建筑物碳排放量和成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

蒲云輝， 王清遠(yuǎn)， 李文淵， 王小鵑

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.四川大學(xué) 新能源與低碳技術(shù)研究院， 四川 成都 610065； 3.四川大學(xué) 破壞力學(xué)與工程防災(zāi)減災(zāi)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610044)

0 引 言

相關(guān)研究表明，目前建筑行業(yè)消耗了全球約40%的能耗，并產(chǎn)生了全球近30%的溫室氣體，是第二大碳排放主體，且一棟建筑全壽命周期的各個(gè)階段的碳排放量數(shù)據(jù)顯示：運(yùn)營(yíng)階段的碳排放量最高，大約占?jí)勖芷诳偭康?5.4%，建設(shè)階段大約占12.6%，而拆除階段約占2%[1].有研究指出，盡管設(shè)計(jì)階段本身并不會(huì)產(chǎn)生太大的成本和環(huán)境影響，但是該階段所設(shè)計(jì)的方案卻決定了一棟建筑全壽命周期70%的成本和對(duì)環(huán)境的影響[2].另有學(xué)者提出，建筑物碳排放量與成本有著密切的關(guān)系：一方面，為了減少碳排放量而可能增加或減少的建筑成本；另一方面，由于碳排放量的增加而增加的環(huán)境成本[3].因此，在設(shè)計(jì)階段就著手優(yōu)化建筑物的全壽命周期碳排放量和成本是建筑行業(yè)走可持續(xù)發(fā)展道路的關(guān)鍵.

目前，針對(duì)建筑物全壽命周期的碳排放量和成本進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化包括兩個(gè)步驟：首先，估算出建筑物全壽命周期的碳排放量和成本；然后，利用該數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化.目前，基于傳統(tǒng)手工算量的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力且精度不高，不能滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需快速獲取數(shù)據(jù)的要求[4-5].另外，由于碳排放量和成本的相互關(guān)系，僅采用單目標(biāo)優(yōu)化的方式也不能滿足優(yōu)化的要求[6].對(duì)此，本研究擬引入一種新的數(shù)據(jù)計(jì)算模型以及能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)優(yōu)化的方法，即：首先，用基于建筑信息模型(Building information modeling，BIM)的新手段快速準(zhǔn)確地估算建筑物的碳排放量和成本；其次，采用基于粒子群算法(Particle swarm optimization，PSO)對(duì)碳排放量和成本兩個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化.

1 基于BIM的碳排放量和成本計(jì)算

1.1 全壽命周期碳排放量計(jì)算理論

建筑物的全壽命周期描述了建筑物從建筑材料的生產(chǎn)到拆除的全過(guò)程.本研究中，建筑物全壽命周期碳排放量(Life cycle carbon emissions，LCCE)是指一棟建筑物在全壽命周期內(nèi)所有溫室氣體排放的總和，并以二氧化碳當(dāng)量表示(某一種氣體的二氧化碳當(dāng)量為該氣體的噸數(shù)乘以其全球變暖潛能值)，其涉及建筑材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、運(yùn)行維護(hù)以及拆除回收等過(guò)程，具體如圖1所示.

圖1建筑物全壽命周期碳排放量示意圖

碳排放因子法是統(tǒng)計(jì)建筑物的每一個(gè)階段每一種碳排放源的數(shù)量，并將其與其碳排放因子相乘，匯總而得出的該建筑物的碳排放總量，然后除以總建筑面積求得單位建筑面積的碳排放總量[7].相關(guān)的計(jì)算公式如(1)～(8)所示.

LCCO2=CEm+CEt+CEc+CEo，m+CEd

(1)

式中，LCCO2是指1 m2建筑物全壽命期的碳排放總量(kg/m2)；CEm是指1 m2建筑物在材料生產(chǎn)階段的碳排放量(kg/m2)；CEt是指1 m2建筑物在材料運(yùn)輸階段的碳排放量(kg/m2)；CEc是指1 m2建筑物在施工階段的碳排放量(kg/m2)；CEo，m是1 m2指建筑物在運(yùn)行和維護(hù)階段的碳排放量(kg/m2)；CEd是指1 m2建筑物在拆除階段的碳排放量(kg/m2).

(2)

式中，Mi是材料生產(chǎn)階段所需的第i種材料的質(zhì)量(kg/m2)；MFi是生產(chǎn)1 kg第i種材料的碳排放量(kg/kg).

(3)

式中，Li是第i種材料的運(yùn)輸距離(km)；TFi是運(yùn)輸1 kg第i種材料1 km的碳排放量(kg/(kg·km)).

(4)

式中，Ei是施工階段所消耗的第i種能耗的數(shù)量(kJ/m2)；CFi是每消耗1 kJ第i種能耗的碳排放量(kg/kJ).

CEo,m=CEo+CEm

(5)

(6)

CEm=cem+cet+cec

(7)

式中，CEo是建筑物在運(yùn)行階段所消耗能耗的碳排放量(kg/m2)；CEm是建筑物在運(yùn)行階段維護(hù)修繕時(shí)的碳排放量(kg/m2)；Ei是在運(yùn)行階段每1年所消耗的第i種能耗的數(shù)量(kJ/(m2·年))；OFi是每消耗1 kJ第i種能耗的碳排放量(kg/kJ)；Y是建筑物設(shè)計(jì)使用年限(年)；cem、cet和cec分別是維護(hù)修繕時(shí)材料生產(chǎn)的碳排放量、運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕?、施工的碳排放量，具體計(jì)算方式參照CEm、CEt和CEC.

相關(guān)研究顯示，建筑物在拆除階段的碳排放量約為其施工階段的碳排放的90%[8]，即可通過(guò)此關(guān)系式估算建筑物拆除階段的碳排放量.

CEd=CEc×0.9

(8)

上述碳排放因子的獲取可以通過(guò)查詢《IPCC國(guó)家溫室氣體清單編制指南》(2006年)、《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》(國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布)，或者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得.然后通過(guò)上式(1)～(8)便可估算出建筑物在全壽命周期內(nèi)1 m2建筑物的碳排放量.

1.2 全壽命周期成本計(jì)算理論

建筑物全壽命周期成本，是指建筑物項(xiàng)目，從前期的決策設(shè)計(jì)、施工建造、竣工驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)維護(hù)直到報(bào)廢拆除等一系列過(guò)程所發(fā)生的總費(fèi)用.對(duì)于考慮碳排放量的建筑，除了要考慮為減少碳排放量所采用的新材料、新技術(shù)對(duì)建安成本的增加或減少，同時(shí)還要考慮低能耗、低排放的建筑物在運(yùn)營(yíng)期成本的減少，以及其對(duì)建筑物拆除階段成本的影響.此外，由于建筑物碳排放量的減少會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境效益(也就減少了環(huán)境治理的相關(guān)成本)，站在財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)的角度，可以采用市場(chǎng)交易原則參考目前清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)提出的CO2減排價(jià)值，并將其計(jì)入全壽命周期成本減少額.據(jù)估算，CO2的減排價(jià)值約為80～120人民幣元/t[9].再考慮資金的時(shí)間價(jià)值(假設(shè)所有費(fèi)用的發(fā)生時(shí)點(diǎn)是在年末)，將全壽命期的成本及CO2減排價(jià)值的收益折現(xiàn)，具體計(jì)算公式如(9)～(13)所示.

LCC=Cc+Co+Cd-R

(9)

式中，LCC是全壽命周期成本(元/m2)；Cc是建安成本(元/m2)；Co是運(yùn)營(yíng)期成本(元/m2)；Cd是拆除階段的成本(元/m2)；R是CO2減排價(jià)值(元/m2).其中，Cc建安成本的計(jì)算主要是依據(jù)2013版工程量清單計(jì)量與計(jì)價(jià)規(guī)范計(jì)算其建安成本，然后將建安成本分配到各建設(shè)期使用，具體計(jì)算式為，

(10)

式中，Cct是第t年的建安成本投資額(元/m2)；i是基準(zhǔn)利率;t是第t年，k是建設(shè)期，

(11)

式中，Cct是第t年的運(yùn)行成本(元/m2)，m是運(yùn)營(yíng)期，

(12)

式中，Cdt是拆除期的成本，

(13)

式中，Rm、Rt是分別是材料生產(chǎn)和運(yùn)輸階段的CO2減排價(jià)值(元/m2)；Rct、Rot和Rdt分別指在建設(shè)階段、運(yùn)行階段和拆除階段第t年的CO2減排價(jià)值.

通過(guò)式(9)～(13)便可計(jì)算出建筑物考慮二氧化碳減排價(jià)值的全壽命周期成本.

1.3 BIM技術(shù)的應(yīng)用

目前，傳統(tǒng)手工計(jì)算建筑物全壽命周期碳排放量和成本的方式是將2D圖紙數(shù)據(jù)手工輸入算量軟件中計(jì)算其工程量，然后依據(jù)碳排放因子以及計(jì)價(jià)依據(jù)等按照式(1)～(13)算出碳排放量和成本.由于成本計(jì)算時(shí)工程量計(jì)算的時(shí)間大致占總計(jì)算時(shí)間的50%～80%[4]，且在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)修改的方案多次重復(fù)計(jì)算工程量，因此該方法較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力.另外，由于能耗模擬和工程量計(jì)算都是將2D圖紙數(shù)據(jù)分別手工輸入到幾個(gè)模擬軟件和算量軟件中，常因操作誤差而影響計(jì)算結(jié)果的完整性和可靠性[10].

建筑信息化模型(BIM)是以3D設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)、以數(shù)字信息為載體，將建筑物(項(xiàng)目)全壽命周期內(nèi)的所有信息高度集成在一個(gè)建筑模型中，可以方便地實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)、暖通等各個(gè)專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，也可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行能耗和碳排放的模擬，以及碳排放量和成本的快速計(jì)算[11].

采用BIM核心建模軟件，通過(guò)建立工作集的方式需首先對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)等各個(gè)專業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì).一方面，在概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，基于建模軟件和模擬軟件共同的IFC標(biāo)準(zhǔn)，可以將建筑模型直接自動(dòng)導(dǎo)入到相應(yīng)的建筑性能模擬軟件中進(jìn)行模擬分析，得出建筑能耗和碳排放量等數(shù)據(jù).而基于BIM技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行能耗和碳排放量的模擬后便可依據(jù)上述(6)和(12)式快速準(zhǔn)確地計(jì)算出運(yùn)營(yíng)期的碳排放量和成本.另一方面，生成的建筑信息模型，包括材料的碳排放因子、運(yùn)輸距離等信息，除了本身可以統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目的工程量，還可以將其自動(dòng)導(dǎo)入到與BIM核心建模軟件有接口的算量軟件中，如魯班、廣聯(lián)達(dá)和斯維爾等，從而快速準(zhǔn)確地計(jì)算工程量.

相比傳統(tǒng)方式，基于BIM的碳排放量和成本的計(jì)算具有速度快、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)需多次快速準(zhǔn)確地獲取相關(guān)數(shù)據(jù)打下了基礎(chǔ).

2 基于粒子群算法的碳排放量和成本的多目標(biāo)優(yōu)化

2.1 粒子群算法

粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)是一種進(jìn)化算法，該算法利用群體中的個(gè)體對(duì)信息的共享，使整個(gè)群體的運(yùn)動(dòng)在問(wèn)題求解空間中產(chǎn)生從無(wú)序到有序的演化過(guò)程，從而獲得最優(yōu)解[12].算法具有實(shí)現(xiàn)容易、精度高、收斂快的優(yōu)點(diǎn).

PSO初始化為一群隨機(jī)粒子(隨機(jī)解)，然后通過(guò)迭代找到最優(yōu)解.在每一次的迭代中，粒子通過(guò)跟蹤兩個(gè)“極值”(pbest，gbest)來(lái)更新自己.在找到這兩個(gè)最優(yōu)值后，粒子通過(guò)公式(14)～(15)來(lái)更新自己的速度和位置.

Vi=Vi+c1×rand()×(pbesti-xi)+c2×

rand()×(gbesti-xi)

(14)

xi=xi+vi

(15)

式中，i=1,2…，N，是此群中粒子的總數(shù)；Vi是粒子的速度；rand()是介于(0,1)之間的隨機(jī)數(shù)；xi是粒子當(dāng)前的位置；c1和c2是學(xué)習(xí)因子，通常c1=c2=2;vi的最大值為Vmax(大于0)，如果vi大于vmax，則vi=vmax.

對(duì)于一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題，并沒(méi)有明確的解決方案可以使得所有目標(biāo)同時(shí)到達(dá)最優(yōu).但是，決策者可以依據(jù)柏拉圖最優(yōu)解的方式做出最后決定，基于PSO對(duì)兩個(gè)目標(biāo)搜索和更新的過(guò)程[13]如圖2所示.

圖2基于PSO算法的兩目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程

2.2 基于BIM技術(shù)和PSO算法的碳排放量和成本的多目標(biāo)優(yōu)化

本研究提出的基于BIM技術(shù)和PSO的建筑物全壽命周期碳排放量和成本多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程如圖3所示，其主要步驟為：首先，利用建筑物的原始信息建立建筑物的信息化模型，一方面將模型導(dǎo)入算量軟件，快速統(tǒng)計(jì)出建筑物的工程量，并依據(jù)上述全壽命周期碳排放量和成本的計(jì)算理論，進(jìn)一步得出建筑物在材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工和拆除階段的碳排放量和成本；另一方面將模型導(dǎo)入能耗模擬軟件，分析建筑物在運(yùn)營(yíng)期的能耗和碳排放情況，并得出其在運(yùn)營(yíng)階段的碳排放量和成本.然后，設(shè)置目標(biāo)變量(碳排放量和成本)的適應(yīng)度函數(shù)f1和f2，基于PSO算法對(duì)方案進(jìn)行逐步優(yōu)化.其中，設(shè)計(jì)方案選擇可依據(jù)以下步驟進(jìn)行：

圖3基于BIM技術(shù)和PSO算法的碳排放量和成本的多目標(biāo)優(yōu)化過(guò)程

1)如果原始設(shè)計(jì)方案就落在柏拉圖最優(yōu)解中，那么原始設(shè)計(jì)方案可以直接被選用.

2)否則，可采用“增變量”的方式進(jìn)行判斷：

(1)定義Δk=LCCk/LCCO2k,其中k=1,2…是指第k個(gè)設(shè)計(jì)方案.

(2)把區(qū)域分成3份，分別標(biāo)注為L(zhǎng)1、L2、L3，如圖4所示.

(3)將更新的設(shè)計(jì)方案與原始設(shè)計(jì)方案比較，去掉那些超過(guò)原始設(shè)計(jì)方案的碳排放量或成本的方案.

(4)很明顯，最優(yōu)解不可能在LCC最大，或者LCCO2最大時(shí)取得，其選擇如下：

①如果△k落在L1,最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案是△k最小時(shí)，如圖4所示，E是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案.

圖4 第1種最優(yōu)選擇情形

②如果△k落在L2,最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案是DK式(16)最小時(shí)，如圖5所示，D是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案.

圖5第2種最優(yōu)選擇情形

(16)

③如果△k落在L2,最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案是△k最大時(shí)，如圖6所示，B是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案.

圖6第3種最優(yōu)選擇情形

通過(guò)上述步驟即可最終確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案.

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，降低建筑行業(yè)的碳排放量已是全球亟待解決的難題之一，而從設(shè)計(jì)階段就著手對(duì)建筑物的碳排放量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能起到事半功倍的效果.相比傳統(tǒng)手動(dòng)算量模式，基于BIM技術(shù)的建筑物全壽命周期碳排放量和成本的計(jì)算具有速度快、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn).同時(shí)，與過(guò)去只單一考慮成本或碳排放量的優(yōu)化設(shè)計(jì)不同，基于PSO算法可以兼顧碳排放量和成本，并同時(shí)對(duì)兩者進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化.本研究結(jié)果可使建筑物全壽命周期排放量和成本的多目標(biāo)優(yōu)化得以實(shí)施，操作性較強(qiáng).