建筑碳中和設計的關鍵要素及其策略研究

沈楊 鄭梁杰

關鍵詞：碳中和;建筑設計;全生命周期

建筑活動是人類作用于自然生態環境最重要的生產活動之一，也是耗費自然資源最高的生產活動。在國家雙碳目標下，建筑碳中和的發展面臨重大歷史機遇。作為我國碳排放大戶，建筑業長期存在資源消耗大、污染排放嚴重、建造方式粗放等問題，隨著我國城鎮化水平的提高，建筑業規模的擴大，建筑生產過程中的碳排放也在持續增加。可以說，建筑領域的碳中和已成為國家實現碳達峰、碳中和的關鍵一環，對我國全方位邁向低碳社會，實現高質量發展具有重大意義。

一、 中國建筑碳中和的研究背景

人類社會的發展，從某種角度上說，就是一部能源演變史，即從漫長的柴薪時期過渡到飛速發展的煤炭時期，再到全面爆發的石油時期。正是對能源更加高效的利用，人類社會發生了翻天覆地的變化，生活水平日益提高。但隨之而來的是，化石能源的大量使用對地球環境與生態造成了前所未有的巨大影響。大量的溫室氣體排放，使得全球氣候開始升溫。根據《中國氣候變化藍皮書2020》中的數據，2019年的年平均氣溫，相較1850年到1900年50年間的平均氣溫，高出了近1.1攝氏度，二氧化碳的排放量增加了5倍。劇烈氣候變化引發的種種自然災害，正在全球各地不停上演。全球范圍內頻發的自然災害預示著，人類這幾百年的飛速發展是有代價的。如果不能及時地進行補救和改變，地球生態平衡一旦被打破，人類將遭受不可估量的巨大損失，甚至將導致生存危機。

建筑業作為歷史悠久的傳統行業，涵蓋了人類社會大部分的生產以及居住環節。隨著中國城鎮化的高速發展，隨之而來的是大量的建筑能源消耗以及溫室氣體排放。以中國建筑節能協會發布的《中國建筑能耗研究報告2020》為例，2018年全國建筑碳排放總量為49.3億tCO2，占全國碳排放的比重為51.3%。全過程能耗總量為21.47億標準煤，占全國能源消費總量比重為46.5%;而建筑建造和運行相關的碳排放相較于2001年增長了1倍以上，并且增速還在逐年加快（見圖1）。高瓴產業創新研究院發布的《邁向2060碳中和--聚焦脫碳之路上的機遇和挑戰》一文中也指出，中國的相關行業中，最晚實現碳中和的很有可能是建筑行業。根據中國建筑節能協會的統計數據，按目前的碳排放趨勢發展，城市建筑在未來10年將新增220億平方米，將直接間接的新增碳排放約14億噸。且建筑業很可能要到2039年才能碳達峰，比全國總體規劃的2030年碳達峰的目標，晚了將近九年。為了達成國家雙碳的戰略目標，建筑業碳減排刻不容緩。

要達成建筑碳中和的目標，首先要明確其碳排放來源，對其表現進行評價，然后才能制定相對應的策略進行改進。

第一個要素，也是最直觀的，即建筑的運行能耗。該要素記錄的是建筑在建成后的使用階段所產生的能源消耗和碳排放量。現代建筑主要以電力消耗為主，而目前以火力發電為主的發電方式，會產生大量的碳排放。針對第一個要素，建筑可以通過主動以及被動的節能技術，來減少對外部電力能源的使用。同時增加可再生能源的使用，如太陽能，以及水電風電，以達到運營階段近乎零碳排放的目標。

第二個要素則是盡量全面的記錄建筑全生命周期的碳排放量，即從時間維度上來看，建筑從“生”到“死”所產生的碳排放量，相當于給每棟建筑制定了一個碳排放的病歷卡。建筑全生命周期具體是指從材料的生產、建筑場地的施工、建筑的使用運營，到最終的拆除及材料的回收利用四個階段。每個階段都會產生相應的碳排放以及留下不同的碳足跡。相對于僅僅關注建筑運行階段的碳排放量，第二要素的衡量范圍更加全面廣泛，同時要求也更高。為了實現全生命周期零碳排放的目標，需要從業者在建筑每個階段都盡可能地減少碳排放，如使用環保的建材、采取更加高效的施工方式以縮短施工時間，增加可回收建筑材料的比例。同時在不同階段中采取相對應的負碳行為進行平衡。

第三個關鍵要素則是涵蓋了建筑全產業鏈的從業者，包括各個企業和組織在生產和經營過程中產生的碳排放。建筑碳中和不僅僅需要考慮單個建筑的碳排放量，而是要從街區、社區乃至城市的范圍內進行跨行業的綜合考量;動態平衡建筑群之間，不同行業之間的碳排放，以達到城市整體碳排放量減少的目的。

三個要素衡量的范圍由小到大，由單一的維度到復合的維度，從業者需要根據具體場景建筑碳排放的表現進行測度。同時不同的要素需要采用相對應的碳排放計算方法并考慮計算邊界。對于零碳建筑而言，更多涉及的是建筑運營時的直接排放和間接排放，主要包括工業、電力、建筑和交通四個行業。而對于建筑全生命周期中的碳排放計算，則涉及更多的相關行業，且受到其他行業碳中和進程的影響，計算邊界需要根據不同的行業進行動態的界定調整。

三、不同要素對應的建筑設計策略

設計作為建筑項目的發起環節，需要在初期就把建筑碳中和的三個關鍵要素考慮進去。建筑師應當肩負起更大的責任，著力研發更高效的構造方式，將光伏技術應用到建筑構件的各個組成部分之中，以增加清潔能源的使用場景。從源頭改變建筑原材料的構成，增加低碳排放建材的使用，以達到降低整個建筑業碳排放量的目標。同時借助BIM（建筑信息模型）對建筑生命周期內各階段的信息進行深度的把控，優化建筑全生命周期的碳中和表現。

（一）策略一：光伏建筑一體化

為了降低建筑在能耗方面的碳排放，清潔能源的使用必不可少。太陽能作為一個顯而易見的清潔能源，人類一直在嘗試將其進行收集和利用。一直以來，由于存在光電產品與建筑結合程度不高、光電并網不易、市場認可度低等問題，太陽能光伏板一直沒能夠在城市大面積的鋪開使用。但通過國家幾十年對光伏產業持續不斷的大力扶持，以及近幾年光伏產業的技術突破，整個光伏行業終于迎來了大爆發。光伏技術的成本大幅下降，終于讓其有了在建筑業乃至更多行業使用的機會。

特斯拉作為目前新能源領域中最炙手可熱的公司，在發展電動車的同時，也推出了自家的太陽能屋頂模塊。相較于傳統的，將太陽能板直接鋪設在建筑屋頂上的方式，特斯拉直接將太陽能板與屋頂構造進行結合，打造出一個獨立的完整產品，即一個帶有嵌入式發電機，且能夠收集太陽能的屋頂瓦片。屋頂瓦片以玻璃磚的形式出現，并使用彩色薄膜巧妙地隱藏太陽能電池。

集成式太陽能屋頂的出現，為建筑光伏設計提供了全新的思路。傳統的光伏屋面做法大多是將藍色或者黑色的矩形光伏面板直接放置在建筑的屋頂。這些產品與屋頂之間的坡度或角度經常是不同的，致使太陽能的收集效率不高，同時這部分產品難以根據屋面尺寸定制，且可用的顏色有限，很容易與非光伏板的部分形成鮮明的對比，降低建筑整體的美感。而將光伏系統與房屋的基本構件結合，然后以此為模塊進行建造，則能夠同時解決效率和美觀的問題。

除了光伏屋頂之外，很多公司也在嘗試將太陽能技術集成到外墻、窗戶、陽臺欄桿等其他建筑元素中。這些產品正在證明集成光伏系統的快速、低成本和可持續制造，在經濟上是可行的。光伏系統與建筑構件的結合還衍生出一種創新的商業模式，開發商可以大規模采購集成了光伏系統的建筑構件，通過與住戶進行協商，分享后續建筑立面和屋頂產生的能源收入，以此來降低前期的建造費用。

對于建筑，找到效率與美觀之間的平衡一直是一個永無止境的過程。人們需放棄一些先入為主的觀念，就像太陽能光伏板并不是永遠只是一成不變的藍色或黑色矩形板。在零碳建筑的開發中，將低碳綠色能源的生產技術與建筑的建造進行結合，將美學、成本和效率進行綜合的考慮，將是未來建筑設計所需要面臨的挑戰。

（二）策略二：木構建筑的回歸

2020年，我國碳排放量最大的行業分別是火力發電、鋼鐵和水泥業。其中鋼鐵和水泥，分別占到18%和14%。作為建筑業最基礎的兩大原材料，鋼鐵產業有64.7%的產量最終用在了建筑業，而水泥則幾乎全部在建筑業上使用，所以在建筑原材料上進行創新與突破，可以有效地減少建筑碳排放。我國目前主要的應對之策，是對鋼鐵和混凝土的生產工藝進行優化，減少其在生產過程中的碳排放;同時優化建筑的結構計算，減少原材料的使用量;同時大力發展創新材料，如高性能混凝土，其具有耐久性強、強度高且二氧化碳排放少等特性。

但僅僅是在鋼鐵和混凝土領域進行優化研發是不夠的，我們需要找到更多的低碳建材進行替代。樹木作為最好的碳收集器，隨著樹木的成長能夠固化空氣中的二氧化碳同時釋放氧氣，一直都是公認的環保材料。近些年國內外一個大的發展趨勢就是木構建筑回歸，在建筑設計中大量使用木材來替代碳密集型的建材如磚石，水泥和鋼材等。

美國建筑大師賴特說過：“木材對于人類來說是普遍美麗的，是所有建筑材料中最親近人類的。”但過去一兩百年，木材卻慢慢淡出了現代建筑領域的主流舞臺。其主要原因就是天然的木材，其剛度和強度都不能夠滿足現代高樓大廈建筑的使用需求，同時木材在防火性能上一直存在安全隱患。但隨著材料技術的快速發展，一種新的復合木材料的出現改變了這一現狀，即交叉層壓木材，也被描述為“工程木材”。其特別之處在于通過將三層紋理相互垂直的木板通過特殊的工藝進行壓合。在木材的內部形成兩個受力方向，從而改變木材的力學特性，使其具有了較強的抗壓和抗彎強度。同時在外觀上和氣味上，由于只使用了極其少量的黏合劑，基本和純木沒有區別。

目前全世界的建筑師們都在嘗試拓寬木構建筑的使用場景，從大型場館到橋梁，再到高層建筑。最近在溫哥華，美國建筑公司Perkins+Will即將建成全世界最高的木構建筑。該項目名為加拿大地球大廈，高40層，包含200套公寓以及零售餐飲辦公等綜合功能區（見圖2）。除了核心筒和樓梯間之外，其余部分包括地板、結構柱、外裝飾等全部使用了交叉層壓木材。對比傳統同等規模的混凝土建筑，其在原材料的碳排放上僅為后者的三分之一。同時建筑通過室外的露臺、垂直綠化和光伏系統對建筑進行表層的保溫隔熱，搭配三層的中空門窗系統，使得整個建筑能夠維持一個非常低的能耗水平（見圖3）。該項目從材料的選擇到后期的運營都符合碳中和的宗旨，將為零碳建筑的發展創造一個非凡的先例。隨著越來越多的開發商和建筑師加入木構建筑領域的研究，木材——這一自然而美麗的材料將會很快重新進入人們的視野，成為城市中靚麗的一道風景。

建筑碳中和的要素中，必不可少的一個就是掌握建筑從誕生到消亡，全生命周期的數據情況。為了實現這一目標，則必須引進BIM技術，即建筑信息模塊。BIM技術，是一種廣泛應用于設計、施工、項目管理領域的數據化工具，通過對建筑數據化模式的集成，在項目規劃、執行與維護的過程中，實現資源共享與傳播，讓建筑技術人員對施工中各個階段的信息都有了直觀的掌握，并據此做出高效的應對。

BIM技術通過給建筑構建三維模型，相當于給建筑在出生之前建立了一個身份檔案，可以很好記錄建筑從規劃設計、施工到運營維護、到拆除回收四個階段的信息數據。BIM技術在國外已經發展得較為成熟，基本實現了在70%-80%的項目上使用BIM。在這方面，我國大概落后國際領先水平15年左右的時間，在2013年國家把綠色建筑納入國家戰略的高度之后，BIM技術的應用在國內開始爆發式的增長。其中影響力最大的BIM項目就是由同濟大學主導設計的上海中心，該項目為中國首個采用BIM的超高層項目。前期設計通過BIM三維模型的仿真模擬，有效地降低了建筑的風荷載，同時對結構進行優化，減少了結構的用鋼量。上海中心還通過BIM數據模型將風力發電、智能照明、雨水收集等綠色技術整合到建筑中，形成一個綠色的能源體系，成為唯一獲得LEED-CS白金級的中國建筑（特指400米以上建筑）。隨著BIM技術的發展，以及國家對碳中和日益重視，BIM在建筑全生命周期的各個環節中發揮了越來越大的作用。

在前期規劃階段，通過BIM與GIS軟件的相互配合，對項目的場地關系、業主需求、城市規劃等方面進行綜合的量化分析，以此來確立最優的場地布局，以及預估項目的資金回籠情況等。在方案設計階段，建筑師可以借助BIM進行聲光熱等多維度的數據模擬，根據造型進行實時的演算。通過對不同數據的比對，最終得到高效的被動式低碳建筑。各專業的設計師也能夠通過云端的數據共享，實時分享彼此的設計成果，減少大量決策時間。

在施工階段，各單位通過將不同專業的信息以三維數據的形式整合在一個模型之中，校驗不同模型之間是否有碰撞和沖突，并以此為依據進行調整，避免各專業間因為數據的不同步，導致在最終的施工過程中發生錯誤。這樣可以節約大量施工時間，并且有效地減少原材料的浪費。BIM數據模型還能夠快速的統計項目中各材料的工程量，同時根據施工順序，合理安排材料的運輸和在施工場地的堆放位置，減少施工過程中的能源浪費。

在運營維護階段，BIM可以與物聯網相結合，利用云計算將傳感器和終端的控制器相互連接，建立一個對建筑的能耗和健康情況進行實時監測的系統。將建筑各個部分的能耗計算與對應的能源管理系統進行匹配，動態平衡建筑的各個指標，最終達到節能減碳的目的。

在最終的拆除回收階段，由于從設計、施工到運營階段都有詳盡的數據留存，施工方通過三維模型可以快速定位需要回收的材料所處的位置及數量，精準高效地進行材料回收，減少浪費和不必要的拆除損耗。

位于四川若爾蓋暖巢項目，較好詮釋了如何利用BIM技術，以數據為導向來優化建筑設計的方法（見圖4）。暖巢項目建筑面積為1255m2，包括21間宿舍和頂層的一間室內活動室。項目以數據為支撐，結合周邊環境的模擬進行參數化設計，在不采用任何取暖設備的情況下，使得全年室內的氣溫不低于12攝氏度，且整個建筑的能耗系統只有照明系統，使得整個建筑的碳排放量極低。設計上首先對建筑的朝向進行模擬分析，確保進入室內的全年太陽輻射總量最大，且盡可能地拉長太陽的照射時長，使得建筑在全年最冷的月份，最低氣溫提高了三度;同時以數據為導向，對建筑的南北立面給予不同的設計策略。南立面采用直接受益式與集熱墻式相組合的方式。直接受益式是效率最高的太陽能被動利用方式，但室內溫度波動較大，集熱墻式效率低，但有利于房間溫度穩定。通過對外墻參數的精細模擬，微調兩種太陽能利用方式在立面上的占比，進而達到一個熱效率和使用體驗上的最優平衡。

北向墻是熱量損失最多的墻體部分，其中外窗是熱損失最薄弱的環節。建筑設計過程中，依賴于采光計算結果，把在當地氣象條件下將走廊的采光亮度控制在300lx，并將其作為設置外窗采光面積的主要依據。在滿足采光要求的前提下，外窗總面積盡量小。同時建筑將采光窗放在立面的高處，在提高采光均勻度的同時，避免寒風對室內溫度的影響。在眩光刺眼的高原地區，精確設置窗戶尺寸和高度的走廊和樓梯間，光線柔和氣溫舒適，成為孩子們最喜歡的閱讀空間。

零碳建筑對于建筑業的碳中和非常重要，但是建筑業的減碳路徑并不是簡單地等同于全面的零碳建筑。單純一味地追逐每棟建筑的零碳，成本較高且無法形成社會各行業間的規模化效益，行業間的靈活協調才是在能源使用上最高效的。比如建筑與周邊的道路交通系統之間，可以將建筑與電動車充電樁的街區級虛擬電網進行連接，白天電網通過充電樁為電動車進行充放電，而到了晚上，用電需求降低時，轉而為街區內的建筑進行供電。而在建筑耗能較少的春秋季，借助建筑屋面光伏板收集的多余太陽能通過電網給充電樁的儲能電池進行充電。建筑耗能與新能源車的用電之間根據實時的數據監測進行動態的平衡，可以達到更高的使用效率。除了上述的例子，其他行業也能夠通過多維度的能源互通來達到節能減排的效果。例如利用垃圾焚燒產生的熱能為城市居民提供熱水等。

在碳中和領域，城市是實現多行業高效能源使用上最好的空間載體。在碳達峰碳中和的大背景下，政府可依托新城發展與城市更新的契機，建立切實有效的減排系統。通過數據中心鏈接各個能源體系，實時檢測各個端口的能源使用情況，打造智慧城市，最終實現區域節能減排的目標。

四、結語

中國作為全世界體量最大且發展最快的發展中國家，在全世界的碳中和進程中都起著舉足輕重的作用。建筑業作為中國主要的碳排放來源之一，在建筑領域加強節能減排工作無疑是助力實現碳達峰、碳中和鏈條中非常重要的一環。

對于建筑碳中和，在制定有效的提升措施之前，首先需要先明確相對應的評價體系。有了評價體系，我們才能更好地衡量各項舉措的優劣。我們從眾多的評價體系中，提煉出三個最重要的衡量要素。首先要考慮的是單個建筑在后期運營階段的碳排放表現，包括建筑運維的能源消耗以及建筑材料的日常損耗。除此之外，我們還要從時間的維度，對建筑的全生命周期的碳排放表現進行監測，規劃從建筑的“生”到“死”全生命周期的碳排放足跡。與此同時，還要以更大的視角和尺度來關注整個社區，乃至城市建筑群的碳排放變化趨勢。將不同區域，不同行業間的能源消耗和碳排放進行動態平衡。三個要素分別從不同的維度和尺度對建筑碳中和的表現進行衡量，相對于簡單選擇單一的評價體系，其適用的范圍更廣且更加全面。

明確了建筑碳中和三個衡量要素，從業者們則可以制定相對應的建筑設計策略。首先需要大力倡導的是節能低碳建筑，建筑師需要增加對光伏建筑和木構建筑的設計研發。從源頭減少建筑材料所產生的碳排放，同時在運營階段減少火電的使用，增加清潔能源的占比。其次，推廣BIM技術在設計領域的應用，利用環境數據對前期的建筑設計進行優化，結合裝配式建筑的生產方式，在三維模型中整合不同的設計專業，減少施工錯誤和返工，縮短施工周期。最后需要從政策角度，積極引導不同專業的從業者進行跨行業的協同設計，將城市作為碳中和合作的空間載體，靈活整合資源，提升整個區域的碳中和表現。

過去三十年是我國快速城市化的時代，建筑業作為支柱產業，且一直是拉動我國經濟發展的三駕馬車之一。但相較于其他行業，建筑業在碳中和方面的發展卻并不具有優勢。更由于建筑業大體量和長周期的行業特點，行業節能減排的加速發展刻不容緩。國家近些年連續推出一系列綠色建筑的規范和城市設計導則，對特殊領域提供綠色金融的扶持政策，同時對建筑光伏產業大力扶持，無不看出國家對于整個建筑碳中和領域發展的決心。除此之外，我們還應當在媒體領域更多的倡導以及普及綠色建筑、綠色生態的美好理念，讓建造者，設計者和使用者都能夠了解綠色建筑的必要性，為零碳建筑的發展創造優渥的生長土壤。未來國家一定會在建筑碳中和領域的方向持續進行發力，建筑師以及建筑的上下游從業者都應該堅定不移地向2030年碳達峰、2060年碳中和的目標努力。

參考文獻：

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基金項目：1寧波職業技術學院研究機構專項課題：碳中和約束下的浙江省灣區經濟帶重點行業和領域碳排放達峰路徑研究;2 ?浙江省哲學社會科學規劃課題（19NDJC011Z）。

作者簡介：沈楊（1969-），女，安徽宣城人，教授，碩士，主要從事環境經濟、生態旅游研究。

*通訊作者：鄭梁杰（1991-），男，上海人，碩士，主要從事建筑設計方面工作。