面向既有RC框架建筑的地震-能源协同经济型改造：e-SAFE项目的多学科方法、全尺寸验证与示范启示

《Buildings》：Energy and Seismic Affordable Renovation Solutions: Methods and Outcomes of the e-SAFE Project

　　

欧洲地震区既有建筑存量中很大比例面临双重关键脆弱性，即较差的能源性能和高地震风险，这在很大程度上源于既往建造实践忽视现代能效标准与抗震设计。为应对深度改造的迫切需求，Horizon 2020 e-SAFE项目旨在开发面向钢筋混凝土（RC）框架建筑的创新改造技术，协同实现地震安全、节能、建筑更新、经济可行性与社会福利。e-SAFE方案采用集成方法，将新型围护技术（预制木基板和三维钢桁架）与用于生活热水（DHW）、空间供暖和空间制冷的高性能热工系统相结合。本文概述指导这些技术设计与开发的主要多学科研究方法——整合理论与实验研究、数值建模、工业原型和参与式设计。完整e-SAFE技术包随后应用于意大利和罗马尼亚的三座多样化试点建筑进行综合示范与验证；本文讨论全尺寸结果，包括结构与能源性能验证、施工过程有效性以及示范活动经验教训。这些发现既凸显集成改造包的显著潜力，也揭示遇到的具体构造与运行限制，从而为未来研究和标准化工作提供关键数据，以推动地震-能源一体化建筑改造。

研究背景与问题：建筑部门是全球能源消耗和温室气体排放的重要来源，既有建筑能效提升是建筑部门脱碳的优先事项；同时，欧盟地震多发国家大量既有建筑按无抗震准则或过时规范建造，抗震性能不足。仅提升能效不足以保障长期韧性与可持续性，因而地震-能源一体化改造被视为兼顾气候减缓、结构安全与延长建筑寿命的战略机会。既有集成改造研究虽在增长，但需同时满足结构、能源、建筑、技术与施工要求，开发与验证难度大，尤其外附式改造因减少住户扰动、缩短工期、降低成本和建筑垃圾而受关注。研究人员在2020—2025年依托e-SAFE项目开发了预制木基围护板（e-PANEL、e-CLT）和三维钢桁架（e-EXOS）及高性能热工系统（e-THERM），并通过理论实验、数值建模、工业原型和参与式设计进行设计、原型、验证与全尺寸示范，结论表明该集成包在抗震、节能、建筑更新和施工可行性方面具有潜力，同时存在构造与运行限制，为后续研究和标准化提供依据。
关键技术方法（不超过250字）：研究采用理论与实验、数值建模、工业原型、参与式设计和全尺寸示范相结合的方法。实验包括e-CLT摩擦连接循环/单调试验及足尺单层单跨RC框架拟静力循环试验；数值方面采用OpenSees进行非线性动力分析和增量动力分析（IDA），TRNSYS与EnergyPlus进行热工和能耗模拟；围护系统在SHR Wageningen按NEN-EN标准进行气密、水密和抗风压原型测试；采用scan-to-BIM和参数化BIM支持设计安装。案例来源为意大利Catania真实试点（IACP所有的1960年代五层公寓）、罗马尼亚Timisoara虚拟试点（1950年代三层学校）和Bucharest虚拟试点（1970年代五层公寓）。
主要研究结果：
8.1 建筑特征：通过三个试点的参与式共同设计、工作坊、调查访谈、焦点小组和物理模型，Catania居民参与选择覆面纹理和立面色彩，Timisoara师生用模型添加环、雨棚和庇护构件，Bucharest依据增量性原则将居民自建加建转化为可扩展空间方案；结论是改造可兼具建筑品质与社会再生意义。
8.2 抗震性能：通过场地匹配人工地震动、非线性动力分析、易损性曲线和年平均超越频率比评估。Catania原楼因短梁脆性破坏而倒塌，移除该局部脆弱构件后，e-CLT使显著损伤（SD）极限状态下峰值地面加速度（PGA）能力约提高40%，λ/λ_req降低67%并接近1；Bucharest的e-EXOS随层间位移角容量增大效果更显著，Δ_cap=2.0%时纵向PGA能力提高98%、横向提高130%，并抑制软层机制；Timisoara的e-EXOS加屈曲约束支撑（BRB）改善Y向响应，但仍需局部抗剪加固，X向因桁架数量受建筑限制效果较小，局部加固后满足SD。
8.3 能源性能：通过稳态U值计算和EnergyPlus瞬态模拟，e-PANEL与e-CLT显著降低围护传热，改造后外墙U值满足意大利和罗马尼亚现行法规；Catania和Bucharest供暖需求减半，Timisoara学校降低42%，Catania制冷需求降低约20%；不可再生一次能源消耗在Catania和Bucharest降低约63%，在Timisoara降低约52%。
8.4 施工实施：通过Catania真实试点、scan-to-BIM和预制安装验证，123块预制板约660 m²立面，平均安装速率约40 m²/天；形成板缝≥20 mm、抗震缝、防水密封和可检修盖板等实施准则；结论是离位预制与受控现场装配可提高效率、质量和精度，并减少住户扰动。
讨论与结论译述：e-SAFE技术面向中高层、多story、能源与抗震性能差的RC框架建筑；当既有RC构件具有良好延性、较低刚度和较高抗剪能力以避免先于屈服发生剪切破坏时更有效，局部脆弱需与纤维增强聚合物（FRP）或RC包覆等传统加固结合。e-CLT适合具有足够无窗外墙面积以布置结构板的建筑；e-EXOS需建筑周边空间、附加基础和立面调整，适合周边空间充足且无阻碍外附构件的建筑；大面积玻璃且周边受限者可能不适用。结论指出，e-CLT与e-EXOS实验和数值结果确认其对重力荷载设计RC框架的有效性，外附CLT板还可能有助于防止砌体填充墙向外平面外倒塌，但需进一步研究；围护与热工系统可显著降低供暖需求和不可再生一次能源 use；预制与BIM支持可复制性，参与式设计促进城市再生；未来需长期能源监测、在役行为研究及更广建筑类型和边界条件验证。