方案设计阶段低碳建筑影响因子研究

刘 　 鸣，　葛 小 榕，　李 维 珊,　张 宝 刚

(1.大连理工大学 建筑与艺术学院， 辽宁 大连 116024； 2.大连理工大学 建设工程学部， 辽宁 大连 116024)



方案设计阶段低碳建筑影响因子研究

刘 鸣1，葛 小 榕1，李 维 珊1,张 宝 刚2

(1.大连理工大学 建筑与艺术学院， 辽宁 大连 116024； 2.大连理工大学 建设工程学部， 辽宁 大连 116024)

低碳建筑研究以往是建立在建筑全生命周期的基础上，对于已有的建筑方案进行碳排放的评估测算，然而在方案设计阶段确定各个建筑信息碳排放量的影响，可以从“源头”把整个碳排放量控制在一定范围内，避免由于建筑方案本身的缺陷，即使附加低碳措施也达不到碳排放要求。低碳设计并不仅仅局限于在后期叠加各种技术策略，再根据已有的策略测算碳排放量，而且要从方案根本就与碳排放紧密关联。在方案设计阶段设置低碳影响因子，通过模拟的手段可以得到不同因子的碳排放信息，从而在建筑方案形成前就对碳排放有所控制。

低碳建筑；方案设计；影响因子；碳排放

随着空气质量的恶化，雾霾天气现象增多，环境问题受到人们广泛的关注。建筑作为碳排放和能源消耗的主要部分，建筑节能减排的广泛推广成为当前的首要任务。基于环境破坏、能源危机的双重压力下，许多国家和地区纷纷对建筑碳排放评估体系在全生命周期基础上进行了测算、研究和全面整理。在现今国内低碳建筑设计方案阶段，通常忽略建筑与当地周围气候环境的协调，往往千篇一律地加入被动式技术，缺少有意识地、积极主动地植入低碳设计理念，仅仅从经济实用的角度，采取基本的围护结构节能措施、可再生能源的运用等，最后建成的建筑并不是真正意义的低碳建筑。

“根据设计，安装技术”的设计方法，节能策略交给其他专业，建筑师不参与设计流程使实际建成的建筑物在建筑方案设计阶段就不合理。随着人们对低碳建筑内涵的深入理解，低碳建筑的研究不仅仅停留在相关的碳排放评估体系建立和碳排放量的测算上，在方案阶段的低碳建筑设计也该逐渐被重视起来。

一、低碳建筑设计研究发展

1.低碳建筑研究范围起点

对于低碳建筑的研究范围，由于学界没有明确定义，很多学者进行了不同的尝试。传统低碳建筑研究多建立在建筑全生命周期的基础上，对各个阶段的碳排放因素进行量化，研究在材料使用阶段、施工建造阶段、运行使用阶段、维修更换阶段和回收利用阶段的碳排放量评估和测算，侧重于从节能措施应用与能源使用来解决建筑如何实现低碳化的问题。或者采用技术策略来降低碳排放，即总结多种低碳技术，在后期应用到建筑方案中[1][2][3]。以上解决方法在低碳建筑研究整个过程中处于中后期阶段。根据已有建筑方案选择节能措施、评估使用运行阶段碳排放，未从建筑方案设计初期将低碳理念与建筑方案融合。因此，在建筑研究范围起点的设置上，应从初期开始就将低碳理念融入到方案生成的每个步骤中，如图1所示。

图1　低碳建筑研究范围起点变化

2.技术策略介入前期设计

有学者指出节能建筑是前瞻情景性的增量节能，低碳建筑是历史基准线性质的存量减排[4]。在建筑节能与低碳的设计中，节能设计有“50%节能”“65%节能”的概念，同时能根据节能设计标准，对单体建筑的设计和性能模拟都具有较具象、直观、准确的操作性。在低碳设计中，多从技术角度入手，忽略与建筑形式的结合。低碳技术与建筑艺术的耦合关系较不明确，低碳技术在设计阶段难以量化也造成没有相关低碳设计标准的现象。近期，对低碳建筑的研究在方向上有所转折。2014年夏冰在《关于低碳建筑设计方法的比较研究》中总结出了六种低碳节能建筑研究方法，详细的阐述、分析并比较了每种方法的特点和限制之处[5]。将这些方法互相交叉深入发展，是前期设计中融合技术的重要途径。

性能模拟法是低碳建筑方案设计阶段重要的量化手段，为方案设计提供了技术策略影响的直观表达[6]。研究目的是帮助建筑师及相关设计部门在设计初期将建筑能耗考虑进去[7]。通过单因素形成节能系统，基本类型组合成可供最优选择的方案池，同时通过设计思维对技术策略进行转译，达到艺术与技术的全面融合。整合设计可以帮助设计师突破设计瓶颈、拓展思路、转变原有的设计思维模式[8]。未来低碳设计的思维过程可以将多种方法融合，以技术策略和类型学为两大主线贯穿于初期设计的整合过程，做到建筑能耗由高到低，建筑形式由技术向艺术的转译，如图2所示。

二、方案阶段中低碳层级系统

1.低碳建筑前期设计

低碳建筑设计中，低碳理念需要在建筑全生命周期内开展，低碳方案设计应作为重点介入到整个建筑全生命周期过程。建筑方案设计是整个过程的初级阶段，直接决定建筑运行使用时能耗的消耗量，对后期建筑碳排放影响较大。然而低碳设计需要运用试验、分析、数据等科学理性的方法解决碳排放的问题，与建筑师固有的创造性思维相矛盾，那么在传统设计方法结合可持续理论的整合转型过程中，建筑师在团队中的作用尤为重要[9]。因此设置建筑低碳层级系统可以由浅到深、由简到繁的形成不同类型的图形语言，表现对应的碳排放值，建筑师可以结合当地气候环境、通过不同层级叠加对相应的碳排放值有初步的认识，在形式选择初期优先排除不利因素，在前期方案设计中可以通过能耗软件对不同方案模拟，将方案与技术整合到低碳设计框架中[10]，避免后期技术堆砌来弥补“先天不足”的现象。

图2　低碳建筑设计思维的转变

2.设立低碳层级系统

低碳的理念在方案初期可以有效对之后碳排放控制，对于前期建筑信息整理尤为重要。设立低碳层级系统是一种设计理念从根本上的革新。在低碳建筑前期设计中，将建筑信息分为各个细小的部分进行对比模拟，称为模拟因子。将各模拟因子归类到三个不同层级：建筑本体层级、围护结构层级和建筑构件层级。设定各层级模拟因子的标准值与变量值，通过模拟法，对各部分的变化与所设定的标准进行对比模拟，最后得出变化部分的变量值与标准值的碳排放差值。模拟因子可以进行单一模拟、组合模拟和对整个方案系统模拟。通过模拟不同建筑信息所对应的碳排放影响，将建筑图式语言，用技术的手段“翻译”成低碳图式语言和量化标尺。因此，在初期的低碳建筑方案设计中，依据建筑方案形成过程分为三个层级系统，即建筑规划与建筑选型——建筑本体层级；建筑围护结构的形式与物理性能——围护结构层级；建筑各低碳节能构件及设备系统——建筑构件层级。各层级内包括相应的模拟因子代表建筑信息。各层级的模拟因子选择是在建筑方案设计中常需考虑的因素，对于不同建筑区域和建筑类型有推广性，表1中未列出的用其他因子表示。

表1　低碳层级系统设立

(1)建筑本体层级

建筑本体层级是建筑的最基本构成，包括建筑规划与建筑选型，建筑周围环境因素决定了建筑生成过程中的初期形态。从气候条件与当地环境入手对建筑进行低碳设计研究，包括平面形式、体形系数、建筑体型、建筑朝向等。例如南京紫东国际招商中心办公楼设计中，在建筑选型过程中，依据当地环境与气候条件，确定了建筑的空间划分、底部架空和形体凹入等[11]。本体层级的设立目的，是在设计初期探索建筑规划、选型等方面对运行碳排放的影响。

(2)围护结构层级

围护结构层级包括外墙、外窗、楼地面、屋顶的传热系数、外墙与屋顶保温层厚度、外窗遮阳系数、屋顶形式等。围护结构在整体建筑构建中，起到保温隔热的作用，其形式及材料选择对建筑运行使用阶段的能耗和碳排放有直接的影响。围护结构层级是建立在本体层级的基础上，对建筑的外墙、外窗和屋顶进行形式和物理性能的研究，是建筑能耗和碳排放的主要影响因素。

(3)建筑构件层级

建筑构件层级是在建筑方案本身的基础上，对建筑外加的节能措施，不同地区适用不同的建筑节能策略，是低碳建筑设计中的附加选择项，根据具体气候条件特征而进行单项或多项选择，建筑构件在整体建筑方案中的起到提高建筑环境舒适度的作用，是建筑运行使用阶段节能减排的重要因素。建筑构件通常是现有的低碳节能技术的应用，包括遮阳构件形式、遮阳构件遮阳系数、太阳能构件、风能构件和绿化固碳(建筑绿化光合作用消耗二氧化碳)等。

三、低碳建筑影响因子整合设计

以上对整个对低碳层级系统的构建中，所设立的影响因子包含了可供选择的建筑信息。三个层级系统顺应建筑方案的生成过程，依次叠加构成完整的建筑模型。然而，整个建筑方案生成中所对应的碳排放量是一个动态、复杂的变化值，怎样将各层级的建筑信息与碳排放关联，是低碳建筑整合设计中的关键。

(1)单因子模拟

在每种因子模拟后，将得出最小碳排放的因子取值即是最优值，是在单独考虑此种因子的情况下所产生碳排放量最小的取值。最优值作用是为下一步多因子模拟中缩小取值范围，使建筑碳排放始终控制在低碳范围内。

(2)多因子模拟

在建筑低碳方案设计过程中，建筑运行中的能耗与建筑舒适度之间的矛盾需要平衡，就涉及到多种因子的相互作用。如建筑的窗墙比增加、室内进光量增加，需要的室内照明能耗将会降低，但同时建筑的保温隔热性能也将降低，建筑的暖通能耗将会提高，所以需要同时考虑围护结构的传热系数。多因子模拟将根据单因子模拟所得出的最优值，及其前后的取值范围进行选择。这样将建筑方案低碳初期设计控制在一定范围内，将会有效的控制后期建筑运行的能耗及碳排放。

(3)低碳系统模拟

根据单因子及多因子模拟所得的结果，建筑师可以根据不同区域、不同建筑类型进行低碳建筑方案设计，这种模拟方式将会在建筑方案生成前就能在一定的低碳范围内进行取值，使建筑创造更具有技术性、合理性和科学性。最终形成的建筑方案，根据低碳因子的多项选择及排除后，确定为几种方案类型，而针对这几种确定方案的模拟即为低碳系统模拟，可以直观体现几种方案的优劣。

以上通过对单因子的对比模拟，得出了在不同条件、形式、取值下的每种因子的碳排放变化值，而不同因子之间相互作用，其叠加后产生的碳排放效果可能相互促进，也可能相互制约。例如保温性能强弱与室内通风好坏的关系，室内采光与外遮阳的关系，这就要求我们在整体上进行各因素的平衡，最后达到综合的减碳效果。

在一个实际的低碳方案的整合设计中，最终根据设计要求和技术要求得出的方案池即图3中所示意的低碳系统，是所有层级中不同因子选择的集合，可以将建筑方案设计的碳排放保持在一个可控的范围，完成低碳初期整合设计的全过程。对比单纯根据设计要求完成的建筑方案更具科学性、可观性和可控性。

图3　低碳建筑影响因子整合过程

四、结　语

方案设计阶段低碳建筑影响因子模拟，对整个全生命周期下的碳排放有着重要作用。这种将技术策略介入前期设计的低碳设计思维，不仅在初期就能控制住建筑整个阶段的碳排放，而且通过设定不同影响因子对应的建筑信息形式，很好地顺应了建筑师方案创作的思维模式，让低碳建筑设计不再是后期技术的堆砌与低碳技术的叠加，从根本上使建筑方案的生成在一个可观、可控的碳排放范围内进行，做到了真正的低碳建筑设计。这种由建筑信息转译为技术层面的影响因子，最终回归到建筑艺术上的低碳设计模式，是一种形式由简到繁、内容由浅到深的“具象—抽象—具象”过程的表达。

[1] 张又升. 建筑物生命周期二氧化碳减量评估[D]. 台南：台湾国立成功大学，2002.

[2] 李兵. 低碳建筑技术体系与碳排放测算方法研究[D]. 武汉：华中科技大学，2012.

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[11] 傅筱. 建筑形式与形体节能——南京紫东国际招商中心办公楼设计[J]. 建筑学报，2012，(10)：38-39.

The Impact Factor of Low Carbon Building in Early Design Stages

LIU Ming1，GE Xiaorong1，LI Weishan1，ZHANG Baogang2

( 1. School of Architecture and Fine Art, Dalian University of Technology, Dalian 116024， China；2. Faculty of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China )

Previous studies of low carbon construction are based on the full life cycle of building, for the assessment of the existing building program estimated carbon emissions. However, to determine the impact of carbon emissions of each building information in the program design phase, from the “start” the entire carbon emissions can be controlled within a certain range, to avoid defects due to the construction program itself, then additional carbon measures will not help. Carbon design is not just limited to overlay a variety of technical strategy at a later stage, according to the existing policy measure carbon emissions, but simply from the program closely associated with carbon emissions. In the design stage low carbon impact factor is set, and information can be obtained about the different factors of carbon emissions by means of simulations, thus carbon emissions would be controlled before forming the building program.

low carbon buildings; early design stages; impact factor; carbon emissions

2015-04-27;

2015-10-19

国家“十二五”科技支撑项目：“城市生态化公共照明与低碳建筑技术研究及示范”(2012BAC05B01)

刘鸣(1979-)，女，吉林松原人,副教授，博士，主要从事建筑设计与技术研究，E-mail:liumingyitj@163.com；葛小榕(1990-)，女，吉林长春人，大连理工大学建筑与艺术学院硕士研究生，研究方向为低碳建筑设计；李维珊(1992-),女，河北沧州人，大连理工大学建筑与艺术学院硕士研究生，研究方向为低碳建筑设计；张宝刚(1975-),男,辽宁大连人,副教授,博士,主要从事绿色建筑与建筑节能研究。

J59

A

1008-407X(2016)02-0119-05