碳排放参数化设计在低碳建筑物化阶段中的应用

中图分类号：TU393.3 文献标识码：A 文章编号：

引言

中国于2020 年提出的双碳目标，即2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和，成为其绿色经济转型的重要里程碑。为了实现这些目标，中国 “1+N”政策框架，其中 Π^*1^′′ 代表顶层设计， ⁴N^′′ 则指具体实施计划，如能源、 ld Economic Forum， 2023）。由于建筑行业的碳排放约占全国总排放量的 30%- 成为实现“双碳”目标的关键路径之（Climate Action Tracker， 2023）。这些政策 仅是 家战略的核心部分，也对全球应对气候变化的努力具有深远影响。

钢筋混凝土现浇结构和装配 重要地位，尤其是装配式结构的预制技术在减少施工阶段碳排 工过程）所产生的碳排放约占建筑全生命周期碳排放的 50% 生产和大量燃料消耗的运输环节（Chen et al.， 2021 ； 主要来源于运输阶段，因其构件需长距离运输到施工现场，增加 023） 但预制构件的工厂化生产减少了现场施工时间，并通过降低机械使用频率有效减少了碳排放（Chen et al.， 2021）。

不同结构形式的碳排放在具体阶段表现出明显差异。例如，钢筋混凝土结构的材料生产阶段，每吨材料的碳排放量可达到约1.4 吨CO₂ 装配式钢结构建筑在施工和运输阶段的碳排放比现浇结构减少约20%，主要得益 机械的高效化（Damsø et al.， 2017 ；WorldEconomic Forum， 2023）。这些数据为建筑行业在结构选择和设计优化中的减碳决策提供了有力支持。

1 建筑物化阶段碳排放计算方法

建筑物在物化阶段的碳排放主要包括材料生产、运输和施工三个环节，每个环节的碳排放可以通过相应的公式进行计算，从而量化整个建筑生命周期内的排放总量。这一计算过程为建筑设计阶段的碳排放控制提供了科学依据。

材料生产阶段的碳排放主要由建筑材料的制造过程所消耗的能源决定。通过公 ，可以计算这一阶段的碳排放总量，其中 Q_i 表示第i 种材料的使用量， 为该材料的排放因子（单位：吨CO₂/吨材料）（Chen & Lin， 2021）。该公式的应用使设计师在项目规划时能够选择更环保的替代材料，并在材料采购环节进行优化。

在建筑物的运输阶段，碳排放受到多种因素的影响，其中包括运输距离、材料类型、运输工具选择及能耗水平。预制件的生产通常集中于工厂，且现场施工需要将构件长途运输至施工场地，装配式结构在运输阶段的碳排放需要被重点研究。在地区，具体的材料类型（如混凝土、钢筋、木模板、预埋件）以及生产和运输过程中产生的碳排放均需量化和分析，以实现碳排放的科学管理。其计算公式为 ，其中 为第j 次运输的距离， 为运输材料的体积，而 为单位运输距离的碳排放因子（单位：吨CO₂/公里）。地区的装配式构件生产基地通常靠近港口和铁路，因此优先采用铁路和海运可以显著降低运输阶段的碳排放.

在施工阶段的碳排放主要源自施工机械设备的运行，包括塔吊、混凝土泵车等设备的能耗。其计算公式为 ，其中 k 台设备的功率， T_k 为设备的运行时间， EF_mach 为设备的碳排放因子。优化施工工艺、缩短设备运行时间能够有效降低这一阶段的碳排放。此外，合理配置施工机械，减少能源浪费，也有助于实现建筑工地的低碳管理

2 参数化碳排放计算平台

近年来，采用参数化建模方法来提升建筑物化阶段碳排放计算效率的研究取得了显著成果。例如，通过Rhino 与 Grasshopper 结合参数化插件，快速评估建筑材料和结构的碳足迹（Smith & Johnson， 2022; Wanget al.， 2023）。这些研究表明，参数化设计能够有效提升计算速度和精度。

在建筑物化阶段碳排放量的计算中，Rhino 和 Grasshopper 通常与多种插件结合使用，例如 Karamba3D 用于结构分析，Ladybug Tools 用于环境性能评估，以及 EC3 Tool 用于碳排放系数的数据引入（Brown et al.，2021）。这些插件为参数化碳排放计算提供了重要的技术支持。

本研究基于 Rhino 和 Grasshopper 构建了一个用于碳排放量计算的参数化模型平台。该平台利用GHPython 模块与 EC3 插件的结合，对建筑各构件的碳排放量进行精确评估。模型输入数据源自结构设计软件（如 YJK）导出的单体工程量，通过调整材料类型来分析各构件在生产阶段的碳排放量，其参数化模型如图 1 所示。此外，根据地区现浇与预制构件的单位体积碳排放因子，结合结构模型的工程量数据，在Grasshopper 中建立相应的计算公式（如图2），进一步量化不同构件在运输和施工阶段的碳排放量。

参数化碳排放计算平台的优势主要体现在其高效性、 可视化能力和易于优化等方面（Lee et al.， 2023）。该平台能够快速响应设计变更，提供 显著提高设计决策的有效性。本研究将基于所建立的参数化平台应用于实际项目案例，以比较不同结构类型建筑的碳排放量，帮助结构设计师在方案阶段做出更加环保的选择，为实现低碳建筑提供科学依据。

3 案例分析

本文选取长兴岛的一栋宿舍单体作为案例分析对象。该宿舍建筑共 6 层，总高度为 21.3 米，建筑面积为 1411.74 平方米。基于该建筑提 方案， 分别为钢筋混凝土框架结构和钢筋混凝土剪力墙结构，两种结构的设计图见图 4，结构 见图 5。 两种方案在房型、层数和内部格局上保持一致，主要区别在于施工方法，即装配式施工和现浇施工在主要构件的生产、运输、施工方式上的差异。

装配式整体化框架结构碳排放计算结果

对于装配式整体化框架结构方案，根据市最新建筑要求，建筑单体的预制率需不低于 40%。因此，本方案的预制率设定为40.21%，并利用 YJK 结构设计软件导出混凝土工程量为 2186.771 吨。经参数化碳排放计算平台计算，装配式整体化框架结构在生产、运输和施工各阶段的碳排放量如下：

生产阶段：碳排放量为 1268.312 吨。

· 运输阶段：碳排放量为 221.37 吨。

· 施工阶段：碳排放量为 351.299 吨。

表 5 装配式整体化框架结构- 生产、运输和施工各阶段中不同构件的碳排放量（单位：吨）

在生产阶段，梁的碳排放量最大，约占总生产阶段排放的一半以上，主要原因在于梁在结构中承载了主要荷载，其混凝土和钢筋用量较大。运输阶段和施工阶段的碳排放分布与生产阶段相似，梁的排放量均最高，这说明梁在整个结构中对材料消耗和施工工序占据了重要位置。

装配式整体化剪力墙结构碳排放计算结果

在装配式整体化剪力墙结构方案中，同样遵循市规定，预制率设定为 40.22%。该结构方案在生产、运输和施工各阶段的碳排放量如下：

生产阶段：碳排放量为 1280.613 吨。

运输阶段：碳排放量为 231.203 吨。

表 6 装配式整体化剪力墙结构- 生产、运输和施工各阶段中不同构件的碳排放量（单位：吨）

在装配式整体化剪力墙结构中，生产阶段的碳排放总量比现浇框架结构略高，主要原因是预制剪力墙在生产过程中对材料和工艺的要求较高。运输阶段中，剪力墙的碳排放量增加，这表明剪力墙在运输过程中占据较大比例。施工阶段的碳排放量则相对较低，预制构件在施工现场的安装相对快速高效，减少了施工能耗。

4 计算结果分析

通过对装配式整体化框架结构和装配式整体化剪力墙结构的碳排放数据进行对比，可以得出以下结论：

生产阶段：装配式整体化剪力墙结构的碳排放量（1280.613 吨）高于框架结构（1268.312吨）。主要原因是预制构件在工厂生产时对材料的质量要求较高，尤其是剪力墙的生产需要更多的材料和更复杂的工艺。

运输阶段：装配式整体化剪力墙结构的碳排放量（231.203 吨）也高于装配式整体化框架结构（221.37 吨），这是由于两种结构有不同预制构件的组合，需要从工厂运输到施工现场，运输过程较为复杂，且运输距离也会对碳排放量产生影响。

施工阶段：装配式整体化框架结构的施工碳排放量（351.299 吨）显著高于装配式整体化剪力墙结构（264.821 吨）。这是因为更多现浇构件的施工需要在现场完成混凝土浇筑和模板支设等多项工序，而剪力墙结构具有更多的预制构件在现场的施工则更为高效，减少了碳排放。

5 结论

（1）本文建立了一个基于 EC3 插件的参数化碳排放计算平台，用于建筑结构的碳排放评估，显著提升了设计决策的科学性与准确性。借助 EC3 插件，平台能够有效获取并应用详细的材料碳排放因子，在材料选择、结构优化及施工阶段的碳排放分析中提供精确支持，有助于低碳建筑方案的合理选择。平台的灵活性允许输入参数根据不同项目需求进行调整，从而在碳排放评估中展现出较强的适应性与实用性，满足建筑行业低碳化转型的实际需求。EC3 插件的应用为平台提供了数据支撑，进一步提升了参数化设计在绿色建筑发展中的重要作用。

该计算平台为结构碳排放评估提供了 高效 在未 的应用中仍有许多可改进之处。例如，可以进一步丰富平台的材料数据库 加计算结果的精度。此外，未来可以尝试调整不同的设计参数 评估这些因素对碳排放的影响。通过对这些参数的优化， 平台可 助设计师更好地选择低碳方案。与此同时，平台的可视化功能也有进 三维展示，使设计师更直观地理解碳排放的分布和影响。

（2）根据本文的碳排放量结果及以 体化剪力 减少施工阶段碳排放方面表现出显著优势，特别是在施 配式整体化剪力墙结构更适合作为低碳建筑的优选结构形式 式整体化框架结构，但在施工阶段所显现的低碳优势足以弥 工方式也使其更易于满足未来建筑的低碳要求。在实践中 复杂度等）合理选择结构形式，以实现整体碳排放的最小化。

参 考 文 献

[1]World Economic Forum. （2023）. How enterprises are meeting China’s dual carbon targets.

[2]Gov.cn. （2021）. China’s new five-year blueprint paves way for 2060 carbon-neutra

[3]Climate Action Tracker. （2023）. Net zero targets.

[4]Chen， S.， Mao， H.， & Sun， J. （2021）. Low-carbon city construction and corporate carbon reduction performance： Evidence from a quasi-natural experiment in China. Journal of Business Ethics， 1–19.

[5]Gov.cn. （2021）. China’s new five-year blueprint paves way for 2060 carbon-neutrality.

[6]World Economic Forum. （2023）. How enterprises are meeting China’s dual carbon targets.