碳排放視角下住宅建筑耐久性提升策略研究

張?？?張宏 ZHANG Ruikang ZHANG Hong

住宅作為城鎮建筑的重要組成部分，是建筑行業減排的重點領域。我國住宅建筑普遍存在“短壽”現象，大量拆建活動造成過量碳排放與資源浪費。從碳排放視角提出住宅建筑耐久性提升策略，旨在延長住宅建筑壽命，減少住宅建筑全生命周期碳排放量，為未來城市住宅建筑設計提供參考。

住宅建筑；全生命周期；耐久性；碳排放

0 引言

隨著全球氣候變暖問題日益嚴重，為實現低碳發展，我國提出“雙碳”目標，即到2030年碳排放達峰，到2060年實現碳中和。建筑行業是全球溫室氣體的主要排放源之一，約占總排放量的40%，降低建筑行業碳排放是實現碳中和的重要途徑[1]。住宅建筑是城鎮建設活動的重要組成部分。目前，我國住宅建筑的平均壽命僅有30年，相對于發達國家而言仍有較大提升空間[2]。住宅建筑“短壽”問題不僅會對居民生活質量造成負面影響，而且會產生大量碳排放和資源浪費。

住宅建筑全生命周期碳排放與其耐久性息息相關，從全生命周期碳排放視角探究住宅建筑耐久性提升策略，降低住宅建筑碳排放強度是低碳發展的重要領域，對實現“雙碳”目標具有現實意義。

1 建筑壽命與建筑耐久性內涵

1.1 建筑壽命

建筑壽命指一座建筑物在使用過程中符合其設計目的、滿足其使用要求的時間期限。建筑壽命的概念不同于建筑物理壽命，不僅指建筑結構、構件和材料的耐用性能，而且受多種因素影響，可從3個維度理解[3]。

1）技術性壽命 技術性壽命指建筑的結構和構件在使用過程中保持其設計性能的時間期限，取決于建筑物的材料、設計和施工質量等因素，通常由建筑的物理壽命決定，是建筑的基本壽命。

2）功能性壽命 功能性壽命指建筑在使用過程中滿足其使用功能的時間期限。當建筑出現使用空間不足、內部設備老化、物理性能下降等問題時，建筑便失去了使用價值，功能性壽命也隨之結束。建筑功能性壽命主要受構件可更換性能及內部空間可適應性能影響。

3）經濟性壽命 經濟性壽命指建筑在使用過程中能承受經濟壓力的時間期限，即經濟效益角度建筑最合理的使用期限。經濟性壽命的確定基于建筑的成本效益和使用效益。建筑從設計施工到運營維護包含大量經濟成本，隨著投入使用，其自身價值不斷降低，維修成本不斷上升，對建筑的經濟壽命產生影響。

1.2 建筑耐久性

耐久性是材料和結構領域的概念，通常定義為材料抵抗自身和外部環境等因素長時間破壞作用的能力，耐久性越好，使用壽命越長。建筑耐久性與建筑壽命相互關聯，呈正相關，因此可通過上述對建筑壽命的分析，將建筑耐久性分為技術耐久性、功能耐久性及經濟耐久性3個維度。

2 建筑全生命周期劃分

建筑生命周期指從建材原料開采到建筑拆除處置的全過程，主要包括原材料開采、材料與部件生產、運輸與施工、運行、維修與維護、拆除和廢棄物處置等環節[4]。

目前學界對建筑生命周期的劃分主要基于EN15978：2011《建筑工程的可持續性——建筑環境性能評估計算方法》，將建筑生命周期劃分為建材生產、建筑施工、建筑運行及建筑拆除4個階段。部分學者認為，建材生產和建筑施工階段可合并，統稱為物化階段。還有部分學者將建筑拆除階段進一步劃分為建筑拆除和廢棄物處置2個獨立階段。從實際建筑生產過程來看，上述劃分方式并不能完整覆蓋建筑全生命周期的所有過程，忽略了對建筑改造再利用和拆除再利用過程的研究。

東南大學建筑學院正工作室在相關研究成果的基礎上[5-14]，提出將建筑全生命周期劃分為材料制備、構件生產、物流轉運、裝配施工、運營維護、改造再利用、拆除再利用7個基本階段（見圖1）。本文將以此劃分方式探討全生命周期各階段的建筑活動對碳排放和耐久性的影響。

1 東南大學建筑學院建筑全生命周期劃分

3 住宅建筑全生命周期各階段碳排放與耐久性特點

住宅建筑碳排放在其全生命周期各階段呈現不同特點，同時，不同階段的建筑活動也對住宅建筑的耐久性產生一定影響。為深入探討碳排放視角下住宅建筑耐久性提升設計方法，需分析住宅建筑全生命周期各階段碳排放與耐久性的特點及二者之間的關聯。

3.1 材料制備階段

材料制備階段對住宅建筑碳排放和耐久性的影響主要取決于結構類型的選擇。不同結構類型的住宅選擇的材料不同，其耐久性受材料物理性質的影響。同時，不同材料的碳排放因子也存在差異，從而最終影響建筑在此階段的碳排放。一般來說，由碳排放強度高的材料制成的構件具有更好的耐久性，即在此階段材料碳排放與耐久性呈正相關。

3.2 構件生產階段

構件生產階段指工廠制作構件的過程。此階段不同構件生產工藝和流程會對建筑碳排放和耐久性產生影響。通過選擇合理的生產方式，可有效減少構件生產過程中的碳排放，延長構件使用年限。采用構件預制生產模式、通過BIM技術優化生產流程、提高構件標準化程度、減少構件種類可有效提高建筑材料的利用率，減少人工生產構件過程中產生的碳排放。同時，構件的標準化設計有利于建筑施工裝配與后期維護更新，在技術層面提升構件的耐久性，從而延長建筑使用壽命。

3.3 物流轉運階段

物流轉運階段指構件在工廠完成生產后運送至施工現場并完成卸貨堆場的過程。該階段主要包括構件裝車、運輸、產品保護、卸貨堆場等環節，產生的碳排放主要受裝車方式、運輸工具、線路長短等因素影響。該階段建筑碳排放與自身耐久性并無直接關聯。

3.4 裝配施工階段

裝配施工階段指構件按照施工組織方案進行現場裝配的過程。裝配施工階段的碳排放和建筑耐久性主要由施工方式決定，以鋼筋混凝土住宅為例，傳統施工方式因管理問題，易導致現場人工、材料的浪費，從而造成該階段碳排放量上升。同時，現場澆筑施工精確度難以把控，施工質量的參差會直接影響建筑的耐久性和使用年限。裝配式施工可優化建造工序，減少現場作業時間，避免人工和材料的浪費，從而減少施工階段產生的碳排放（見圖2）。標準化施工的構件質量均好，現場組裝簡單，整體施工質量高，可有效提升建筑耐久性。

2 預制構件裝配式施工現場

3.5 運營維護階段

運營維護階段指建筑裝配完成后的正常使用過程，是建筑全生命周期碳排放的主要來源。該階段的碳排放主要由設備運行和日常維修兩部分構成。設備運行產生的碳排放主要來自建筑采暖、空調制冷、建筑照明、熱水使用及電梯運行等，受建筑物理和熱工性能影響。日常維修產生的碳排放主要來自構件的維護與更換，建筑維護規模和頻率增加會導致該階段碳排放增加。

運營維護階段的碳排放與構件耐久性具有直接關聯。不同結構類型的建筑具有不同的維護、加固方式，從而影響建筑構件的更換頻率和規模，設備管線的耐久性不同，也會導致設備更換維護的頻率存在差異，提高建筑構件和設備耐久性可控制后期維護更新的頻率，從而降低建筑全生命周期碳排放。

3.6 改造再利用階段

改造再利用階段指為延長建筑使用壽命而對空間進行重新分割和再利用的過程。住宅建筑改造過程中，空間布局調整和構件替換會消耗資源和能源，產生額外的碳排放。然而此過程也延長了住宅的使用壽命和固碳周期，從而在一定程度上實現過程減碳。

與該階段碳排放產生關聯的是建筑的技術耐久性與功能耐久性。住宅建筑首先需滿足的特性是安全性，安全性是保障其他功能需求的前提，因此結構加固對使用壽命有根本性的影響。原始結構的耐久性越好，后期加固工程越簡單，產生的碳排放越少。同時，構件的可更換性及內部空間的可適應性影響改造再利用過程，如采用通用空間二次劃分的平面布局可降低改造難度，減少改造過程對建筑主體的破壞，既可降低改造過程中產生的碳排放，又能有效延長建筑使用壽命。

3.7 拆除再利用階段

拆除再利用階段主要包括2種形式：①建筑拆除為構件后，經質量評估鑒定重新用于其他建造項目中；②建筑整體性拆除后在異地重新建設。建筑拆除過程中的碳排放主要來源于拆解施工、廢材填埋和建材再利用。傳統住宅建筑施工一般采用現場澆筑的方式，建筑整體性強，拆除過程中人工和機具產生的碳排放量高，拆除后構件可回收利用率較低。裝配式建筑由于構件標準化程度高，構件連接方式可逆，拆除的工作量小，回收利用過程中僅產生構件運輸碳排放，整體碳排放較少，可實現拆除再利用階段工程減碳。傳統意義上來看，當建筑進入拆除階段，其使用壽命也隨之結束，如果建筑拆除后產生的構件可二次利用或異地復建，某種程度上其使用壽命實現了另一種形式的延續，減碳效果更好。

4 碳排放視角下住宅建筑耐久性提升策略

基于全生命周期碳排放視角，從技術、功能、經濟3個層面總結住宅建筑耐久性提升策略，以東南大學、蘇黎世聯邦理工學院、三明學院聯合賽隊參與的2022年中國國際太陽能十項全能競賽作品Solar Ark 3.0為例進行論證分析。

4.1 技術耐久性

4.1.1 構件分類設計

東南大學建筑學院正工作室團隊提出“構件法”建筑設計理論與方法。構件是建筑物質構成的基本元素，構件分類設計方法是在“構件法”基礎上，根據構件的功能屬性和裝配特點進行分類，將組成建筑的構件分為彼此獨立的構件組。以Solar Ark 3.0為例，建筑全部構件被分為結構構件組、圍護構件組、裝修構件組、設備管線構件組、環境構件組等，每個構件組之間相互獨立、互不交叉，可實現獨立維修更換（見圖3）。構件分類設計可提升建筑易維修更換性能，簡化施工流程，在提高建筑整體耐久性的同時，有效減少建筑運維階段的碳排放。

3 Solar Ark 3.0構件分類

4.1.2 高性能建筑材料應用

混凝土是現階段住宅建筑領域應用最廣泛的建筑材料，在保證建筑穩定的前提下降低材料產生的碳排放是實現碳排放控制的有效途徑。Solar Ark 3.0在結構上采用UHPC（超高性能混凝土）預制雙曲面殼體技術，與一般混凝土相比，UHPC具有高強度、高韌性、高耐久性的特點，材料抗壓力超過150Mpa，抗剪力超過25Mpa，可有效隔絕有害介質，材料自身不產生縫隙，即使受外力影響產生細微縫隙，也具有自愈功能，可有效提升建筑耐久性。由于其具有出色的物理性質和雙曲面殼體的結構特點，Solar Ark 3.0實現了增質減材，預制雙曲面殼體結構共消耗27.78m3UHPC材料，而相同規模的框架結構需消耗70.07m3普通混凝土，節省了60%的建筑材料，實現了結構系統的減碳。

4.2 功能耐久性

住宅建筑由于使用年限較長，建筑空間功能會發生退化，當原有空間不能滿足業主的新需求，便需進行改造活動以延長其使用壽命。傳統住宅建筑設計多以房間屬性確定平面功能布局，使用功能不同的空間相互割裂，難以適應后期功能變化。Solar Ark 3.0通過雙曲面殼體結構，在室內形成10.8m×10.8m的連續大空間，大尺度的空間可兼容使用者小尺度的活動行為，內部空間可根據不同時期的需求進行二次分隔（見圖4）?？臻g功能可變設計可在功能層面有效延長住宅建筑使用年限，同時為后續的更新改造活動提供便利，在保障建筑功能與需求相適應的同時，降低了改造活動的難度及強度，減少了碳排放量。

4 多功能空間使用模式4a固定模塊與可變空間4b居家模式4c辦公研討模式4d睡眠模式4e影音娛樂模式4f小型展覽模式

4.3 經濟耐久性

住宅建筑在使用過程中的維護成本會不斷增加，當維護成本超過一定范圍后，便會因失去經濟性而面臨拆除。提高建筑的經濟性，使其為業主帶來額外的經濟價值，是延長其經濟壽命的有效途徑。Solar Ark 3.0通過太陽能光電板和垂直軸風力發電機的組合實現了風光互補的產能模式，建筑年光伏發電49136kW·h，風力發電2824kW·h，總年產能51960kW·h，年中水回收利用80t，可有效減少建筑運行成本，除滿足自身運行外，通過銷售富余的電力，預計10年可為業主帶來超15萬元的經濟收益（見圖5）。同時，大量產能減少了建筑運行產生的碳排放，建筑全生命周期碳排放-2288.2t，運行9年即可實現碳中和（見表1）。

表1 Solar Ark 3.0全生命周期碳排放數據統計

5 Solar Ark 3.0產能技術應用示意5a風光一體能源互補系統5b產儲用一體用電系統

5 結語

“雙碳”目標下，建筑行業需積極履行節能減排的責任。提高住宅建筑耐久性、延長住宅建筑使用壽命是提高資源利用效率，減少碳排放和能源消耗的重要途徑。住宅建筑耐久性提升設計是一項復雜的綜合工程，除建筑學外，還受社會發展、經濟政策、技術水平等多方面影響，需結合不同學科的相關知識進行綜合分析。本文從碳排放視角闡述住宅建筑全生命周期各階段耐久性與碳排放的特點及相互關系，在此基礎上提出基于碳排放的住宅建筑耐久性提升策略，并以Solar Ark 3.0為案例進行可行性分析，旨在為住宅建筑設計提供參考，為未來住宅建筑耐久性的多學科研究打下基礎。