建筑碳中和设计的关键要素及其策略研究

沈杨 郑梁杰

关键词：碳中和;建筑设计;全生命周期

建筑活动是人类作用于自然生态环境最重要的生产活动之一，也是耗费自然资源最高的生产活动。在国家双碳目标下，建筑碳中和的发展面临重大历史机遇。作为我国碳排放大户，建筑业长期存在资源消耗大、污染排放严重、建造方式粗放等问题，随着我国城镇化水平的提高，建筑业规模的扩大，建筑生产过程中的碳排放也在持续增加。可以说，建筑领域的碳中和已成为国家实现碳达峰、碳中和的关键一环，对我国全方位迈向低碳社会，实现高质量发展具有重大意义。

一、 中国建筑碳中和的研究背景

人类社会的发展，从某种角度上说，就是一部能源演变史，即从漫长的柴薪时期过渡到飞速发展的煤炭时期，再到全面爆发的石油时期。正是对能源更加高效的利用，人类社会发生了翻天覆地的变化，生活水平日益提高。但随之而来的是，化石能源的大量使用对地球环境与生态造成了前所未有的巨大影响。大量的温室气体排放，使得全球气候开始升温。根据《中国气候变化蓝皮书2020》中的数据，2019年的年平均气温，相较1850年到1900年50年间的平均气温，高出了近1.1摄氏度，二氧化碳的排放量增加了5倍。剧烈气候变化引发的种种自然灾害，正在全球各地不停上演。全球范围内频发的自然灾害预示着，人类这几百年的飞速发展是有代价的。如果不能及时地进行补救和改变，地球生态平衡一旦被打破，人类将遭受不可估量的巨大损失，甚至将导致生存危机。

建筑业作为历史悠久的传统行业，涵盖了人类社会大部分的生产以及居住环节。随着中国城镇化的高速发展，随之而来的是大量的建筑能源消耗以及温室气体排放。以中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告2020》为例，2018年全国建筑碳排放总量为49.3亿tCO2，占全国碳排放的比重为51.3%。全过程能耗总量为21.47亿标准煤，占全国能源消费总量比重为46.5%;而建筑建造和运行相关的碳排放相较于2001年增长了1倍以上，并且增速还在逐年加快（见图1）。高瓴产业创新研究院发布的《迈向2060碳中和--聚焦脫碳之路上的机遇和挑战》一文中也指出，中国的相关行业中，最晚实现碳中和的很有可能是建筑行业。根据中国建筑节能协会的统计数据，按目前的碳排放趋势发展，城市建筑在未来10年将新增220亿平方米，将直接间接的新增碳排放约14亿吨。且建筑业很可能要到2039年才能碳达峰，比全国总体规划的2030年碳达峰的目标，晚了将近九年。为了达成国家双碳的战略目标，建筑业碳减排刻不容缓。

要达成建筑碳中和的目标，首先要明确其碳排放来源，对其表现进行评价，然后才能制定相对应的策略进行改进。

第一个要素，也是最直观的，即建筑的运行能耗。该要素记录的是建筑在建成后的使用阶段所产生的能源消耗和碳排放量。现代建筑主要以电力消耗为主，而目前以火力发电为主的发电方式，会产生大量的碳排放。针对第一个要素，建筑可以通过主动以及被动的节能技术，来减少对外部电力能源的使用。同时增加可再生能源的使用，如太阳能，以及水电风电，以达到运营阶段近乎零碳排放的目标。

第二个要素则是尽量全面的记录建筑全生命周期的碳排放量，即从时间维度上来看，建筑从“生”到“死”所产生的碳排放量，相当于给每栋建筑制定了一个碳排放的病历卡。建筑全生命周期具体是指从材料的生产、建筑场地的施工、建筑的使用运营，到最终的拆除及材料的回收利用四个阶段。每个阶段都会产生相应的碳排放以及留下不同的碳足迹。相对于仅仅关注建筑运行阶段的碳排放量，第二要素的衡量范围更加全面广泛，同时要求也更高。为了实现全生命周期零碳排放的目标，需要从业者在建筑每个阶段都尽可能地减少碳排放，如使用环保的建材、采取更加高效的施工方式以缩短施工时间，增加可回收建筑材料的比例。同时在不同阶段中采取相对应的负碳行为进行平衡。

第三个关键要素则是涵盖了建筑全产业链的从业者，包括各个企业和组织在生产和经营过程中产生的碳排放。建筑碳中和不仅仅需要考虑单个建筑的碳排放量，而是要从街区、社区乃至城市的范围内进行跨行业的综合考量;动态平衡建筑群之间，不同行业之间的碳排放，以达到城市整体碳排放量减少的目的。

三个要素衡量的范围由小到大，由单一的维度到复合的维度，从业者需要根据具体场景建筑碳排放的表现进行测度。同时不同的要素需要采用相对应的碳排放计算方法并考虑计算边界。对于零碳建筑而言，更多涉及的是建筑运营时的直接排放和间接排放，主要包括工业、电力、建筑和交通四个行业。而对于建筑全生命周期中的碳排放计算，则涉及更多的相关行业，且受到其他行业碳中和进程的影响，计算边界需要根据不同的行业进行动态的界定调整。

三、不同要素对应的建筑设计策略

设计作为建筑项目的发起环节，需要在初期就把建筑碳中和的三个关键要素考虑进去。建筑师应当肩负起更大的责任，着力研发更高效的构造方式，将光伏技术应用到建筑构件的各个组成部分之中，以增加清洁能源的使用场景。从源头改变建筑原材料的构成，增加低碳排放建材的使用，以达到降低整个建筑业碳排放量的目标。同时借助BIM（建筑信息模型）对建筑生命周期内各阶段的信息进行深度的把控，优化建筑全生命周期的碳中和表现。

（一）策略一：光伏建筑一体化

为了降低建筑在能耗方面的碳排放，清洁能源的使用必不可少。太阳能作为一个显而易见的清洁能源，人类一直在尝试将其进行收集和利用。一直以来，由于存在光电产品与建筑结合程度不高、光电并网不易、市场认可度低等问题，太阳能光伏板一直没能够在城市大面积的铺开使用。但通过国家几十年对光伏产业持续不断的大力扶持，以及近几年光伏产业的技术突破，整个光伏行业终于迎来了大爆发。光伏技术的成本大幅下降，终于让其有了在建筑业乃至更多行业使用的机会。

特斯拉作为目前新能源领域中最炙手可热的公司，在发展电动车的同时，也推出了自家的太阳能屋顶模块。相较于传统的，将太阳能板直接铺设在建筑屋顶上的方式，特斯拉直接将太阳能板与屋顶构造进行结合，打造出一个独立的完整产品，即一个带有嵌入式发电机，且能够收集太阳能的屋顶瓦片。屋顶瓦片以玻璃砖的形式出现，并使用彩色薄膜巧妙地隐藏太阳能电池。

集成式太阳能屋顶的出现，为建筑光伏设计提供了全新的思路。传统的光伏屋面做法大多是将蓝色或者黑色的矩形光伏面板直接放置在建筑的屋顶。这些产品与屋顶之间的坡度或角度经常是不同的，致使太阳能的收集效率不高，同时这部分产品难以根据屋面尺寸定制，且可用的颜色有限，很容易与非光伏板的部分形成鲜明的对比，降低建筑整体的美感。而将光伏系统与房屋的基本构件结合，然后以此为模块进行建造，则能够同时解决效率和美观的问题。

除了光伏屋顶之外，很多公司也在尝试将太阳能技术集成到外墙、窗户、阳台栏杆等其他建筑元素中。这些产品正在证明集成光伏系统的快速、低成本和可持续制造，在经济上是可行的。光伏系统与建筑构件的结合还衍生出一种创新的商业模式，开发商可以大规模采购集成了光伏系统的建筑构件，通过与住户进行协商，分享后续建筑立面和屋顶产生的能源收入，以此来降低前期的建造费用。

对于建筑，找到效率与美观之间的平衡一直是一个永无止境的过程。人们需放弃一些先入为主的观念，就像太阳能光伏板并不是永远只是一成不变的蓝色或黑色矩形板。在零碳建筑的开发中，将低碳绿色能源的生产技术与建筑的建造进行结合，将美学、成本和效率进行综合的考虑，将是未来建筑设计所需要面临的挑战。

（二）策略二：木构建筑的回归

2020年，我国碳排放量最大的行业分别是火力发电、钢铁和水泥业。其中钢铁和水泥，分别占到18%和14%。作为建筑业最基础的两大原材料，钢铁产业有64.7%的产量最终用在了建筑业，而水泥则几乎全部在建筑业上使用，所以在建筑原材料上进行创新与突破，可以有效地减少建筑碳排放。我国目前主要的应对之策，是对钢铁和混凝土的生产工艺进行优化，减少其在生产过程中的碳排放;同时优化建筑的结构计算，减少原材料的使用量;同时大力发展创新材料，如高性能混凝土，其具有耐久性强、强度高且二氧化碳排放少等特性。

但仅仅是在钢铁和混凝土领域进行优化研发是不够的，我们需要找到更多的低碳建材进行替代。树木作为最好的碳收集器，随着树木的成长能够固化空气中的二氧化碳同时释放氧气，一直都是公认的环保材料。近些年国内外一个大的发展趋势就是木构建筑回归，在建筑设计中大量使用木材来替代碳密集型的建材如砖石，水泥和钢材等。

美国建筑大师赖特说过：“木材对于人类来说是普遍美丽的，是所有建筑材料中最亲近人类的。”但过去一两百年，木材却慢慢淡出了现代建筑领域的主流舞台。其主要原因就是天然的木材，其刚度和强度都不能够满足现代高楼大厦建筑的使用需求，同时木材在防火性能上一直存在安全隐患。但随着材料技术的快速发展，一种新的复合木材料的出现改变了这一现状，即交叉层压木材，也被描述为“工程木材”。其特别之处在于通过将三层纹理相互垂直的木板通过特殊的工艺进行压合。在木材的内部形成两个受力方向，从而改变木材的力学特性，使其具有了较强的抗压和抗弯强度。同时在外观上和气味上，由于只使用了极其少量的黏合剂，基本和纯木沒有区别。

目前全世界的建筑师们都在尝试拓宽木构建筑的使用场景，从大型场馆到桥梁，再到高层建筑。最近在温哥华，美国建筑公司Perkins+Will即将建成全世界最高的木构建筑。该项目名为加拿大地球大厦，高40层，包含200套公寓以及零售餐饮办公等综合功能区（见图2）。除了核心筒和楼梯间之外，其余部分包括地板、结构柱、外装饰等全部使用了交叉层压木材。对比传统同等规模的混凝土建筑，其在原材料的碳排放上仅为后者的三分之一。同时建筑通过室外的露台、垂直绿化和光伏系统对建筑进行表层的保温隔热，搭配三层的中空门窗系统，使得整个建筑能够维持一个非常低的能耗水平（见图3）。该项目从材料的选择到后期的运营都符合碳中和的宗旨，将为零碳建筑的发展创造一个非凡的先例。随着越来越多的开发商和建筑师加入木构建筑领域的研究，木材——这一自然而美丽的材料将会很快重新进入人们的视野，成为城市中靓丽的一道风景。

建筑碳中和的要素中，必不可少的一个就是掌握建筑从诞生到消亡，全生命周期的数据情况。为了实现这一目标，则必须引进BIM技术，即建筑信息模块。BIM技术，是一种广泛应用于设计、施工、项目管理领域的数据化工具，通过对建筑数据化模式的集成，在项目规划、执行与维护的过程中，实现资源共享与传播，让建筑技术人员对施工中各个阶段的信息都有了直观的掌握，并据此做出高效的应对。

BIM技术通过给建筑构建三维模型，相当于给建筑在出生之前建立了一个身份档案，可以很好记录建筑从规划设计、施工到运营维护、到拆除回收四个阶段的信息数据。BIM技术在国外已经发展得较为成熟，基本实现了在70%-80%的项目上使用BIM。在这方面，我国大概落后国际领先水平15年左右的时间，在2013年国家把绿色建筑纳入国家战略的高度之后，BIM技术的应用在国内开始爆发式的增长。其中影响力最大的BIM项目就是由同济大学主导设计的上海中心，该项目为中国首个采用BIM的超高层项目。前期设计通过BIM三维模型的仿真模拟，有效地降低了建筑的风荷载，同时对结构进行优化，减少了结构的用钢量。上海中心还通过BIM数据模型将风力发电、智能照明、雨水收集等绿色技术整合到建筑中，形成一个绿色的能源体系，成为唯一获得LEED-CS白金级的中国建筑（特指400米以上建筑）。随着BIM技术的发展，以及国家对碳中和日益重视，BIM在建筑全生命周期的各个环节中发挥了越来越大的作用。

在前期规划阶段，通过BIM与GIS软件的相互配合，对项目的场地关系、业主需求、城市规划等方面进行综合的量化分析，以此来确立最优的场地布局，以及预估项目的资金回笼情况等。在方案设计阶段，建筑师可以借助BIM进行声光热等多维度的数据模拟，根据造型进行实时的演算。通过对不同数据的比对，最终得到高效的被动式低碳建筑。各专业的设计师也能够通过云端的数据共享，实时分享彼此的设计成果，减少大量决策时间。

在施工阶段，各单位通过将不同专业的信息以三维数据的形式整合在一个模型之中，校验不同模型之间是否有碰撞和冲突，并以此为依据进行调整，避免各专业间因为数据的不同步，导致在最终的施工过程中发生错误。这样可以节约大量施工时间，并且有效地减少原材料的浪费。BIM数据模型还能够快速的统计项目中各材料的工程量，同时根据施工顺序，合理安排材料的运输和在施工场地的堆放位置，减少施工过程中的能源浪费。

在运营维护阶段，BIM可以与物联网相结合，利用云计算将传感器和终端的控制器相互连接，建立一个对建筑的能耗和健康情况进行实时监测的系统。将建筑各个部分的能耗计算与对应的能源管理系统进行匹配，动态平衡建筑的各个指标，最终达到节能减碳的目的。

在最终的拆除回收阶段，由于从设计、施工到运营阶段都有详尽的数据留存，施工方通过三维模型可以快速定位需要回收的材料所处的位置及数量，精准高效地进行材料回收，减少浪费和不必要的拆除损耗。

位于四川若尔盖暖巢项目，较好诠释了如何利用BIM技术，以数据为导向来优化建筑设计的方法（见图4）。暖巢项目建筑面积为1255m2，包括21间宿舍和顶层的一间室内活动室。项目以数据为支撑，结合周边环境的模拟进行参数化设计，在不采用任何取暖设备的情况下，使得全年室内的气温不低于12摄氏度，且整个建筑的能耗系统只有照明系统，使得整个建筑的碳排放量极低。设计上首先对建筑的朝向进行模拟分析，确保进入室内的全年太阳辐射总量最大，且尽可能地拉长太阳的照射时长，使得建筑在全年最冷的月份，最低气温提高了三度;同时以数据为导向，对建筑的南北立面给予不同的设计策略。南立面采用直接受益式与集热墙式相组合的方式。直接受益式是效率最高的太阳能被动利用方式，但室内温度波动较大，集热墙式效率低，但有利于房间温度稳定。通过对外墙参数的精细模拟，微调两种太阳能利用方式在立面上的占比，进而达到一个热效率和使用体验上的最优平衡。

北向墙是热量损失最多的墙体部分，其中外窗是热损失最薄弱的环节。建筑设计过程中，依赖于采光计算结果，把在当地气象条件下将走廊的采光亮度控制在300lx，并将其作为设置外窗采光面积的主要依据。在满足采光要求的前提下，外窗总面积尽量小。同时建筑将采光窗放在立面的高处，在提高采光均匀度的同时，避免寒风对室内温度的影响。在眩光刺眼的高原地区，精确设置窗户尺寸和高度的走廊和楼梯间，光线柔和气温舒适，成为孩子们最喜欢的阅读空间。

零碳建筑对于建筑业的碳中和非常重要，但是建筑业的减碳路径并不是简单地等同于全面的零碳建筑。单纯一味地追逐每栋建筑的零碳，成本较高且无法形成社会各行业间的规模化效益，行业间的灵活协调才是在能源使用上最高效的。比如建筑与周边的道路交通系统之间，可以将建筑与电动车充电桩的街区级虚拟电网进行连接，白天电网通过充电桩为电动车进行充放电，而到了晚上，用电需求降低时，转而为街区内的建筑进行供电。而在建筑耗能较少的春秋季，借助建筑屋面光伏板收集的多余太阳能通过电网给充电桩的储能电池进行充电。建筑耗能与新能源车的用电之间根据实时的数据监测进行动态的平衡，可以达到更高的使用效率。除了上述的例子，其他行业也能够通过多维度的能源互通来达到节能减排的效果。例如利用垃圾焚烧产生的热能为城市居民提供热水等。

在碳中和领域，城市是实现多行业高效能源使用上最好的空间载体。在碳达峰碳中和的大背景下，政府可依托新城发展与城市更新的契机，建立切实有效的减排系统。通过数据中心链接各个能源体系，实时检测各个端口的能源使用情况，打造智慧城市，最终实现区域节能减排的目标。

四、结语

中国作为全世界体量最大且发展最快的发展中国家，在全世界的碳中和进程中都起着举足轻重的作用。建筑业作为中国主要的碳排放来源之一，在建筑领域加强节能减排工作无疑是助力实现碳达峰、碳中和链条中非常重要的一环。

对于建筑碳中和，在制定有效的提升措施之前，首先需要先明确相对应的评价体系。有了评价体系，我们才能更好地衡量各项举措的优劣。我们从众多的评价体系中，提炼出三个最重要的衡量要素。首先要考虑的是单个建筑在后期运营阶段的碳排放表现，包括建筑运维的能源消耗以及建筑材料的日常损耗。除此之外，我们還要从时间的维度，对建筑的全生命周期的碳排放表现进行监测，规划从建筑的“生”到“死”全生命周期的碳排放足迹。与此同时，还要以更大的视角和尺度来关注整个社区，乃至城市建筑群的碳排放变化趋势。将不同区域，不同行业间的能源消耗和碳排放进行动态平衡。三个要素分别从不同的维度和尺度对建筑碳中和的表现进行衡量，相对于简单选择单一的评价体系，其适用的范围更广且更加全面。

明确了建筑碳中和三个衡量要素，从业者们则可以制定相对应的建筑设计策略。首先需要大力倡导的是节能低碳建筑，建筑师需要增加对光伏建筑和木构建筑的设计研发。从源头减少建筑材料所产生的碳排放，同时在运营阶段减少火电的使用，增加清洁能源的占比。其次，推广BIM技术在设计领域的应用，利用环境数据对前期的建筑设计进行优化，结合装配式建筑的生产方式，在三维模型中整合不同的设计专业，减少施工错误和返工，缩短施工周期。最后需要从政策角度，积极引导不同专业的从业者进行跨行业的协同设计，将城市作为碳中和合作的空间载体，灵活整合资源，提升整个区域的碳中和表现。

过去三十年是我国快速城市化的时代，建筑业作为支柱产业，且一直是拉动我国经济发展的三驾马车之一。但相较于其他行业，建筑业在碳中和方面的发展却并不具有优势。更由于建筑业大体量和长周期的行业特点，行业节能减排的加速发展刻不容缓。国家近些年连续推出一系列绿色建筑的规范和城市设计导则，对特殊领域提供绿色金融的扶持政策，同时对建筑光伏产业大力扶持，无不看出国家对于整个建筑碳中和领域发展的决心。除此之外，我们还应当在媒体领域更多的倡导以及普及绿色建筑、绿色生态的美好理念，让建造者，设计者和使用者都能够了解绿色建筑的必要性，为零碳建筑的发展创造优渥的生长土壤。未来国家一定会在建筑碳中和领域的方向持续进行发力，建筑师以及建筑的上下游从业者都应该坚定不移地向2030年碳达峰、2060年碳中和的目标努力。

参考文献：

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[2] 北京绿色金融与可持续发展研究院&高瓴产业与创新研究院.迈向2060碳中和——聚焦脱碳之路上的机遇和挑战[EB/OL]https：//huanbao.bjx.com.cn/news/20210924/1178586.shtml

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基金项目：1宁波职业技术学院研究机构专项课题：碳中和约束下的浙江省湾区经济带重点行业和领域碳排放达峰路径研究;2  浙江省哲学社会科学规划课题（19NDJC011Z）。

作者简介：沈杨（1969-），女，安徽宣城人，教授，硕士，主要从事环境经济、生态旅游研究。

*通讯作者：郑梁杰（1991-），男，上海人，硕士，主要从事建筑设计方面工作。