張軍軍 張宏 葉紅雨 叢勐 周超

黨的二十大報(bào)告提出“中國(guó)式現(xiàn)代化建設(shè)”的歷史使命，“高質(zhì)量發(fā)展”是實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)的首要任務(wù)和物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)；“發(fā)展方式綠色化、低碳化轉(zhuǎn)型”是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。建筑行業(yè)能耗占全球終端總能耗的36%，碳排放約占全球總排放量的40%。建筑業(yè)能否實(shí)現(xiàn)從源頭到拆除的全生命周期控碳減碳，對(duì)全國(guó)是否能在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”具有決定性意義。

1 全生命周期零碳建筑背景研究

1.1 建筑全生命周期邊界與劃分

建筑全生命周期的概念起源于1990年提出的生命周期評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)由30余年的發(fā)展，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于建筑相關(guān)行業(yè)，是衡量建筑產(chǎn)品對(duì)環(huán)境影響的重要評(píng)價(jià)方法。受建筑工程復(fù)雜性、研究方法、數(shù)據(jù)來(lái)源等各種現(xiàn)實(shí)條件的約束，目前不同的機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)建筑全生命周期的劃分有不同的側(cè)重點(diǎn)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（EN）將建筑全生命周期劃分為建材制備、建筑施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和建筑拆除四個(gè)階段，適用于歐洲新建建筑及舊建筑改造。我國(guó)的《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366-2019）主要針對(duì)民用建筑的三個(gè)階段：運(yùn)行、建造及拆除、建材生產(chǎn)及運(yùn)輸，適合新建、擴(kuò)建和改建建筑[1]。也有學(xué)者將建材生產(chǎn)和運(yùn)輸、建造合稱為建筑物化階段[2]。因此，針對(duì)不同的研究目標(biāo)，全生命周期的劃分各有不同。為完整研究建筑的整個(gè)階段，東南大學(xué)建筑學(xué)院在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前業(yè)界對(duì)建筑改造和建筑拆除兩個(gè)階段研究的缺失，基于建筑從原材料到循環(huán)再利用階段的時(shí)序邏輯，將建筑全生命周期劃分為以下七個(gè)階段（圖1）：材料制備、構(gòu)件制造、物流轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、改造再利用和拆除再利用[3]。

1.2 建筑全生命周期碳排放計(jì)算數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

建立建筑全生命周期碳排放模型的方法有兩種：一種是自上而下法，如ELENA模型；一種是自下而上法，如Invert/EE—Lab、ECCABS和CoreBee模型等[4]。自上而下的模型通常與宏觀經(jīng)濟(jì)分析密切聯(lián)系，通過(guò)GDP、能源價(jià)格和國(guó)民經(jīng)濟(jì)收入等擬合碳排放數(shù)據(jù)，但是缺乏技術(shù)細(xì)節(jié)，難以指導(dǎo)建筑本體層面控碳。自下而上的模型，基于建筑本體層面進(jìn)行建模，以典型建筑的碳排放為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)、模擬和推算相應(yīng)建筑全生命周期的碳排放量。各種自下而上的模型，雖然核心算法略有差異，但基本邏輯是通過(guò)輸入建筑層面、技術(shù)層面和能耗細(xì)節(jié)等參數(shù)，輸出整體碳排放數(shù)據(jù)。建筑本體的模型越細(xì)致，最終輸出的碳排放量也越準(zhǔn)確，但也同時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量劇增。因此，合理的建筑構(gòu)件系統(tǒng)劃分對(duì)于建模至關(guān)重要，東南大學(xué)建筑學(xué)院在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，以構(gòu)件系統(tǒng)串聯(lián)從材料到建筑構(gòu)件到建筑整體的過(guò)程，將建筑構(gòu)件系統(tǒng)劃分為結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)、外圍護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)、內(nèi)裝修構(gòu)件系統(tǒng)、室外環(huán)境系統(tǒng)和設(shè)備與管線系統(tǒng)[5]。根據(jù)不同的構(gòu)件系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)構(gòu)件建模，建立并導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)，再計(jì)算相應(yīng)的碳排放，有利于在建筑構(gòu)件層面實(shí)現(xiàn)控碳。

2 全生命周期零碳建筑控碳技術(shù)

Solar Ark 3.0是東南大學(xué)、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和三明學(xué)院聯(lián)合賽隊(duì)參與2022年中國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽的作品（圖2），在比賽中取得了建筑設(shè)計(jì)單項(xiàng)第一和綜合總成績(jī)第二等榮譽(yù)。團(tuán)隊(duì)采用了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化預(yù)制和BIM運(yùn)維管理等技術(shù)手段，在20天（2021.8.24—9.12）內(nèi)完成建造，是一座九年可實(shí)現(xiàn)碳中和的零碳建筑。本文將從建筑全生命周期的七個(gè)階段和建筑構(gòu)件五個(gè)系統(tǒng)兩個(gè)維度，探討全生命周期零碳建筑的控碳技術(shù)與設(shè)計(jì)方法。

2.1 材料制備階段減碳

在材料制備階段，合適的材料選擇與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)、外圍護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)和內(nèi)裝修構(gòu)件系統(tǒng)具有重要意義。Solar Ark 3.0材料制備階段的碳排放量約為261.41t，主要在以下方面做了控碳設(shè)計(jì)。

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)

混凝土是目前使用最廣泛的建筑材料，在現(xiàn)階段仍不可替代，因此降低混凝土本身的碳排放量和用量，是混凝土結(jié)構(gòu)最有效的控碳方法。在本項(xiàng)目中，選擇超高性能混凝土（Ultra—High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱UHPC），與普通混凝土相比具有超高強(qiáng)度、超高韌性和超高耐久性等優(yōu)勢(shì)，不僅能夠顯著節(jié)材，而且可以減少混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)，提高混凝土使用年限。另一方面，設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化殼體結(jié)構(gòu)形式，使壓力在形式內(nèi)部傳遞，減小了殼體的厚度。綜上兩個(gè)方面，Solar Ark 3.0的殼體結(jié)構(gòu)消耗了27.78m3超高性能混凝土，而在規(guī)模尺度相同的情況下，普通框架結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)需要70.07m3混凝土，這意味著超過(guò)60%的混凝土材料可以被節(jié)省下來(lái)（圖3）。因此，選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的減碳，有舉足輕重的影響。

（2）外圍護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)

在本案中，外圍護(hù)系統(tǒng)主要包含東西側(cè)的實(shí)墻和南北側(cè)的玻璃幕墻（圖4），主要目的是保證南北向的景觀通透性，同時(shí)加強(qiáng)東西側(cè)的保溫隔熱性能。東西側(cè)的實(shí)墻為12塊外觀尺寸相同的復(fù)合預(yù)制墻板，包括四層UHPC和三層保溫夾層，并在外側(cè)附一層2mm的金屬反光壁板，實(shí)測(cè)K值0.2。多層夾心設(shè)計(jì)，提高了預(yù)制墻板的保溫性能，減少了混凝土的用量，降低了碳排放。

（3）內(nèi)裝修構(gòu)件系統(tǒng)

內(nèi)裝修構(gòu)件系統(tǒng)，可以分為內(nèi)隔墻和每個(gè)房間的地面、頂面和立面。Solar Ark 3.0采用多功能通用大空間的使用方式[6]，建筑內(nèi)部除衛(wèi)生間和設(shè)備間外無(wú)隔墻（圖5）。衛(wèi)生間采用科逸集成衛(wèi)浴系統(tǒng)，用環(huán)保材料工廠預(yù)制；內(nèi)部大空間，地面采用竹地板，立面采用竹飾面板，頂面直接殼體露明不做任何裝飾。因此，在內(nèi)裝修構(gòu)件系統(tǒng)上，Solar Ark 3.0減少了材料用量，采用集成衛(wèi)浴和環(huán)境友好的竹材制品實(shí)現(xiàn)控碳目標(biāo)。

2.2 構(gòu)件制造階段減碳

在建筑工業(yè)化的推進(jìn)之下，預(yù)制裝配式建筑成為行業(yè)節(jié)能減排的重要抓手。構(gòu)件預(yù)制不是簡(jiǎn)單將工地上的勞動(dòng)轉(zhuǎn)移到工廠內(nèi)，而是借助工廠內(nèi)的機(jī)械化、工業(yè)化等手段更高效、更節(jié)能地生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件。

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)

殼體建筑最大的難點(diǎn)是如何精準(zhǔn)建造曲面。Solar Ark 3.0通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與殼體生成邏輯相結(jié)合，20塊殼體構(gòu)件可以基于同一塊模板進(jìn)行預(yù)制，并使用制作完成的殼體進(jìn)一步成為下一個(gè)殼體的預(yù)制模板，整個(gè)預(yù)制過(guò)程僅需一塊模板，大大減少了工廠內(nèi)模板的消耗，降低了碳排放。

（2）外圍護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)

1 2塊UHPC預(yù)制復(fù)合外墻板，同樣只需要一套模板并采用平模生產(chǎn)，在工廠內(nèi)占地面積小、預(yù)制效率高。鋼?？苫厥绽?，進(jìn)一步降低碳排放。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，Solar Ark 3.0構(gòu)件制造階段的碳排放量約為7.37t。

2.3 物流轉(zhuǎn)運(yùn)階段減碳

建筑構(gòu)件的物流轉(zhuǎn)運(yùn)，主要涉及運(yùn)輸工具的選擇和裝車管理。與傳統(tǒng)建筑材料的運(yùn)輸不同，建筑預(yù)制構(gòu)件往往體積較大，對(duì)物流轉(zhuǎn)運(yùn)的要求更高。在Solar Ark 3.0的構(gòu)件運(yùn)輸中，大構(gòu)件有結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)的20塊殼體和外圍護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)的12塊預(yù)制外掛墻板。因此在設(shè)計(jì)階段即考慮工程管理要求，利用BIM模擬運(yùn)輸方案（圖6,7），并依照工程進(jìn)度合理調(diào)配運(yùn)輸時(shí)間，使貨車抵達(dá)工地后無(wú)需進(jìn)入構(gòu)件周轉(zhuǎn)場(chǎng)地，直接從貨車上吊裝至工位。對(duì)于曲面預(yù)制構(gòu)件，運(yùn)輸方式效率得到較大提升，減少了運(yùn)輸過(guò)程的碳排放。

1 東南大學(xué)建筑學(xué)院建筑全生命周期七個(gè)階段

2 Solar Ark 3.0 實(shí)景圖

3 同等投影和體積下不同結(jié)構(gòu)形式材料用量

4 外圍護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)

5 內(nèi)裝修構(gòu)件系統(tǒng)

此外，光伏支架的網(wǎng)架系統(tǒng)采用框構(gòu)[7]的形式進(jìn)行預(yù)制和運(yùn)輸，在工地再拼裝成大構(gòu)件吊裝，有利于控碳。經(jīng)計(jì)算，Solar Ark 3.0物流轉(zhuǎn)運(yùn)階段的碳排放量約為13.73t。

2.4 裝配施工階段減碳

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)

殼體的施工通常采用支模加混凝土現(xiàn)澆的方式，模板因殼體的曲面特性無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)制，且很難回收再利用；現(xiàn)澆混凝土也存在著大量的濕作業(yè)，施工周期長(zhǎng)且效果難以保證。Solar Ark 3.0的殼體結(jié)構(gòu)，通過(guò)308根Φ20螺栓穿過(guò)Φ25的預(yù)留孔，連接20塊預(yù)制UHPC雙曲面殼體，預(yù)制精度和安裝精度控制在2.5mm之內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，5天即可完成所有的預(yù)制殼體拼裝，提高了效率、降低了碳排放。

（2）外圍護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)

東西側(cè)12塊UHPC復(fù)合預(yù)制墻板，通過(guò)180mm寬縫構(gòu)造連接，減少了建造誤差，為圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性與熱工性能的處理提供充足的空間，既提高了裝配效率，也提升了物理性能。南北側(cè)的玻璃幕墻在工廠內(nèi)預(yù)制，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后通過(guò)吊車一次安裝到位。外圍護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)僅一天的時(shí)間就全部完成，實(shí)現(xiàn)了建造過(guò)程的控碳。

（3）內(nèi)裝修構(gòu)件系統(tǒng)

Solar Ark 3.0的內(nèi)裝修系統(tǒng)采用全預(yù)制干式施工，標(biāo)準(zhǔn)化的卡扣使竹材制品與龍骨連接，施工效率較高。在殼體完成封頂之后，內(nèi)裝修與其他構(gòu)件系統(tǒng)同步施工。

（4）室外環(huán)境構(gòu)件系統(tǒng)

Solar Ark 3.0的室外環(huán)境構(gòu)件系統(tǒng)包含三個(gè)部分：預(yù)制化的室外竹地板模塊、分布式生態(tài)水處理系統(tǒng)和馬鞭草種植。室外地板模塊根據(jù)建筑模數(shù)和室外場(chǎng)地條件在工地工廠預(yù)制，統(tǒng)一轉(zhuǎn)運(yùn)至工地，快速拼裝即可完成施工；分布式生態(tài)水處理系統(tǒng)，通過(guò)水生植物濾床與落干式人工濕地進(jìn)行深度分級(jí)凈化處理生活污水和雨水，實(shí)現(xiàn)了建筑水資源循環(huán)利用；大量的馬鞭草種植可獲得碳匯。經(jīng)計(jì)算，Solar Ark 3.0裝配施工階段的碳排放量約為7.02t。

6,7BIM 模擬運(yùn)輸與實(shí)際運(yùn)輸

2.5 運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段減碳

運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放主要由三個(gè)部分構(gòu)成：產(chǎn)能系統(tǒng)及綠植產(chǎn)生的碳匯、房屋系統(tǒng)耗能產(chǎn)生的碳排放、主要設(shè)備維修及更換帶來(lái)的碳排放。Solar Ark 3.0利用風(fēng)光互補(bǔ)產(chǎn)能系統(tǒng)，提高了產(chǎn)能穩(wěn)定性，其模擬數(shù)值為每年光伏發(fā)電49136kW·h、風(fēng)力發(fā)電2824kW·h，戶用之外每年可實(shí)現(xiàn)4萬(wàn)度以上的電量上網(wǎng)，結(jié)合基地內(nèi)最大化的綠植布置，每年實(shí)現(xiàn)碳匯45.95t。對(duì)于房屋系統(tǒng)能耗，采用主動(dòng)式干預(yù)與被動(dòng)式結(jié)合的建筑節(jié)能策略，每年建筑能耗折合碳排放約9.34t。按照百年建筑[8]的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，其生命周期內(nèi)太陽(yáng)能系統(tǒng)、圍護(hù)系統(tǒng)、裝修系統(tǒng)和設(shè)備與管線系統(tǒng)因老化等原因會(huì)產(chǎn)生更換，采用耐久性更好的建筑構(gòu)件有利于實(shí)現(xiàn)減碳。

2.6 改造再利用階段減碳

得益于Solar Ark 3.0的大空間多功能使用模式，通過(guò)現(xiàn)有竹制家具的不同組合，即可實(shí)現(xiàn)睡眠休息、起居生活、小型展示、休閑娛樂(lè)、居家辦公等多種使用方式。Solar Ark 3.0滿足多樣化使用人群的多種使用模式，因功能改變而帶來(lái)的改造再利用所產(chǎn)生的碳排放為0。

8 碳排放趨勢(shì)（第九年實(shí)現(xiàn)碳中和）

2.7 拆除再利用階段減碳

Solar Ark 3.0在設(shè)計(jì)階段即考慮到拆除時(shí)的構(gòu)件利用。對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)，所有的殼體通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，在拆除時(shí)可以保留預(yù)制構(gòu)件原本的形態(tài)再做其他利用；對(duì)于外圍護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)，東西側(cè)復(fù)合墻體通過(guò)螺栓連接；對(duì)于內(nèi)裝修構(gòu)件系統(tǒng)，裝配式竹制內(nèi)裝保證了連接的可逆性，整體衛(wèi)浴也可以拆除后再重新組裝；對(duì)于設(shè)備與管線系統(tǒng)，光伏網(wǎng)架為鋼結(jié)構(gòu)；對(duì)于室外環(huán)境系統(tǒng)，模塊化的竹地板等均可以實(shí)現(xiàn)再次利用。綜合統(tǒng)計(jì)，拆除再利用階段可節(jié)省碳排放約61.78t。

3 九年實(shí)現(xiàn)碳中和

通過(guò)對(duì)Solar Ark 3.0全生命周期七個(gè)階段的控碳設(shè)計(jì)，并基于構(gòu)件系統(tǒng)進(jìn)行碳排放計(jì)算（表1），按照百年建筑的標(biāo)準(zhǔn)，Solar Ark 3.0在第九年可實(shí)現(xiàn)碳中和（圖8）。

表1 Solar Ark 3.0 建筑全生命周期碳排放計(jì)算

4 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)家雙碳目標(biāo)的引導(dǎo)下，建筑行業(yè)各個(gè)方面都在進(jìn)行控碳、減碳的探索。建筑全生命周期的碳排放評(píng)價(jià)，應(yīng)考慮其從原料制備到建筑本體再到回歸自然的全過(guò)程，即建筑全生命周期的七個(gè)階段。其中，材料制備、構(gòu)件制造、物流轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配施工、改造再利用和拆除再利用六個(gè)階段，應(yīng)根據(jù)不同的建筑構(gòu)件系統(tǒng)進(jìn)行綜合深化減碳設(shè)計(jì)；運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段需綜合考量產(chǎn)能碳匯、節(jié)能減排和基于構(gòu)件系統(tǒng)的維護(hù)更新的減碳設(shè)計(jì)。建筑設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮時(shí)序和構(gòu)件系統(tǒng)兩個(gè)維度，在前端優(yōu)化建筑全生命周期中的每一個(gè)構(gòu)件系統(tǒng)及子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件層級(jí)的控碳減碳。

圖片來(lái)源

1,7作者自攝

2-6,8作者自繪

表格來(lái)源

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