建筑技术 architectural technology 全生命周期零碳建筑控碳技术与设计方法 研究一一以“Solar Ark3.o"为例 米 Research on carbon control technology and design method for zero-carbon buildings in the full life cycle: taking 'Solar Ark 3.o" as an example 张军军张宏*叶红雨丛勐周超ZhangJunjunZhangHongYeHongyuCongMengZhouChao 摘要：以“SolarArk3.0"为例，从建 党的二十大报告提出“中国式现代化建设”的历史使命，“高质量发展”是实现总体目标的首要任务 筑全生命周期的七个阶段和建筑构 和物质技术基础；“发展方式绿色化、低碳化转型”是实现高质量发展的关键环节。建筑行业能耗占全球 件系统两个维度出发，阐述零碳建筑 终端总能耗的36%，碳排放约占全球总排放量的40%。建筑业能否实现从源头到拆除的全生命周期控 控碳技术与设计方法，通过计算验证 碳减碳，对全国是否能在2060年前实现“碳中和”具有决定性意义。 可以九年实现“碳中和”。 Abstract:Taking2022SDC "SolarArk3.o"as anexample, fromthetwodimensionsofthe 1 1.1建筑全生命周期边界与划分 建筑全生命周期的概念起源于1990年提出的生命周期评价标准，经由30余年的发展，现已被广泛应 sevenstages ofthewhole life cycle of the buildingandthe building component system,the carbon controltechnologyand design method of the zero-carbon building areexpounded, anditisverifiedbycalculation that"SolarArk3.o"canachieve carbonneutralityinnineyears. 关键词：零碳建筑；全生命周期； 建筑构件系统；控碳技术；建筑设计 全生命周期零碳建筑背景研究 用于建筑相关行业，是衡量建筑产品对环境影响的重要评价方法。受建筑工程复杂性、研究方法、数据来 源等各种现实条件的约束，目前不同的机构和学者对建筑全生命周期的划分有不同的侧重点。欧洲标准 学会（EN）将建筑全生命周期划分为建材制备、建筑施工、运营维护和建筑拆除四个阶段，适用于欧洲 新建建筑及旧建筑改造。我国的《建筑碳排放计算标准》（GB/T51366-2019）主要针对民用建筑的三 个阶段：运行、建造及拆除、建材生产及运输，适合新建、扩建和改建建筑。也有学者将建材生产和运 输、建造合称为建筑物化阶段2]。因此，针对不同的研究目标，全生命周期的划分各有不同。为完整研究 建筑的整个阶段，东南大学建筑学院在相关研究的基础上，针对目前业界对建筑改造和建筑拆除两个阶 段研究的缺失，基于建筑从原材料到循环再利用阶段的时序逻辑，将建筑全生命周期划分为以下七个阶 段（图1）：材料制备、构件制造、物流转运、装配施工、运营维护、改造再利用和拆除再利用(3)。 方法 Keywords:zero-carbonbuildings; full life cycle; building com- 1.2建筑全生命周期碳排放计算数据基础 ponentsystem;carbon control 上法，如Invert/EE-Lab、ECCABS和CoreBee模型等[4)。自上而下的模型通常与宏观经济分析密切联 technology;architecture design methods 系，通过GDP、能源价格和国民经济收入等拟合碳排放数据，但是缺乏技术细节，难以指导建筑本体层面 建立建筑全生命周期碳排放模型的方法有两种：一种是自上而下法，如ELENA模型；一种是自下而 控碳。自下而上的模型，基于建筑本体层面进行建模，以典型建筑的碳排放为基础，预测、模拟和推算相 应建筑全生命周期的碳排放量。各种自下而上的模型，虽然核心算法略有差异，但基本逻辑是通过输入 建筑层面、技术层面和能耗细节等参数，输出整体碳排放数据。建筑本体的模型越细致，最终输出的碳 排放量也越准确，但也同时导致数据量剧增。因此，合理的建筑构件系统划分对于建模至关重要，东南 大学建筑学院在相关研究的基础上，以构件系统串联从材料到建筑构件到建筑整体的过程，将建筑构件 系统划分为结构构件系统、外围护构件系统、内装修构件系统、室外环境系统和设备与管线系统15)。根 据不同的构件系统进行分级构件建模，建立并导出相关参数，再计算相应的碳排放，有利于在建筑构件 张军军 层面实现控碳。 东南大学建筑学院博士研究生。 张宏*（通信作者） 东南大学建筑学院建筑技术与科学研究所所长、 2 全生命周期零碳建筑控碳技术 教授、博士生导师（zhangh555@seu.edu.cn）。 SolarArk3.0是东南大学、苏黎世联邦理工学院和三明学院联合赛队参与2022年中国国际太阳能 叶红雨 东南大学建筑学院博士研究生。 丛勐 东南大学建设设计研究院有限公司建筑工业化工 程设计研究院副院长。 周超 东南大学建筑学院博士研究生。 十项全能竞赛的作品（图2），在比赛中取得了建筑设计单项第一和综合总成绩第二等荣誉。团队采用了 标准化设计、工业化预制和BIM运维管理等技术手段，在20天（2021.8.24一9.12）内完成建造，是一座 九年可实现碳中和的零碳建筑。本文将从建筑全生命周期的七个阶段和建筑构件五个系统两个维度，探 讨全生命周期零碳建筑的控碳技术与设计方法。 36 2.1材料制备阶段减碳 材料 制备 1 在材料制备阶段，合适的材料选择与建筑设计结合，对结构构件系统、外围护构件系统和内装修构 拆除 构件 制造 再利用 件系统具有重要意义。SolarArk3.0材料制备阶段的碳排放量约为261.41t，主要在以下方面做了控碳 7 设计。 改造 再利用 (1）结构构件系统 物流 转运 混凝土是目前使用最广泛的建筑材料，在现阶段仍不可替代，因此降低混凝土本身的碳排放量和 用量，是混凝土结构最有效的控碳方法。在本项目中，选择超高性能混凝土（Ultra-HighPerformance 运营 维护 Concrete，简称UHPC），与普通混凝土相比具有超高强度、超高韧性和超高耐久性等优势，不仅能够 装配 施工 显著节材，而且可以减少混凝土结构修补，提高混凝土使用年限。另一方面，设计采用标准化壳体结构 形式，使压力在形式内部传递，减小了壳体的厚度。综上两个方面，SolarArk3.0的壳体结构消耗了 27.78m超高性能混凝土，而在规模尺度相同的情况下，普通框架结构预计需要70.07m混凝土，这意味 着超过60%的混凝土材料可以被节省下来（图3）。因此，选择合适的材料和结构形式，对于结构系统的 2 减碳，有举足轻重的影响。 (2）外围护构件系统 在本案中，外围护系统主要包含东西侧的实墙和南北侧的玻璃幕墙（图4），主要目的是保证南北向 的景观通透性，同时加强东西侧的保温隔热性能。东西侧的实墙为12块外观尺寸相同的复合预制墙板， 包括四层UHPC和三层保温夹层，并在外侧附一层2mm的金属反光壁板，实测K值0.2。多层夹心设计， 提高了预制墙板的保温性能，减少了混凝土的用量，降低了碳排放。 (3）内装修构件系统 3 内装修构件系统，可以分为内隔墙和每个房间的地面、顶面和立面。SolarArk3.0采用多功能通用 大空间的使用方式[6，建筑内部除卫生间和设备间外无隔墙（图5）。卫生间采用科逸集成卫浴系统，用 3m 环保材料工厂预制；内部大空间，地面采用竹地板，立面采用竹饰面板，顶面直接壳体露明不做任何装 饰。因此，在内装修构件系统上，SolarArk3.0减少了材料用量，采用集成卫浴和环境友好的竹材制品实 现控碳目标。 16.2m 16.2m 70.07m 2.2构件制造阶段减碳 在建筑工业化的推进之下，预制装配式建筑成为行业节能减排的重要抓手。构件预制不是简单将工 地上的劳动转移到工厂内，而是借助工厂内的机械化、工业化等手段更高效、更节能地生产预制构件。 (1）结构构件系统 壳体建筑最大的难点是如何精准建造曲面。SolarArk3.0通过标准化设计与壳体生成逻辑相结合， 20块壳体构件可以基于同一块模板进行预制，并使用制作完成的壳体进一步成为下一个壳体的预制模 16.2m 16.2m 板，整个预制过程仅需一块模板，大大减少了工厂内模板的消耗，降低了碳排放。 （2）外围护构件系统 27.78m 12块UHPC预制复合外墙板，同样只需要一套模板并采用平模生产，在工厂内占地面积小、预制效率 高。钢模可回收利用，进一步降低碳排放。经统计，SolarArk3.0构件制造阶段的碳排放量约为7.37t。 4 2.3物流转运阶段减碳 建筑构件的物流转运，主要涉及运输工具的选择和装车管理。与传统建筑材料的运输不同，建筑预制 构件往往体积较大，对物流转运的要求更高。在SolarArk3.0的构件运输中，大构件有结构构件系统的20 块壳体和外围护构件系统的12块预制外挂墙板。因此在设计阶段即考虑工程管理要求，利用BIM模拟运输 方案（图6，7），并依照工程进度合理调配运输时间，使货车抵达工地后无需进入构件周转场地，直接从货 车上吊装至工位。对于曲面预制构件，运输方式效率得到较大提升，减少了运输过程的碳排放。 5 集成卫生间 竹地板 竹饰面板 1 东南大学建筑学院建筑全生命周期七个阶段 2 SolarArk3.0实景图 3 同等投影和体积下不同结构形式材料用量 外围护构件系统 5 内装修构件系统 4 37 6 此外，光伏支架的网架系统采用框构7的形式进行预制和运输，在工地再拼装成大构件吊装，有利 于控碳。经计算，SolarArk3.0物流转运阶段的碳排放量约为13.73t。 2.4装配施工阶段减碳 （1）结构构件系统 壳体的施工通常采用支模加混凝土现浇的方式，模板因壳体的曲面特性无法实现预制，且很难回收 再利用；现浇混凝土也存在着大量的湿作业，施工周期长且效果难以保证。SolarArk3.0的壳体结构， 7 通过308根Φ20螺栓穿过Φ25的预留孔，连接20块预制UHPC双曲面壳体，预制精度和安装精度控制在 2.5mm之内。现场施工时