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 200438；2.上海汇绿电子商务有限公司，上海 200438）

0 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/T 50378—2019《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88 705 m2，其中地上部分建筑面积为62 255 m2，地下部分建筑面积为26 450 m2。图1 为绿源天地项目效果图。

1.2 项目荣誉

该项目于2015 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，2019 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/T 50378—2014《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C30～C50，再生骨料取代率为10%～30%，最高泵送高度为49.2 m（屋面层）。

研究表明[1]，在上海地区，强度等级为C20～C30 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30%～35%。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.1 Recycled concrete application scheme）

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（C30 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 integrated PV，BIPV）的角度进行了应用性研究。从商业建筑的全生命周期角度来看，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入研究[4-5]。

2.2.1 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（precast concrete，PC）墙板部分的建筑面积约占地上总建筑面积的66.9%。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26 mm，具体预制PC 外墙板尺寸见图3。

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。

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25 年，光伏板发电总量可达63.8×104kW·h，节约标准煤量226.35 t，减少二氧化碳排放量为830.15 t，减少粉尘量为170.54 t，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[6]。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。

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，结果显示可直接入住使用。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、PM10，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，办公室变成更为宽敞的空间场所，由弗兰克·劳埃德·赖特在1906 年为Larkin Soap Company 建造的拉金大厦以及于1939 年为Johnson Wax 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”[7]。

（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 office 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析

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GB 3095—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；O3为由NO2导致的二次污染物，也不作为直接监控的参数。

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 air pollutants）

环境空气功能区分为2 类：一类区为自然保护区、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PM10）、温度、湿度、一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO2）这6 项参数，并选取二类区标准为监控调节标准。

3.3 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。

表3 智能母婴室所用绿色化部件（Tab.3 Green components used in intelligent mother and baby room）

图9 绿源天地智能母婴室（Fig.9 Lüyuan square intelligent mother and baby room）

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。

图10 智能母婴室小程序(Fig.10 Intelligent 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，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。