建筑物碳排放量和成本的優化設計研究

蒲云輝， 王清遠， 李文淵， 王小鵑

(1.成都大學 建筑與土木工程學院， 四川 成都 610106； 2.四川大學 新能源與低碳技術研究院， 四川 成都 610065； 3.四川大學 破壞力學與工程防災減災四川省重點實驗室， 四川 成都 610044)

0 引 言

相關研究表明，目前建筑行業消耗了全球約40%的能耗，并產生了全球近30%的溫室氣體，是第二大碳排放主體，且一棟建筑全壽命周期的各個階段的碳排放量數據顯示：運營階段的碳排放量最高，大約占壽命周期總量的85.4%，建設階段大約占12.6%，而拆除階段約占2%[1].有研究指出，盡管設計階段本身并不會產生太大的成本和環境影響，但是該階段所設計的方案卻決定了一棟建筑全壽命周期70%的成本和對環境的影響[2].另有學者提出，建筑物碳排放量與成本有著密切的關系：一方面，為了減少碳排放量而可能增加或減少的建筑成本；另一方面，由于碳排放量的增加而增加的環境成本[3].因此，在設計階段就著手優化建筑物的全壽命周期碳排放量和成本是建筑行業走可持續發展道路的關鍵.

目前，針對建筑物全壽命周期的碳排放量和成本進行設計優化包括兩個步驟：首先，估算出建筑物全壽命周期的碳排放量和成本；然后，利用該數據對設計方案進行多目標優化.目前，基于傳統手工算量的方式費時費力且精度不高，不能滿足優化設計時需快速獲取數據的要求[4-5].另外，由于碳排放量和成本的相互關系，僅采用單目標優化的方式也不能滿足優化的要求[6].對此，本研究擬引入一種新的數據計算模型以及能同時實現兩個目標優化的方法，即：首先，用基于建筑信息模型(Building information modeling，BIM)的新手段快速準確地估算建筑物的碳排放量和成本；其次，采用基于粒子群算法(Particle swarm optimization，PSO)對碳排放量和成本兩個目標同時進行優化.

1 基于BIM的碳排放量和成本計算

1.1 全壽命周期碳排放量計算理論

建筑物的全壽命周期描述了建筑物從建筑材料的生產到拆除的全過程.本研究中，建筑物全壽命周期碳排放量(Life cycle carbon emissions，LCCE)是指一棟建筑物在全壽命周期內所有溫室氣體排放的總和，并以二氧化碳當量表示(某一種氣體的二氧化碳當量為該氣體的噸數乘以其全球變暖潛能值)，其涉及建筑材料的生產、運輸、施工、運行維護以及拆除回收等過程，具體如圖1所示.

圖1建筑物全壽命周期碳排放量示意圖

碳排放因子法是統計建筑物的每一個階段每一種碳排放源的數量，并將其與其碳排放因子相乘，匯總而得出的該建筑物的碳排放總量，然后除以總建筑面積求得單位建筑面積的碳排放總量[7].相關的計算公式如(1)～(8)所示.

LCCO2=CEm+CEt+CEc+CEo，m+CEd

(1)

式中，LCCO2是指1 m2建筑物全壽命期的碳排放總量(kg/m2)；CEm是指1 m2建筑物在材料生產階段的碳排放量(kg/m2)；CEt是指1 m2建筑物在材料運輸階段的碳排放量(kg/m2)；CEc是指1 m2建筑物在施工階段的碳排放量(kg/m2)；CEo，m是1 m2指建筑物在運行和維護階段的碳排放量(kg/m2)；CEd是指1 m2建筑物在拆除階段的碳排放量(kg/m2).

(2)

式中，Mi是材料生產階段所需的第i種材料的質量(kg/m2)；MFi是生產1 kg第i種材料的碳排放量(kg/kg).

(3)

式中，Li是第i種材料的運輸距離(km)；TFi是運輸1 kg第i種材料1 km的碳排放量(kg/(kg·km)).

(4)

式中，Ei是施工階段所消耗的第i種能耗的數量(kJ/m2)；CFi是每消耗1 kJ第i種能耗的碳排放量(kg/kJ).

CEo,m=CEo+CEm

(5)

(6)

CEm=cem+cet+cec

(7)

式中，CEo是建筑物在運行階段所消耗能耗的碳排放量(kg/m2)；CEm是建筑物在運行階段維護修繕時的碳排放量(kg/m2)；Ei是在運行階段每1年所消耗的第i種能耗的數量(kJ/(m2·年))；OFi是每消耗1 kJ第i種能耗的碳排放量(kg/kJ)；Y是建筑物設計使用年限(年)；cem、cet和cec分別是維護修繕時材料生產的碳排放量、運輸的碳排放量、施工的碳排放量，具體計算方式參照CEm、CEt和CEC.

相關研究顯示，建筑物在拆除階段的碳排放量約為其施工階段的碳排放的90%[8]，即可通過此關系式估算建筑物拆除階段的碳排放量.

CEd=CEc×0.9

(8)

上述碳排放因子的獲取可以通過查詢《IPCC國家溫室氣體清單編制指南》(2006年)、《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》(國家發展和改革委員會發布)，或者通過現場實測獲得.然后通過上式(1)～(8)便可估算出建筑物在全壽命周期內1 m2建筑物的碳排放量.

1.2 全壽命周期成本計算理論

建筑物全壽命周期成本，是指建筑物項目，從前期的決策設計、施工建造、竣工驗收、運營維護直到報廢拆除等一系列過程所發生的總費用.對于考慮碳排放量的建筑，除了要考慮為減少碳排放量所采用的新材料、新技術對建安成本的增加或減少，同時還要考慮低能耗、低排放的建筑物在運營期成本的減少，以及其對建筑物拆除階段成本的影響.此外，由于建筑物碳排放量的減少會產生一定的環境效益(也就減少了環境治理的相關成本)，站在財務評價的角度，可以采用市場交易原則參考目前清潔發展機制(CDM)提出的CO2減排價值，并將其計入全壽命周期成本減少額.據估算，CO2的減排價值約為80～120人民幣元/t[9].再考慮資金的時間價值(假設所有費用的發生時點是在年末)，將全壽命期的成本及CO2減排價值的收益折現，具體計算公式如(9)～(13)所示.

LCC=Cc+Co+Cd-R

(9)

式中，LCC是全壽命周期成本(元/m2)；Cc是建安成本(元/m2)；Co是運營期成本(元/m2)；Cd是拆除階段的成本(元/m2)；R是CO2減排價值(元/m2).其中，Cc建安成本的計算主要是依據2013版工程量清單計量與計價規范計算其建安成本，然后將建安成本分配到各建設期使用，具體計算式為，

(10)

式中，Cct是第t年的建安成本投資額(元/m2)；i是基準利率;t是第t年，k是建設期，

(11)

式中，Cct是第t年的運行成本(元/m2)，m是運營期，

(12)

式中，Cdt是拆除期的成本，

(13)

式中，Rm、Rt是分別是材料生產和運輸階段的CO2減排價值(元/m2)；Rct、Rot和Rdt分別指在建設階段、運行階段和拆除階段第t年的CO2減排價值.

通過式(9)～(13)便可計算出建筑物考慮二氧化碳減排價值的全壽命周期成本.

1.3 BIM技術的應用

目前，傳統手工計算建筑物全壽命周期碳排放量和成本的方式是將2D圖紙數據手工輸入算量軟件中計算其工程量，然后依據碳排放因子以及計價依據等按照式(1)～(13)算出碳排放量和成本.由于成本計算時工程量計算的時間大致占總計算時間的50%～80%[4]，且在優化設計時需要根據修改的方案多次重復計算工程量，因此該方法較為費時費力.另外，由于能耗模擬和工程量計算都是將2D圖紙數據分別手工輸入到幾個模擬軟件和算量軟件中，常因操作誤差而影響計算結果的完整性和可靠性[10].

建筑信息化模型(BIM)是以3D設計為基礎、以數字信息為載體，將建筑物(項目)全壽命周期內的所有信息高度集成在一個建筑模型中，可以方便地實現建筑、結構、暖通等各個專業的協同設計，也可以快速準確地進行能耗和碳排放的模擬，以及碳排放量和成本的快速計算[11].

采用BIM核心建模軟件，通過建立工作集的方式需首先對建筑、結構等各個專業進行協同設計.一方面，在概念設計、方案設計、初步設計和施工圖設計的各個階段，基于建模軟件和模擬軟件共同的IFC標準，可以將建筑模型直接自動導入到相應的建筑性能模擬軟件中進行模擬分析，得出建筑能耗和碳排放量等數據.而基于BIM技術對建筑物進行能耗和碳排放量的模擬后便可依據上述(6)和(12)式快速準確地計算出運營期的碳排放量和成本.另一方面，生成的建筑信息模型，包括材料的碳排放因子、運輸距離等信息，除了本身可以統計項目的工程量，還可以將其自動導入到與BIM核心建模軟件有接口的算量軟件中，如魯班、廣聯達和斯維爾等，從而快速準確地計算工程量.

相比傳統方式，基于BIM的碳排放量和成本的計算具有速度快、準確性高的優點，為進一步優化設計需多次快速準確地獲取相關數據打下了基礎.

2 基于粒子群算法的碳排放量和成本的多目標優化

2.1 粒子群算法

粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)是一種進化算法，該算法利用群體中的個體對信息的共享，使整個群體的運動在問題求解空間中產生從無序到有序的演化過程，從而獲得最優解[12].算法具有實現容易、精度高、收斂快的優點.

PSO初始化為一群隨機粒子(隨機解)，然后通過迭代找到最優解.在每一次的迭代中，粒子通過跟蹤兩個“極值”(pbest，gbest)來更新自己.在找到這兩個最優值后，粒子通過公式(14)～(15)來更新自己的速度和位置.

Vi=Vi+c1×rand()×(pbesti-xi)+c2×

rand()×(gbesti-xi)

(14)

xi=xi+vi

(15)

式中，i=1,2…，N，是此群中粒子的總數；Vi是粒子的速度；rand()是介于(0,1)之間的隨機數；xi是粒子當前的位置；c1和c2是學習因子，通常c1=c2=2;vi的最大值為Vmax(大于0)，如果vi大于vmax，則vi=vmax.

對于一個多目標的優化問題，并沒有明確的解決方案可以使得所有目標同時到達最優.但是，決策者可以依據柏拉圖最優解的方式做出最后決定，基于PSO對兩個目標搜索和更新的過程[13]如圖2所示.

圖2基于PSO算法的兩目標優化過程

2.2 基于BIM技術和PSO算法的碳排放量和成本的多目標優化

本研究提出的基于BIM技術和PSO的建筑物全壽命周期碳排放量和成本多目標優化過程如圖3所示，其主要步驟為：首先，利用建筑物的原始信息建立建筑物的信息化模型，一方面將模型導入算量軟件，快速統計出建筑物的工程量，并依據上述全壽命周期碳排放量和成本的計算理論，進一步得出建筑物在材料生產、運輸、施工和拆除階段的碳排放量和成本；另一方面將模型導入能耗模擬軟件，分析建筑物在運營期的能耗和碳排放情況，并得出其在運營階段的碳排放量和成本.然后，設置目標變量(碳排放量和成本)的適應度函數f1和f2，基于PSO算法對方案進行逐步優化.其中，設計方案選擇可依據以下步驟進行：

圖3基于BIM技術和PSO算法的碳排放量和成本的多目標優化過程

1)如果原始設計方案就落在柏拉圖最優解中，那么原始設計方案可以直接被選用.

2)否則，可采用“增變量”的方式進行判斷：

(1)定義Δk=LCCk/LCCO2k,其中k=1,2…是指第k個設計方案.

(2)把區域分成3份，分別標注為L1、L2、L3，如圖4所示.

(3)將更新的設計方案與原始設計方案比較，去掉那些超過原始設計方案的碳排放量或成本的方案.

(4)很明顯，最優解不可能在LCC最大，或者LCCO2最大時取得，其選擇如下：

①如果△k落在L1,最優的設計方案是△k最小時，如圖4所示，E是最優的設計方案.

圖4 第1種最優選擇情形

②如果△k落在L2,最優的設計方案是DK式(16)最小時，如圖5所示，D是最優的設計方案.

圖5第2種最優選擇情形

(16)

③如果△k落在L2,最優的設計方案是△k最大時，如圖6所示，B是最優的設計方案.

圖6第3種最優選擇情形

通過上述步驟即可最終確定最優的設計方案.

3 結 語

目前，降低建筑行業的碳排放量已是全球亟待解決的難題之一，而從設計階段就著手對建筑物的碳排放量進行優化設計能起到事半功倍的效果.相比傳統手動算量模式，基于BIM技術的建筑物全壽命周期碳排放量和成本的計算具有速度快、準確度高的優點.同時，與過去只單一考慮成本或碳排放量的優化設計不同，基于PSO算法可以兼顧碳排放量和成本，并同時對兩者進行多目標優化.本研究結果可使建筑物全壽命周期排放量和成本的多目標優化得以實施，操作性較強.