低碳建筑发展及其数字化未来＊

姚佳伟 黄辰宇 袁烽

1 同济大学建筑与城市规划学院

2 北方工业大学建筑与艺术学院

气候变化是当前人类面临的最大威胁，其不仅是对人类自身发展与存续方式的阻碍，更是威胁整个地球生态的严峻挑战。自20世纪末开始，从《联合国气候变化框架公约》到《京都协议书》，再到《德里宣言》《哥本哈根协议》，全球已积极开展多项应对气候变化的国际合作。直到2015年底，在巴黎气候变化大会上，近200个国家共同通过了《巴黎协定》，确立了将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在未来地表温升不超过2℃以内的长期目标，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内，其核心对策是控制并减少温室气体的排放，其中主要是CO2的排放[1]。应对《巴黎协定》的长期目标以及气候变化的严峻形势，中国在“十二五”期间制定了“CO2强度下降17%”的目标，“十三五”期间又制定了“CO2强度下降18%”的目标，同时为实现我国大幅降低碳强度，对能源结构优化以及产业转型也提出了要求[2]。根据相关测算，建筑产生的温室气体排放总量占到38%，其中住宅20%，公共建筑18%[3]。降低建筑碳排放量，已经成为当今和未来建筑全生命周期中必须要考虑的关键问题。

要实现低碳建筑，仅仅讨论低碳建筑原理与理念是不够的，必须要有相应的建筑技术做支撑。当今工程技术蓬勃发展，传统能源结构不断优化、新能源应用、新型建筑材料的出现等都极大地推进了低碳建筑的进程，同时“低碳建筑”一词的内涵也不再局限于建筑学范畴。主导低碳建筑的个体逐渐变为工程师而不是建筑师，也体现在建筑设计创作与低碳建筑技术的逻辑关联性不断降低。“形而上者谓之道，形而下者谓之器”，由于工业革命导致的技术分工不断细化，“君子不器”可能成为了更多建筑师的道德标准，同时受巴黎美院建筑教育的影响，注重形式及其内涵的阐释多于对技术的考量[4]。在纷繁的建筑技术涌现的今天，建筑师的定位和立场应当如何，是每个相关人员应该思考的问题。

了解低碳建筑技术的发展史，对于我们认识目前甚至未来的低碳建筑发展趋势是具有启发性的。“一切历史都是思想史”[5]，建筑技术的历史不仅反映了建筑设计与建造的历史，也在一定程度上反映了建筑理论与建筑思潮的历史，同时也反映了建筑师对待建筑技术的态度，即技术观的问题。从“上古穴居而野处”到适应气候型的建筑，到工业革命的建筑机器，再发展为可持续发展与绿色建筑，最后聚焦于如今的低碳建筑，通过梳理历史上的低碳建筑技术或者说气候适应型技术与建筑技术观，找寻人、建筑与环境三者间的平衡点，我们就能够更好地把握当下低碳建筑设计与技术的关系，并积极拥抱数字化背景下低碳建筑的未来。

1 低碳建筑发展缘起

首先对于低碳建筑的概念应加以明确和界定，避免与气候适应型建筑、绿色建筑、节能建筑、生态建筑等相关概念产生混淆。“低碳建筑”一词于2003年首次出现在英国白皮书中，与“低碳经济”一词共同提出[6]，指在建筑物的全生命周期中碳排放量相对较少的建筑物。但对于不同的建筑类型，受限于建筑碳排放的复杂构成以及当时技术水平的限制，建筑物的碳排放量难以定量化测算[3]。在工业革命之前，尚未出现“低碳建筑”一说，当时人类建筑活动与自然界的对立尚不明显，结合环境的建筑设计常被称为气候适应型建筑或气候响应的建筑；在工业革命之后，大工业生产对自然资源的索取导致环境问题日益突出，建筑作为人的生存边界在资源消费中占据了更主要的位置，这时就衍生出了绿色建筑、生态建筑、可持续发展建筑以及低碳建筑等概念。这些概念的关注点各不相同，但核心或方向是一致的，即在建筑行为的全过程中通过减少建筑物的能源与资源消耗，减少对自然界的破坏，实现建筑与人类自身的可持续发展。对低碳建筑的讨论也可以被认为是对人、建筑与环境三者间关系平衡的思考。

1.1 从维特鲁威时期到工业革命之前

建筑与环境是建筑史和建筑技术史中经久不衰的关注点，虽然在历史上大多数时期，建筑与环境的关系被建筑形式、意义等其他文化属性挤压到边缘地带，但对建筑与环境的讨论无疑都在提醒我们建筑不仅是艺术，也是科学。古罗马的维特鲁威曾提出自己关于建筑起源的看法：建筑产生的最基本动机是为了躲避风雨的侵蚀（图1～3）。他在《建筑十书》（Ten Books on Architecture）中提出“第一座房屋，是对于自然构成物的一种模仿（如树叶构成棚子、燕子筑巢、洞穴等）”[7-8]。15世纪的建筑理论家菲拉雷特（Filarete）同样主张建筑产生“需求”（Necessitas），在他看来人类需要一个遮风避雨的住所，就像人不能不吃饭一样[8]。中国的《周易·系辞下》中也有类似的观点：“上古穴居而野处，后世圣人易之以宫室，上栋下宇，以待风雨”[9]。

1 菲拉雷特《建筑论文》（Treatise on Architecture）：亚当，原始棚屋创造者（Adma,Founder of the Primal Nut）

2 菲拉雷特：原始棚屋的棚舍（Construction of the Primal Nut）

3 潘谷西《中国建筑史》：原始社会窑洞住宅遗址

4 维特鲁威《建筑十书》：城市选址

5 赖特：罗比住宅

维特鲁威在建筑和城市选址时提到：“首先是选取一处健康的营造地点，地势应该较高，无缝，不受雾气侵扰，朝向应不冷不热温度适中”[7]（图4）。他提出住房形式应适应气候的多样性，赞成设置柱廊以遮挡高度角较高的夏季阳光，让可视角度较低的阳光直射室内而采暖。这也许是人类建筑历史中最早可以追溯的低碳设计原理。

文艺复兴时期建筑家帕拉迪奥（Andrea Palladio）在《建筑四书》（I Quattro Libri dell'Architettura）中提到气候问题，他给出根据气候来确定窗户大小的精确办法[10]，这种通过窗户尺寸来限制气候影响的方式尽管没有通过热阻或热损失计算，但也让当时的建筑具有更好的气候边界作用。在这一时期，除了遮风挡雨，人们面对室外环境产生了更多需求，如隔热、控制窗户尺寸等建筑技术都自此产生。

1.2 工业革命

工业革命之前的低碳建筑理念雏形以及衍生出的建筑作品，关于气候的考虑主要是为了隔绝气候的不良影响，但由于技术手段有限，建筑物不得不采取多样的被动策略来应对自然条件，因此建筑也体现出了鲜明的地域性。如果说这类建筑是“气候适应型建筑”，其内涵是建筑被动地适应气候，那么工业革命后的建筑可以被称为“环境调控型建筑”，其内涵是主动调控建筑环境的建筑。

6 格罗皮乌斯：太阳利用原理图

工业革命以来，人类的技术手段较农耕时代有了爆炸式的增长，技术的突破发展使得人类狂妄地认为自己可以肆意索取自然资源，随意按自己的意志改造自然。1928年建成的萨伏伊别墅（Villa Savoye）继承了当时最新的工业成果，包括冷热水、煤气、电力、机械照明以及集中供暖[11]。这种以暖通空调设备为代表消耗二次能源的室内环境控制技术的出现，使得人们可以轻松地隔绝气候对自身的影响，并创造一个极为舒适的室内环境，但是这种技术的代价也是巨大的。这一时期的建筑占据大面积土地，消耗大量的物质，依赖大量的能源维持运行，同时也向自然排出大量废弃物与温室气体。

面对日益恶化的环境以及人与自然不断失衡的关系，现代建筑先驱们试图让建筑回归适应气候，期望在作品中通过被动式设计方式，尊重气候、阳光和风流对建筑的影响。赖特（Frank Lloyd Wright）在作品中利用太阳几何学，将建筑的不同立面设计成不同深度的挑檐以调节阳光，在罗比住宅（Robie House）中，西侧深远的屋檐出挑长度恰好避免了夏日午后的阳光进入室内，南向长窗上的水平屋檐出挑宽度满足了夏至日太阳高度角的要求[12]（图5）；格罗皮乌斯（Walter Gropius）的许多设计作品以太阳照射角度的选择为设计准则[13]（图6）；勒·柯布西耶（Le Corbusier）提出的环境调控五项技术要素包括“中性墙体”“精确呼吸”“遮阳系统”“天然采光”与“自然通风”，其中后三项都属于被动式技术，在阿尔及尔和昌迪加尔的规划中都清晰地反映了他的环境调控逻辑。这些适应气候的方式虽然对平衡建筑与自然的关系有些许作用，但在某种程度上已经难以消除建筑消耗大量能源的事实，相比下一阶段能源结构的调整，建筑设备的能耗控制更显得无足轻重。技术本身的双重性在此显现，在实现室内环境调控的同时，也带来了技术进步前无法想象的灾难。

纵观低碳建筑技术的历史，气候适应型建筑和环境调控型建筑产生的技术背景不同，人们对两种类型建筑的需求不同，相关技术所带来的影响也大相径庭。在低技术时期，需求是技术产生最重要的原因；随着技术发展，技术在支撑人类需求的同时，也支撑了人类欲望的进一步延伸。工业文明的技术与需求之间的失衡导致了全球环境危机，因此两者间的平衡性成为了我们当前与未来讨论新技术时无法回避的问题。

马克思曾说“我们不要过分陶醉于我们人类对自然界的胜利，对于每一次这样的胜利，自然界都对我们进行了报复”[14]。二战后，建筑界普遍觉醒并展开了对建筑工业化的批判思考，质疑建筑机器在资源消耗和环境影响方面的负面效应。在节能建筑、可持续发展建筑、绿色建筑及其建筑技术研究了多年之后，低碳建筑开始走入大众视野，至于低碳建筑是否能成为气候变化与人类需求新的关键平衡点，如何能够引导相关技术正向发展，还需要各学科继续探讨。

2 低碳建筑当下困境

2.1 低碳建筑技术的“道器相分”

为了明确低碳建筑研究现状，探寻当代低碳建筑的发展脉络，不同于纵向搜索低碳建筑技术或是节能建筑、绿色建筑概念下的建筑技术，讨论气候与建筑的关系，本文采用横向分析方法对当代的低碳建筑议题包括理论与技术进行了文献检索，分别针对“低碳建筑”和“Low-Carbon Building”两个关键词在中国知网中文文献库和WoS（Web of Science）外文文献库进行了搜索，使用VOSviewer软件对文献关键词进行分析。

从中文数据库的文献聚类（图7）可以看出，除了“低碳建筑”外出现频次最高的几个关键词分别是“低碳概念”“建筑设计”“低碳理念”，分别又细分出“建筑材料”“低碳城市”“低碳设计理念”以及“BIM”等。外文文献的聚类结果（图8）显示最高频次的关键词分别为“Energy &Fuels（能源和燃料）”“Construction & Building Technology（建造技术）”“Engineering（工程）”以及“Environment Sciences & Ecology（环境科学和生态学）”，细分内容为“Thermal Comfort（热舒适）”“Health（健康）”“Ventilation（通风）”“Post-Occupancy Evaluation（后评估）”“Renewable Energy（可再生能源）”“CO2Footprint（碳足迹）”等。由此分析得知，近些年国内低碳建筑研究学者更多关注低碳建筑理论层面，而国外学者则更多关注低碳建筑相关技术与工程应用。

7 “低碳建筑”的VOSviewer 关键词聚类可视化

8 “Low-Carbon Building”的VOSviewer 关键词聚类可视化

9 建筑规划设计阶段全生命周期碳排放计算步骤

建筑学科内建筑技术研究的缺失长期存在，低碳建筑技术研究在国内明显弱化为理论研究，这也正是上文提到“道器相分”的实例。在工业化以来的技术分工以及全球化进程以来的全球分工进一步细化的背景下，低碳建筑技术的涌现已经为降低建筑物的碳排放量提供了很多可能性。借助技术进步已经建成了一些零碳排放的住宅和产能型住宅，实现了在建筑物运行阶段的零碳排放目标（甚至可以有能源结余）。但这类技术往往涉及多个专业领域，如暖通空调系统、建筑通风系统、建筑给排水系统、建筑电气系统、太阳能光热利用、太阳能光伏发电、地热能及其运用、风能利用、智能化技术、绿色低碳建材技术等，并且这些技术或系统并非独立应用，往往需要与建筑设计紧密配合才能实现总体有效的节能减排效果[3]。

2.2 低碳建筑师的理念分离

面对纷繁复杂的低碳建筑技术，我们应该反思建筑师在低碳设计中的定位——是工程师的配合者，还是技术的整合者。目前的低碳建筑设计存在技术与设计理念分离的问题。在建筑物的策划、设计、施工等整个过程中，设计处于龙头地位，而建筑师往往是设计团队的主导，作为项目负责人控制整个设计进程，综合权衡各方面的要求。因此，在推动低碳建筑发展、减少建筑物碳排量的过程中，建筑师具有重要且难以推卸的责任。然而事实上，尽管中国建筑师对低碳节能有很强的意识，但是在设计实践中仍面临知识储备不足等障碍。此外，低碳技术的局限性体现在专业化评估和计算平台的分离，建筑师需要更多精力以及大量的专业知识才能够实现跨平台协作。

目前Rhino+Grasshopper设计平台能够较好集成建筑设计和建筑性能评估等功能，但其推广与普及仍不够，且学习成本较大，并非当前设计院使用的主流设计软件。传统的低碳设计未能形成完整的设计工作流，不仅由于设计过程中性能后评估，也因为低碳设计工作的许多内容被多专业、跨平台所分割，导致建筑师无力也不愿面对低碳建筑这一庞大的议题。

3 低碳建筑数字未来

3.1 数字技术赋能低碳设计工作流

当前的低碳建筑设计要求评估建筑全生命周期的碳排放，主要包括规划设计阶段、建筑施工阶段和运行维护阶段。其中规划设计阶段是否考虑节能和低碳设计对建筑全生命周期的影响最大；建筑施工阶段包括建筑建造和拆除阶段；运行维护阶段则需要测算建筑使用阶段的年碳排放水平。建筑师也被呼吁在规划设计初期阶段就考虑全生命周期建筑碳排放计算步骤与内容（图9）。

不过目前建筑师的设计工作流还未能结合建筑信息系统，通过统计所有建材类目、数量（或重量）、运输距离等因素来计算建筑本体的碳排放总量，更难以顾及不同施工工艺与现场管理带来的施工阶段碳排放差异，以及不同空间实际使用率与用户行为模式带来的运维阶段碳排放差异。除此之外，建筑师需要对建筑环境及自然通风进行模拟，对HVAC系统能耗有大致的了解，并考虑运用自然能源的方式，这些都会对建筑能源消耗的结构和总量产生影响，进一步影响建筑运行时的能源碳排量。

目前的建筑信息模型软件体系和性能模拟软件虽然能完成上述模拟和计算，但使用门槛较高，操作费时费力，考虑到建筑师推敲方案的要求，在设计工作流中建立这样的评估反馈系统效率并不高。近年来一种性能驱动的设计（Performance-Driven Design）或称为性能化设计（Performative Design）逐渐成为研究热点，这类设计方法将环境因素如日照、风环境或其他参数作为建筑设计的出发点，通过算法或神经网络生成建筑体量的解空间，最终在方案设计阶段辅助建筑师更快找到性能更优的形体，方便进一步深化设计。笔者所在团队成功尝试了将物理风洞纳入到建筑设计工作流中，通过监测建筑模型在风洞中产生的风环境，建立高效联动的“生成-评价-反馈”机制，改变了传统后评估“试错式”的模式[15]。考虑到物理风洞搭建的条件与难度，团队在相关后期研究中结合神经网络与机器学习等数字化技术，直接针对模型进行风环境预测，并有了初步成效。这样的思路也可以被低碳设计所借鉴，即应用神经网络与机器学习等人工智能技术直接对设计方案的全生命周期碳排放进行预测，并结合算法进行优化设计。当然，这种方法虽然在理论上是可行的，但人工智能等数字技术的应用条件目前受限于训练样本数据的不足，因此需要尽快建立建筑设计方案与全生命周期碳排量相对应的数据库。

3.2 数字技术完善低碳建筑评价机制

我国在建筑节能评价领域起步较晚，随着国外成熟的建筑绿色度评估体系的引入，我国的建筑节能评价领域有了更为广泛的借鉴基础。但国内已有的指标体系多是绿色建筑的相关评价标准，其主要强调的是最大限度地节约资源、保护环境和减少污染。低碳建筑与绿色建筑不同，低碳建筑更关注可持续发展问题中有关能源消耗和二氧化碳减排的问题，并不涵盖可持续发展的各个方面。

现有低碳建筑评价、绿色建筑评价多以定性评价方式为主。定性评价源于相关关系界定，即满足相关评价条款就可以促进建筑低碳化或绿色化水平提升。随着评价体系的逐渐完善，需要开展低碳建筑定量分析，这无论是对于提升评价结果的直观性还是客观性，都能够提供更好的技术与数据支撑。根据我国建筑碳排放活动单元过程的特点与控碳需求，可采用建筑全生命周期碳足迹追踪的方法，利用数字技术辅助开展建筑碳排放数据采集、核算、发布的标准化计量，就可以做到方法科学、数据可靠、流程清晰、操作简便。

建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）的出现和应用使得低碳建筑信息化、在线化成为可能，也为数字技术提供了宝贵的数据应用支撑。结合BIM建立实时更新的建筑全生命周期碳排放清单数据库，并基于人工智能算法集成开发一种碳排量计算工具，就可以在规划设计阶段对建筑全生命周期内的碳排放量进行计算。笔者曾提出一款基于BIM的建筑全生命周期碳排放计算工具Low-Carbon Building Design and Assessment Tool（LBDAT）的设想。该软件设计定位的目标用户是建筑设计师，目的是方便直观地向用户呈现所设计的建筑在未来整个全生命周期内的碳排放量及相关构成。通过BIM、人工智能、云计算等数字技术的应用，结合大数据分析预测能力可以强化建筑师的低碳设计主控地位，基于预测的全生命周期碳排量开展低碳化设计，从而为完善低碳评价机制提供有力的技术支撑。

3.3 数字技术升级低碳建筑全产业

随着数字技术的涌现，各行各业都通过拥抱数字技术取得了巨大的进步。虽然建筑行业一直都处于智能时代末端，但建筑从无到有，从规划设计到建造运营，都会产生大量数据，这也体现出数字化工具的应用潜力。以大数据、人工智能、云计算、区块链等一系列数字化技术带来的变革，将不仅带来低碳建筑技术自身的提升，也能促进相关产业的深度融合与贯通。

当前低碳建筑产业各方的着眼点是分离的：建筑师关注主/被动式低碳设计方法，施工方研究低碳的施工工艺与现场管理，建材企业侧重材料的碳足迹追踪，物管公司重视运维过程中的能耗节约。拓展到低碳城市以及低碳经济的建设，从工业减排到低碳交通，当前各产业价值链封闭，虽然各行业有相应碳减排指标，但是由于信息资源的独占性，造成了整体减排效率不高。而数字技术的介入，可以实现低碳产业全流程、全解析、全价值的提升。关系到低碳产业的所有生产、设计、运营流程中的每一个节点都在数字平台有所记录，再通过人工智能的数据挖掘，分析低碳全产业链的所有行为信息，并产生异于传统的全新认知、全新行为以及全新价值，最终打破各产业、各企业、各单位价值体系的封闭性，将低碳贯穿所有价值体系，整合并创建出前所未有的巨大的低碳价值链。在5G和云计算时代，这样的数据储存、数据计算、数据通信以及与其他行业、产业间的联系在传统的建筑行业是难以想象的。数字技术催生出的全数字化管理与分析模式将形成建筑产业具有核心价值的数据资源，这种数据资源的价值并非某一种建筑材料或某一幢低碳建筑可以比拟的。

4 结语

作为人类的第二层“皮肤”，建筑的出现避免了人体直接暴露于自然环境中。在工业革命之前，人们被动地适应气候，由此发展出的气候适应型建筑表明了人类对自然尚保持谦卑的态度；但在工业革命之后，技术快速发展下的以空调为代表的环境调控技术，造成人类为营造舒适环境消耗了大量能源却忽视了对自然环境的危害。技术造成了人与自然关系的失衡，引发了全人类的反思，催生了低碳建筑理念。结合数字技术的低碳建筑，一方面可以赋能低碳设计工作流，明确建筑师的立场与主导作用并重塑技术观，最终达到人与环境新的平衡点；另一方面可以实现低碳产业全流程、全解析、全价值的提升，催生出低碳产业的全数字化管理与分析模式，形成建筑产业具有核心价值的数据资源。此外，低碳建筑的数字未来对相关规范与标准的完善以及数字化人才培养也提出了更高要求。