全生命周期零碳建筑控碳技術(shù)與設(shè)計方法研究
——以“Solar Ark 3.0”為例＊

張軍軍 張宏 葉紅雨 叢勐 周超

黨的二十大報告提出“中國式現(xiàn)代化建設(shè)”的歷史使命，“高質(zhì)量發(fā)展”是實現(xiàn)總體目標的首要任務和物質(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)能否實現(xiàn)從源頭到拆除的全生命周期控碳減碳，對全國是否能在2060年前實現(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價標準，經(jīng)由30余年的發(fā)展，現(xiàn)已被廣泛應用于建筑相關(guān)行業(yè)，是衡量建筑產(chǎn)品對環(huán)境影響的重要評價方法。受建筑工程復雜性、研究方法、數(shù)據(jù)來源等各種現(xiàn)實條件的約束，目前不同的機構(gòu)和學者對建筑全生命周期的劃分有不同的側(cè)重點。歐洲標準學會（EN）將建筑全生命周期劃分為建材制備、建筑施工、運營維護和建筑拆除四個階段，適用于歐洲新建建筑及舊建筑改造。我國的《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366-2019）主要針對民用建筑的三個階段：運行、建造及拆除、建材生產(chǎn)及運輸，適合新建、擴建和改建建筑[1]。也有學者將建材生產(chǎn)和運輸、建造合稱為建筑物化階段[2]。因此，針對不同的研究目標，全生命周期的劃分各有不同。為完整研究建筑的整個階段，東南大學建筑學院在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，針對目前業(yè)界對建筑改造和建筑拆除兩個階段研究的缺失，基于建筑從原材料到循環(huán)再利用階段的時序邏輯，將建筑全生命周期劃分為以下七個階段（圖1）：材料制備、構(gòu)件制造、物流轉(zhuǎn)運、裝配施工、運營維護、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)濟分析密切聯(lián)系，通過GDP、能源價格和國民經(jīng)濟收入等擬合碳排放數(shù)據(jù)，但是缺乏技術(shù)細節(jié)，難以指導建筑本體層面控碳。自下而上的模型，基于建筑本體層面進行建模，以典型建筑的碳排放為基礎(chǔ)，預測、模擬和推算相應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，但基本邏輯是通過輸入建筑層面、技術(shù)層面和能耗細節(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致，最終輸出的碳排放量也越準確，但也同時導致數(shù)據(jù)量劇增。因此，合理的建筑構(gòu)件系統(tǒng)劃分對于建模至關(guān)重要，東南大學建筑學院在相關(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)進行分級構(gòu)件建模，建立并導出相關(guān)參數(shù)，再計算相應的碳排放，有利于在建筑構(gòu)件層面實現(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、蘇黎世聯(lián)邦理工學院和三明學院聯(lián)合賽隊參與2022年中國國際太陽能十項全能競賽的作品（圖2），在比賽中取得了建筑設(shè)計單項第一和綜合總成績第二等榮譽。團隊采用了標準化設(shè)計、工業(yè)化預制和BIM運維管理等技術(shù)手段，在20天（2021.8.24—9.12）內(nèi)完成建造，是一座九年可實現(xiàn)碳中和的零碳建筑。本文將從建筑全生命周期的七個階段和建筑構(gòu)件五個系統(tǒng)兩個維度，探討全生命周期零碳建筑的控碳技術(shù)與設(shè)計方法。

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)計結(jié)合，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)、外圍護構(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。

（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。在本項目中，選擇超高性能混凝土（Ultra—High Performance Concrete，簡稱UHPC），與普通混凝土相比具有超高強度、超高韌性和超高耐久性等優(yōu)勢，不僅能夠顯著節(jié)材，而且可以減少混凝土結(jié)構(gòu)修補，提高混凝土使用年限。另一方面，設(shè)計采用標準化殼體結(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)預計需要70.07m3混凝土，這意味著超過60%的混凝土材料可以被節(jié)省下來（圖3）。因此，選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)形式，對于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的減碳，有舉足輕重的影響。

（2）外圍護構(gòu)件系統(tǒng)

在本案中，外圍護系統(tǒng)主要包含東西側(cè)的實墻和南北側(cè)的玻璃幕墻（圖4），主要目的是保證南北向的景觀通透性，同時加強東西側(cè)的保溫隔熱性能。東西側(cè)的實墻為12塊外觀尺寸相同的復合預制墻板，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，實測K值0.2。多層夾心設(shè)計，提高了預制墻板的保溫性能，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現(xiàn)控碳目標。

2.2 構(gòu)件制造階段減碳

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

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)

殼體建筑最大的難點是如何精準建造曲面。Solar Ark 3.0通過標準化設(shè)計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行預制，并使用制作完成的殼體進一步成為下一個殼體的預制模板，整個預制過程僅需一塊模板，大大減少了工廠內(nèi)模板的消耗，降低了碳排放。

（2）外圍護構(gòu)件系統(tǒng)

1 2塊UHPC預制復合外墻板，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、預制效率高。鋼?？苫厥绽?，進一步降低碳排放。經(jīng)統(tǒng)計，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)運階段減碳

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

1 東南大學建筑學院建筑全生命周期七個階段

2 Solar Ark 3.0 實景圖

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]的形式進行預制和運輸，在工地再拼裝成大構(gòu)件吊裝，有利于控碳。經(jīng)計算，Solar Ark 3.0物流轉(zhuǎn)運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法實現(xiàn)預制，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)，施工周期長且效果難以保證。Solar Ark 3.0的殼體結(jié)構(gòu)，通過308根Φ20螺栓穿過Φ25的預留孔，連接20塊預制UHPC雙曲面殼體，預制精度和安裝精度控制在2.5mm之內(nèi)?，F(xiàn)場施工時，5天即可完成所有的預制殼體拼裝，提高了效率、降低了碳排放。

（2）外圍護構(gòu)件系統(tǒng)

東西側(cè)12塊UHPC復合預制墻板，通過180mm寬縫構(gòu)造連接，減少了建造誤差，為圍護結(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)預制，運輸至現(xiàn)場后通過吊車一次安裝到位。外圍護構(gòu)件系統(tǒng)僅一天的時間就全部完成，實現(xiàn)了建造過程的控碳。

（3）內(nèi)裝修構(gòu)件系統(tǒng)

Solar Ark 3.0的內(nèi)裝修系統(tǒng)采用全預制干式施工，標準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)包含三個部分：預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)和室外場地條件在工地工廠預制，統(tǒng)一轉(zhuǎn)運至工地，快速拼裝即可完成施工；分布式生態(tài)水處理系統(tǒng)，通過水生植物濾床與落干式人工濕地進行深度分級凈化處理生活污水和雨水，實現(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 模擬運輸與實際運輸

2.5 運營維護階段減碳

運營維護階段的碳排放主要由三個部分構(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)備維修及更換帶來的碳排放。Solar Ark 3.0利用風光互補產(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、風力發(fā)電2824kW·h，戶用之外每年可實現(xiàn)4萬度以上的電量上網(wǎng)，結(jié)合基地內(nèi)最大化的綠植布置，每年實現(xiàn)碳匯45.95t。對于房屋系統(tǒng)能耗，采用主動式干預與被動式結(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]的標準來衡量，其生命周期內(nèi)太陽能系統(tǒng)、圍護系統(tǒng)、裝修系統(tǒng)和設(shè)備與管線系統(tǒng)因老化等原因會產(chǎn)生更換，采用耐久性更好的建筑構(gòu)件有利于實現(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，通過現(xiàn)有竹制家具的不同組合，即可實現(xiàn)睡眠休息、起居生活、小型展示、休閑娛樂、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，因功能改變而帶來的改造再利用所產(chǎn)生的碳排放為0。

8 碳排放趨勢（第九年實現(xiàn)碳中和）

2.7 拆除再利用階段減碳

Solar Ark 3.0在設(shè)計階段即考慮到拆除時的構(gòu)件利用。對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件系統(tǒng)，所有的殼體通過螺栓進行連接，在拆除時可以保留預制構(gòu)件原本的形態(tài)再做其他利用；對于外圍護構(gòu)件系統(tǒng)，東西側(cè)復合墻體通過螺栓連接；對于內(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；對于設(shè)備與管線系統(tǒng)，光伏網(wǎng)架為鋼結(jié)構(gòu)；對于室外環(huán)境系統(tǒng)，模塊化的竹地板等均可以實現(xiàn)再次利用。綜合統(tǒng)計，拆除再利用階段可節(jié)省碳排放約61.78t。

3 九年實現(xiàn)碳中和

通過對Solar Ark 3.0全生命周期七個階段的控碳設(shè)計，并基于構(gòu)件系統(tǒng)進行碳排放計算（表1），按照百年建筑的標準，Solar Ark 3.0在第九年可實現(xiàn)碳中和（圖8）。

表1 Solar Ark 3.0 建筑全生命周期碳排放計算

4 結(jié)語

在國家雙碳目標的引導下，建筑行業(yè)各個方面都在進行控碳、減碳的探索。建筑全生命周期的碳排放評價，應考慮其從原料制備到建筑本體再到回歸自然的全過程，即建筑全生命周期的七個階段。其中，材料制備、構(gòu)件制造、物流轉(zhuǎn)運、裝配施工、改造再利用和拆除再利用六個階段，應根據(jù)不同的建筑構(gòu)件系統(tǒng)進行綜合深化減碳設(shè)計；運營維護階段需綜合考量產(chǎn)能碳匯、節(jié)能減排和基于構(gòu)件系統(tǒng)的維護更新的減碳設(shè)計。建筑設(shè)計應綜合考慮時序和構(gòu)件系統(tǒng)兩個維度，在前端優(yōu)化建筑全生命周期中的每一個構(gòu)件系統(tǒng)及子系統(tǒng)，實現(xiàn)構(gòu)件層級的控碳減碳。

圖片來源

1,7作者自攝

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