張宏*，黑賞罡

0 引言

建筑設(shè)計(jì)過程直接或間接影響建筑全生命周期的能耗和碳排放量，如確定建筑體形系數(shù)、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)以及采光通風(fēng)方式等。相較于施工和運(yùn)維過程，在建筑設(shè)計(jì)階段進(jìn)行碳排放控制具有成本低、效果好的優(yōu)勢(shì)[1]。實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)階段控碳的基礎(chǔ)是要有支持性能優(yōu)化的建筑設(shè)計(jì)技術(shù)方法和工具，關(guān)鍵在于如何建立準(zhǔn)確高效分類量算全生命周期建筑碳排放，管理優(yōu)化碳排放較高的構(gòu)件及其構(gòu)件系統(tǒng)，分析碳排放集中發(fā)生在哪個(gè)階段，從而提供具有數(shù)據(jù)反饋和有針對(duì)性的控碳設(shè)計(jì)，并結(jié)合軟件工具實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化和碳排放性能優(yōu)化控制數(shù)據(jù)的自動(dòng)關(guān)聯(lián)。

團(tuán)隊(duì)建立了定量建筑設(shè)計(jì)理論、技術(shù)和方法，包括基于建造、性能和智能的裝配式建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)體系[2]。如圖1 所示，通過構(gòu)建定量化指標(biāo)體系，如預(yù)制率、裝配率、建筑和空間邊數(shù)率、體型系數(shù)、傳熱系統(tǒng)、窗墻比、構(gòu)件碳排放強(qiáng)度等，實(shí)現(xiàn)建造效率提升、碳排放性能優(yōu)化和智能數(shù)據(jù)管理的定量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。針對(duì)上述問題，以碳排放性能控制為目標(biāo)，將建筑性能模擬與設(shè)計(jì)軟件結(jié)合，團(tuán)隊(duì)展開以下3 個(gè)方面關(guān)鍵技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑全生命周期碳排放性能的優(yōu)化提升。

1 控碳建筑設(shè)計(jì)理論與方法邏輯框架

1 建筑全生命周期階段劃分研究

建筑生命周期通常是指從建材原料開采到建筑拆除處置的全過程，受研究目標(biāo)、數(shù)據(jù)來源等因素影響，不同機(jī)構(gòu)和相關(guān)學(xué)者對(duì)其劃分的標(biāo)準(zhǔn)和方式也不一致。大多數(shù)學(xué)者將建筑生命周期劃分為4 個(gè)階段，即建材生產(chǎn)、建筑施工、建筑運(yùn)行和建筑拆除，部分學(xué)者建議將前兩個(gè)階段合并統(tǒng)稱為物化階段，還有部分學(xué)者將建筑拆除和廢棄物處置分成兩個(gè)獨(dú)立階段。因此，階段劃分不同，各階段上下游計(jì)算范圍會(huì)存在交叉，導(dǎo)致碳排放計(jì)算不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)應(yīng)用效率低。如圖2 所示，為統(tǒng)一碳排放計(jì)算邊界，提高計(jì)算結(jié)果可比性，團(tuán)隊(duì)在既有研究成果基礎(chǔ)上[3-7]，將建筑全生命周期劃分為材料制備、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、拆除再利用 7 個(gè)基本階段。

2 東南大學(xué)建筑學(xué)院碳排放研究團(tuán)隊(duì)建筑全生命周期階段劃分

2 建筑全生命周期碳排放自動(dòng)計(jì)算技術(shù)研究

以上述全生命周期7 個(gè)階段為碳排放計(jì)算邊界，基于IPCC 碳排放因子法，從橫、縱兩個(gè)維度進(jìn)行建筑碳排放計(jì)算?？v向維度圍繞構(gòu)件及其構(gòu)件系統(tǒng)展開，如結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)、圍護(hù)構(gòu)件系統(tǒng)、內(nèi)裝構(gòu)件系統(tǒng)、設(shè)備管線構(gòu)件系統(tǒng)等；橫向維度圍繞全生命周期各階段展開，包括建筑構(gòu)件的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配和再利用等過程。碳排放活動(dòng)數(shù)據(jù)主要來源于“建筑信息模型數(shù)據(jù)庫(kù)”，碳排放因子數(shù)據(jù)來源于《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》 （GB/T51366-2019）、國(guó)家統(tǒng)計(jì)年鑒以及相關(guān)論文研究成果等。

C-House 是團(tuán)隊(duì)2018 SD 中國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽的參賽作品，在3 年半時(shí)間里經(jīng)歷了3 次拆除重建再利用過程（圖3-5）。以該項(xiàng)目研究為例，計(jì)算統(tǒng)計(jì)3 次建造裝配過程碳排放量。建筑構(gòu)件95.9%可完整回收再利用，4.1%構(gòu)件修繕后便可重復(fù)使用，其余不可回收構(gòu)件僅為1.0%。第一次循環(huán)再利用過程碳排放量為135.82t，第二次循環(huán)再利用過程碳排放量為60.31t。由此可知，在建筑構(gòu)件材料的選用上，應(yīng)盡量選用再利用低碳材料，或盡量提高構(gòu)件的重復(fù)使用率，從而降低拆除重建過程中，因廢棄物處理、材料制備和構(gòu)件制造過程產(chǎn)生的碳排放量。

3 C-House第一次建造完成實(shí)景拍攝，2018年6月

4 C-House第二次建造完成實(shí)景拍攝，2018年8月

5 C-House第三次建造完成實(shí)景拍攝，2021年6月

3 碳排放計(jì)算與設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件研發(fā)

國(guó)內(nèi)外學(xué)界對(duì)于建筑碳排放的研究多關(guān)注于全生命周期各階段碳排放占比，很少?gòu)慕ㄖ熞暯茄邪l(fā)與設(shè)計(jì)方法結(jié)合且方便建筑師使用的碳排放計(jì)算方法和控碳設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件，導(dǎo)致碳排放計(jì)算無法與建筑方案優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合。如圖6 所示，研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的碳排放計(jì)算軟件具有以下特點(diǎn)：（1）基于BIM 的數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)建、采集、分析、應(yīng)用；（2）建立支持全生命周期碳排放量算數(shù)據(jù)庫(kù)；（3）采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式；（4）與設(shè)計(jì)師前端設(shè)計(jì)軟件融合，實(shí)現(xiàn)控碳正向設(shè)計(jì)；（5）支持建筑全生命周期各個(gè)階段持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)優(yōu)化?；诮ㄖ芷诘碾A段劃分，將各階段預(yù)制構(gòu)件碳排放因子匯總形成標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件碳排放因子庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)由材料庫(kù)、人員庫(kù)、設(shè)備庫(kù)等構(gòu)成，是碳排放計(jì)算與設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件研發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)。同時(shí)，基于BIM 的裝配式建筑信息服務(wù)與管理平臺(tái)（網(wǎng)站鏈接https://zhuangpei.njsjw.cn）研究，實(shí)現(xiàn)建筑建造、運(yùn)維和再利用的全生命周期智能數(shù)據(jù)采集反饋與優(yōu)化，支持了設(shè)計(jì)過程控碳策略在項(xiàng)目全流程中的落地實(shí)施。

6 碳排放計(jì)算軟件基本功能介紹

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)建筑碳排放計(jì)算邊界不統(tǒng)一、計(jì)算模型不完善、設(shè)計(jì)階段缺少對(duì)建筑碳排放性能優(yōu)化的軟件工具等技術(shù)問題，本文基于全生命周期階段劃分研究，建立了橫縱兩個(gè)維度建筑碳排放自動(dòng)計(jì)算技術(shù)系統(tǒng)，研發(fā)了碳排放性能優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，通過對(duì)不同構(gòu)件系統(tǒng)和構(gòu)件不同階段的多角度碳排放計(jì)算分析，進(jìn)而提出建筑構(gòu)件材料選取、構(gòu)件種類匹配、結(jié)構(gòu)形式選擇等具體設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)基于建筑前期技術(shù)策劃和方案設(shè)計(jì)的碳排放性能的持續(xù)優(yōu)化。因此，支持碳排放性能優(yōu)化的建筑設(shè)計(jì)技術(shù)方法研究具有重要意義，不僅促進(jìn)了建筑學(xué)與材料、土木工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)等其他學(xué)科的交叉融合，同時(shí)通過對(duì)經(jīng)典建筑學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的擴(kuò)展與補(bǔ)充，探索推動(dòng)了建筑學(xué)發(fā)展的路徑和人才培養(yǎng)進(jìn)步?！?/p>