用于可持续建筑的协作模块化设计、脱碳和大量木材

大规模木结构和模块化MEP和立面系统的日益普及表明了大多数项目的共同目标：按时、按预算设计和建造一座美丽而可持续的建筑。这个利用大量木材和模块化MEP /立面系统的中层住宅案例研究说明了与传统混凝土结构相比，这种类型的设计减少了碳足迹以及相关的成本和进度节省。

通过关注材料、制造和安装，该案例研究是协作模块化设计如何将运营和隐含碳减少 60%，成本降低 10% 和施工时间减少 15% 的路线图。这种协作交付需要与制造商和承包商密切协调，并通过共享BIM模型和数据进行协调。观看相关的小组讨论，了解业主如何影响协作交付的采用，以及可以在项目启动时实施并扩展到施工到入住后使用的最佳实践。

建筑设计中的大型木结构和模块化MEP系统为脱碳和可持续发展提供了机会，这是迄今为止不可能实现的。采用具有更新标准的高层木结构建筑的新规范使得现在可以建造多达18层的大块木材，为各种建筑类型开辟了新的设计可能性。与传统的混凝土和钢结构相比，这些项目的建造速度更快、成本效益更高，脱碳潜力更高。

鉴于住宅单元的重复性和模块化性质，多户住宅和学生宿舍是特别适合利用大量木材和模块化MEP建筑的所有好处的建筑类型。尽管过去几年城市密度波动，但住房危机仍将持续。随着新规范的采用，大规模木材和模块化MEP系统的潜力终于被释放，成为解决住房危机的一部分，重点是新开发项目脱碳的关键目标。

本案例研究探讨了具有分散式 MEP 和模块化立面系统的大规模木材中层住房项目将如何执行，因为它涉及隐含和运营碳、施工成本和施工时间。连接案例研究设计的所有组件（大型木结构、分散式 MEP、模块化立面）是共享数据集的概念。从第一天起就与制造商和承包商密切合作的项目团队可以通过共享模型数据和组件来扩展数据的价值，以推进设计、完成分析，并为现场简化的制造和装配流程奠定基础。

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为什么选择大量木材

加利福尼亚州现在正在执行新的法规条款，为由大幅面工程木材（通常称为大块木材）制成的更高，更大的建筑物铺平道路。新的规范条款对三种新的IV型建筑子类型提出了明确的要求，所有这些子类型对高度和材料暴露都有特定的限制，如下图所示。

与传统的施工方法相比，大块木材具有多种优势，从材料的可再生性和碳固存潜力到更快、更简化的施工过程。以下是大量木材的好处摘要。

环境效益

• 长期碳封存
• 减少温室气体排放
• 隐含和运营碳足迹
• 转向可再生资源

经济效益

• 更轻的材料重量
• 施工进度短
• 更短的融资计划
• 降低天气暴露

社会文化效益

• 支持区域经济
• 可持续增长和密度
• 与自然的亲生物联系
• 庆祝自然美景

外壳和模块化

多户住宅的计划和空间与大型木结构框架特别协同，因为住宅单元的尺寸模块与大型木材系统中理想的结构网格间距和材料宽度保持一致。在检查住宅单元的理想平方英尺和布局时，通常情况是 12'-0“ 结构网格与典型的隔断和墙壁位置的消亡对齐，使柱子保持远离单元内的开放空间。当需要内部柱子时，它们可以落在单元中不显眼的位置，并且可以作为有意的建筑特征暴露出来。

大型木结构建筑的结构在场外预制，并运往项目现场进行安装/组装。大块木柱和板的车间制造通常使用多轴CNC铣床完成，这样可以对尺寸公差进行密切的质量控制，并且可以实现低至1/16“的公差（相比之下，混凝土或钢的公差为1英寸或更高）。

同样的原则也适用于模块化MEP组件，这些组件也是预制的，并保持制造组件的严格公差。建筑系统之间的这种预制协同作用使建筑被认为是在现场组装的零件套件，而不是就地定制建造。这种方法确实需要设计团队、制造商和承包商之间的密切协调，但这种前端工作得到了回报，提高了现场施工速度，并对最终结果进行了更好的质量控制。

碳的故事

碳循环说明了二氧化碳（CO2）在我们星球碳库中的位置的清单。从大气中去除二氧化碳的影响与交换和时间有关。森林封存和储存碳，将其从大气循环到生物圈，再到土壤碳，然后再返回。土地利用的变化和糟糕的管理做法打破了这一循环。最佳管理实践和市场需求可以支持它。使用寿命、再利用机会和注意报废是维持和增加木材产品中碳储存的重要因素。单位碳储存的时间越长越好。一些消息来源要求将每个“偏移”单元存储至少100年，以被视为完全负排放。

全生命周期碳

碳排放的很大一部分可归因于建筑物的建造。对于典型的建筑，隐含碳占建筑物前30年总碳足迹的40-60%。高性能或ZNE建筑进一步放大了这一点，这些建筑的运营碳排放量低到零，隐含碳可以占建筑物碳足迹的100%。我们目前的设计和施工方法没有充分考虑建筑物运营前释放的隐含碳影响。迫切需要解决我们的隐含碳影响，从而节省大量并立即实现。近期碳减排对于实现我们的长期气候目标和避免进一步的气候灾难最有价值。

可持续工具和模型数据

建筑隐含碳计算器（EC3工具）

2019 年，Perkins&Will 成为建筑中隐含碳计算器 （EC3） 工具的试点合作伙伴。EC3由Building Transparency与碳领导论坛和C-Change Labs共同开发，提出了一个雄心勃勃且长期难以实现的目标，即通过供应链透明度和优化来比较和减少建筑材料的隐含碳排放。这款面向建筑师、工程师、业主、建筑公司、建筑材料供应商和政策制定者的免费开放访问工具将继续改变 AEC 行业采购低碳建筑材料的方式。

速度和计数猫

全生命周期碳减排、材料透明度以及人类健康是我们全系统再生设计方法的核心。这就是我们开发SPEED的原因，这是一个用于早期设计的内部能源建模工具。我们还在共同创建一个名为tallyCAT的新开放获取工具。这些工具处于研究知情实践的最前沿。它们帮助我们通过设计过程减少运营和隐含碳，交付更好的建筑，并改变我们的行业。

案例研究设计使隐含碳减少了 65%。

运营碳

我们在案例研究中实现能源效率和运营碳减排的方法侧重于以下关键策略：

• 通过气候响应被动和主动策略减少能源需求。
• 电气化和脱碳。消除所有消耗化石燃料的设备和器具，以提供更高的效率和改善的室内空气质量。通过现场或场外的清洁可再生能源供电。
• 涉及分散式、模块化和分布式系统，以实现低成本的场外预组装、减少管道长度和贯穿件、高效能量回收以及个人居住者对能源消耗的控制。
• 过渡到低 GWP 制冷剂。

早期能源分析用于对建筑设计进行基准测试，为设计决策提供信息，并在整个建筑生命周期内平衡成本和长期收益。

案例研究设计在位于加利福尼亚州旧金山时实现了 32.5% 的运营碳减少，在位于佐治亚州亚特兰大时实现了 46.7% 的运营碳减少。  

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机电系统意图

案例研究的MEP设计基础侧重于脱碳和模块化的概念。目标是为居民提供低碳、负担得起且舒适的高性能建筑。作为研究的一部分，已经分析了两种气候情景，第一个气候地点是加利福尼亚州旧金山的实际案例研究地点。此气候情景的设计仅提供供暖。第二个用于分析的气候地点是佐治亚州亚特兰大，与旧金山相比，亚特兰大的温度和湿度波动更为明显。这种气候情景的设计提供加热和冷却。

与多户住宅建筑的典型MEP设计相比，两种气候情景的设计基础都利用了不需要集中管道的系统解决方案。减少或消除管道意味着建筑物本身的建设隐含碳更少，这种物理材料的大量减少也为项目节省了时间和成本。

模块化MEP系统的分布式特性允许消除加热和冷却分配系统以及这些系统的重大能量损失。预装在工厂中的模块化系统可降低施工成本。分布式系统本质上更可靠且更易于维护。当中央系统发生故障时，完整的建筑服务将丢失。较小的分布式系统更容易、更快速地更换。

仅加热选项：带 ERV 的电动踢脚板

在湾区等气候温和的地区，住宅建筑采用坚固的建筑围护结构和仅供暖系统设计。这种设计策略通过消除主动冷却系统来降低建筑物的能源负荷。暖气通过每间卧室和客厅的电踢脚线加热器提供，并配有远程墙壁可编程恒温器。为了促进模块化设计，热回收通风机（HRV）用于通风和排气。每个单元始终主动通风，这保证了为居住者提供干燥、新鲜的空气。

加热和冷却选项：一体化加热、冷却、通风、热水

在需要冷却的气候下，案例研究使用模块化盒子，在一个单元内提供加热、冷却、通风和生活热水。这将放置在每个生活空间的壁橱中。该装置从冷却中回收废热以加热热水。当提供通风时，热量在冬季从废气中回收。该装置将使用二氧化碳作为制冷剂，显著降低典型制冷剂对气候的影响。该装置的运行周期将明显高于目前可用的典型热泵。

成本和时间

与传统混凝土结构相比，案例研究可节省 10% 的施工成本。

成本分析的注意事项

• 更轻的结构可节省地基
• CLT目前的市值极具竞争力
• CLT墙虽然昂贵，但抵消了内部结构
• 与蒸汽膜相关的节省
• 节省进度意味着更少的监督、一般条件和一般要求

与传统混凝土结构相比，案例研究可节省 15% 的施工时间。

进度分析的注意事项

• CLT生产率可显著节省上部结构进度
• 整体工期节省混凝土的 80% 到 90%
• 可能需要仓储材料以确保及时交付
• 前期材料采购和设计辅助采购将改变传统的现金流曲线

共享数据流

通过早期整合制造商和承包商的参与，包括投标和施工图审查，可以简化和压缩项目生命周期。如果在流程的早期交换和共享更多的数据，则所有各方所需的审查时间就会减少，从而确保在现场更快、更好的结果。

如果在设计过程的早期共享模型和组件数据，则设计团队可以使用基于真实建筑几何形状和材料限制的图元，从而在项目后期限制进度和成本风险的方式告知设计方向。此外，如果施工图审查过程开始得更早，这意味着制造可以更快地开始，这对项目具有固有的进度优势。特别是对于住房项目，根据租金融资时间表，提前入住日期具有巨大的相关成本价值。对于校园住宿，满足入住日期对于项目的成功至关重要。

跨平台工作

确保和延长项目数据的寿命和价值的当前挑战之一是需要在设计和制造过程中多次更改平台。通过在平台之间传输IFC和其他文件类型，可以在类似的数字空间中工作，但是在这个过程中，软件开发人员提供了一个巨大的机会窗口，可以提供组合平台或一系列直接协调和连接的平台。流程中的平台更改越少，设计和制造数字工作流空间的组合或看起来越相似，共享数据的价值就越高，其优化和实现项目成果的能力以及所有者团队的目标就越高。

整体协调

简化和改进共享数据的方法还可以带来比制造离散系统或组件之外的好处。它还可以鼓励在早期阶段采取整体方法进行设计和协调。使用共享数据的主要目标和好处是鼓励多个连接的系统合并是一种受控和考虑的方式。

例如，大块木材构件的制造必须考虑其他建筑系统（如MEP）的嵌入和贯穿件，以便在预制过程中容纳这些系统的空隙。如果以正确的方式共享正确的数据，那么建筑物的所有系统将相互协调，进入预制，从而允许在现场进行零件套件组装，而现场校正的需求最少。

共享数据也是能源建模和碳分析过程中不可或缺的一部分。如前所述，可以使用EC3和tallyCAT等工具详细跟踪和测量建筑组件。制造商是此分析过程中不可或缺的一部分，因为他们通常能够向设计团队提供环境产品声明、产销监管链文档和运输排放数据，以插入数字工具。这使团队能够彻底分析数据，设定目标并为项目绩效创建路线图。

最终目标是完成一个脱碳、具有成本效益、按时交付并为其所有者和利益相关者提供精美设计解决方案的项目。最近在大块木材、模块化结构、建筑系统技术和共享数据方面的创新可以帮助团队通过高度控制项目成果来实现这一目标。

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Anders Carpenter是旧金山Perkins&Will的高级助理，他帮助领导高等教育工作室。他是加利福尼亚州的注册建筑师，在项目设计、文档和交付的所有阶段拥有 18 年的经验。Anders 在各种项目类型和规模方面拥有丰富的经验，包括大学、多户住宅、博物馆、图书馆、K-12 学校和市政项目。他还在多学科国际设计咨询公司担任设计师，专注于品牌室内建筑、展览设计、装置和平面设计。Anders热衷于与项目利益相关者合作，合作开发有意义的设计解决方案，重点关注可持续性和创新。