碳排放视角下住宅建筑耐久性提升策略研究

张睿康 张宏 ZHANG Ruikang ZHANG Hong

住宅作为城镇建筑的重要组成部分，是建筑行业减排的重点领域。我国住宅建筑普遍存在“短寿”现象，大量拆建活动造成过量碳排放与资源浪费。从碳排放视角提出住宅建筑耐久性提升策略，旨在延长住宅建筑寿命，减少住宅建筑全生命周期碳排放量，为未来城市住宅建筑设计提供参考。

住宅建筑；全生命周期；耐久性；碳排放

0 引言

随着全球气候变暖问题日益严重，为实现低碳发展，我国提出“双碳”目标，即到2030年碳排放达峰，到2060年实现碳中和。建筑行业是全球温室气体的主要排放源之一，约占总排放量的40%，降低建筑行业碳排放是实现碳中和的重要途径[1]。住宅建筑是城镇建设活动的重要组成部分。目前，我国住宅建筑的平均寿命仅有30年，相对于发达国家而言仍有较大提升空间[2]。住宅建筑“短寿”问题不仅会对居民生活质量造成负面影响，而且会产生大量碳排放和资源浪费。

住宅建筑全生命周期碳排放与其耐久性息息相关，从全生命周期碳排放视角探究住宅建筑耐久性提升策略，降低住宅建筑碳排放强度是低碳发展的重要领域，对实现“双碳”目标具有现实意义。

1 建筑寿命与建筑耐久性内涵

1.1 建筑寿命

建筑寿命指一座建筑物在使用过程中符合其设计目的、满足其使用要求的时间期限。建筑寿命的概念不同于建筑物理寿命，不仅指建筑结构、构件和材料的耐用性能，而且受多种因素影响，可从3个维度理解[3]。

1）技术性寿命 技术性寿命指建筑的结构和构件在使用过程中保持其设计性能的时间期限，取决于建筑物的材料、设计和施工质量等因素，通常由建筑的物理寿命决定，是建筑的基本寿命。

2）功能性寿命 功能性寿命指建筑在使用过程中满足其使用功能的时间期限。当建筑出现使用空间不足、内部设备老化、物理性能下降等问题时，建筑便失去了使用价值，功能性寿命也随之结束。建筑功能性寿命主要受构件可更换性能及内部空间可适应性能影响。

3）经济性寿命 经济性寿命指建筑在使用过程中能承受经济压力的时间期限，即经济效益角度建筑最合理的使用期限。经济性寿命的确定基于建筑的成本效益和使用效益。建筑从设计施工到运营维护包含大量经济成本，随着投入使用，其自身价值不断降低，维修成本不断上升，对建筑的经济寿命产生影响。

1.2 建筑耐久性

耐久性是材料和结构领域的概念，通常定义为材料抵抗自身和外部环境等因素长时间破坏作用的能力，耐久性越好，使用寿命越长。建筑耐久性与建筑寿命相互关联，呈正相关，因此可通过上述对建筑寿命的分析，将建筑耐久性分为技术耐久性、功能耐久性及经济耐久性3个维度。

2 建筑全生命周期划分

建筑生命周期指从建材原料开采到建筑拆除处置的全过程，主要包括原材料开采、材料与部件生产、运输与施工、运行、维修与维护、拆除和废弃物处置等环节[4]。

目前学界对建筑生命周期的划分主要基于EN15978：2011《建筑工程的可持续性——建筑环境性能评估计算方法》，将建筑生命周期划分为建材生产、建筑施工、建筑运行及建筑拆除4个阶段。部分学者认为，建材生产和建筑施工阶段可合并，统称为物化阶段。还有部分学者将建筑拆除阶段进一步划分为建筑拆除和废弃物处置2个独立阶段。从实际建筑生产过程来看，上述划分方式并不能完整覆盖建筑全生命周期的所有过程，忽略了对建筑改造再利用和拆除再利用过程的研究。

东南大学建筑学院正工作室在相关研究成果的基础上[5-14]，提出将建筑全生命周期划分为材料制备、构件生产、物流转运、装配施工、运营维护、改造再利用、拆除再利用7个基本阶段（见图1）。本文将以此划分方式探讨全生命周期各阶段的建筑活动对碳排放和耐久性的影响。

1 东南大学建筑学院建筑全生命周期划分

3 住宅建筑全生命周期各阶段碳排放与耐久性特点

住宅建筑碳排放在其全生命周期各阶段呈现不同特点，同时，不同阶段的建筑活动也对住宅建筑的耐久性产生一定影响。为深入探讨碳排放视角下住宅建筑耐久性提升设计方法，需分析住宅建筑全生命周期各阶段碳排放与耐久性的特点及二者之间的关联。

3.1 材料制备阶段

材料制备阶段对住宅建筑碳排放和耐久性的影响主要取决于结构类型的选择。不同结构类型的住宅选择的材料不同，其耐久性受材料物理性质的影响。同时，不同材料的碳排放因子也存在差异，从而最终影响建筑在此阶段的碳排放。一般来说，由碳排放强度高的材料制成的构件具有更好的耐久性，即在此阶段材料碳排放与耐久性呈正相关。

3.2 构件生产阶段

构件生产阶段指工厂制作构件的过程。此阶段不同构件生产工艺和流程会对建筑碳排放和耐久性产生影响。通过选择合理的生产方式，可有效减少构件生产过程中的碳排放，延长构件使用年限。采用构件预制生产模式、通过BIM技术优化生产流程、提高构件标准化程度、减少构件种类可有效提高建筑材料的利用率，减少人工生产构件过程中产生的碳排放。同时，构件的标准化设计有利于建筑施工装配与后期维护更新，在技术层面提升构件的耐久性，从而延长建筑使用寿命。

3.3 物流转运阶段

物流转运阶段指构件在工厂完成生产后运送至施工现场并完成卸货堆场的过程。该阶段主要包括构件装车、运输、产品保护、卸货堆场等环节，产生的碳排放主要受装车方式、运输工具、线路长短等因素影响。该阶段建筑碳排放与自身耐久性并无直接关联。

3.4 装配施工阶段

装配施工阶段指构件按照施工组织方案进行现场装配的过程。装配施工阶段的碳排放和建筑耐久性主要由施工方式决定，以钢筋混凝土住宅为例，传统施工方式因管理问题，易导致现场人工、材料的浪费，从而造成该阶段碳排放量上升。同时，现场浇筑施工精确度难以把控，施工质量的参差会直接影响建筑的耐久性和使用年限。装配式施工可优化建造工序，减少现场作业时间，避免人工和材料的浪费，从而减少施工阶段产生的碳排放（见图2）。标准化施工的构件质量均好，现场组装简单，整体施工质量高，可有效提升建筑耐久性。

2 预制构件装配式施工现场

3.5 运营维护阶段

运营维护阶段指建筑装配完成后的正常使用过程，是建筑全生命周期碳排放的主要来源。该阶段的碳排放主要由设备运行和日常维修两部分构成。设备运行产生的碳排放主要来自建筑采暖、空调制冷、建筑照明、热水使用及电梯运行等，受建筑物理和热工性能影响。日常维修产生的碳排放主要来自构件的维护与更换，建筑维护规模和频率增加会导致该阶段碳排放增加。

运营维护阶段的碳排放与构件耐久性具有直接关联。不同结构类型的建筑具有不同的维护、加固方式，从而影响建筑构件的更换频率和规模，设备管线的耐久性不同，也会导致设备更换维护的频率存在差异，提高建筑构件和设备耐久性可控制后期维护更新的频率，从而降低建筑全生命周期碳排放。

3.6 改造再利用阶段

改造再利用阶段指为延长建筑使用寿命而对空间进行重新分割和再利用的过程。住宅建筑改造过程中，空间布局调整和构件替换会消耗资源和能源，产生额外的碳排放。然而此过程也延长了住宅的使用寿命和固碳周期，从而在一定程度上实现过程减碳。

与该阶段碳排放产生关联的是建筑的技术耐久性与功能耐久性。住宅建筑首先需满足的特性是安全性，安全性是保障其他功能需求的前提，因此结构加固对使用寿命有根本性的影响。原始结构的耐久性越好，后期加固工程越简单，产生的碳排放越少。同时，构件的可更换性及内部空间的可适应性影响改造再利用过程，如采用通用空间二次划分的平面布局可降低改造难度，减少改造过程对建筑主体的破坏，既可降低改造过程中产生的碳排放，又能有效延长建筑使用寿命。

3.7 拆除再利用阶段

拆除再利用阶段主要包括2种形式：①建筑拆除为构件后，经质量评估鉴定重新用于其他建造项目中；②建筑整体性拆除后在异地重新建设。建筑拆除过程中的碳排放主要来源于拆解施工、废材填埋和建材再利用。传统住宅建筑施工一般采用现场浇筑的方式，建筑整体性强，拆除过程中人工和机具产生的碳排放量高，拆除后构件可回收利用率较低。装配式建筑由于构件标准化程度高，构件连接方式可逆，拆除的工作量小，回收利用过程中仅产生构件运输碳排放，整体碳排放较少，可实现拆除再利用阶段工程减碳。传统意义上来看，当建筑进入拆除阶段，其使用寿命也随之结束，如果建筑拆除后产生的构件可二次利用或异地复建，某种程度上其使用寿命实现了另一种形式的延续，减碳效果更好。

4 碳排放视角下住宅建筑耐久性提升策略

基于全生命周期碳排放视角，从技术、功能、经济3个层面总结住宅建筑耐久性提升策略，以东南大学、苏黎世联邦理工学院、三明学院联合赛队参与的2022年中国国际太阳能十项全能竞赛作品Solar Ark 3.0为例进行论证分析。

4.1 技术耐久性

4.1.1 构件分类设计

东南大学建筑学院正工作室团队提出“构件法”建筑设计理论与方法。构件是建筑物质构成的基本元素，构件分类设计方法是在“构件法”基础上，根据构件的功能属性和装配特点进行分类，将组成建筑的构件分为彼此独立的构件组。以Solar Ark 3.0为例，建筑全部构件被分为结构构件组、围护构件组、装修构件组、设备管线构件组、环境构件组等，每个构件组之间相互独立、互不交叉，可实现独立维修更换（见图3）。构件分类设计可提升建筑易维修更换性能，简化施工流程，在提高建筑整体耐久性的同时，有效减少建筑运维阶段的碳排放。

3 Solar Ark 3.0构件分类

4.1.2 高性能建筑材料应用

混凝土是现阶段住宅建筑领域应用最广泛的建筑材料，在保证建筑稳定的前提下降低材料产生的碳排放是实现碳排放控制的有效途径。Solar Ark 3.0在结构上采用UHPC（超高性能混凝土）预制双曲面壳体技术，与一般混凝土相比，UHPC具有高强度、高韧性、高耐久性的特点，材料抗压力超过150Mpa，抗剪力超过25Mpa，可有效隔绝有害介质，材料自身不产生缝隙，即使受外力影响产生细微缝隙，也具有自愈功能，可有效提升建筑耐久性。由于其具有出色的物理性质和双曲面壳体的结构特点，Solar Ark 3.0实现了增质减材，预制双曲面壳体结构共消耗27.78m3UHPC材料，而相同规模的框架结构需消耗70.07m3普通混凝土，节省了60%的建筑材料，实现了结构系统的减碳。

4.2 功能耐久性

住宅建筑由于使用年限较长，建筑空间功能会发生退化，当原有空间不能满足业主的新需求，便需进行改造活动以延长其使用寿命。传统住宅建筑设计多以房间属性确定平面功能布局，使用功能不同的空间相互割裂，难以适应后期功能变化。Solar Ark 3.0通过双曲面壳体结构，在室内形成10.8m×10.8m的连续大空间，大尺度的空间可兼容使用者小尺度的活动行为，内部空间可根据不同时期的需求进行二次分隔（见图4）。空间功能可变设计可在功能层面有效延长住宅建筑使用年限，同时为后续的更新改造活动提供便利，在保障建筑功能与需求相适应的同时，降低了改造活动的难度及强度，减少了碳排放量。

4 多功能空间使用模式4a固定模块与可变空间4b居家模式4c办公研讨模式4d睡眠模式4e影音娱乐模式4f小型展览模式

4.3 经济耐久性

住宅建筑在使用过程中的维护成本会不断增加，当维护成本超过一定范围后，便会因失去经济性而面临拆除。提高建筑的经济性，使其为业主带来额外的经济价值，是延长其经济寿命的有效途径。Solar Ark 3.0通过太阳能光电板和垂直轴风力发电机的组合实现了风光互补的产能模式，建筑年光伏发电49136kW·h，风力发电2824kW·h，总年产能51960kW·h，年中水回收利用80t，可有效减少建筑运行成本，除满足自身运行外，通过销售富余的电力，预计10年可为业主带来超15万元的经济收益（见图5）。同时，大量产能减少了建筑运行产生的碳排放，建筑全生命周期碳排放-2288.2t，运行9年即可实现碳中和（见表1）。

表1 Solar Ark 3.0全生命周期碳排放数据统计

5 Solar Ark 3.0产能技术应用示意5a风光一体能源互补系统5b产储用一体用电系统

5 结语

“双碳”目标下，建筑行业需积极履行节能减排的责任。提高住宅建筑耐久性、延长住宅建筑使用寿命是提高资源利用效率，减少碳排放和能源消耗的重要途径。住宅建筑耐久性提升设计是一项复杂的综合工程，除建筑学外，还受社会发展、经济政策、技术水平等多方面影响，需结合不同学科的相关知识进行综合分析。本文从碳排放视角阐述住宅建筑全生命周期各阶段耐久性与碳排放的特点及相互关系，在此基础上提出基于碳排放的住宅建筑耐久性提升策略，并以Solar Ark 3.0为案例进行可行性分析，旨在为住宅建筑设计提供参考，为未来住宅建筑耐久性的多学科研究打下基础。