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东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所所长张宏

发布时间:

2023-04-25 20:25

控碳定量建筑设计技术方法研究与新型建筑学人才培养

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  东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所所长 张宏

      张宏教授以《控碳定量建筑设计技术方法研究与新型建筑学人才培养》主题发表了演讲,主题一是以碳排放定量研究和定量控碳为例,看建筑学院如何建立起设计技术和方法支持控碳,他分别从建筑全生命周期阶段划分研究、建筑全生命周期碳排放自动计算技术研究、碳排放计算与需设计优化软件研发三个板块进行了分享交流。二是新型建筑学研究内容、知识拓展与人才培养。他指出,经典的建筑学知识结构主要在艺术、人文、作品,产生的是作品。我们要做定量的建筑设计方法,可以定义为构件法建筑设计理论和方法,对产品化建筑设计进行系统的建构,过去是作品化人才培养方法和定性的建筑设计传授,现在要建定量的建筑设计技术和方法,因此性能优化的建筑设计方法建立尤其重要。       

文字实录:

  张宏:线上和线下的各位专家好,我今天跟大家交流的是人才培养,建筑学如何能够跟进,培养控碳的定量的建筑设计人才,把木结构、轻钢结构、竹结构真正产业化,需要大量的建筑学人才支持,因为他们在方案端和产品研发端,在这个领域里做贡献,这方面的人才比较缺少,传统的建筑学在这个方向没有系统培养过人才,东南大学建筑学院在这个方面进行了17年的研究和尝试,目前在研究生阶段,已经在系统的培养人才。在本科阶段现在正在跟教育部推动,再教育部的引导下,推动新的本科专业建设,也要跟这个结合,因此我们想今天跟大家交流,如何在建筑学里面培养定量的建筑设计人才。

  今天汇报两个内容:

  第一,以碳排放定量研究和定量控碳为例,看看建筑学院怎么建立起设计技术和方法支持控碳。

  过去的建筑学主要是运行在定性的内容,它的形式、空间、艺术性、人文性属于定性的建筑设计,而要做控碳的建筑设计,一定要有定量的建筑设计理论、技术和方法。这一块我想把我们的研究跟大家做一个分享。

  1.建筑全生命周期阶段划分研究

  首先要研究建筑全生命周期是如何划分的,这块要统一才能把碳排放各个阶段的计算成果、计算内容跟控碳设计做结合和控碳的技术方面结合起来。

  全生命周期是什么情况下建立的,实际上全生命周期是循环,是为了材料循环来建立的,最早是可口可乐公司对瓶子如何循环利用建立起全生命周期的概念,逐渐引入到建筑领域,现在看到的是欧洲的一个2011标准,全生命周期划分成三个大阶段:生产、施工、运维、拆除和废弃物处理。东南大学团队在这个领域里面根据国情和实际项目需和特点,把建筑的全生命周期划分成七个阶段:一是材料的制备阶段;二是材构件的生产阶段,三是构件的转运阶段,四是装配阶段,五是运营维护阶段,六是改造再利用阶段;七是拆除再利用阶段。这样七个阶段的循环,基本把一个装配式建筑在七个阶段进行全面的控制,这是我们目前做的全生命周期七个阶段的划分。

  2.建筑全生命周期碳排放自动计算技术研究

  我们根据七个阶段研究了计算模型,以及它的统计表格,刚才武处提出的一系列表格,我们现在已经在做了,而且做了很长时间。我们团队的特点是用BIM技术自动生成这些表格来做,这样可以在后面的支持软件研发这一块,取得很好的基础。第二个阶段是构件的制造阶段,第三个阶段是物流转运阶段,这些都有计算模型和共识以及主要的控制项、内容、计算的边界。这是装配式施工阶段,下面是运营维护阶段。改造再利用阶段,现在国家政策很肠道改造再利用,因为要延长建筑的使用寿命,主要是指这个阶段。最后是拆除再利用阶段,各个阶段的数据化,包括量化做为基础建立起来。

  对于某些特殊的项目,比如运输,我们做了专门的研究,也给出了共识,发表了SII论文,做这方面具体的量化。

  我们把碳排放研究、定量计算的特点是这样五个:

  1)基于BIM的数据协同创建、采集、分析、应用,这是后面高效率进行运输和分析。

  2)建立支持全生命周期碳排放量算数据库,有了库以后,各种人工、材料、时间等等一系列的库能支持高效率的计算。

  3)采用标准数据格式,我们主要是建立ISC国际标准的基础上,进行多元数据融合和数据统一,用不同的软件都可以进行工程管理和设计控制。

  4)我们是建筑学院,我们尤其强调与设计师前端软件融合,进行控碳的正向设计。我们在前端能够让建筑师通过插件对碳排放进行量化,同时进行方案的优化,这个工作很重要,因为这个工作我后面会说,它的效率在前端是最高,越往后效率越低。

  5)建筑全生命周期各个阶段持续进行设计优化。从方案到扩初到施工图、到深化设计,每个阶段都有碳排放优化的内容。

  要做这个事情一定要有算例,我们团队不断的跟踪算例。我举其中一个例子,这是中国国际十项全能的一个竞赛项目场地,这个房子我们给它构件化,分解成各种类型的构件。这个房子在四年内,它是2018年8月建成的,经历了三次拆卸工作,在拆卸和建造的每一个工作过程中,我们的团队全程跟踪,在BIM模型的分解和拆解、安装、转运步骤进行全程跟踪,用表格实际记录中间的能耗,这样把计算的基础建立起来,这是第一次拆装的情况。

  这是装完之后拆下来,成一块一块的,再运往第二个地方,这是第二次建起来再拆除。从那边拆下来以后,在这个场地再建,这是20天之内把这个房子建成,采用了大构件的方式去建。这是第二次建的过程。

  这是房子建成的情况,包括室内都是20天之内完成投入使用。

  第三次从山东德州拆除,在东南大学的四排楼小区用了一个多月把它建起来,这是基地的情况,怎么把它建起来,这是建成的效果,在新的场地里面又出现了,经历了三次循环利用,我们在全程记录研究碳排放,这是生成的表格,这些表格系统通过BIM软件进行构件化的输入参数、输入碳排放数据,根据时间、人工、工程管理的因子、因素,自动生成这些表格。因此,计算出C—HOUSE第一次碳排放是建造材料制备阶段是225吨,这是第一次构件的生产阶段,碳排放是11吨。构件转运是1.81吨,后面是装配20.34吨,这样我们就形成了一个量算,模拟和实际的对照,让这个数据能够更加准确。我们在对照的基础上优化和修整这些数据,最后得到这张表格,一次性建造总碳排放量是258.39吨,分布是材料制备阶段占88%,生产、构件的装配阶段是7%,构件的生产阶段是4%,构件转运是1%,大概是这样的比例。从这个表可以看得出来,还没有进入运维,材料是大头,用什么材料来做构件、来造房子是占了碳排放的大头。因此,今天的会议怎么用大宗的建材来建造房子,在这块它有非常大的优势。

  这两张表是运营了三年半的情况,这里面有一个运营维护阶段,由于这个房子是产能的房子,是负碳的,负的1.47%,比例有所改变,大家可以看这个表的比例有所改变,但是69%仍然是材料制备阶段,在三年半的时间,仍然是材料制备占大头。多次的建造25%,建造的碳排放也在不断的增加,因为这个房子是产能的,运维的过程中是负碳的,运维的时间越长,负碳比例越高,如果这个房子不是产能的,它的保温如果效率比较低,运维的过程中不断的耗能,当然在运维的时候也会不断的增加碳排放,因此这也能看出来我们为什么要做产能的房子,可再生能源在城市和乡村房屋新一轮建设和改造过程中产生作用,这个产能可以平衡建造过程中的碳排放。

  这边这张表是这个房子可再生,或者构件的可重复利用率非常高,99%的构件可以重复利用,每次循环建造只有1%的材料是消耗材料,需要重新补充,在这样的逻辑下我们又进行了研究和计算,这三次建造循环利用两次,现在这个房子的净碳排放已经到了0.16吨,房子循环利用是减碳低碳的重要技术方法。大家想想也是这个道理,如果这个房子只用一次,拆了以后大量产生垃圾,碳排放是很高的。而它能循环利用,是能够减低或者大量减少碳排放。底下是一个计算的过程,我就不读了,大家可以看一下,最后的结论就是循环了两次,重复建造了三次,节碳效率相当高。

  因此,我们给一个效率,以节碳为目标,在建筑材料选用上,应该尽量选用低碳材料和可回收再利用的材料技术。因此,木结构、竹结构在这里面占有先天的优势,是能够在源头节碳,某种意义上建筑是把固化在构件里面的碳排放不让它尽早地再回到大自然里面,固在建筑构件里面,延长建筑的使用寿命,是节碳很好的途径,也是用低碳的材料做构件,更是能够增强这方面的效率,因此木结构和竹结构在这方面有先天的优势,应该大力发展。

  当然要发展这样的房子,有一点很重要,我们应该用什么样的建筑类型来服务社会,这很重要。因为木结构、竹结构也有先天的缺陷,如果做高层建筑是不占优势的,这是值得我们思考的。还有就是尽量提升构件的重复使用率,也能够减碳节碳。

  这是一个基本数据,生产一吨的水泥要产生大约一吨的二氧化碳排放,而木材天然生长一吨的木材大概要吸收自然界一吨的二氧化碳,并且释放出0.75吨氧气,显然木材在节能减排这一块、造房子的构件这一块有先天的优势,应

  该大力发展。

  回顾一下木结构技术,中国传统的建筑,不管是民间还是官方,大量用的是木构件,但是像这张图,不管是宫殿还是民间的建筑,我们没有形成能够减少木材、能够增强它的力学性能的构件,什么构件呢?主要是指横向构件,竖向构件大家都一样,都是柱,但是横向构件不一样。连接我们用榫铆,这是宋代传播木结构建筑,横向也是大量木材堆积,属于台梁式,一千多年前的西方教堂,已经有了桁架的特点,可以用小段的木材形成受力效率非常高的,能够跨过一些大跨度的构件系统,而这个相对来说,没有能够发展起来,在大量的房子里面没有发展起来。因此他们产生了大量木桁架的内容,根据房子的坡度和形式不同,西方有大量木桁架系统,在房屋类型和房屋建造里面有很好的优势。但是我们也不是没有优势的东西,在高层建筑,应县木塔,一千多年了,在它的暗层里面有斜向支撑,这一圈都是桁架,增强了建筑的整体稳固性,这块还要继续研究和总结。后面的应用过程中也要发展,或者把结构的效能极大的提高。

  3.碳排放计算与需设计优化软件研发

  软件研发这一块,我们做了很多的工作,这是南京市装配式建筑的监管平台,所有装配式建筑都可以跟它关联,这就是刚才这栋房子,我们在做碳排放计算,也需要强大后台支撑、处理数据。我们同时研发了碳排放的计算软件,这是给建筑师用的软件,把它开发出来,给建筑师方案阶段使用,在源头进行优化,这张图是表达了在源头优化的效率是最高的,越往后效率越低。因此建筑师参与的低碳建筑、零碳建筑包括绿色建筑设计还是比较重要的,能做到源头优化,我们建筑学院也要做这件事。

  这是一张循环的表,有量算的结果、有数据,自动的量算以后没有到这个标准继续循环做方案,最后让建筑师掌握定量的设计优化方法尤其重要。

  第二,新型建筑学研究内容、知识拓展与人才培养。

  这张表说明了这个问题,经典的建筑学知识结构主要在艺术、人文、作品,产生的是作品。我们要做定量的建筑设计方法,有一套方法,我们定义为构件法建筑设计理论和方法,对产品化建筑设计要进行系统的建构,过去是作品化人才培养方法和定性的建筑设计传授,现在要建定量的建筑设计技术和方法,传授他们这个知识,因此性能优化的建筑设计方法建立尤其重要。为此我们要进行基础研究和关键技术研发,刚才我以C—HOUSE为例,交流我们是怎么做的。外面这一圈就是BIM、CIM、物联网、智慧化。

  我们因此又建立了定量的建筑设计方法,建造的建筑设计、性能的建筑设计和智能的建筑设计,这样来支持新型建筑人才培养,支持行业里面的节能、减排,提高性能的建筑设计。

  国家和各部委都在装配式建筑、绿色建筑、低碳建筑、新型建筑工业化等领域都下了很多的文,给了指标,这个大规模时代的到来,建筑设计、建筑学应该怎样应对?把这个问题摆在我们面前。因为有了定量的建筑设计,我们来反思一下建筑学,过去的建筑学或者经典建筑学是以修养、人文艺术作为主题,针对建筑的形式、空间和功能进行设计,这是建筑师,它缺了定量基础的内容,它是定性的。如何定量呢?对建筑的物质构成建造和性能进行定量研究,来研究支持它的设计方法,我们就在原来的基础上增加了性能,中间是培养新型建筑师,因此建筑师学的构架进行了拓展。这张图就表示了拓展了什么,中间是原来的上下左右的五个圈是新拓展的。

  建筑学的现状是作品模式,有了定量建筑设计以及方法的支持,不仅有作品,还有产品,像现在的大量的厂,包括300家厂,需要有产品模式设计人才的支持,我们建筑学院有责任培养这方面的人才。

  这是一张总结,我不读了,我想能够说明一下,我们通过建立起新的知识构架,让建筑学有担当,把建筑学从传统的经典建筑学推向新型建筑学,推进低碳、双碳目标的实现和发展,推动产业现代化转型升级,实现可持续发展,因此发展定性与定量结合的新型建筑学尤其重要。

  想跟大家一起努力,在人才培养这块,做大学应该做的也必须做的事情。我今天跟大家的交流就到这,谢谢各位!



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