间，使其成为多种功能需求的载体。当空间作为整体可拆叠、移动和临时构造时，材料设备也逐渐向规模化、自动化方向发展。模块化空间是通过集装箱技术生产、组合成尺寸规格相同的构件，在环境中进行拼装组合，其结构整体性强、刚度大、密闭性好，可适应于不同环境下的各种场地,其依托的技术方式体现了“机器美学 17。(1)模块化办公功能型空间开放式办公空间中相对封闭的空间（如会议室、高管办公室等)往往固定在某一特定区域。当办公空间使用主体或功能需求变更时，往往需要采用二次装修的方式，通过破坏原有隔墙、重新分隔新的空间来进行调整。为此，智能绿色健康模块化办公功能型空间提供了一种新的技术和方法，见图7。当空间如同设备或家具可以整体移动，且不会对地面、墙体和顶部造成破坏性改变时，空间的再次排列变得更便捷和环保图7 模块化办公功能型空间(Fig.7 Modular functional ofice space)(2)模块化辅助功能型空间人们越来越重视办公区域的健康问题，如上班族希望办公场所能提供健身区域，女性希望得到更多的特色服务，因此办公场所的辅助功能型空间越来越多。这些辅助功能型空间同时承载了健康需求和空间隔离需求，智能绿色健康模块化辅助功能型空间可在满足基础空间需求的同时，进一步满足不同辅助功能型空间的特色化需求，并为此提供了工厂化实施的可能性。模块化辅助功能型空间见图8。图8 模块化辅助功能型空间(Fig.8 Modular auxiliary functional space)3.2智能绿色健康模块化空间产品的健康指标分机通过建筑材料和空气调节设备的综合运用，采用物联网（IOT)方式，模块化空间可达到空间绿色健康化实时控制和查看的效果考虑到办公功能型空间和辅助功能型空间可能同时受到室内和室外空气质量的影响，根据GB3095一2012环境空气质量标准中的空气标准以及环境分类标准来确定传感器的监控指标和标准。表2 给出了环境空气污染物基本项目的浓度限值。其中，SO2的主要来源为工业污染，在城市环境中暂不作考虑；O，为由NO2导致的二次污染物，也不作为直接监控的参数。环境空气功能区分为2 类：一类区为自然保护区、期四第年0材建海术技新料材新P12息信闻新沿前技科风景名胜区和其他需要特殊保护的区域；二类区为居住区、商业交通居民混合区、文化区、工业区和农村地区。根据以上标准，确定智能绿色健康模块化空间的健康指标为颗粒物（PM2.5与PMo）、温度、湿度、一氧化碳(CO)和二氧化氮(NO,)这6 项参数，并选取二类区标准为监控调节标准。表2 环境空气污染物基本项目的浓度限值(Tab.2 Basic item concentration limits for ambient airpollutants)浓度限值序号污染物项目平均时间一级二级年均20601sO,质量浓度/gm）24h均值501501h均值150 500年均40 402NO,质量浓度/gm)24h均值80801h均值200 20024h均值443CO质量浓度/(gm)1h均值10 10日最大8 h均值10016040,质量浓度/(gm)1h均值160200年均40705PMo质量浓度/gm）24h均值50150年均15 356PM2s质量浓度/gm)24h均值35753.3智能母婴室应用案例如图9 所示，在绿源天地的二楼会议区设置智能母婴室，以供绿源天地2 楼11楼办公区域的女性使用。表3 给出了智能母婴室所用绿色化部件。图9 绿源天地智能母婴室(Fig.9 L u yuan square intelligent mother and baby room)表3 智能母婴室所用绿色化部件(Tab.3 Green components used in intelligent mother andbaby room)序号部件名称部件介绍绿色化指标1饰面刨花板顶板材料通过APP扫码进2智能门锁人，通过电致方式，甲醛净化效率可在通透性和私3智能调光玻璃系统密性之间切换为8 0.8%，甲醛用于调节室内温净化效果6 3.8%4顶挂新风系统度，其过滤系统采用活性炭图10 为智能母婴室小程序界面，通过手机微信小程序，可实现空气质量监测、通风调节和门锁开关等功能。15-57智能控制B心谢婴室通风开地办公2个0 折+30下班+10+50ug/m3PM2550格/m3电动门开空%个人中心个人中心图10智能母婴室小程序(Fig.10Intelligent mother and baby room)4结语随着绿色建筑的飞速发展，建筑材料在全生命周期内的“绿色化”是建材行业未来的发展方向，符合世界发展趋势和人类发展需要。从选材、生产到应用全阶段，绿色化的建筑材料才是符合建筑全生命周期需求的绿色建材，具体如下：（1）“绿色化 建筑材料是全生命周期绿色建筑的基石。只有在对项目需求进行分析后，在设计之初选择适宜的新型材料，才能顺利达到绿色建筑的设计目标。（2）建筑材料的全生命周期分析应从材料的技术选择、结构设计、生产应用和循环利用等方面进行多阶段全方位考量。（3）在选择合适的绿色建材后，如何科学、绿色化地将建材应用在项目上也是保证项目全生命周期绿色化的不可或缺的步骤。通过应用场景模拟、应用技术研发等方式，使项目所使用的绿色建材能最大限度地发挥作用，进而有效提升项目的绿色化程度。（4）再生混凝土、围护结构材料、健康内装建材等新型材料分别对应资源节约型绿色建材、能源节约型绿色建材和环境友好型绿色建材。新型材料的研发及其绿色化应用技术可有效匹配绿色建筑发展的需求，有助于环境保护、节约资源和提高人类的居住环境水平（5）随着工作的物理空间定义由“工作站”转变为“开放式办公空间”，多变的模块化空间得到发展。同时，（下转第2 3 页）期四第年O材建海（上接第12 页）理管与量质P23息信闻新沿前技科安全的企业进行监督检查，不能实现重点领域全覆盖监督检查，更不可能覆盖其他领域的企业监督检查，致使企业存在一些侥幸心理。3上海市建材治理模式的想法与建议（1）将企业诚信评价的结果与具体内容相关联，比如可以与其贷款相关，还可以结合工程建设项目招投标相关内容划分招投标入围档次。鼓励企业向智能制造发展，给予行业发展中出类拔萃的企业一定的财政扶持。（2）建材市场的运营者应积极配合政府部门的监督检查，网店等平台应规范商家的人驻门槛并做好后期消费者的维权。（3）行业协会要有大局意识，要有为推动建材高质量发展的初心，并身体力行地做好政府与企业之间的连接。在可能的情况下可以向政府部门申请一定比例的建材研究发展资金补贴。（4）健全和优化与建材相关的法律法规文件。进一步优化建材监管制度，加强监管力度。通过优化营商环境的激励政策，在便利企业办事的同时，加强对建材产品在事中与事后的监督与检查，完善诚信机制，从而避免发生降低企业准人门槛后产生建材产品质量下降的问题。（5）建立政府部门之间的联合执法，对生产与建设过程中使用的建材产品质量进行双保险。对于建材产品在工程建设项目中的监管，一方面建议发现超过两次不合格产品进人工程建设项目施工现场时则禁止该企业的所有建材产品进入施工现场；另一方面建议对建在模块化空间的使用中，绿色建材、智能化设备和IOT智能控制得到综合性应用，这能够在一定应用场景中满足高效、高质、多元、韧性的特色需求。参考文献1樊俊江,於林峰.再生混凝土的碳排放计算与分析 .生态建材,2016(4):32-34.2卢家森，郑振鹏，肖建庄.上海某高层再生混凝土结构设计与分析 J.建筑结构,2 0 16,46(12)：11-173刘凯，丁晓欣，丁奥，等.基于全生命周期装配式建筑成本影响因素 J.内江师范学院学报，2 0 19,3 4（12)：5 1-5 64任晓宇，周亚萍，郭树荣.全生命周期视角下装配式建筑可持续发展评价体系研究 J.建筑经济，2 0 19,40(9)：9 5-9 9.材产品质量好且企业诚信度较高的企业开通建材监管绿色通道，减少监管流程从而提高建材产品进入施工现场后用于工程建设项目的效率。4结语建材治理是一项涉及多个主体的复杂工作，并不能一而就地形成完美治理模式，只能在不断探索与发展中更新优化治理模式。首先，企业与建材市场肯定得讲诚信；其次，需要配合管理部门的监督管理；最后，企业与建材市场在自身发展时也需要获得管理部门各方面的支持。相关建材行业协会要始终秉持初心，为建材高质量发展事业做贡献。政府部门在建材治理中通常都处于滞后状态，需要在建材行业发展中及时优化政策文件以及制定相应措施、完善治理模式。本文对上海市建材治理模式进行了梳理与分析，这对其他地方的建材治理也有一定的参考价值。参考文献1李文杰.建筑工程造价控制中的材料价格风险控制 J.居业，2022,171(4):127-129.2高洲.房屋建筑材料质量检测方法及控制措施 J.城市建设理论研究（电子版），2 0 2 2，42 5（3 5)：12 2-12 4.3蔡珊珊.建筑土木工程与可持续发展的有效整合 J.四川建材,2 0 2 2,48(12):7 1-7 2.作者简介：卫智勇（19 8 8 一），男，本科，中级工程师，主要研究方向为结构性与功能性建设工程材料治理。5杜金业.全生命周期视角下装配式建筑拆卸率研究 J.城市建筑,2 0 18(6)：7 0-7 2.6LI MMA T,LIU J,et al.Numerical and experimental invest-igation of precast concrete facade integrated with so-lar photovoltaic panelsJ.Applied Energy,2019,253.(1):113509.1-113509.14.7牛山.建筑移动空间 J.城市建设理论研究（电子版），2 0 16,14(11):4409.作者简介：谢斌（19 7 9 一），男，硕士研究生，高级经济师，主要研究方向为经济管理。通信作者：胡青莲（19 8 1一），女，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为建筑材料应用。