方案設計階段低碳建筑影響因子研究

劉 　 鳴，　葛 小 榕，　李 維 珊,　張 寶 剛

(1.大連理工大學 建筑與藝術學院， 遼寧 大連 116024； 2.大連理工大學 建設工程學部， 遼寧 大連 116024)

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方案設計階段低碳建筑影響因子研究

劉 鳴1，葛 小 榕1，李 維 珊1,張 寶 剛2

(1.大連理工大學 建筑與藝術學院， 遼寧 大連 116024； 2.大連理工大學 建設工程學部， 遼寧 大連 116024)

低碳建筑研究以往是建立在建筑全生命周期的基礎上，對于已有的建筑方案進行碳排放的評估測算，然而在方案設計階段確定各個建筑信息碳排放量的影響，可以從“源頭”把整個碳排放量控制在一定范圍內，避免由于建筑方案本身的缺陷，即使附加低碳措施也達不到碳排放要求。低碳設計并不僅僅局限于在后期疊加各種技術策略，再根據(jù)已有的策略測算碳排放量，而且要從方案根本就與碳排放緊密關聯(lián)。在方案設計階段設置低碳影響因子，通過模擬的手段可以得到不同因子的碳排放信息，從而在建筑方案形成前就對碳排放有所控制。

低碳建筑；方案設計；影響因子；碳排放

隨著空氣質量的惡化，霧霾天氣現(xiàn)象增多，環(huán)境問題受到人們廣泛的關注。建筑作為碳排放和能源消耗的主要部分，建筑節(jié)能減排的廣泛推廣成為當前的首要任務。基于環(huán)境破壞、能源危機的雙重壓力下，許多國家和地區(qū)紛紛對建筑碳排放評估體系在全生命周期基礎上進行了測算、研究和全面整理。在現(xiàn)今國內低碳建筑設計方案階段，通常忽略建筑與當?shù)刂車鷼夂颦h(huán)境的協(xié)調，往往千篇一律地加入被動式技術，缺少有意識地、積極主動地植入低碳設計理念，僅僅從經(jīng)濟實用的角度，采取基本的圍護結構節(jié)能措施、可再生能源的運用等，最后建成的建筑并不是真正意義的低碳建筑。

“根據(jù)設計，安裝技術”的設計方法，節(jié)能策略交給其他專業(yè)，建筑師不參與設計流程使實際建成的建筑物在建筑方案設計階段就不合理。隨著人們對低碳建筑內涵的深入理解，低碳建筑的研究不僅僅停留在相關的碳排放評估體系建立和碳排放量的測算上，在方案階段的低碳建筑設計也該逐漸被重視起來。

一、低碳建筑設計研究發(fā)展

1.低碳建筑研究范圍起點

對于低碳建筑的研究范圍，由于學界沒有明確定義，很多學者進行了不同的嘗試。傳統(tǒng)低碳建筑研究多建立在建筑全生命周期的基礎上，對各個階段的碳排放因素進行量化，研究在材料使用階段、施工建造階段、運行使用階段、維修更換階段和回收利用階段的碳排放量評估和測算，側重于從節(jié)能措施應用與能源使用來解決建筑如何實現(xiàn)低碳化的問題。或者采用技術策略來降低碳排放，即總結多種低碳技術，在后期應用到建筑方案中[1][2][3]。以上解決方法在低碳建筑研究整個過程中處于中后期階段。根據(jù)已有建筑方案選擇節(jié)能措施、評估使用運行階段碳排放，未從建筑方案設計初期將低碳理念與建筑方案融合。因此，在建筑研究范圍起點的設置上，應從初期開始就將低碳理念融入到方案生成的每個步驟中，如圖1所示。

圖1　低碳建筑研究范圍起點變化

2.技術策略介入前期設計

有學者指出節(jié)能建筑是前瞻情景性的增量節(jié)能，低碳建筑是歷史基準線性質的存量減排[4]。在建筑節(jié)能與低碳的設計中，節(jié)能設計有“50%節(jié)能”“65%節(jié)能”的概念，同時能根據(jù)節(jié)能設計標準，對單體建筑的設計和性能模擬都具有較具象、直觀、準確的操作性。在低碳設計中，多從技術角度入手，忽略與建筑形式的結合。低碳技術與建筑藝術的耦合關系較不明確，低碳技術在設計階段難以量化也造成沒有相關低碳設計標準的現(xiàn)象。近期，對低碳建筑的研究在方向上有所轉折。2014年夏冰在《關于低碳建筑設計方法的比較研究》中總結出了六種低碳節(jié)能建筑研究方法，詳細的闡述、分析并比較了每種方法的特點和限制之處[5]。將這些方法互相交叉深入發(fā)展，是前期設計中融合技術的重要途徑。

性能模擬法是低碳建筑方案設計階段重要的量化手段，為方案設計提供了技術策略影響的直觀表達[6]。研究目的是幫助建筑師及相關設計部門在設計初期將建筑能耗考慮進去[7]。通過單因素形成節(jié)能系統(tǒng)，基本類型組合成可供最優(yōu)選擇的方案池，同時通過設計思維對技術策略進行轉譯，達到藝術與技術的全面融合。整合設計可以幫助設計師突破設計瓶頸、拓展思路、轉變原有的設計思維模式[8]。未來低碳設計的思維過程可以將多種方法融合，以技術策略和類型學為兩大主線貫穿于初期設計的整合過程，做到建筑能耗由高到低，建筑形式由技術向藝術的轉譯，如圖2所示。

二、方案階段中低碳層級系統(tǒng)

1.低碳建筑前期設計

低碳建筑設計中，低碳理念需要在建筑全生命周期內開展，低碳方案設計應作為重點介入到整個建筑全生命周期過程。建筑方案設計是整個過程的初級階段，直接決定建筑運行使用時能耗的消耗量，對后期建筑碳排放影響較大。然而低碳設計需要運用試驗、分析、數(shù)據(jù)等科學理性的方法解決碳排放的問題，與建筑師固有的創(chuàng)造性思維相矛盾，那么在傳統(tǒng)設計方法結合可持續(xù)理論的整合轉型過程中，建筑師在團隊中的作用尤為重要[9]。因此設置建筑低碳層級系統(tǒng)可以由淺到深、由簡到繁的形成不同類型的圖形語言，表現(xiàn)對應的碳排放值，建筑師可以結合當?shù)貧夂颦h(huán)境、通過不同層級疊加對相應的碳排放值有初步的認識，在形式選擇初期優(yōu)先排除不利因素，在前期方案設計中可以通過能耗軟件對不同方案模擬，將方案與技術整合到低碳設計框架中[10]，避免后期技術堆砌來彌補“先天不足”的現(xiàn)象。

圖2　低碳建筑設計思維的轉變

2.設立低碳層級系統(tǒng)

低碳的理念在方案初期可以有效對之后碳排放控制，對于前期建筑信息整理尤為重要。設立低碳層級系統(tǒng)是一種設計理念從根本上的革新。在低碳建筑前期設計中，將建筑信息分為各個細小的部分進行對比模擬，稱為模擬因子。將各模擬因子歸類到三個不同層級：建筑本體層級、圍護結構層級和建筑構件層級。設定各層級模擬因子的標準值與變量值，通過模擬法，對各部分的變化與所設定的標準進行對比模擬，最后得出變化部分的變量值與標準值的碳排放差值。模擬因子可以進行單一模擬、組合模擬和對整個方案系統(tǒng)模擬。通過模擬不同建筑信息所對應的碳排放影響，將建筑圖式語言，用技術的手段“翻譯”成低碳圖式語言和量化標尺。因此，在初期的低碳建筑方案設計中，依據(jù)建筑方案形成過程分為三個層級系統(tǒng)，即建筑規(guī)劃與建筑選型——建筑本體層級；建筑圍護結構的形式與物理性能——圍護結構層級；建筑各低碳節(jié)能構件及設備系統(tǒng)——建筑構件層級。各層級內包括相應的模擬因子代表建筑信息。各層級的模擬因子選擇是在建筑方案設計中常需考慮的因素，對于不同建筑區(qū)域和建筑類型有推廣性，表1中未列出的用其他因子表示。

表1　低碳層級系統(tǒng)設立

(1)建筑本體層級

建筑本體層級是建筑的最基本構成，包括建筑規(guī)劃與建筑選型，建筑周圍環(huán)境因素決定了建筑生成過程中的初期形態(tài)。從氣候條件與當?shù)丨h(huán)境入手對建筑進行低碳設計研究，包括平面形式、體形系數(shù)、建筑體型、建筑朝向等。例如南京紫東國際招商中心辦公樓設計中，在建筑選型過程中，依據(jù)當?shù)丨h(huán)境與氣候條件，確定了建筑的空間劃分、底部架空和形體凹入等[11]。本體層級的設立目的，是在設計初期探索建筑規(guī)劃、選型等方面對運行碳排放的影響。

(2)圍護結構層級

圍護結構層級包括外墻、外窗、樓地面、屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)、外墻與屋頂保溫層厚度、外窗遮陽系數(shù)、屋頂形式等。圍護結構在整體建筑構建中，起到保溫隔熱的作用，其形式及材料選擇對建筑運行使用階段的能耗和碳排放有直接的影響。圍護結構層級是建立在本體層級的基礎上，對建筑的外墻、外窗和屋頂進行形式和物理性能的研究，是建筑能耗和碳排放的主要影響因素。

(3)建筑構件層級

建筑構件層級是在建筑方案本身的基礎上，對建筑外加的節(jié)能措施，不同地區(qū)適用不同的建筑節(jié)能策略，是低碳建筑設計中的附加選擇項，根據(jù)具體氣候條件特征而進行單項或多項選擇，建筑構件在整體建筑方案中的起到提高建筑環(huán)境舒適度的作用，是建筑運行使用階段節(jié)能減排的重要因素。建筑構件通常是現(xiàn)有的低碳節(jié)能技術的應用，包括遮陽構件形式、遮陽構件遮陽系數(shù)、太陽能構件、風能構件和綠化固碳(建筑綠化光合作用消耗二氧化碳)等。

三、低碳建筑影響因子整合設計

以上對整個對低碳層級系統(tǒng)的構建中，所設立的影響因子包含了可供選擇的建筑信息。三個層級系統(tǒng)順應建筑方案的生成過程，依次疊加構成完整的建筑模型。然而，整個建筑方案生成中所對應的碳排放量是一個動態(tài)、復雜的變化值，怎樣將各層級的建筑信息與碳排放關聯(lián)，是低碳建筑整合設計中的關鍵。

(1)單因子模擬

在每種因子模擬后，將得出最小碳排放的因子取值即是最優(yōu)值，是在單獨考慮此種因子的情況下所產(chǎn)生碳排放量最小的取值。最優(yōu)值作用是為下一步多因子模擬中縮小取值范圍，使建筑碳排放始終控制在低碳范圍內。

(2)多因子模擬

在建筑低碳方案設計過程中，建筑運行中的能耗與建筑舒適度之間的矛盾需要平衡，就涉及到多種因子的相互作用。如建筑的窗墻比增加、室內進光量增加，需要的室內照明能耗將會降低，但同時建筑的保溫隔熱性能也將降低，建筑的暖通能耗將會提高，所以需要同時考慮圍護結構的傳熱系數(shù)。多因子模擬將根據(jù)單因子模擬所得出的最優(yōu)值，及其前后的取值范圍進行選擇。這樣將建筑方案低碳初期設計控制在一定范圍內，將會有效的控制后期建筑運行的能耗及碳排放。

(3)低碳系統(tǒng)模擬

根據(jù)單因子及多因子模擬所得的結果，建筑師可以根據(jù)不同區(qū)域、不同建筑類型進行低碳建筑方案設計，這種模擬方式將會在建筑方案生成前就能在一定的低碳范圍內進行取值，使建筑創(chuàng)造更具有技術性、合理性和科學性。最終形成的建筑方案，根據(jù)低碳因子的多項選擇及排除后，確定為幾種方案類型，而針對這幾種確定方案的模擬即為低碳系統(tǒng)模擬，可以直觀體現(xiàn)幾種方案的優(yōu)劣。

以上通過對單因子的對比模擬，得出了在不同條件、形式、取值下的每種因子的碳排放變化值，而不同因子之間相互作用，其疊加后產(chǎn)生的碳排放效果可能相互促進，也可能相互制約。例如保溫性能強弱與室內通風好壞的關系，室內采光與外遮陽的關系，這就要求我們在整體上進行各因素的平衡，最后達到綜合的減碳效果。

在一個實際的低碳方案的整合設計中，最終根據(jù)設計要求和技術要求得出的方案池即圖3中所示意的低碳系統(tǒng)，是所有層級中不同因子選擇的集合，可以將建筑方案設計的碳排放保持在一個可控的范圍，完成低碳初期整合設計的全過程。對比單純根據(jù)設計要求完成的建筑方案更具科學性、可觀性和可控性。

圖3　低碳建筑影響因子整合過程

四、結　語

方案設計階段低碳建筑影響因子模擬，對整個全生命周期下的碳排放有著重要作用。這種將技術策略介入前期設計的低碳設計思維，不僅在初期就能控制住建筑整個階段的碳排放，而且通過設定不同影響因子對應的建筑信息形式，很好地順應了建筑師方案創(chuàng)作的思維模式，讓低碳建筑設計不再是后期技術的堆砌與低碳技術的疊加，從根本上使建筑方案的生成在一個可觀、可控的碳排放范圍內進行，做到了真正的低碳建筑設計。這種由建筑信息轉譯為技術層面的影響因子，最終回歸到建筑藝術上的低碳設計模式，是一種形式由簡到繁、內容由淺到深的“具象—抽象—具象”過程的表達。

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The Impact Factor of Low Carbon Building in Early Design Stages

LIU Ming1，GE Xiaorong1，LI Weishan1，ZHANG Baogang2

( 1. School of Architecture and Fine Art, Dalian University of Technology, Dalian 116024， China；2. Faculty of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China )

Previous studies of low carbon construction are based on the full life cycle of building, for the assessment of the existing building program estimated carbon emissions. However, to determine the impact of carbon emissions of each building information in the program design phase, from the “start” the entire carbon emissions can be controlled within a certain range, to avoid defects due to the construction program itself, then additional carbon measures will not help. Carbon design is not just limited to overlay a variety of technical strategy at a later stage, according to the existing policy measure carbon emissions, but simply from the program closely associated with carbon emissions. In the design stage low carbon impact factor is set, and information can be obtained about the different factors of carbon emissions by means of simulations, thus carbon emissions would be controlled before forming the building program.

low carbon buildings; early design stages; impact factor; carbon emissions

2015-04-27;

2015-10-19

國家“十二五”科技支撐項目：“城市生態(tài)化公共照明與低碳建筑技術研究及示范”(2012BAC05B01)

劉鳴(1979-)，女，吉林松原人,副教授，博士，主要從事建筑設計與技術研究，E-mail:liumingyitj@163.com；葛小榕(1990-)，女，吉林長春人，大連理工大學建筑與藝術學院碩士研究生，研究方向為低碳建筑設計；李維珊(1992-),女，河北滄州人，大連理工大學建筑與藝術學院碩士研究生，研究方向為低碳建筑設計；張寶剛(1975-),男,遼寧大連人,副教授,博士,主要從事綠色建筑與建筑節(jié)能研究。

J59

A

1008-407X(2016)02-0119-05