建筑碳中和设计的关键要素及其策略研究

来源：建筑设计 浏览：- 发布日期：2024-09-25 08:53:35

一、衡量建筑碳排放表现的3个关键要素

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。

1、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、风电等，以达到运营阶段近乎零碳排放的目标。

2、尽量全面地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。

3、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。

3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。

二、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3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。

1、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。

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。

2、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。

3、利用BIM技术对建筑的全生命周期进行把控

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。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。随着BIM技术的发展，以及国家对碳中和的日益重视，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地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。

4、跨行业协同设计

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。