基于LCA的模塊化建筑物化階段碳排放協同仿真平臺設計與實現

蔣博雅

（南京工業大學建筑學院，南京211816）

0 引 言

近年來，全球范圍內溫室氣體排放所引發的溫室效應問題亟待解決。我國作為能源消耗與溫室氣體排放的大國首當其沖，碳排放水平將會成為評價一個工程項目對環境負荷影響是否合理的重要指標。據住建部顯示，我國的建筑能耗約占總能耗的40%，碳排放量約占總排放量的36%［1］，建筑占全球原料周轉的40%［2］。節能建筑的一個重要發展方向是預制裝配化，伴隨著國家生態綠色發展戰略的實施，對裝配式結構的需求將全面提升。虛擬仿真平臺作為建設項目虛擬模擬試驗場，即建設項目信息集成的數據庫系統，具有信息關聯性、信息數字化以及信息完備性的特點［3-4］。模塊化建筑碳排放計量是一種與現有工程項目計算內容區別較大的計算工作，應用信息模型以評估其生命周期碳排放量可以充分發揮其作為項目信息載體的優勢。

1 實驗背景

1.1 適用性、廣泛性與代表性

本實驗課程主要包括模塊化建筑設計、碳排放模擬與LCA影響評估3大模塊，與近幾年國家大力推動和發展預制裝配的前景相契合，適用范圍更為廣泛，計算結果易與發展通用模擬方法來定量預測和評價不同裝配式結構建筑設計方案所產生的碳排放差異，對于節能減排和降低建筑能耗具有重要的意義，為工業化建筑碳交易市場機制的統一發展提供一定的數據支撐。同時在計算操作的過程中，讓學生真實體驗預制裝配建筑的虛擬建造流程，如工廠化構件生產、吊裝運輸、現場組裝等具體步驟［5］。

1.2 可行性

模塊化建筑碳排放模擬是實驗的關鍵性步驟，預制建造流程的精細化管理，要求了解每一步驟所耗費的人工、料、機械的參數［6］，而現場全程跟蹤建造過程會導致教學周期加長，實驗成本大幅度上升。從本科教學上看目前普遍存在實驗課時嚴重不足的情況。從實驗成本上考慮，不具備讓全體學生在實訓中進行全生命周期跟蹤材料碳排放量的可行性，而虛擬仿真技術的引入正好填補這方面的缺憾。

1.3 時代性與實用性

技術創新引發生產方式變革，工業化生產方式所能帶來的節能減排成效顯著，但由于真正基于市場環境的、相對深入的工業化建筑實踐才剛剛起步，相關節能減排理論還不充分，需對該議題展開深入研究，將科研成果以課堂理論講授與實驗操作演示相結合的方式傳授前沿建筑技術科學知識，通過模塊化建筑裝配過程虛擬仿真實驗平臺的構建，有效地將教學中理論層面缺失的、實際操作困難的、實驗過程相對復雜的真實實驗流轉化為技術實踐層面的、可視化操作層面的、網絡化多數據處理層面的虛擬仿真實驗，具有較強的實用價值，有利于進一步加強對學生理論知識、工程實踐能力、技術創新能力的培養。

2 實驗教學方法

2.1 實驗原理

2.1.1 全生命周期評價（LCA）理論

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種定量技術，用來評估產品整個生命周期的環境影響。如ISO 14040/14044所述，LCA研究包括4個交互式階段，即：目標和范圍定義；生命周期清單；影響評估和解釋［7］。在第1階段，定義LCA研究的關鍵問題，如研究目標、系統邊界、目標受眾等。第2階段是收集必要的數據，建立LCA模型和過程數據清單。應用特定的影響評估方法進一步分析清單數據，并推導研究影響類別的指示結果。最后階段是基于目標和范圍定義解釋結果進行分析以檢測碳排放的熱點區域。LCA研究是一個非常強大的工具，識別環境影響明顯階段，所涉及的研究對象有制造商、用戶等。

2.1.2 建筑碳排放核算模型

碳排放核算方法遵循輕質工業化建筑碳排放的計算邏輯。①對構件分類并確定各階段的劃分，基于排放系數法建立各階段碳排放核算模型；②基于Three.

js/WebGL技術實現模型在線瀏覽，支持多種碳排放計算參數設置，結合國際綠色建筑碳排放標準進行數據計算分析，提供完整虛擬仿真平臺，讓用戶可自定義并模擬計算建筑單元生命周期碳排放量；③實現與建筑能耗分析軟件EnergyPlus的鏈接，建立全生命周期碳排放核算模型。

2.1.3 國際標準組織制定的碳排放核算標準

目前使用的數據庫有歐盟ELED、瑞士Ecoinvent、中國CLCD（Chinese Life Cycle Database）、《省級溫室氣體清單編制指南》（發改辦氣候［2011］1041號），參照《全國統一施工機械臺班費用定額》中各類機械臺班消耗能源量。

2.2 實驗教學體系

整個實驗教學體系共由5個部分構成，即場景模擬、理論學習、人機交互、分析對比、影響評價。場景模擬是從4大場景（物化的4個階段［8］，見圖1）著手，用戶可以按階段順序點擊進入單個小場景開展實驗，查看和審核單一階段的實驗學習情況；人機交互是實驗教學的核心，讓學生在虛擬建造場景中根據實驗要求選擇建筑物構件、材料、機械設施等對象，通過“測”“輸”“算”“調”“導”參數5步操作，形成實際建筑建造模擬、碳排放量算等一系列活動，得出相應的碳排放結果。根據階段性仿真結果進行數據的分析對比，歸納影響最大或影響最不顯著的碳源。基于對碳源的歸納總結，有針對性地對模塊化建筑對象進行評價、解釋，調整建造過程要素，提出優化的工程設計策略。

圖1 實驗的4個階段

如圖2所示，實驗開發設計框架由4個模塊構成。①實驗簡介模塊（包括實驗背景、實驗目的、實驗步驟和實驗相關理論），使學生在實驗開始前做好預習，在課堂上通過提問檢驗預習效果，通過細節及難點的講解幫助學生更好地理解實驗過程，80分以上才可開始實驗；②4個階段虛擬仿真模塊；③每一場景的階段性報告模塊；④實驗報告及實驗相關習題。

圖2 實驗開發設計框架

2.3 實驗開發技術支持

虛擬仿真平臺提供內置的三維模型瀏覽查看功能，比如模型的縮放、旋轉、視點跳轉等，同時還提供模型目錄結構樹瀏覽、模型組件的隱藏與顯示、模型組件的信息顯示與搜索，內置的模型測量工具，可以對模型組件長度、角度、面積等多種參數進行測量，內置的剖面工具可以在任意平面上對模型進行剖切，來查看模型的內部結構。

使用VUE＋NODE組合搭建的Web應用，引入Three.js/WebGL技術在瀏覽器中實現房屋結構3D模型的加載、瀏覽和操作，使用ECharts進行碳排放分析數據展示。基于Web技術應用開發是信息技術發展主流趨勢，虛擬仿真應用部署方便，對客戶端軟硬件要求較低［9-10］。

3 實驗功能邏輯及交互設計

本實驗以輕型結構模塊化住宅為虛擬仿真實驗對象，選取4個階段（建材開采和生產、工廠化生產、運輸、現場裝配）、3個功能模塊（工人、材料、機械）進行具體交互闡述，場景設計使用工廠作為仿真背景，布置建筑模型、構成模塊、叉車、運輸板車等，當實驗處于第1階段時，可選取材料類別等參數來進行交互設計，模擬得出相應碳排放量結果。當實驗處于運輸階段，可通過選擇叉車、運輸板車等參數來進行交互設計，模擬得出該階段碳排放量。整個虛擬仿真以動畫演示為主，實現參數間的交互聯動，模擬結果將幫助理解包含結構構件組在內的工業化施工法的環境績效（見圖3）。

圖3 實驗場景

3.1 數據庫模型構建

將工業化建筑碳排放模型放在虛擬仿真平臺上（見圖4），可供學生分享和體驗，這需要教師通過JS語言編程，在頁面上清楚地展示該軟件網絡界面，實驗使用者直接通過登錄網站，模擬物化階段全過程，根據需要將數值輸入或點擊，并可以根據后臺設定的公式自動化生成量化清單以及不同場景下的耗能結果，讓教師的科研成果真正地轉化為實驗教學內容。

圖4 基于LCA的物化階段模塊化建筑工程碳排放數據庫系統［7］

3.2 碳排放數學模型構建

模塊化建筑是一種新興的建筑結構體系。相對于傳統技術，工業化建造流程更為復雜。一方面對工業化建造構成模塊體系展開研究，按照工業化流程，根據設計目標，培養對工序步驟等環節的初步認知；另一方面對過程要素進行剖析，區分不同階段物料處理環節差異。

如表1所示，關于模塊化預制裝配式建造工藝的研究系統包括：①建材開采、生產，該階段與傳統模式區別在增加了預制階段，實現零散的生產到集成化工廠加工的轉變；②運輸階段，由單一的建材運輸過渡到商品化的物流；③裝配階段，由傳統的以濕作業為主轉變為以干作業為主的施工方式，其中①、③包括工業化預制加工與現場拼裝成品的相關流程。

表1 傳統施工方式與預制施工方式的物化階段碳排放數學模型［9-11］

4 運行過程

4.1 需求分析

構建專用于工業化建筑過程數據自動化環境影響評估的數據庫平臺。用LCA在線評估軟件實現全生命周期碳排放量管理的可行且高效的做法是考慮如何導出和變更建造過程參數來預測和比較分析生命周期過程中碳排放影響因子量算數據，突破數據覆蓋面窄的局限，彌補國內現有資源數據庫缺失以及碳排放因子數據來自其他國家導致數據來源不準的空白，基于國內各地區碳排放因子本地化數據，達到參數快速提取、界面可視化、統計精確化的目的。在參數統計過程中著重考慮碳排放量算、環境影響評價和工業化建造過程的高度集成整合，為環境適宜性建造審查提供可靠依據，為設計優化預留出更多的時間。

4.2 仿真平臺框架

整個系統按照功能分為4個模塊：①LCA評估模塊：識別工業化建筑產品生命周期的環境熱點，提出改進建議與改進措施；②碳排放運算模塊：分析生命周期每一階段碳排放量，即對環境負荷的影響，以優化產品建造過程和提高產品性能；③建造過程參數處理模塊：提取建造過程關鍵要素，強化各要素之間的聯系；④自動化數據運行及數據集成統計模塊：對階段性要素及全生命周期要素比較、分析、管理和決策如圖5、6所示。

圖5 4個功能模塊

圖6 數據平臺框架圖

開發實現步驟如下：

步驟1搭建Web開發環境，安裝node.js和npm包管理器。

步驟2安裝Vue，構建一個Vue項目，本系統基于vue-admin模板創建。

步驟3在項目中引用Three.js和ECharts模塊

＜script＞

步驟4設計實現碳排放仿真實驗步驟，完成仿真實驗步驟人機交互界面實現開發。

步驟5完成3D模型管理模塊的開發，實現3D模型加載和瀏覽功能

步驟6實現碳排放計算算法模塊，在各實驗步驟中引用碳排放計算算法

步驟7實現碳排放分析結果展示功能，通過不同的圖表展示分析結果

步驟8打包發布項目，啟動虛擬仿真平臺進行驗證。

4.3 實驗結果

（1）建材開采、生產階段實驗分析。通過線上手動選擇構件材料并在線對構件進行測量，基于仿真平臺自動化量算，得出階段性結論：因為鋼型材的密度較大，是鋁合金的近3倍，而碳排放因子僅比鋁合金型材系數低27.4%，同樣體積的型材，鋼型材排碳量最大。考慮到我國具體情況，對森林資源的大肆砍伐，導致了森林資源面臨耗竭的危險，故木材要合理化運用才能體現它的生態價值。因此按最不利情況，不降固碳作用計入，碳排放因子取73.9 kg/m3。由于木結構的碳排放系數較低，故木結構最為節碳（見圖7）。

圖7 建材開采、生產階段實驗分析

（2）運輸階段實驗分析。測量模塊參數，計算模塊質量。系統呈現材料開采階段學生計算得出的主體大模塊和小模塊框架質量，其余構件質量直接顯示（主體大模塊：外墻0.14 t，地面0.4 t，屋面0.17 t；主體小模塊：外墻0.16 t，地面0.3 t，屋面0.12 t）。確定垂直吊運機械，用以運輸模塊。

通過數據庫平臺自動化量算（見圖8），得出運輸環節階段性結論：發動機差別不大，排氣量都為4.75 L，使得功率和比油耗數據差異小，額定起重重量1 t的變化量對碳排放量影響不大。因此在所有參數中，吊裝時間是唯一能顯著影響叉車能耗的參數。

圖8 運輸階段實驗分析

如圖9所示，通過數據庫平臺自動化量算，得出水平運輸階段性結論，即決定水平運輸碳排放量的核心要素是運輸距離和模塊質量，數值越大，碳排放量越大。運輸過程中用到兩種類型的機具，其中起重垂直運輸設備“叉車”的耗碳量較水平運輸設備“卡車”的耗碳量低，主要是由于水平運輸的距離較遠，設備運行時間較長。主體大模塊的質量較大，水平運輸中產生的碳排放量較小模塊耗碳量較多。

圖9 垂直運輸與水平運輸碳排放量比較分析

（3）現場裝配階段實驗分析。通過設計優化，采用可調基腳技術、滑軌技術、節點連接技術可減少機械設備的使用率和模塊的拼裝時間，減少組裝時能源的消耗。經過比對分析，優化后的現場裝配可減少碳排放量0.13 t。

（4）實驗內容的拓展。通過實際實驗操作、數據輸入與數據分析、完成實驗報告，以達到了解碳排放計算模型，熟悉碳排放計算公式中參數關聯性的目的。設定3個方向的實驗結果，即：①全生命周期（20年）各階段的碳排放量分析；②同一工業化建筑對象，不同生命周期的碳排放量分析；③對于特定模塊，全生命周期不同階段的碳排放量分析。

通過實驗分析得出，在輕質模塊化建筑20年生命周期中（見圖10），建材開采、生產階段，碳排放量最多（82.13%），對環境影響最大，運輸階段（2.88%）次之，碳排放量最少的是工廠化生產階段及運輸階段（0.13%，0.43%），因此應該更注重建材開采生產階段的節碳。

圖10 實驗分析與數據比對

生命周期碳排放評估的模塊化建筑裝配過程虛擬仿真

大部分臨時性住宅的材料是可循環的或可直接重復使用的，基于不同模塊材料的使用年限統計，40年的住宅，設備更新一次［12］；60年的住宅，設備更新2次，圍護體更新1次；100年的住宅，設備更新4次，圍護體更新2次；在100年評價周期內，碳排放量隨著住宅壽命周期的增加，低碳性越來越顯著，可見，相對20年使用壽命的住宅，100年使用壽命的臨時性住宅的碳排放量降低了34%。

通過對比分析得出，在建材開采、生產階段，太陽能光電板材料是高碳的；由于太陽能光電板的使用，建筑使用階段的碳排放量和全生命周期中的比例都明顯下降，且全生命周期的總碳排放量明顯下降［7］；因此，建議在模塊化建筑屋面模塊設計時結合太陽能光電板。

階段性實驗完成會及時反饋每一階段測量精度、量算完整度、實驗花費時間等。其次，能夠根據每一階段的操作，提出階段化的設計優化策略。整個實驗完成會及時反饋以上3個方向的實驗結果，通過考題檢驗學生學習情況，提出總體的設計優化策略［13］。

5 結 語

基于LCA、統計學方法與全生命周期碳排放核算模型，通過Vue＋Node組合實現虛擬仿真Web平臺，契合預制裝配技術發展方向，可面向中國中西部地區，實現網絡開放式教學。

自主研發的LCA軟件可在公共網絡平臺上線，在保留了核心架構的基礎上，強化和拓展虛擬現實視覺體驗功能，通過虛擬平臺的構建和模擬計算，有助于：①幫助學生和其他使用者理解預制裝配的概念、結構和要素，并進行設計方案碳排放量評估。②有效地減少對不同模塊化裝配式建筑建造對環境影響的不確定性，在碳審計的可行性方面提供更多的參考，加快學生對方案的決策過程。③彌補課堂單一理論講授環節培養的不足以及實踐中無法實際參與的缺憾，全面提升學生對生命周期物化階段碳排放量評估中的工業化建造過程的理解與認知，實現傳統建筑理論生動、可視、形象化再現。著重培養學生實際建造能力、裝配式建筑工程設計能力、資源和能源消耗加重空氣污染過程的理解能力及發現、解決設計中問題的能力。④使仿真平臺、技術型創新實驗與理論性課程設置緊密結合，互為補充，形成多個循環滋生鏈條，形成教學、實踐、創新共同促進的因果關系［14］，整合成多層次、多結構的虛實結合教學架構，促進培養跨學科、高素質、高技能創新人才［15-17］，以適應當代建筑技術發展的需要。