支持性能优化的建筑设计技术方法研究——以控碳为例

张宏*，黑赏罡

0 引言

建筑设计过程直接或间接影响建筑全生命周期的能耗和碳排放量，如确定建筑体形系数、窗墙比、围护结构传热系数以及采光通风方式等。相较于施工和运维过程，在建筑设计阶段进行碳排放控制具有成本低、效果好的优势[1]。实现建筑设计阶段控碳的基础是要有支持性能优化的建筑设计技术方法和工具，关键在于如何建立准确高效分类量算全生命周期建筑碳排放，管理优化碳排放较高的构件及其构件系统，分析碳排放集中发生在哪个阶段，从而提供具有数据反馈和有针对性的控碳设计，并结合软件工具实现设计优化和碳排放性能优化控制数据的自动关联。

团队建立了定量建筑设计理论、技术和方法，包括基于建造、性能和智能的装配式建筑设计优化技术体系[2]。如图1 所示，通过构建定量化指标体系，如预制率、装配率、建筑和空间边数率、体型系数、传热系统、窗墙比、构件碳排放强度等，实现建造效率提升、碳排放性能优化和智能数据管理的定量优化设计目标。针对上述问题，以碳排放性能控制为目标，将建筑性能模拟与设计软件结合，团队展开以下3 个方面关键技术研究，实现装配式建筑全生命周期碳排放性能的优化提升。

1 控碳建筑设计理论与方法逻辑框架

1 建筑全生命周期阶段划分研究

建筑生命周期通常是指从建材原料开采到建筑拆除处置的全过程，受研究目标、数据来源等因素影响，不同机构和相关学者对其划分的标准和方式也不一致。大多数学者将建筑生命周期划分为4 个阶段，即建材生产、建筑施工、建筑运行和建筑拆除，部分学者建议将前两个阶段合并统称为物化阶段，还有部分学者将建筑拆除和废弃物处置分成两个独立阶段。因此，阶段划分不同，各阶段上下游计算范围会存在交叉，导致碳排放计算不准确，数据应用效率低。如图2 所示，为统一碳排放计算边界，提高计算结果可比性，团队在既有研究成果基础上[3-7]，将建筑全生命周期划分为材料制备、构件制造、物流转运、装配施工、运营维护、改造再利用、拆除再利用 7 个基本阶段。

2 东南大学建筑学院碳排放研究团队建筑全生命周期阶段划分

2 建筑全生命周期碳排放自动计算技术研究

以上述全生命周期7 个阶段为碳排放计算边界，基于IPCC 碳排放因子法，从横、纵两个维度进行建筑碳排放计算。纵向维度围绕构件及其构件系统展开，如结构构件系统、围护构件系统、内装构件系统、设备管线构件系统等；横向维度围绕全生命周期各阶段展开，包括建筑构件的生产、转运、装配和再利用等过程。碳排放活动数据主要来源于“建筑信息模型数据库”，碳排放因子数据来源于《建筑碳排放计算标准》 （GB/T51366-2019）、国家统计年鉴以及相关论文研究成果等。

C-House 是团队2018 SD 中国国际太阳能十项全能竞赛的参赛作品，在3 年半时间里经历了3 次拆除重建再利用过程（图3-5）。以该项目研究为例，计算统计3 次建造装配过程碳排放量。建筑构件95.9%可完整回收再利用，4.1%构件修缮后便可重复使用，其余不可回收构件仅为1.0%。第一次循环再利用过程碳排放量为135.82t，第二次循环再利用过程碳排放量为60.31t。由此可知，在建筑构件材料的选用上，应尽量选用再利用低碳材料，或尽量提高构件的重复使用率，从而降低拆除重建过程中，因废弃物处理、材料制备和构件制造过程产生的碳排放量。

3 C-House第一次建造完成实景拍摄，2018年6月

4 C-House第二次建造完成实景拍摄，2018年8月

5 C-House第三次建造完成实景拍摄，2021年6月

3 碳排放计算与设计优化软件研发

国内外学界对于建筑碳排放的研究多关注于全生命周期各阶段碳排放占比，很少从建筑师视角研发与设计方法结合且方便建筑师使用的碳排放计算方法和控碳设计优化软件，导致碳排放计算无法与建筑方案优化设计相结合。如图6 所示，研究团队自主研发的碳排放计算软件具有以下特点：（1）基于BIM 的数据协同创建、采集、分析、应用；（2）建立支持全生命周期碳排放量算数据库；（3）采用标准数据格式；（4）与设计师前端设计软件融合，实现控碳正向设计；（5）支持建筑全生命周期各个阶段持续进行数据和设计优化。基于建筑全生命周期的阶段划分，将各阶段预制构件碳排放因子汇总形成标准构件碳排放因子库，该数据库由材料库、人员库、设备库等构成，是碳排放计算与设计优化软件研发的数据库基础。同时，基于BIM 的装配式建筑信息服务与管理平台（网站链接https://zhuangpei.njsjw.cn）研究，实现建筑建造、运维和再利用的全生命周期智能数据采集反馈与优化，支持了设计过程控碳策略在项目全流程中的落地实施。

6 碳排放计算软件基本功能介绍

4 结语

针对建筑碳排放计算边界不统一、计算模型不完善、设计阶段缺少对建筑碳排放性能优化的软件工具等技术问题，本文基于全生命周期阶段划分研究，建立了横纵两个维度建筑碳排放自动计算技术系统，研发了碳排放性能优化设计软件，通过对不同构件系统和构件不同阶段的多角度碳排放计算分析，进而提出建筑构件材料选取、构件种类匹配、结构形式选择等具体设计优化技术方法，实现基于建筑前期技术策划和方案设计的碳排放性能的持续优化。因此，支持碳排放性能优化的建筑设计技术方法研究具有重要意义，不仅促进了建筑学与材料、土木工程和计算机科学等其他学科的交叉融合，同时通过对经典建筑学知识结构和内容的扩展与补充，探索推动了建筑学发展的路径和人才培养进步。□