工業(yè)建筑生命周期劃分為物化階段、使用階段以及拆除階段，其中物化階段包括設計階段和施工建造階段。目前我國在工業(yè)建筑全生命周期的低碳研究中主要關注使用階段，物化階段研究相對較少，對于工業(yè)建筑碳排放的研究也多基于技術手段的定量研究。定量研究是低碳策略中重要的依據(jù)和指標控制，但設計階段的低碳理念和模塊設計策略，直接影響生命周期全過程的碳排放。因此，本研究采用定性研究方法，探討裝配式工業(yè)建筑的模塊設計低碳策略。

從建筑學視角出發(fā)，對裝配式工業(yè)建筑通過充分利用自然資源、減少構件種類和材料總量、方便運輸、縮短工期、易于安裝和拆卸、管線集中、路徑損耗少等降低物化階段碳排放；通過增加自身采光通風、增加自身保溫性、自身遮陽、構件的可再利用等設計來減少使用階段碳排放，將低碳理念貫穿設計全局。

1?裝配式工業(yè)建筑研究現(xiàn)狀

利用中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫對我國的裝配式建筑研進行分析，通過交叉搜索“低碳、裝配式、工業(yè)建筑”等關鍵詞，共檢索出“裝配式工業(yè)建筑”關鍵詞96項，通過分析檢索結果發(fā)現(xiàn)，關于裝配式工業(yè)建筑的研究于2016年呈現(xiàn)明顯增多，這一結果與我國2016年頒布裝配式建筑發(fā)展規(guī)劃密切相關；而從研究主題來看，裝配式工業(yè)建筑的研究內(nèi)容又以結構性能研究居多。以“低碳工業(yè)建筑”為關鍵詞共檢索出100項相關結果，其中2009年開始增多；從研究主題來看，研究主要集中在舊工業(yè)建筑的改造和再利用，其次為工業(yè)建筑低碳設計和策略研究。

我國裝配式工業(yè)建筑的低碳設計相關規(guī)范在不斷完善和發(fā)展，但現(xiàn)有標準體系對裝配式工業(yè)建筑設計階段的低碳研究不完全適用，如GB/T?50378—2019《綠色建筑評價標準》評價對象主要針對居住建筑、

GB/T?50640—2010《建筑工程綠色施工評價標準》主要為施工階段的評價。在學術研究方面，相關學者也從多個角度進行了研究：如張揚等主張研究舊工業(yè)建筑的綠色改造和再利用研究；王玉基于BIM技術對裝配式建筑在全生命周期各階段提出低碳策略；李云霞等針對建筑材料碳排放測算開展研究。

我國對于工業(yè)建筑的低碳研究大多基于舊建筑改造利用、結構研究、材料選擇等技術手段控制碳排放。從全生命周期出發(fā)的研究，主要集中在使用階段，而物化階段的研究主要為施工階段的材料選擇、施工技術的研究，設計階段的裝配式模塊設計研究相對較少。

2?裝配式工業(yè)建筑碳排放規(guī)律

工業(yè)建筑生命周期系統(tǒng)劃分為物化階段、使用階段以及拆除階段。相較于使用階段，雖然設計階段在全生命周期占比較小，但科學合理的低碳設計直接影響施工階段、使用階段、拆除階段的碳排放，對建筑碳排放總量控制有至關重要的作用，如圖1所示。

圖1?全生命周期各階段碳排放占比

建筑全生命周期內(nèi)裝配式工業(yè)建筑碳排放影響因素包括建筑材料生產(chǎn)、材料運輸、現(xiàn)場組裝和加工、使用階段以及拆除階段各流程中影響碳排放的各種因素，具體主要考慮以下幾個方面。

（1）材料自身碳排放：材料自身為適合裝配式工業(yè)建筑的環(huán)保低碳材料。

（2）構件的規(guī)格和數(shù)量：裝配式建筑是指將傳統(tǒng)建筑生產(chǎn)中的結構設計為多個模板化、標準化設計的可組裝構件，其種類和數(shù)量對生產(chǎn)和運輸過程中的碳排放結果影響較大。

（3）建筑整體裝配率：裝配式工業(yè)建筑的裝配率越高，越能縮短施工周期和簡化施工難度，碳排放也會隨之降低。因此在進行低碳設計時，盡量采用統(tǒng)一協(xié)調(diào)的標準模塊來提高裝配率。

3?裝配式工業(yè)建筑模數(shù)化低碳設計策略

結合實際工程項目，以模塊設計為研究內(nèi)容，通過構件材料、模數(shù)尺寸、構造方式、物理環(huán)境協(xié)調(diào)以及造型設計等方面，提出影響全生命周期的裝配式工業(yè)建筑低碳設計策略。某變壓器生產(chǎn)廠區(qū)位于河北省保定市，屬寒冷地區(qū)，此工廠主要生產(chǎn)變壓器，無特殊工藝流程要求，廠房為框架結構，廠房平面如圖2所示。

圖2?原廠房總平面示意

3.1?低碳材料策略

裝配式工業(yè)建筑中材料的選擇涉及建筑構件生產(chǎn)加工、運輸、現(xiàn)場組裝，以及后期的拆除和再利用，材料的能耗影響著建筑碳排放，因此在材料選擇上需要考慮以下方面。

3.1.1?選擇低碳材料

盡量使用綠色低碳且具有保溫隔熱、抗壓、耐久性等性能的天然材料。目前比較普遍使用的低碳材料主要有：木材、石材、橡膠等天然材料；鋼材、鋁合金以及其他低碳有色金屬材料；綠色真空玻璃、橡膠密封條、部分塑料等新型環(huán)保材料；高密度纖維板、巖棉、聚苯乙烯保溫板等低碳合成材料。在低碳材料選擇時，應盡量減少材料的種類和數(shù)量，減少構件運輸和二次組裝階段的碳排放。同種材料應可同時用于多個部位，如石材、鋼材等既可用于結構，也可用于墻體、門窗等。

3.1.2?使用復合材料

建筑不同部位所需材料性能是復合且不同的，裝配式構件宜選擇多種功能組成的復合材料，減少材料和構件種類。外墻圍護預制墻板選用新型金屬防火保溫裝飾一體板，同時滿足保溫性、穩(wěn)定性和裝飾效果。如聚氨酯夾芯板既防水防潮，外墻掛板具有金屬雕花飾面效果，又可兼作外墻裝飾材料；屋面阻燃隔熱巖棉保溫一體板可減少屋面構造層次，簡化施工工藝。內(nèi)墻隔板根據(jù)不同功能需求可選擇EPS輕質(zhì)復合隔墻板、發(fā)泡水泥輕質(zhì)隔墻板等，具有阻燃保溫、防水防潮、隔音防噪等多功能復合輕質(zhì)墻板。因此在構件預制中選擇多種材料復合預制，形成集多種性能于一體的復合板材，滿足不同部位構件需求。

3.2?模數(shù)統(tǒng)一策略

裝配式工業(yè)建筑的低碳設計需要提高建筑構件的預制率來減少碳排放。建筑構件的模塊設計是在符合生產(chǎn)工藝流程的前提下，盡量使構件規(guī)格統(tǒng)一、降低制造和運輸成本， 現(xiàn)場施工工藝簡單、便捷，降低能耗，減少二氧化碳的排放量。

以河北某生產(chǎn)變壓器廠1號廠房和4號廠房為例，分別采用長寬高模數(shù)為6?m×6?m×3?m進行模塊設計。如圖3所示，1號廠房保留其L形形體，將其模數(shù)設計尺寸為進深18?m（6?m×3 ），開間分別為90?m（6?m×15）和42?m（6?m×7），總高18?m（3?m×6）；如圖4所示，4號廠房為矩形平面，模塊設計總開間進深為90?m×24?m，層高9?m（3?m×3）。

圖3?1號廠房模數(shù)化平面示意（m）

圖4?4號廠房模數(shù)化平面示意（m）

3.3?低碳構造策略

傳統(tǒng)建筑的構造方式主要為現(xiàn)場施工，需要澆筑、支模、砌筑、焊接等，工序復雜，施工人數(shù)多，工期長，碳排放總量較大。而裝配式工業(yè)建筑需要更低碳的構造方式。因此裝配式工業(yè)建筑的構造方式以易組裝、易拆分、易更換、易重組為主。

3.3.1?榫卯式

我國的榫卯技術最早運用于木構件中，已形成較為成熟的體系，榫卯技術具有易組裝、易拆分、可重組、可替換以及良好的抗震性等優(yōu)點。近些年榫卯技術也運用于鋼構件、木構件、混凝土等構件的組裝中，相較于焊接和澆筑的傳統(tǒng)方式，榫卯技術能在很大程度上降低碳排放。

3.3.2?鉸接式

鋼結構中，梁與柱的連接通常采用3種形式，柔性連接、半剛性連接和剛性連接，其中柔性連接也稱為鉸接。鉸接的碳排放量相對較少；且易組裝和拆分，因此可根據(jù)建造需求選擇鉸接方式進行構件組裝。

3.4?物理環(huán)境協(xié)調(diào)策略

建筑物理環(huán)境主要包括聲、光、熱3個方面。所選變壓器生產(chǎn)廠需考慮的物理環(huán)境主要有采光、通風、散熱、保溫、遮陽等。

3.4.1?采光通風

內(nèi)部空間良好的自然采光和通風，可減少人工采光和空調(diào)裝備，也是裝配式工業(yè)建筑低碳設計策略之一。如圖5所示，廠房模塊以6?m×6?m×3?m為模數(shù)進行設計，分別有實墻模塊、常規(guī)窗模塊、高窗模塊以及帶遮陽模塊幾種。4號廠房進深為24?m，南北兩側窗戶無法滿足其大進深采光要求，因此需增加老虎窗，老虎窗以1.5?m為模數(shù)預制，如圖5（f）（g）所示。

圖5?各模塊類型

（a）實墻模塊；（b）帶窗戶模塊；（c）帶高窗模塊；（d）西側遮陽窗模塊；（e）南側遮陽窗模塊；（f）老虎窗模塊立面；（g）老虎窗

以4號廠房為例，工業(yè)生產(chǎn)主要在廠房內(nèi)進行，室內(nèi)機器等設備產(chǎn)熱量較多，室內(nèi)需要通風、除熱以及除濕等處理。合理的模塊組合可在高溫時段形成空氣對流，達到自然通風效果；同時由于生產(chǎn)車間進深較大，所以需要高側窗和老虎窗將熱空氣自然向外排出，達到室內(nèi)自然通風的效果；北側墻體需保溫和通風，因此北側墻體多為實墻或只設高側窗。

3.4.2?保溫遮陽

保溫遮陽也是裝配式工業(yè)建筑中低碳設計中需要考慮的因素。外墻板的預制和拼接需充分考慮墻板的保溫隔熱性，根據(jù)不同模塊的不同要求，采取不同的材料和構造方式。東側和北側的墻體需要采用保溫隔熱性能較高的材質(zhì)，因此墻體設計多采用保溫性能較高的材料預制，如聚苯乙烯保溫板等。遮陽也可進行模塊設計，如圖6所示，西側窗戶兩側和南向窗戶上沿采用預制遮陽板，避免不同時間日曬影響室內(nèi)采光，達到低碳遮陽效果。

圖6?夏季帶遮陽模塊

（a）豎向遮陽；（b）橫向遮陽

3.5?造型一體化設計策略

建筑模塊設計應將造型進行一體化，減少二次裝飾帶來的材料和施工的資源浪費。造型一體化設計同樣遵循工業(yè)建筑構圖中形式美法則，同時還要兼顧工業(yè)化生產(chǎn)的工藝要求，盡量做到簡潔、統(tǒng)一，與裝配式模塊設計相協(xié)調(diào)。如越南FPT大學理工樓，每個單元模塊規(guī)格相同，通過與窗戶、出入口、功能以及其構件相結合，將模塊進行疊合、架空、出挑等手法，使之組合成美觀且豐富的造型一體化裝配式建筑；再如拉科魯尼亞婦產(chǎn)科醫(yī)院停車樓，通過不同顏色的金屬條來增加外立面設計感，同時減少了混凝土的使用。

在廠房的裝配式模塊設計中，將雨篷板、檐口梁、窗戶及窗戶套線、露臺欄桿等構件墻板構件組合成型，并賦予不同顏色、材質(zhì)、肌理感、編織感，達到建筑造型美觀協(xié)調(diào)的同時降低材料碳排放。在河北某變壓器生產(chǎn)廠的裝配式設計中，以4號樓為例分析建筑模板一體化設計策略，如圖7所示。

圖7?造型一體化模塊組合

（a）不同墻體模塊組合；（b）橫向遮陽與模塊組合；（c）豎向遮陽和門窗套與模塊組合

（1）墻體：選用具有特殊質(zhì)感和紋理的復合墻板，  加工制作成線條感強烈（橫向條、豎線條、斜線條或相互組合）的墻板模塊，根據(jù)金屬、混凝土、木質(zhì)等不同材料表現(xiàn)的不同質(zhì)感和色彩，進行一體化設計和一體成型。

（2）窗戶：綠色真空玻璃具有良好的隔音、保溫隔熱性能，與傳統(tǒng)玻璃相比，綠色真空玻璃能有效降低建筑能耗。可選鋁合金、綠色真空玻璃、橡膠密封條等進行窗戶模塊預制；外窗模塊分為方形和矩形，尺寸分別為1.5?m×1.5?m和1.5?m×0.9?m，根據(jù)外窗位置和尺寸需要進行拼接組合，滿足采光通風要求，同時體現(xiàn)豐富的視覺形象。

（3）附屬構件：遮陽板、窗套、外檐等裝飾構件可使用防腐木板、水泥板、鋁合金板等材質(zhì)制成裝飾模塊。該附件不僅實現(xiàn)低碳的目的，同時可在質(zhì)感、紋理和色彩上與外墻面呼應，也可與墻板組成外墻墻板模塊，在需要的部位進行組裝，更簡潔方便。

4?結論

低碳設計是未來建筑發(fā)展的必然選擇，工業(yè)建筑作為建筑中一個龐大且不可或缺的分支；裝配式工業(yè)建筑的模塊設計是實現(xiàn)低碳目標的有效手段。通過采取一系列設計策略將裝配式工業(yè)建筑在設計階段有效控制碳排放，對工業(yè)建筑節(jié)能減排具有重要意義。以裝配式工業(yè)建筑為研究對象，從建筑學專業(yè)視角提供裝配式模塊設計低碳策略，使工業(yè)建筑從設計階段開始，將低碳理念貫穿建筑全壽命過程，為綠色低碳工業(yè)建筑發(fā)展提供參考依據(jù)和建議。