建筑物碳排放量和成本的优化设计研究

蒲云辉， 王清远， 李文渊， 王小鹃

(1.成都大学 建筑与土木工程学院， 四川 成都 610106； 2.四川大学 新能源与低碳技术研究院， 四川 成都 610065； 3.四川大学 破坏力学与工程防灾减灾四川省重点实验室， 四川 成都 610044)

0 引 言

相关研究表明，目前建筑行业消耗了全球约40%的能耗，并产生了全球近30%的温室气体，是第二大碳排放主体，且一栋建筑全寿命周期的各个阶段的碳排放量数据显示：运营阶段的碳排放量最高，大约占寿命周期总量的85.4%，建设阶段大约占12.6%，而拆除阶段约占2%[1].有研究指出，尽管设计阶段本身并不会产生太大的成本和环境影响，但是该阶段所设计的方案却决定了一栋建筑全寿命周期70%的成本和对环境的影响[2].另有学者提出，建筑物碳排放量与成本有着密切的关系：一方面，为了减少碳排放量而可能增加或减少的建筑成本；另一方面，由于碳排放量的增加而增加的环境成本[3].因此，在设计阶段就着手优化建筑物的全寿命周期碳排放量和成本是建筑行业走可持续发展道路的关键.

目前，针对建筑物全寿命周期的碳排放量和成本进行设计优化包括两个步骤：首先，估算出建筑物全寿命周期的碳排放量和成本；然后，利用该数据对设计方案进行多目标优化.目前，基于传统手工算量的方式费时费力且精度不高，不能满足优化设计时需快速获取数据的要求[4-5].另外，由于碳排放量和成本的相互关系，仅采用单目标优化的方式也不能满足优化的要求[6].对此，本研究拟引入一种新的数据计算模型以及能同时实现两个目标优化的方法，即：首先，用基于建筑信息模型(Building information modeling，BIM)的新手段快速准确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)对碳排放量和成本两个目标同时进行优化.

1 基于BIM的碳排放量和成本计算

1.1 全寿命周期碳排放量计算理论

建筑物的全寿命周期描述了建筑物从建筑材料的生产到拆除的全过程.本研究中，建筑物全寿命周期碳排放量(Life cycle carbon emissions，LCCE)是指一栋建筑物在全寿命周期内所有温室气体排放的总和，并以二氧化碳当量表示(某一种气体的二氧化碳当量为该气体的吨数乘以其全球变暖潜能值)，其涉及建筑材料的生产、运输、施工、运行维护以及拆除回收等过程，具体如图1所示.

图1建筑物全寿命周期碳排放量示意图

碳排放因子法是统计建筑物的每一个阶段每一种碳排放源的数量，并将其与其碳排放因子相乘，汇总而得出的该建筑物的碳排放总量，然后除以总建筑面积求得单位建筑面积的碳排放总量[7].相关的计算公式如(1)～(8)所示.

LCCO2=CEm+CEt+CEc+CEo，m+CEd

(1)

式中，LCCO2是指1 m2建筑物全寿命期的碳排放总量(kg/m2)；CEm是指1 m2建筑物在材料生产阶段的碳排放量(kg/m2)；CEt是指1 m2建筑物在材料运输阶段的碳排放量(kg/m2)；CEc是指1 m2建筑物在施工阶段的碳排放量(kg/m2)；CEo，m是1 m2指建筑物在运行和维护阶段的碳排放量(kg/m2)；CEd是指1 m2建筑物在拆除阶段的碳排放量(kg/m2).

(2)

式中，Mi是材料生产阶段所需的第i种材料的质量(kg/m2)；MFi是生产1 kg第i种材料的碳排放量(kg/kg).

(3)

式中，Li是第i种材料的运输距离(km)；TFi是运输1 kg第i种材料1 km的碳排放量(kg/(kg·km)).

(4)

式中，Ei是施工阶段所消耗的第i种能耗的数量(kJ/m2)；CFi是每消耗1 kJ第i种能耗的碳排放量(kg/kJ).

CEo,m=CEo+CEm

(5)

(6)

CEm=cem+cet+cec

(7)

式中，CEo是建筑物在运行阶段所消耗能耗的碳排放量(kg/m2)；CEm是建筑物在运行阶段维护修缮时的碳排放量(kg/m2)；Ei是在运行阶段每1年所消耗的第i种能耗的数量(kJ/(m2·年))；OFi是每消耗1 kJ第i种能耗的碳排放量(kg/kJ)；Y是建筑物设计使用年限(年)；cem、cet和cec分别是维护修缮时材料生产的碳排放量、运输的碳排放量、施工的碳排放量，具体计算方式参照CEm、CEt和CEC.

相关研究显示，建筑物在拆除阶段的碳排放量约为其施工阶段的碳排放的90%[8]，即可通过此关系式估算建筑物拆除阶段的碳排放量.

CEd=CEc×0.9

(8)

上述碳排放因子的获取可以通过查询《IPCC国家温室气体清单编制指南》(2006年)、《省级温室气体清单编制指南(试行)》(国家发展和改革委员会发布)，或者通过现场实测获得.然后通过上式(1)～(8)便可估算出建筑物在全寿命周期内1 m2建筑物的碳排放量.

1.2 全寿命周期成本计算理论

建筑物全寿命周期成本，是指建筑物项目，从前期的决策设计、施工建造、竣工验收、运营维护直到报废拆除等一系列过程所发生的总费用.对于考虑碳排放量的建筑，除了要考虑为减少碳排放量所采用的新材料、新技术对建安成本的增加或减少，同时还要考虑低能耗、低排放的建筑物在运营期成本的减少，以及其对建筑物拆除阶段成本的影响.此外，由于建筑物碳排放量的减少会产生一定的环境效益(也就减少了环境治理的相关成本)，站在财务评价的角度，可以采用市场交易原则参考目前清洁发展机制(CDM)提出的CO2减排价值，并将其计入全寿命周期成本减少额.据估算，CO2的减排价值约为80～120人民币元/t[9].再考虑资金的时间价值(假设所有费用的发生时点是在年末)，将全寿命期的成本及CO2减排价值的收益折现，具体计算公式如(9)～(13)所示.

LCC=Cc+Co+Cd-R

(9)

式中，LCC是全寿命周期成本(元/m2)；Cc是建安成本(元/m2)；Co是运营期成本(元/m2)；Cd是拆除阶段的成本(元/m2)；R是CO2减排价值(元/m2).其中，Cc建安成本的计算主要是依据2013版工程量清单计量与计价规范计算其建安成本，然后将建安成本分配到各建设期使用，具体计算式为，

(10)

式中，Cct是第t年的建安成本投资额(元/m2)；i是基准利率;t是第t年，k是建设期，

(11)

式中，Cct是第t年的运行成本(元/m2)，m是运营期，

(12)

式中，Cdt是拆除期的成本，

(13)

式中，Rm、Rt是分别是材料生产和运输阶段的CO2减排价值(元/m2)；Rct、Rot和Rdt分别指在建设阶段、运行阶段和拆除阶段第t年的CO2减排价值.

通过式(9)～(13)便可计算出建筑物考虑二氧化碳减排价值的全寿命周期成本.

1.3 BIM技术的应用

目前，传统手工计算建筑物全寿命周期碳排放量和成本的方式是将2D图纸数据手工输入算量软件中计算其工程量，然后依据碳排放因子以及计价依据等按照式(1)～(13)算出碳排放量和成本.由于成本计算时工程量计算的时间大致占总计算时间的50%～80%[4]，且在优化设计时需要根据修改的方案多次重复计算工程量，因此该方法较为费时费力.另外，由于能耗模拟和工程量计算都是将2D图纸数据分别手工输入到几个模拟软件和算量软件中，常因操作误差而影响计算结果的完整性和可靠性[10].

建筑信息化模型(BIM)是以3D设计为基础、以数字信息为载体，将建筑物(项目)全寿命周期内的所有信息高度集成在一个建筑模型中，可以方便地实现建筑、结构、暖通等各个专业的协同设计，也可以快速准确地进行能耗和碳排放的模拟，以及碳排放量和成本的快速计算[11].

采用BIM核心建模软件，通过建立工作集的方式需首先对建筑、结构等各个专业进行协同设计.一方面，在概念设计、方案设计、初步设计和施工图设计的各个阶段，基于建模软件和模拟软件共同的IFC标准，可以将建筑模型直接自动导入到相应的建筑性能模拟软件中进行模拟分析，得出建筑能耗和碳排放量等数据.而基于BIM技术对建筑物进行能耗和碳排放量的模拟后便可依据上述(6)和(12)式快速准确地计算出运营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、运输距离等信息，除了本身可以统计项目的工程量，还可以将其自动导入到与BIM核心建模软件有接口的算量软件中，如鲁班、广联达和斯维尔等，从而快速准确地计算工程量.

相比传统方式，基于BIM的碳排放量和成本的计算具有速度快、准确性高的优点，为进一步优化设计需多次快速准确地获取相关数据打下了基础.

2 基于粒子群算法的碳排放量和成本的多目标优化

2.1 粒子群算法

粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)是一种进化算法，该算法利用群体中的个体对信息的共享，使整个群体的运动在问题求解空间中产生从无序到有序的演化过程，从而获得最优解[12].算法具有实现容易、精度高、收敛快的优点.

PSO初始化为一群随机粒子(随机解)，然后通过迭代找到最优解.在每一次的迭代中，粒子通过跟踪两个“极值”(pbest，gbest)来更新自己.在找到这两个最优值后，粒子通过公式(14)～(15)来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，是此群中粒子的总数；Vi是粒子的速度；rand()是介于(0,1)之间的随机数；xi是粒子当前的位置；c1和c2是学习因子，通常c1=c2=2;vi的最大值为Vmax(大于0)，如果vi大于vmax，则vi=vmax.

对于一个多目标的优化问题，并没有明确的解决方案可以使得所有目标同时到达最优.但是，决策者可以依据柏拉图最优解的方式做出最后决定，基于PSO对两个目标搜索和更新的过程[13]如图2所示.

图2基于PSO算法的两目标优化过程

2.2 基于BIM技术和PSO算法的碳排放量和成本的多目标优化

本研究提出的基于BIM技术和PSO的建筑物全寿命周期碳排放量和成本多目标优化过程如图3所示，其主要步骤为：首先，利用建筑物的原始信息建立建筑物的信息化模型，一方面将模型导入算量软件，快速统计出建筑物的工程量，并依据上述全寿命周期碳排放量和成本的计算理论，进一步得出建筑物在材料生产、运输、施工和拆除阶段的碳排放量和成本；另一方面将模型导入能耗模拟软件，分析建筑物在运营期的能耗和碳排放情况，并得出其在运营阶段的碳排放量和成本.然后，设置目标变量(碳排放量和成本)的适应度函数f1和f2，基于PSO算法对方案进行逐步优化.其中，设计方案选择可依据以下步骤进行：

图3基于BIM技术和PSO算法的碳排放量和成本的多目标优化过程

1)如果原始设计方案就落在柏拉图最优解中，那么原始设计方案可以直接被选用.

2)否则，可采用“增变量”的方式进行判断：

(1)定义Δk=LCCk/LCCO2k,其中k=1,2…是指第k个设计方案.

(2)把区域分成3份，分别标注为L1、L2、L3，如图4所示.

(3)将更新的设计方案与原始设计方案比较，去掉那些超过原始设计方案的碳排放量或成本的方案.

(4)很明显，最优解不可能在LCC最大，或者LCCO2最大时取得，其选择如下：

①如果△k落在L1,最优的设计方案是△k最小时，如图4所示，E是最优的设计方案.

图4 第1种最优选择情形

②如果△k落在L2,最优的设计方案是DK式(16)最小时，如图5所示，D是最优的设计方案.

图5第2种最优选择情形

(16)

③如果△k落在L2,最优的设计方案是△k最大时，如图6所示，B是最优的设计方案.

图6第3种最优选择情形

通过上述步骤即可最终确定最优的设计方案.

3 结 语

目前，降低建筑行业的碳排放量已是全球亟待解决的难题之一，而从设计阶段就着手对建筑物的碳排放量进行优化设计能起到事半功倍的效果.相比传统手动算量模式，基于BIM技术的建筑物全寿命周期碳排放量和成本的计算具有速度快、准确度高的优点.同时，与过去只单一考虑成本或碳排放量的优化设计不同，基于PSO算法可以兼顾碳排放量和成本，并同时对两者进行多目标优化.本研究结果可使建筑物全寿命周期排放量和成本的多目标优化得以实施，操作性较强.