基于LCA的模块化建筑物化阶段碳排放协同仿真平台设计与实现

蒋博雅

（南京工业大学建筑学院，南京211816）

0 引 言

近年来，全球范围内温室气体排放所引发的温室效应问题亟待解决。我国作为能源消耗与温室气体排放的大国首当其冲，碳排放水平将会成为评价一个工程项目对环境负荷影响是否合理的重要指标。据住建部显示，我国的建筑能耗约占总能耗的40%，碳排放量约占总排放量的36%［1］，建筑占全球原料周转的40%［2］。节能建筑的一个重要发展方向是预制装配化，伴随着国家生态绿色发展战略的实施，对装配式结构的需求将全面提升。虚拟仿真平台作为建设项目虚拟模拟试验场，即建设项目信息集成的数据库系统，具有信息关联性、信息数字化以及信息完备性的特点［3-4］。模块化建筑碳排放计量是一种与现有工程项目计算内容区别较大的计算工作，应用信息模型以评估其生命周期碳排放量可以充分发挥其作为项目信息载体的优势。

1 实验背景

1.1 适用性、广泛性与代表性

本实验课程主要包括模块化建筑设计、碳排放模拟与LCA影响评估3大模块，与近几年国家大力推动和发展预制装配的前景相契合，适用范围更为广泛，计算结果易与发展通用模拟方法来定量预测和评价不同装配式结构建筑设计方案所产生的碳排放差异，对于节能减排和降低建筑能耗具有重要的意义，为工业化建筑碳交易市场机制的统一发展提供一定的数据支撑。同时在计算操作的过程中，让学生真实体验预制装配建筑的虚拟建造流程，如工厂化构件生产、吊装运输、现场组装等具体步骤［5］。

1.2 可行性

模块化建筑碳排放模拟是实验的关键性步骤，预制建造流程的精细化管理，要求了解每一步骤所耗费的人工、料、机械的参数［6］，而现场全程跟踪建造过程会导致教学周期加长，实验成本大幅度上升。从本科教学上看目前普遍存在实验课时严重不足的情况。从实验成本上考虑，不具备让全体学生在实训中进行全生命周期跟踪材料碳排放量的可行性，而虚拟仿真技术的引入正好填补这方面的缺憾。

1.3 时代性与实用性

技术创新引发生产方式变革，工业化生产方式所能带来的节能减排成效显著，但由于真正基于市场环境的、相对深入的工业化建筑实践才刚刚起步，相关节能减排理论还不充分，需对该议题展开深入研究，将科研成果以课堂理论讲授与实验操作演示相结合的方式传授前沿建筑技术科学知识，通过模块化建筑装配过程虚拟仿真实验平台的构建，有效地将教学中理论层面缺失的、实际操作困难的、实验过程相对复杂的真实实验流转化为技术实践层面的、可视化操作层面的、网络化多数据处理层面的虚拟仿真实验，具有较强的实用价值，有利于进一步加强对学生理论知识、工程实践能力、技术创新能力的培养。

2 实验教学方法

2.1 实验原理

2.1.1 全生命周期评价（LCA）理论

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是一种定量技术，用来评估产品整个生命周期的环境影响。如ISO 14040/14044所述，LCA研究包括4个交互式阶段，即：目标和范围定义；生命周期清单；影响评估和解释［7］。在第1阶段，定义LCA研究的关键问题，如研究目标、系统边界、目标受众等。第2阶段是收集必要的数据，建立LCA模型和过程数据清单。应用特定的影响评估方法进一步分析清单数据，并推导研究影响类别的指示结果。最后阶段是基于目标和范围定义解释结果进行分析以检测碳排放的热点区域。LCA研究是一个非常强大的工具，识别环境影响明显阶段，所涉及的研究对象有制造商、用户等。

2.1.2 建筑碳排放核算模型

碳排放核算方法遵循轻质工业化建筑碳排放的计算逻辑。①对构件分类并确定各阶段的划分，基于排放系数法建立各阶段碳排放核算模型；②基于Three.

js/WebGL技术实现模型在线浏览，支持多种碳排放计算参数设置，结合国际绿色建筑碳排放标准进行数据计算分析，提供完整虚拟仿真平台，让用户可自定义并模拟计算建筑单元生命周期碳排放量；③实现与建筑能耗分析软件EnergyPlus的链接，建立全生命周期碳排放核算模型。

2.1.3 国际标准组织制定的碳排放核算标准

目前使用的数据库有欧盟ELED、瑞士Ecoinvent、中国CLCD（Chinese Life Cycle Database）、《省级温室气体清单编制指南》（发改办气候［2011］1041号），参照《全国统一施工机械台班费用定额》中各类机械台班消耗能源量。

2.2 实验教学体系

整个实验教学体系共由5个部分构成，即场景模拟、理论学习、人机交互、分析对比、影响评价。场景模拟是从4大场景（物化的4个阶段［8］，见图1）着手，用户可以按阶段顺序点击进入单个小场景开展实验，查看和审核单一阶段的实验学习情况；人机交互是实验教学的核心，让学生在虚拟建造场景中根据实验要求选择建筑物构件、材料、机械设施等对象，通过“测”“输”“算”“调”“导”参数5步操作，形成实际建筑建造模拟、碳排放量算等一系列活动，得出相应的碳排放结果。根据阶段性仿真结果进行数据的分析对比，归纳影响最大或影响最不显著的碳源。基于对碳源的归纳总结，有针对性地对模块化建筑对象进行评价、解释，调整建造过程要素，提出优化的工程设计策略。

图1 实验的4个阶段

如图2所示，实验开发设计框架由4个模块构成。①实验简介模块（包括实验背景、实验目的、实验步骤和实验相关理论），使学生在实验开始前做好预习，在课堂上通过提问检验预习效果，通过细节及难点的讲解帮助学生更好地理解实验过程，80分以上才可开始实验；②4个阶段虚拟仿真模块；③每一场景的阶段性报告模块；④实验报告及实验相关习题。

图2 实验开发设计框架

2.3 实验开发技术支持

虚拟仿真平台提供内置的三维模型浏览查看功能，比如模型的缩放、旋转、视点跳转等，同时还提供模型目录结构树浏览、模型组件的隐藏与显示、模型组件的信息显示与搜索，内置的模型测量工具，可以对模型组件长度、角度、面积等多种参数进行测量，内置的剖面工具可以在任意平面上对模型进行剖切，来查看模型的内部结构。

使用VUE＋NODE组合搭建的Web应用，引入Three.js/WebGL技术在浏览器中实现房屋结构3D模型的加载、浏览和操作，使用ECharts进行碳排放分析数据展示。基于Web技术应用开发是信息技术发展主流趋势，虚拟仿真应用部署方便，对客户端软硬件要求较低［9-10］。

3 实验功能逻辑及交互设计

本实验以轻型结构模块化住宅为虚拟仿真实验对象，选取4个阶段（建材开采和生产、工厂化生产、运输、现场装配）、3个功能模块（工人、材料、机械）进行具体交互阐述，场景设计使用工厂作为仿真背景，布置建筑模型、构成模块、叉车、运输板车等，当实验处于第1阶段时，可选取材料类别等参数来进行交互设计，模拟得出相应碳排放量结果。当实验处于运输阶段，可通过选择叉车、运输板车等参数来进行交互设计，模拟得出该阶段碳排放量。整个虚拟仿真以动画演示为主，实现参数间的交互联动，模拟结果将帮助理解包含结构构件组在内的工业化施工法的环境绩效（见图3）。

图3 实验场景

3.1 数据库模型构建

将工业化建筑碳排放模型放在虚拟仿真平台上（见图4），可供学生分享和体验，这需要教师通过JS语言编程，在页面上清楚地展示该软件网络界面，实验使用者直接通过登录网站，模拟物化阶段全过程，根据需要将数值输入或点击，并可以根据后台设定的公式自动化生成量化清单以及不同场景下的耗能结果，让教师的科研成果真正地转化为实验教学内容。

图4 基于LCA的物化阶段模块化建筑工程碳排放数据库系统［7］

3.2 碳排放数学模型构建

模块化建筑是一种新兴的建筑结构体系。相对于传统技术，工业化建造流程更为复杂。一方面对工业化建造构成模块体系展开研究，按照工业化流程，根据设计目标，培养对工序步骤等环节的初步认知；另一方面对过程要素进行剖析，区分不同阶段物料处理环节差异。

如表1所示，关于模块化预制装配式建造工艺的研究系统包括：①建材开采、生产，该阶段与传统模式区别在增加了预制阶段，实现零散的生产到集成化工厂加工的转变；②运输阶段，由单一的建材运输过渡到商品化的物流；③装配阶段，由传统的以湿作业为主转变为以干作业为主的施工方式，其中①、③包括工业化预制加工与现场拼装成品的相关流程。

表1 传统施工方式与预制施工方式的物化阶段碳排放数学模型［9-11］

4 运行过程

4.1 需求分析

构建专用于工业化建筑过程数据自动化环境影响评估的数据库平台。用LCA在线评估软件实现全生命周期碳排放量管理的可行且高效的做法是考虑如何导出和变更建造过程参数来预测和比较分析生命周期过程中碳排放影响因子量算数据，突破数据覆盖面窄的局限，弥补国内现有资源数据库缺失以及碳排放因子数据来自其他国家导致数据来源不准的空白，基于国内各地区碳排放因子本地化数据，达到参数快速提取、界面可视化、统计精确化的目的。在参数统计过程中着重考虑碳排放量算、环境影响评价和工业化建造过程的高度集成整合，为环境适宜性建造审查提供可靠依据，为设计优化预留出更多的时间。

4.2 仿真平台框架

整个系统按照功能分为4个模块：①LCA评估模块：识别工业化建筑产品生命周期的环境热点，提出改进建议与改进措施；②碳排放运算模块：分析生命周期每一阶段碳排放量，即对环境负荷的影响，以优化产品建造过程和提高产品性能；③建造过程参数处理模块：提取建造过程关键要素，强化各要素之间的联系；④自动化数据运行及数据集成统计模块：对阶段性要素及全生命周期要素比较、分析、管理和决策如图5、6所示。

图5 4个功能模块

图6 数据平台框架图

开发实现步骤如下：

步骤1搭建Web开发环境，安装node.js和npm包管理器。

步骤2安装Vue，构建一个Vue项目，本系统基于vue-admin模板创建。

步骤3在项目中引用Three.js和ECharts模块

＜script＞

步骤4设计实现碳排放仿真实验步骤，完成仿真实验步骤人机交互界面实现开发。

步骤5完成3D模型管理模块的开发，实现3D模型加载和浏览功能

步骤6实现碳排放计算算法模块，在各实验步骤中引用碳排放计算算法

步骤7实现碳排放分析结果展示功能，通过不同的图表展示分析结果

步骤8打包发布项目，启动虚拟仿真平台进行验证。

4.3 实验结果

（1）建材开采、生产阶段实验分析。通过线上手动选择构件材料并在线对构件进行测量，基于仿真平台自动化量算，得出阶段性结论：因为钢型材的密度较大，是铝合金的近3倍，而碳排放因子仅比铝合金型材系数低27.4%，同样体积的型材，钢型材排碳量最大。考虑到我国具体情况，对森林资源的大肆砍伐，导致了森林资源面临耗竭的危险，故木材要合理化运用才能体现它的生态价值。因此按最不利情况，不降固碳作用计入，碳排放因子取73.9 kg/m3。由于木结构的碳排放系数较低，故木结构最为节碳（见图7）。

图7 建材开采、生产阶段实验分析

（2）运输阶段实验分析。测量模块参数，计算模块质量。系统呈现材料开采阶段学生计算得出的主体大模块和小模块框架质量，其余构件质量直接显示（主体大模块：外墙0.14 t，地面0.4 t，屋面0.17 t；主体小模块：外墙0.16 t，地面0.3 t，屋面0.12 t）。确定垂直吊运机械，用以运输模块。

通过数据库平台自动化量算（见图8），得出运输环节阶段性结论：发动机差别不大，排气量都为4.75 L，使得功率和比油耗数据差异小，额定起重重量1 t的变化量对碳排放量影响不大。因此在所有参数中，吊装时间是唯一能显著影响叉车能耗的参数。

图8 运输阶段实验分析

如图9所示，通过数据库平台自动化量算，得出水平运输阶段性结论，即决定水平运输碳排放量的核心要素是运输距离和模块质量，数值越大，碳排放量越大。运输过程中用到两种类型的机具，其中起重垂直运输设备“叉车”的耗碳量较水平运输设备“卡车”的耗碳量低，主要是由于水平运输的距离较远，设备运行时间较长。主体大模块的质量较大，水平运输中产生的碳排放量较小模块耗碳量较多。

图9 垂直运输与水平运输碳排放量比较分析

（3）现场装配阶段实验分析。通过设计优化，采用可调基脚技术、滑轨技术、节点连接技术可减少机械设备的使用率和模块的拼装时间，减少组装时能源的消耗。经过比对分析，优化后的现场装配可减少碳排放量0.13 t。

（4）实验内容的拓展。通过实际实验操作、数据输入与数据分析、完成实验报告，以达到了解碳排放计算模型，熟悉碳排放计算公式中参数关联性的目的。设定3个方向的实验结果，即：①全生命周期（20年）各阶段的碳排放量分析；②同一工业化建筑对象，不同生命周期的碳排放量分析；③对于特定模块，全生命周期不同阶段的碳排放量分析。

通过实验分析得出，在轻质模块化建筑20年生命周期中（见图10），建材开采、生产阶段，碳排放量最多（82.13%），对环境影响最大，运输阶段（2.88%）次之，碳排放量最少的是工厂化生产阶段及运输阶段（0.13%，0.43%），因此应该更注重建材开采生产阶段的节碳。

图10 实验分析与数据比对

生命周期碳排放评估的模块化建筑装配过程虚拟仿真

大部分临时性住宅的材料是可循环的或可直接重复使用的，基于不同模块材料的使用年限统计，40年的住宅，设备更新一次［12］；60年的住宅，设备更新2次，围护体更新1次；100年的住宅，设备更新4次，围护体更新2次；在100年评价周期内，碳排放量随着住宅寿命周期的增加，低碳性越来越显著，可见，相对20年使用寿命的住宅，100年使用寿命的临时性住宅的碳排放量降低了34%。

通过对比分析得出，在建材开采、生产阶段，太阳能光电板材料是高碳的；由于太阳能光电板的使用，建筑使用阶段的碳排放量和全生命周期中的比例都明显下降，且全生命周期的总碳排放量明显下降［7］；因此，建议在模块化建筑屋面模块设计时结合太阳能光电板。

阶段性实验完成会及时反馈每一阶段测量精度、量算完整度、实验花费时间等。其次，能够根据每一阶段的操作，提出阶段化的设计优化策略。整个实验完成会及时反馈以上3个方向的实验结果，通过考题检验学生学习情况，提出总体的设计优化策略［13］。

5 结 语

基于LCA、统计学方法与全生命周期碳排放核算模型，通过Vue＋Node组合实现虚拟仿真Web平台，契合预制装配技术发展方向，可面向中国中西部地区，实现网络开放式教学。

自主研发的LCA软件可在公共网络平台上线，在保留了核心架构的基础上，强化和拓展虚拟现实视觉体验功能，通过虚拟平台的构建和模拟计算，有助于：①帮助学生和其他使用者理解预制装配的概念、结构和要素，并进行设计方案碳排放量评估。②有效地减少对不同模块化装配式建筑建造对环境影响的不确定性，在碳审计的可行性方面提供更多的参考，加快学生对方案的决策过程。③弥补课堂单一理论讲授环节培养的不足以及实践中无法实际参与的缺憾，全面提升学生对生命周期物化阶段碳排放量评估中的工业化建造过程的理解与认知，实现传统建筑理论生动、可视、形象化再现。着重培养学生实际建造能力、装配式建筑工程设计能力、资源和能源消耗加重空气污染过程的理解能力及发现、解决设计中问题的能力。④使仿真平台、技术型创新实验与理论性课程设置紧密结合，互为补充，形成多个循环滋生链条，形成教学、实践、创新共同促进的因果关系［14］，整合成多层次、多结构的虚实结合教学架构，促进培养跨学科、高素质、高技能创新人才［15-17］，以适应当代建筑技术发展的需要。