混凝土建筑碳排放計算與低碳設(shè)計 張孝存 王鳳來 劉凱華
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建筑行業(yè)是我國積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和目標的重點領(lǐng)域。建筑設(shè)計階段所確定的建筑材料、建造方式及運行性能,對建筑全生命周期近90%的碳排放有著直接或間接的影響。由此可見,建筑節(jié)能降碳設(shè)計是推動建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。本書以我國廣泛應(yīng)用的混凝土結(jié)構(gòu)為對象,從隱含碳排放計算方法、碳排放指標特征、碳排放預(yù)測模型,以及材料、構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的低碳設(shè)計這四個維度進行闡述,旨在為混凝土建筑的低碳設(shè)計與評價提供有效指導(dǎo)。本書共7章,在分析建筑領(lǐng)域碳排放現(xiàn)狀、相關(guān)政策與標準建設(shè),以及國內(nèi)外研究情況的基礎(chǔ)上,綜合運用生命周期評價、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、機器學習、智能優(yōu)化算法和統(tǒng)計概率分析等交叉學科知識,系統(tǒng)地闡述了混凝土建筑隱含碳排放計算方法,基于工程大數(shù)據(jù)分析了隱含碳排放指標的統(tǒng)計特性與影響因素,提出了早期設(shè)計階段的碳排放強度智能預(yù)測模型,并通過理論研究和工程實例建立了混凝土材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的低碳設(shè)計方法。本書結(jié)構(gòu)清晰、內(nèi)容豐富,理論與實踐相結(jié)合,可供土木工程等相關(guān)專業(yè)的高等院校、科研單位及建筑企業(yè)的相關(guān)人員參考,尤其適合從事建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能降碳設(shè)計等研究與工程實踐的研究生和技術(shù)人員使用。
作者在建筑結(jié)構(gòu)碳排放計算、評價與低碳設(shè)計等方面有深刻的理解和研究基礎(chǔ),承擔相關(guān)科研項目十余項,發(fā)表高質(zhì)量學術(shù)論文數(shù)十篇,曾出版《建筑工程碳排放計量》(十四五國家重點出版物出版規(guī)劃項目碳中和綠色建造叢書子目),并主編或參編黑龍江省《建筑全過程碳排放計算標準》、國家標準《城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳計量核算標準》、團體標準《裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件碳排放計量與核算標準》等多項標準,主要成果榮獲2023年度黑龍江省科學技術(shù)獎成果轉(zhuǎn)化一等獎。張孝存、劉凱華本碩博均畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學,王鳳來為哈爾濱工業(yè)大學教授、黑龍江省勘察設(shè)計大師。以混凝土建筑碳排放為研究對象,從碳排放計算方法入手,厘清碳排放源與指標統(tǒng)計特征,構(gòu)建混凝土建筑的隱含碳排放預(yù)測模型,并基于混凝土材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)三個層面建立低碳設(shè)計方法,從而為混凝土建筑的節(jié)能降碳提供系統(tǒng)性指導(dǎo)。本書理論介紹、模型構(gòu)建與大量的實例分析相結(jié)合,組織脈絡(luò)清晰、內(nèi)容體系完整。目前國內(nèi)未見有關(guān)混凝土建筑碳排放計算與低碳設(shè)計方面的專門性著作,本書的混凝土建筑碳排放指標統(tǒng)計特征、智能預(yù)測模型及材料、構(gòu)件與結(jié)構(gòu)層面低碳設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容填補了這一領(lǐng)域的空白。
碳達峰碳中和是我國基于推動構(gòu)建人類命運共同體的責任擔當和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求而作出的重大戰(zhàn)略決策,展示了我國為應(yīng)對全球氣候變化作出的新努力和新貢獻。建筑領(lǐng)域是我國資源、能源消費與碳排放的重點領(lǐng)域,節(jié)能降碳任務(wù)艱巨、潛力巨大。為加快推動建筑領(lǐng)域節(jié)能降碳,積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標,促進建筑產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展,發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力,我國陸續(xù)建立了1 N完整的政策體系,發(fā)布了《加快推動建筑領(lǐng)域節(jié)能降碳工作方案》等重要政策文件,對推進建筑領(lǐng)域碳排放統(tǒng)計核算與綠色低碳建造,具有極其重大的理論意義和實踐指導(dǎo)價值。混凝土結(jié)構(gòu)作為我國應(yīng)用最為廣泛的建筑結(jié)構(gòu)體系之一,在建筑領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。然而,混凝土建筑在建造過程中需要消耗大量的水泥、鋼材等高碳排放建筑材料,形成了環(huán)境保護的巨大壓力。從頭而論,建筑設(shè)計階段決定了建筑材料的種類和用量,決定了建造方式及運行階段的各項性能與參數(shù),實際上直接或間接對建筑全生命周期近90%的碳排放量有至關(guān)重要的影響。為此,以設(shè)計為切入點,深入研究混凝土建筑的碳排放特征與節(jié)能降碳技術(shù)路徑,是抓住了建筑領(lǐng)域低碳可持續(xù)發(fā)展的牛鼻子。近年來,建筑領(lǐng)域碳排放的相關(guān)研究備受行業(yè)關(guān)注。全球范圍內(nèi),從建筑碳排放的計算方法、案例分析與低碳設(shè)計等方面開展了大量的基礎(chǔ)性研究、應(yīng)用與標準化工作,國內(nèi)外先后發(fā)布了GB/T 513662019《建筑碳排放計算標準》及BS EN 15978:2011等標準,配套了Gabi BuildIt、BEES、PKPMCES等建筑領(lǐng)域碳計算與分析的專門性軟件,為加快建筑領(lǐng)域節(jié)能降碳工作奠定了良好基礎(chǔ)。與此同時,圍繞混凝土建筑隱含碳排放的研究與應(yīng)用仍存在明顯不足:首先,碳排放計算模型的工程適用性有待提高,碳排放因子基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫亟須完善,與現(xiàn)行工程計量及計價體系的銜接等方面尚有較大的工作量;其次,工程案例碳排放計算與分析受限于計算邊界、計量方法與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準確性,行業(yè)碳排放基準值的確定十分困難,加大了在設(shè)計階段早期完成碳排放預(yù)測的難度,形成對材料、技術(shù)與建筑低碳評價工作的阻礙;最后,建筑設(shè)計過程低碳化評判缺乏系統(tǒng)化的量化指標、實際工作中技術(shù)堆砌帶來的低碳夸大等問題十分普遍,從低碳材料、低碳構(gòu)件、低碳技術(shù)到低碳建筑的系統(tǒng)性設(shè)計方法尚處于起步階段。本書作者在建筑結(jié)構(gòu)碳排放計算、評價與低碳設(shè)計等方面有深刻的理解和研究基礎(chǔ),承擔相關(guān)科研項目十余項,發(fā)表高質(zhì)量學術(shù)論文數(shù)十篇,曾出版《建筑工程碳排放計量》(十四五國家重點出版物出版規(guī)劃項目碳中和綠色建造叢書子目),并主編或參編黑龍江省《建筑全過程碳排放計算標準》、國家標準《城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳計量核算標準》、團體標準《裝配式混凝土預(yù)制構(gòu)件碳排放計量與核算標準》等多項標準,主要成果榮獲2023年度黑龍江省科學技術(shù)獎成果轉(zhuǎn)化一等獎。在長期潛心研究的成果支撐下,本書以混凝土建筑碳排放為研究對象,在總結(jié)分析國內(nèi)外政策措施、技術(shù)標準與研究成果基礎(chǔ)上,從碳排放計算方法入手,依托工程案例大數(shù)據(jù)分析,厘清碳源與技術(shù)指標,構(gòu)建了混凝土建筑的隱含碳排放預(yù)測模型,從混凝土材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)三個層面,結(jié)合人工智能算法建立了低碳設(shè)計方法體系,從而為混凝土建筑的低碳設(shè)計與評價提供指導(dǎo)。全書共分為7章,第1章介紹了全球建筑領(lǐng)域碳排放現(xiàn)狀、相關(guān)政策、標準建設(shè)情況及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀;第2章整理了混凝土建筑隱含碳排放計算的理論框架,基于物料消耗和分項工程建立了實用計算模型及不確定性評價方法;第3章給出了混凝土建筑隱含碳排放指標的統(tǒng)計方法,研究了低層、多層與高層混凝土建筑隱含碳排放的統(tǒng)計特性;第4章以機器學習算法為核心,基于數(shù)據(jù)處理、模型創(chuàng)建與實例分析提出了適用于早期設(shè)計階段的混凝土建筑隱含碳排放智能預(yù)測模型;第5章以混凝土材料為對象,集成機器學習與智能優(yōu)化算法建立了配合比的低碳優(yōu)化設(shè)計方法;第6章提出了混凝土構(gòu)件的低碳優(yōu)化設(shè)計算法,并以框架柱、簡支梁和連續(xù)梁為對象開展了實例研究與影響因素分析;第7章聚焦混凝土結(jié)構(gòu)的低碳設(shè)計,通過實例研究分析了對比設(shè)計法與優(yōu)化設(shè)計法實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)降碳設(shè)計的可行路徑與潛力。本書由寧波大學張孝存、哈爾濱工業(yè)大學王鳳來和廣東工業(yè)大學劉凱華合著,具體分工為:第1章,張孝存和王鳳來;第2~3章,張孝存;第4~5章,張孝存和劉凱華;第6~7章,張孝存。全書由張孝存負責統(tǒng)稿,王鳳來和劉凱華進行內(nèi)容校對。本書由國家自然科學基金項目基于低碳指標的混凝土結(jié)構(gòu)可持續(xù)性設(shè)計與評價方法研究(編號52108152)、浙江省自然科學基金項目建筑碳排放定額計算方法與低碳量化評價模型研究(編號LQ22E080001)和寧波市自然科學基金項目基于機器學習的城市居住建筑物化碳排放指標分析與特征研究(編號2023J073)資助。本書引用了大量的國內(nèi)外相關(guān)研究文獻,在此向文獻作者表示衷心感謝。本書撰寫過程中,寧波大學陳海亮、徐龍等也做了一些輔助性工作,在此一并表示感謝。本書以混凝土建筑的碳排放計算方法、統(tǒng)計特征、預(yù)測模型及低碳設(shè)計體系為著眼點,理論研究與實例分析相結(jié)合,組織脈絡(luò)清晰、內(nèi)容體系完整,適用于土木工程等相關(guān)專業(yè)高等院校、科研單位及建筑企業(yè)的相關(guān)人員參考使用。由于作者水平有限,書中難免存在不妥之處,懇請廣大讀者及時反饋相關(guān)問題與建議,幫助不斷完善本書內(nèi)容,為建筑領(lǐng)域低碳可持續(xù)發(fā)展共同努力。
張孝存(1990),工學博士,寧波大學土木工程與地理環(huán)境學院副教授,智能建造研究所所長。本碩博畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學土木工程專業(yè),國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。主要從事低碳建筑結(jié)構(gòu)與可持續(xù)、智能設(shè)計與建造、碳排放計量評價等相關(guān)研究工作。主持國家自然科學基金等縱向科研項目7項,承擔橫向課題等10余項。主編浙江省十四五普通高等教育本科規(guī)劃教材《建筑工程碳排放計量》,副主編教材3部。出版譯注《混凝土結(jié)構(gòu)統(tǒng)一理論》。發(fā)表相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)論文40余篇,其中以第一/通訊作者在國際期刊發(fā)表高水平SCI論文25篇,ESI高被引論文1篇,引用千余次。參編國家、地方及團體標準6部。王鳳來(1971),工學博士,哈爾濱工業(yè)大學教授、博導(dǎo),黑龍江省工程勘察設(shè)計大師,國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師,砌體結(jié)構(gòu)專家,F(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學混凝土及砌體結(jié)構(gòu)研究中心主任。在寒地綠色低碳建筑與結(jié)構(gòu)成套技術(shù)等領(lǐng)域取得重大成果且實施了轉(zhuǎn)化落地。主持并完成十一五十二五十三五國家重點研發(fā)計劃項目及課題;主持黑龍江省重大科技成果轉(zhuǎn)化項目、中國工程院咨詢項目等數(shù)十項科研課題。出版專著、譯著及教材等7本,主編及參編國家、省級、行業(yè)標準17本,發(fā)表論文170余篇,授權(quán)專利88項(其中發(fā)明專利19項);研究成果獲黑龍江省科學技術(shù)進步一等獎、二等獎各一項(排名第1)、黑龍江省科學技術(shù)獎科學技術(shù)成果轉(zhuǎn)化一等獎(排名第1)、標準科技創(chuàng)新獎一等獎(排名第1)、中國房地產(chǎn)協(xié)會科學技術(shù)獎一等獎(排名第1),參與獲得華夏建設(shè)科學技術(shù)獎一等獎、二等獎各一項。劉凱華(1990),工學博士,廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院副教授,土木工程系副主任。本碩博畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學,主要從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、建筑固廢資源化、智能建造等方向研究。主持國家及省部級縱向科研項目3項,參與國家重點研發(fā)計劃子課題及企業(yè)委托橫向項目10余項。參編教材《混凝土及砌體結(jié)構(gòu)》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》《建筑工程碳排放計量》等,發(fā)表領(lǐng)域研究論文30余篇,其中以第一/通訊作者發(fā)表高水平SCI論文20余篇。擔任中國土木工程學會綠色建造與運維分會理事,全國高等教育自學考試指導(dǎo)委員會土木水利礦業(yè)環(huán)境類專業(yè)委員會委員等。
前言第1章概述11.1建筑碳排放現(xiàn)狀11.1.1全球碳排放趨勢11.1.2建筑領(lǐng)域碳排放21.2相關(guān)政策與標準建設(shè)31.2.1國際政策31.2.2國內(nèi)政策61.2.3標準建設(shè)81.3國內(nèi)外研究情況101.3.1建筑碳排放計算方法101.3.2建筑碳排放案例研究181.3.3混凝土建筑低碳設(shè)計241.4研究路線圖28本章小結(jié)29第2章混凝土建筑隱含碳排放計算方法31本章導(dǎo)讀312.1理論框架322.1.1一般程序322.1.2功能單位322.1.3系統(tǒng)邊界322.1.4計算方法352.1.5數(shù)據(jù)來源362.1.6結(jié)果解釋362.2基于物料消耗的碳排放計算372.2.1計算方法372.2.2碳排放因子402.3基于分項工程的碳排放計算432.3.1計算方法432.3.2綜合碳排放指標452.4計算不確定性評價532.4.1不確定性來源532.4.2評價方法概述532.4.3數(shù)據(jù)概率模型532.4.4不確定性分析562.5算例分析582.5.1算例概況582.5.2碳排放計算612.5.3不確定性水準62本章小結(jié)66第3章混凝土建筑隱含碳排放指標特征67本章導(dǎo)讀673.1統(tǒng)計方法概述683.1.1系統(tǒng)邊界683.1.2指標計算683.1.3統(tǒng)計分析703.1.4數(shù)據(jù)清洗713.2高層建筑指標特征723.2.1建筑樣本概況723.2.2碳排放強度分析743.2.3材料貢獻度分析763.2.4影響因素分析783.2.5降碳潛力分析813.2.6主要結(jié)論823.3低層與多層建筑指標特征823.3.1建筑樣本概況823.3.2碳排放強度分析853.3.3影響因素分析863.3.4材料貢獻度分析883.3.5系統(tǒng)邊界情景分析893.3.6線性回歸模型903.3.7主要結(jié)論93本章小結(jié)94第4章混凝土建筑隱含碳排放預(yù)測模型95本章導(dǎo)讀954.1回歸分析基礎(chǔ)964.1.1回歸分析方法964.1.2預(yù)測模型框架994.2數(shù)據(jù)集與特征篩選1004.2.1數(shù)據(jù)清洗1004.2.2類型轉(zhuǎn)換1034.2.3特征篩選1054.2.4多重共線性1064.3機器學習算法1074.3.1概述1074.3.2常用算法介紹1084.3.3交叉驗證技術(shù)1164.3.4超參數(shù)調(diào)優(yōu)技術(shù)1184.3.5模型性能評價1204.3.6模型解釋1214.4實例分析1224.4.1數(shù)據(jù)處理1224.4.2模型構(gòu)建1244.4.3性能對比1254.4.4模型解釋1294.4.5主要結(jié)論與建議131本章小結(jié)132第5章混凝土材料的低碳設(shè)計133本章導(dǎo)讀1335.1混凝土配合比1345.1.1基本概念1345.1.2傳統(tǒng)設(shè)計方法1365.2配合比智能設(shè)計算法1405.2.1目標函數(shù)1405.2.2約束條件1425.2.3智能優(yōu)化算法1425.2.4最優(yōu)解決策1455.3混凝土強度預(yù)測模型1465.3.1數(shù)據(jù)篩選1465.3.2材料性能預(yù)測模型1475.3.3模型性能評價1485.4配合比優(yōu)化設(shè)計實例1495.4.1特征描述1495.4.2模型選擇1505.4.3設(shè)計結(jié)果1555.4.4主要結(jié)論158本章小結(jié)158第6章混凝土構(gòu)件的低碳設(shè)計160本章導(dǎo)讀1606.1優(yōu)化設(shè)計模型1616.1.1問題描述1616.1.2目標函數(shù)1636.1.3約束條件1646.2優(yōu)化算法1666.2.1最優(yōu)解決策1666.2.2遺傳算法1686.3框架柱算例分析1726.3.1模型構(gòu)建1726.3.2算例概況1746.3.3優(yōu)化設(shè)計結(jié)果1766.3.4材料強度的影響1766.3.5軸壓比和偏心距的影響1776.3.6抗震等級的影響1786.4簡支梁算例分析1796.4.1模型構(gòu)建1796.4.2算例概況1816.4.3優(yōu)化設(shè)計結(jié)果1826.4.4設(shè)計參數(shù)的影響1846.4.5環(huán)境類別的影響1856.4.6碳排放因子的影響1866.4.7荷載效應(yīng)的影響1876.5連續(xù)梁算例分析1886.5.1模型構(gòu)建1886.5.2算例概況1896.5.3基準情景優(yōu)化設(shè)計結(jié)果1916.5.4考慮不確定性的優(yōu)化結(jié)果1926.5.5設(shè)計參數(shù)分析1956.5.6優(yōu)化設(shè)計建議196本章小結(jié)198第7章混凝土結(jié)構(gòu)的低碳設(shè)計199本章導(dǎo)讀1997.1對比設(shè)計法2007.1.1基本步驟2007.1.2目標范圍2017.1.3評估指標2017.1.4貢獻度分析2047.1.5敏感性分析2057.2結(jié)構(gòu)體系對比實例2087.2.1低層建筑結(jié)構(gòu)2087.2.2多層建筑結(jié)構(gòu)2177.2.3高層建筑結(jié)構(gòu)2247.3優(yōu)化設(shè)計法2277.3.1混合式優(yōu)化框架2277.3.2優(yōu)化算法2297.4框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化算例2317.4.1設(shè)計資料2317.4.2初始結(jié)構(gòu)方案碳排放分析2317.4.3單目標優(yōu)化設(shè)計2457.4.4雙目標優(yōu)化設(shè)計250本章小結(jié)252參考文獻253