碳排放視角下住宅建筑耐久性提升策略研究

張睿康 張宏 ZHANG Ruikang ZHANG Hong

住宅作為城鎮(zhèn)建筑的重要組成部分，是建筑行業(yè)減排的重點領(lǐng)域。我國住宅建筑普遍存在“短壽”現(xiàn)象，大量拆建活動造成過量碳排放與資源浪費。從碳排放視角提出住宅建筑耐久性提升策略，旨在延長住宅建筑壽命，減少住宅建筑全生命周期碳排放量，為未來城市住宅建筑設(shè)計提供參考。

住宅建筑；全生命周期；耐久性；碳排放

0 引言

隨著全球氣候變暖問題日益嚴重，為實現(xiàn)低碳發(fā)展，我國提出“雙碳”目標，即到2030年碳排放達峰，到2060年實現(xiàn)碳中和。建筑行業(yè)是全球溫室氣體的主要排放源之一，約占總排放量的40%，降低建筑行業(yè)碳排放是實現(xiàn)碳中和的重要途徑[1]。住宅建筑是城鎮(zhèn)建設(shè)活動的重要組成部分。目前，我國住宅建筑的平均壽命僅有30年，相對于發(fā)達國家而言仍有較大提升空間[2]。住宅建筑“短壽”問題不僅會對居民生活質(zhì)量造成負面影響，而且會產(chǎn)生大量碳排放和資源浪費。

住宅建筑全生命周期碳排放與其耐久性息息相關(guān)，從全生命周期碳排放視角探究住宅建筑耐久性提升策略，降低住宅建筑碳排放強度是低碳發(fā)展的重要領(lǐng)域，對實現(xiàn)“雙碳”目標具有現(xiàn)實意義。

1 建筑壽命與建筑耐久性內(nèi)涵

1.1 建筑壽命

建筑壽命指一座建筑物在使用過程中符合其設(shè)計目的、滿足其使用要求的時間期限。建筑壽命的概念不同于建筑物理壽命，不僅指建筑結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和材料的耐用性能，而且受多種因素影響，可從3個維度理解[3]。

1）技術(shù)性壽命 技術(shù)性壽命指建筑的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在使用過程中保持其設(shè)計性能的時間期限，取決于建筑物的材料、設(shè)計和施工質(zhì)量等因素，通常由建筑的物理壽命決定，是建筑的基本壽命。

2）功能性壽命 功能性壽命指建筑在使用過程中滿足其使用功能的時間期限。當建筑出現(xiàn)使用空間不足、內(nèi)部設(shè)備老化、物理性能下降等問題時，建筑便失去了使用價值，功能性壽命也隨之結(jié)束。建筑功能性壽命主要受構(gòu)件可更換性能及內(nèi)部空間可適應(yīng)性能影響。

3）經(jīng)濟性壽命 經(jīng)濟性壽命指建筑在使用過程中能承受經(jīng)濟壓力的時間期限，即經(jīng)濟效益角度建筑最合理的使用期限。經(jīng)濟性壽命的確定基于建筑的成本效益和使用效益。建筑從設(shè)計施工到運營維護包含大量經(jīng)濟成本，隨著投入使用，其自身價值不斷降低，維修成本不斷上升，對建筑的經(jīng)濟壽命產(chǎn)生影響。

1.2 建筑耐久性

耐久性是材料和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的概念，通常定義為材料抵抗自身和外部環(huán)境等因素長時間破壞作用的能力，耐久性越好，使用壽命越長。建筑耐久性與建筑壽命相互關(guān)聯(lián)，呈正相關(guān)，因此可通過上述對建筑壽命的分析，將建筑耐久性分為技術(shù)耐久性、功能耐久性及經(jīng)濟耐久性3個維度。

2 建筑全生命周期劃分

建筑生命周期指從建材原料開采到建筑拆除處置的全過程，主要包括原材料開采、材料與部件生產(chǎn)、運輸與施工、運行、維修與維護、拆除和廢棄物處置等環(huán)節(jié)[4]。

目前學界對建筑生命周期的劃分主要基于EN15978：2011《建筑工程的可持續(xù)性——建筑環(huán)境性能評估計算方法》，將建筑生命周期劃分為建材生產(chǎn)、建筑施工、建筑運行及建筑拆除4個階段。部分學者認為，建材生產(chǎn)和建筑施工階段可合并，統(tǒng)稱為物化階段。還有部分學者將建筑拆除階段進一步劃分為建筑拆除和廢棄物處置2個獨立階段。從實際建筑生產(chǎn)過程來看，上述劃分方式并不能完整覆蓋建筑全生命周期的所有過程，忽略了對建筑改造再利用和拆除再利用過程的研究。

東南大學建筑學院正工作室在相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[5-14]，提出將建筑全生命周期劃分為材料制備、構(gòu)件生產(chǎn)、物流轉(zhuǎn)運、裝配施工、運營維護、改造再利用、拆除再利用7個基本階段（見圖1）。本文將以此劃分方式探討全生命周期各階段的建筑活動對碳排放和耐久性的影響。

1 東南大學建筑學院建筑全生命周期劃分

3 住宅建筑全生命周期各階段碳排放與耐久性特點

住宅建筑碳排放在其全生命周期各階段呈現(xiàn)不同特點，同時，不同階段的建筑活動也對住宅建筑的耐久性產(chǎn)生一定影響。為深入探討碳排放視角下住宅建筑耐久性提升設(shè)計方法，需分析住宅建筑全生命周期各階段碳排放與耐久性的特點及二者之間的關(guān)聯(lián)。

3.1 材料制備階段

材料制備階段對住宅建筑碳排放和耐久性的影響主要取決于結(jié)構(gòu)類型的選擇。不同結(jié)構(gòu)類型的住宅選擇的材料不同，其耐久性受材料物理性質(zhì)的影響。同時，不同材料的碳排放因子也存在差異，從而最終影響建筑在此階段的碳排放。一般來說，由碳排放強度高的材料制成的構(gòu)件具有更好的耐久性，即在此階段材料碳排放與耐久性呈正相關(guān)。

3.2 構(gòu)件生產(chǎn)階段

構(gòu)件生產(chǎn)階段指工廠制作構(gòu)件的過程。此階段不同構(gòu)件生產(chǎn)工藝和流程會對建筑碳排放和耐久性產(chǎn)生影響。通過選擇合理的生產(chǎn)方式，可有效減少構(gòu)件生產(chǎn)過程中的碳排放，延長構(gòu)件使用年限。采用構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)模式、通過BIM技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高構(gòu)件標準化程度、減少構(gòu)件種類可有效提高建筑材料的利用率，減少人工生產(chǎn)構(gòu)件過程中產(chǎn)生的碳排放。同時，構(gòu)件的標準化設(shè)計有利于建筑施工裝配與后期維護更新，在技術(shù)層面提升構(gòu)件的耐久性，從而延長建筑使用壽命。

3.3 物流轉(zhuǎn)運階段

物流轉(zhuǎn)運階段指構(gòu)件在工廠完成生產(chǎn)后運送至施工現(xiàn)場并完成卸貨堆場的過程。該階段主要包括構(gòu)件裝車、運輸、產(chǎn)品保護、卸貨堆場等環(huán)節(jié)，產(chǎn)生的碳排放主要受裝車方式、運輸工具、線路長短等因素影響。該階段建筑碳排放與自身耐久性并無直接關(guān)聯(lián)。

3.4 裝配施工階段

裝配施工階段指構(gòu)件按照施工組織方案進行現(xiàn)場裝配的過程。裝配施工階段的碳排放和建筑耐久性主要由施工方式?jīng)Q定，以鋼筋混凝土住宅為例，傳統(tǒng)施工方式因管理問題，易導致現(xiàn)場人工、材料的浪費，從而造成該階段碳排放量上升。同時，現(xiàn)場澆筑施工精確度難以把控，施工質(zhì)量的參差會直接影響建筑的耐久性和使用年限。裝配式施工可優(yōu)化建造工序，減少現(xiàn)場作業(yè)時間，避免人工和材料的浪費，從而減少施工階段產(chǎn)生的碳排放（見圖2）。標準化施工的構(gòu)件質(zhì)量均好，現(xiàn)場組裝簡單，整體施工質(zhì)量高，可有效提升建筑耐久性。

2 預(yù)制構(gòu)件裝配式施工現(xiàn)場

3.5 運營維護階段

運營維護階段指建筑裝配完成后的正常使用過程，是建筑全生命周期碳排放的主要來源。該階段的碳排放主要由設(shè)備運行和日常維修兩部分構(gòu)成。設(shè)備運行產(chǎn)生的碳排放主要來自建筑采暖、空調(diào)制冷、建筑照明、熱水使用及電梯運行等，受建筑物理和熱工性能影響。日常維修產(chǎn)生的碳排放主要來自構(gòu)件的維護與更換，建筑維護規(guī)模和頻率增加會導致該階段碳排放增加。

運營維護階段的碳排放與構(gòu)件耐久性具有直接關(guān)聯(lián)。不同結(jié)構(gòu)類型的建筑具有不同的維護、加固方式，從而影響建筑構(gòu)件的更換頻率和規(guī)模，設(shè)備管線的耐久性不同，也會導致設(shè)備更換維護的頻率存在差異，提高建筑構(gòu)件和設(shè)備耐久性可控制后期維護更新的頻率，從而降低建筑全生命周期碳排放。

3.6 改造再利用階段

改造再利用階段指為延長建筑使用壽命而對空間進行重新分割和再利用的過程。住宅建筑改造過程中，空間布局調(diào)整和構(gòu)件替換會消耗資源和能源，產(chǎn)生額外的碳排放。然而此過程也延長了住宅的使用壽命和固碳周期，從而在一定程度上實現(xiàn)過程減碳。

與該階段碳排放產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的是建筑的技術(shù)耐久性與功能耐久性。住宅建筑首先需滿足的特性是安全性，安全性是保障其他功能需求的前提，因此結(jié)構(gòu)加固對使用壽命有根本性的影響。原始結(jié)構(gòu)的耐久性越好，后期加固工程越簡單，產(chǎn)生的碳排放越少。同時，構(gòu)件的可更換性及內(nèi)部空間的可適應(yīng)性影響改造再利用過程，如采用通用空間二次劃分的平面布局可降低改造難度，減少改造過程對建筑主體的破壞，既可降低改造過程中產(chǎn)生的碳排放，又能有效延長建筑使用壽命。

3.7 拆除再利用階段

拆除再利用階段主要包括2種形式：①建筑拆除為構(gòu)件后，經(jīng)質(zhì)量評估鑒定重新用于其他建造項目中；②建筑整體性拆除后在異地重新建設(shè)。建筑拆除過程中的碳排放主要來源于拆解施工、廢材填埋和建材再利用。傳統(tǒng)住宅建筑施工一般采用現(xiàn)場澆筑的方式，建筑整體性強，拆除過程中人工和機具產(chǎn)生的碳排放量高，拆除后構(gòu)件可回收利用率較低。裝配式建筑由于構(gòu)件標準化程度高，構(gòu)件連接方式可逆，拆除的工作量小，回收利用過程中僅產(chǎn)生構(gòu)件運輸碳排放，整體碳排放較少，可實現(xiàn)拆除再利用階段工程減碳。傳統(tǒng)意義上來看，當建筑進入拆除階段，其使用壽命也隨之結(jié)束，如果建筑拆除后產(chǎn)生的構(gòu)件可二次利用或異地復建，某種程度上其使用壽命實現(xiàn)了另一種形式的延續(xù)，減碳效果更好。

4 碳排放視角下住宅建筑耐久性提升策略

基于全生命周期碳排放視角，從技術(shù)、功能、經(jīng)濟3個層面總結(jié)住宅建筑耐久性提升策略，以東南大學、蘇黎世聯(lián)邦理工學院、三明學院聯(lián)合賽隊參與的2022年中國國際太陽能十項全能競賽作品Solar Ark 3.0為例進行論證分析。

4.1 技術(shù)耐久性

4.1.1 構(gòu)件分類設(shè)計

東南大學建筑學院正工作室團隊提出“構(gòu)件法”建筑設(shè)計理論與方法。構(gòu)件是建筑物質(zhì)構(gòu)成的基本元素，構(gòu)件分類設(shè)計方法是在“構(gòu)件法”基礎(chǔ)上，根據(jù)構(gòu)件的功能屬性和裝配特點進行分類，將組成建筑的構(gòu)件分為彼此獨立的構(gòu)件組。以Solar Ark 3.0為例，建筑全部構(gòu)件被分為結(jié)構(gòu)構(gòu)件組、圍護構(gòu)件組、裝修構(gòu)件組、設(shè)備管線構(gòu)件組、環(huán)境構(gòu)件組等，每個構(gòu)件組之間相互獨立、互不交叉，可實現(xiàn)獨立維修更換（見圖3）。構(gòu)件分類設(shè)計可提升建筑易維修更換性能，簡化施工流程，在提高建筑整體耐久性的同時，有效減少建筑運維階段的碳排放。

3 Solar Ark 3.0構(gòu)件分類

4.1.2 高性能建筑材料應(yīng)用

混凝土是現(xiàn)階段住宅建筑領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的建筑材料，在保證建筑穩(wěn)定的前提下降低材料產(chǎn)生的碳排放是實現(xiàn)碳排放控制的有效途徑。Solar Ark 3.0在結(jié)構(gòu)上采用UHPC（超高性能混凝土）預(yù)制雙曲面殼體技術(shù)，與一般混凝土相比，UHPC具有高強度、高韌性、高耐久性的特點，材料抗壓力超過150Mpa，抗剪力超過25Mpa，可有效隔絕有害介質(zhì)，材料自身不產(chǎn)生縫隙，即使受外力影響產(chǎn)生細微縫隙，也具有自愈功能，可有效提升建筑耐久性。由于其具有出色的物理性質(zhì)和雙曲面殼體的結(jié)構(gòu)特點，Solar Ark 3.0實現(xiàn)了增質(zhì)減材，預(yù)制雙曲面殼體結(jié)構(gòu)共消耗27.78m3UHPC材料，而相同規(guī)模的框架結(jié)構(gòu)需消耗70.07m3普通混凝土，節(jié)省了60%的建筑材料，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的減碳。

4.2 功能耐久性

住宅建筑由于使用年限較長，建筑空間功能會發(fā)生退化，當原有空間不能滿足業(yè)主的新需求，便需進行改造活動以延長其使用壽命。傳統(tǒng)住宅建筑設(shè)計多以房間屬性確定平面功能布局，使用功能不同的空間相互割裂，難以適應(yīng)后期功能變化。Solar Ark 3.0通過雙曲面殼體結(jié)構(gòu)，在室內(nèi)形成10.8m×10.8m的連續(xù)大空間，大尺度的空間可兼容使用者小尺度的活動行為，內(nèi)部空間可根據(jù)不同時期的需求進行二次分隔（見圖4）?？臻g功能可變設(shè)計可在功能層面有效延長住宅建筑使用年限，同時為后續(xù)的更新改造活動提供便利，在保障建筑功能與需求相適應(yīng)的同時，降低了改造活動的難度及強度，減少了碳排放量。

4 多功能空間使用模式4a固定模塊與可變空間4b居家模式4c辦公研討模式4d睡眠模式4e影音娛樂模式4f小型展覽模式

4.3 經(jīng)濟耐久性

住宅建筑在使用過程中的維護成本會不斷增加，當維護成本超過一定范圍后，便會因失去經(jīng)濟性而面臨拆除。提高建筑的經(jīng)濟性，使其為業(yè)主帶來額外的經(jīng)濟價值，是延長其經(jīng)濟壽命的有效途徑。Solar Ark 3.0通過太陽能光電板和垂直軸風力發(fā)電機的組合實現(xiàn)了風光互補的產(chǎn)能模式，建筑年光伏發(fā)電49136kW·h，風力發(fā)電2824kW·h，總年產(chǎn)能51960kW·h，年中水回收利用80t，可有效減少建筑運行成本，除滿足自身運行外，通過銷售富余的電力，預(yù)計10年可為業(yè)主帶來超15萬元的經(jīng)濟收益（見圖5）。同時，大量產(chǎn)能減少了建筑運行產(chǎn)生的碳排放，建筑全生命周期碳排放-2288.2t，運行9年即可實現(xiàn)碳中和（見表1）。

表1 Solar Ark 3.0全生命周期碳排放數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5 Solar Ark 3.0產(chǎn)能技術(shù)應(yīng)用示意5a風光一體能源互補系統(tǒng)5b產(chǎn)儲用一體用電系統(tǒng)

5 結(jié)語

“雙碳”目標下，建筑行業(yè)需積極履行節(jié)能減排的責任。提高住宅建筑耐久性、延長住宅建筑使用壽命是提高資源利用效率，減少碳排放和能源消耗的重要途徑。住宅建筑耐久性提升設(shè)計是一項復雜的綜合工程，除建筑學外，還受社會發(fā)展、經(jīng)濟政策、技術(shù)水平等多方面影響，需結(jié)合不同學科的相關(guān)知識進行綜合分析。本文從碳排放視角闡述住宅建筑全生命周期各階段耐久性與碳排放的特點及相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出基于碳排放的住宅建筑耐久性提升策略，并以Solar Ark 3.0為案例進行可行性分析，旨在為住宅建筑設(shè)計提供參考，為未來住宅建筑耐久性的多學科研究打下基礎(chǔ)。