全生命周期零碳建筑控碳技术与设计方法研究——以“Solar Ark 3.0”为例＊

张军军 张宏 叶红雨 丛勐 周超

党的二十大报告提出“中国式现代化建设”的历史使命，“高质量发展”是实现总体目标的首要任务和物质技术基础；“发展方式绿色化、低碳化转型”是实现高质量发展的关键环节。建筑行业能耗占全球终端总能耗的36%，碳排放约占全球总排放量的40%。建筑业能否实现从源头到拆除的全生命周期控碳减碳，对全国是否能在2060年前实现“碳中和”具有决定性意义。

1 全生命周期零碳建筑背景研究

1.1 建筑全生命周期边界与划分

建筑全生命周期的概念起源于1990年提出的生命周期评价标准，经由30余年的发展，现已被广泛应用于建筑相关行业，是衡量建筑产品对环境影响的重要评价方法。受建筑工程复杂性、研究方法、数据来源等各种现实条件的约束，目前不同的机构和学者对建筑全生命周期的划分有不同的侧重点。欧洲标准学会（EN）将建筑全生命周期划分为建材制备、建筑施工、运营维护和建筑拆除四个阶段，适用于欧洲新建建筑及旧建筑改造。我国的《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）主要针对民用建筑的三个阶段：运行、建造及拆除、建材生产及运输，适合新建、扩建和改建建筑[1]。也有学者将建材生产和运输、建造合称为建筑物化阶段[2]。因此，针对不同的研究目标，全生命周期的划分各有不同。为完整研究建筑的整个阶段，东南大学建筑学院在相关研究的基础上，针对目前业界对建筑改造和建筑拆除两个阶段研究的缺失，基于建筑从原材料到循环再利用阶段的时序逻辑，将建筑全生命周期划分为以下七个阶段（图1）：材料制备、构件制造、物流转运、装配施工、运营维护、改造再利用和拆除再利用[3]。

1.2 建筑全生命周期碳排放计算数据基础

建立建筑全生命周期碳排放模型的方法有两种：一种是自上而下法，如ELENA模型；一种是自下而上法，如Invert/EE—Lab、ECCABS和CoreBee模型等[4]。自上而下的模型通常与宏观经济分析密切联系，通过GDP、能源价格和国民经济收入等拟合碳排放数据，但是缺乏技术细节，难以指导建筑本体层面控碳。自下而上的模型，基于建筑本体层面进行建模，以典型建筑的碳排放为基础，预测、模拟和推算相应建筑全生命周期的碳排放量。各种自下而上的模型，虽然核心算法略有差异，但基本逻辑是通过输入建筑层面、技术层面和能耗细节等参数，输出整体碳排放数据。建筑本体的模型越细致，最终输出的碳排放量也越准确，但也同时导致数据量剧增。因此，合理的建筑构件系统划分对于建模至关重要，东南大学建筑学院在相关研究的基础上，以构件系统串联从材料到建筑构件到建筑整体的过程，将建筑构件系统划分为结构构件系统、外围护构件系统、内装修构件系统、室外环境系统和设备与管线系统[5]。根据不同的构件系统进行分级构件建模，建立并导出相关参数，再计算相应的碳排放，有利于在建筑构件层面实现控碳。

2 全生命周期零碳建筑控碳技术

Solar Ark 3.0是东南大学、苏黎世联邦理工学院和三明学院联合赛队参与2022年中国国际太阳能十项全能竞赛的作品（图2），在比赛中取得了建筑设计单项第一和综合总成绩第二等荣誉。团队采用了标准化设计、工业化预制和BIM运维管理等技术手段，在20天（2021.8.24—9.12）内完成建造，是一座九年可实现碳中和的零碳建筑。本文将从建筑全生命周期的七个阶段和建筑构件五个系统两个维度，探讨全生命周期零碳建筑的控碳技术与设计方法。

2.1 材料制备阶段减碳

在材料制备阶段，合适的材料选择与建筑设计结合，对结构构件系统、外围护构件系统和内装修构件系统具有重要意义。Solar Ark 3.0材料制备阶段的碳排放量约为261.41t，主要在以下方面做了控碳设计。

（1）结构构件系统

混凝土是目前使用最广泛的建筑材料，在现阶段仍不可替代，因此降低混凝土本身的碳排放量和用量，是混凝土结构最有效的控碳方法。在本项目中，选择超高性能混凝土（Ultra—High Performance Concrete，简称UHPC），与普通混凝土相比具有超高强度、超高韧性和超高耐久性等优势，不仅能够显著节材，而且可以减少混凝土结构修补，提高混凝土使用年限。另一方面，设计采用标准化壳体结构形式，使压力在形式内部传递，减小了壳体的厚度。综上两个方面，Solar Ark 3.0的壳体结构消耗了27.78m3超高性能混凝土，而在规模尺度相同的情况下，普通框架结构预计需要70.07m3混凝土，这意味着超过60%的混凝土材料可以被节省下来（图3）。因此，选择合适的材料和结构形式，对于结构系统的减碳，有举足轻重的影响。

（2）外围护构件系统

在本案中，外围护系统主要包含东西侧的实墙和南北侧的玻璃幕墙（图4），主要目的是保证南北向的景观通透性，同时加强东西侧的保温隔热性能。东西侧的实墙为12块外观尺寸相同的复合预制墙板，包括四层UHPC和三层保温夹层，并在外侧附一层2mm的金属反光壁板，实测K值0.2。多层夹心设计，提高了预制墙板的保温性能，减少了混凝土的用量，降低了碳排放。

（3）内装修构件系统

内装修构件系统，可以分为内隔墙和每个房间的地面、顶面和立面。Solar Ark 3.0采用多功能通用大空间的使用方式[6]，建筑内部除卫生间和设备间外无隔墙（图5）。卫生间采用科逸集成卫浴系统，用环保材料工厂预制；内部大空间，地面采用竹地板，立面采用竹饰面板，顶面直接壳体露明不做任何装饰。因此，在内装修构件系统上，Solar Ark 3.0减少了材料用量，采用集成卫浴和环境友好的竹材制品实现控碳目标。

2.2 构件制造阶段减碳

在建筑工业化的推进之下，预制装配式建筑成为行业节能减排的重要抓手。构件预制不是简单将工地上的劳动转移到工厂内，而是借助工厂内的机械化、工业化等手段更高效、更节能地生产预制构件。

（1）结构构件系统

壳体建筑最大的难点是如何精准建造曲面。Solar Ark 3.0通过标准化设计与壳体生成逻辑相结合，20块壳体构件可以基于同一块模板进行预制，并使用制作完成的壳体进一步成为下一个壳体的预制模板，整个预制过程仅需一块模板，大大减少了工厂内模板的消耗，降低了碳排放。

（2）外围护构件系统

1 2块UHPC预制复合外墙板，同样只需要一套模板并采用平模生产，在工厂内占地面积小、预制效率高。钢模可回收利用，进一步降低碳排放。经统计，Solar Ark 3.0构件制造阶段的碳排放量约为7.37t。

2.3 物流转运阶段减碳

建筑构件的物流转运，主要涉及运输工具的选择和装车管理。与传统建筑材料的运输不同，建筑预制构件往往体积较大，对物流转运的要求更高。在Solar Ark 3.0的构件运输中，大构件有结构构件系统的20块壳体和外围护构件系统的12块预制外挂墙板。因此在设计阶段即考虑工程管理要求，利用BIM模拟运输方案（图6,7），并依照工程进度合理调配运输时间，使货车抵达工地后无需进入构件周转场地，直接从货车上吊装至工位。对于曲面预制构件，运输方式效率得到较大提升，减少了运输过程的碳排放。

1 东南大学建筑学院建筑全生命周期七个阶段

2 Solar Ark 3.0 实景图

3 同等投影和体积下不同结构形式材料用量

4 外围护构件系统

5 内装修构件系统

此外，光伏支架的网架系统采用框构[7]的形式进行预制和运输，在工地再拼装成大构件吊装，有利于控碳。经计算，Solar Ark 3.0物流转运阶段的碳排放量约为13.73t。

2.4 装配施工阶段减碳

（1）结构构件系统

壳体的施工通常采用支模加混凝土现浇的方式，模板因壳体的曲面特性无法实现预制，且很难回收再利用；现浇混凝土也存在着大量的湿作业，施工周期长且效果难以保证。Solar Ark 3.0的壳体结构，通过308根Φ20螺栓穿过Φ25的预留孔，连接20块预制UHPC双曲面壳体，预制精度和安装精度控制在2.5mm之内。现场施工时，5天即可完成所有的预制壳体拼装，提高了效率、降低了碳排放。

（2）外围护构件系统

东西侧12块UHPC复合预制墙板，通过180mm宽缝构造连接，减少了建造误差，为围护结构气密性与热工性能的处理提供充足的空间，既提高了装配效率，也提升了物理性能。南北侧的玻璃幕墙在工厂内预制，运输至现场后通过吊车一次安装到位。外围护构件系统仅一天的时间就全部完成，实现了建造过程的控碳。

（3）内装修构件系统

Solar Ark 3.0的内装修系统采用全预制干式施工，标准化的卡扣使竹材制品与龙骨连接，施工效率较高。在壳体完成封顶之后，内装修与其他构件系统同步施工。

（4）室外环境构件系统

Solar Ark 3.0的室外环境构件系统包含三个部分：预制化的室外竹地板模块、分布式生态水处理系统和马鞭草种植。室外地板模块根据建筑模数和室外场地条件在工地工厂预制，统一转运至工地，快速拼装即可完成施工；分布式生态水处理系统，通过水生植物滤床与落干式人工湿地进行深度分级净化处理生活污水和雨水，实现了建筑水资源循环利用；大量的马鞭草种植可获得碳汇。经计算，Solar Ark 3.0装配施工阶段的碳排放量约为7.02t。

6,7BIM 模拟运输与实际运输

2.5 运营维护阶段减碳

运营维护阶段的碳排放主要由三个部分构成：产能系统及绿植产生的碳汇、房屋系统耗能产生的碳排放、主要设备维修及更换带来的碳排放。Solar Ark 3.0利用风光互补产能系统，提高了产能稳定性，其模拟数值为每年光伏发电49136kW·h、风力发电2824kW·h，户用之外每年可实现4万度以上的电量上网，结合基地内最大化的绿植布置，每年实现碳汇45.95t。对于房屋系统能耗，采用主动式干预与被动式结合的建筑节能策略，每年建筑能耗折合碳排放约9.34t。按照百年建筑[8]的标准来衡量，其生命周期内太阳能系统、围护系统、装修系统和设备与管线系统因老化等原因会产生更换，采用耐久性更好的建筑构件有利于实现减碳。

2.6 改造再利用阶段减碳

得益于Solar Ark 3.0的大空间多功能使用模式，通过现有竹制家具的不同组合，即可实现睡眠休息、起居生活、小型展示、休闲娱乐、居家办公等多种使用方式。Solar Ark 3.0满足多样化使用人群的多种使用模式，因功能改变而带来的改造再利用所产生的碳排放为0。

8 碳排放趋势（第九年实现碳中和）

2.7 拆除再利用阶段减碳

Solar Ark 3.0在设计阶段即考虑到拆除时的构件利用。对于结构构件系统，所有的壳体通过螺栓进行连接，在拆除时可以保留预制构件原本的形态再做其他利用；对于外围护构件系统，东西侧复合墙体通过螺栓连接；对于内装修构件系统，装配式竹制内装保证了连接的可逆性，整体卫浴也可以拆除后再重新组装；对于设备与管线系统，光伏网架为钢结构；对于室外环境系统，模块化的竹地板等均可以实现再次利用。综合统计，拆除再利用阶段可节省碳排放约61.78t。

3 九年实现碳中和

通过对Solar Ark 3.0全生命周期七个阶段的控碳设计，并基于构件系统进行碳排放计算（表1），按照百年建筑的标准，Solar Ark 3.0在第九年可实现碳中和（图8）。

表1 Solar Ark 3.0 建筑全生命周期碳排放计算

4 结语

在国家双碳目标的引导下，建筑行业各个方面都在进行控碳、减碳的探索。建筑全生命周期的碳排放评价，应考虑其从原料制备到建筑本体再到回归自然的全过程，即建筑全生命周期的七个阶段。其中，材料制备、构件制造、物流转运、装配施工、改造再利用和拆除再利用六个阶段，应根据不同的建筑构件系统进行综合深化减碳设计；运营维护阶段需综合考量产能碳汇、节能减排和基于构件系统的维护更新的减碳设计。建筑设计应综合考虑时序和构件系统两个维度，在前端优化建筑全生命周期中的每一个构件系统及子系统，实现构件层级的控碳减碳。

图片来源

1,7作者自摄

2-6,8作者自绘

表格来源

1作者自绘