建筑生命周期碳排放評(píng)價(jià)函數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化算法

高 源，方 麗，薛貴香

(1. 河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130；2. 河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，天津 300401)

1 引言

建筑生命周期是指把建筑工程內(nèi)包含設(shè)計(jì)、規(guī)劃、施工、竣工以及物業(yè)管理等一個(gè)整體，來(lái)銜接每一個(gè)環(huán)節(jié)綜合管理平臺(tái)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的平臺(tái)信息，來(lái)共享、管理以及創(chuàng)建相同的工程信息，來(lái)降低工程建筑每個(gè)階段銜接和每個(gè)參與方之間的信息丟失情況，以此提升建筑工程的施工效率問(wèn)題。同時(shí)建筑工程存在技術(shù)含量比較高、施工周期長(zhǎng)、涉及單位較多以及風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，所以建筑生命周期的劃分非常重要[1]。通常劃分成為4個(gè)階段，分別是：規(guī)劃階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段以及運(yùn)營(yíng)階段。其中規(guī)劃階段是在建筑項(xiàng)目定位的基礎(chǔ)上，對(duì)功能、風(fēng)格符合定位，再進(jìn)行比較具體的規(guī)劃以及總體上的設(shè)計(jì)。而工程施工是指建筑施工團(tuán)隊(duì)對(duì)工程的成本核算，在建筑工程的設(shè)計(jì)條件下，對(duì)工程進(jìn)行新建、改建以及擴(kuò)建的活動(dòng)。運(yùn)動(dòng)階段就是對(duì)于建筑物的日常操作、維護(hù)、改善、修理、更新以及物業(yè)管理等過(guò)程[2]。

而碳排放量通常是指溫室氣體的排放，地球在對(duì)太陽(yáng)輻射吸收的同時(shí)，自身也在向著外層空間輻射熱量，當(dāng)這些輻射在進(jìn)入到大氣層以后，非常容易被某些較大的分子量和極性特別強(qiáng)的氣體分子吸收。因紅外線能量比較低，不足以致使分子鍵能斷裂，所以氣體分子在吸收到紅外線輻射之后不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，僅是阻擋熱量從地球向外逃逸，這就相當(dāng)于是地球與外層空間形成了一個(gè)絕熱層。而空氣內(nèi)的一些微量組分對(duì)地球的輻射吸收作用，導(dǎo)致全球氣溫上升，這種現(xiàn)象被稱為“溫室效應(yīng)”。人類活動(dòng)或者是自然形成的溫室氣體都包括：二氧化碳、氧化亞氮、水汽、臭氧等，這些氣體的排放主要是來(lái)源于重工業(yè)發(fā)展、汽車尾氣以及建筑整個(gè)生命周期等。全球變暖已經(jīng)成為制約人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要障礙之一，對(duì)于控制污染物與溫室氣體排放現(xiàn)在需要高度重視。所以需要通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化的方法，來(lái)對(duì)碳排放量的評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為保護(hù)環(huán)境提供指標(biāo)參數(shù)[3]。為此本文提出一種建筑生命周期碳排放評(píng)價(jià)函數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化算法，為改善環(huán)境污染問(wèn)題提供了精準(zhǔn)數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 計(jì)算建筑生命周期碳排放量

通過(guò)建筑物的4個(gè)階段碳排放量總和，對(duì)建筑物二氧化碳總排放量進(jìn)行計(jì)算。先假設(shè)CO2的總排放量為E，在一定的周期中，4個(gè)階段的碳排放量為：規(guī)劃設(shè)計(jì)Em、施工的階段Ec、運(yùn)行維護(hù)的階段Eo以及拆除階段的Ed，通過(guò)這4個(gè)階段，能夠得出

E=Ep+Ec+Eo+Ed

(1)

通過(guò)上式能夠獲得，單位面積內(nèi)年的碳排放量，就是CO2排放量的指標(biāo)評(píng)價(jià)C，具體公式為

C=E/(S*Y)

(2)

式中：S表示建筑物的面積，Y表示建筑物使用的年限。

通過(guò)式(1)與式(2)能夠使決策者清晰觀察到每一個(gè)階段的排放量數(shù)值，并且依據(jù)該數(shù)據(jù)，可以制定出相對(duì)應(yīng)的對(duì)策，同時(shí)還能夠作為對(duì)低碳建筑與普通建筑間差異衡量標(biāo)準(zhǔn)。因低碳建筑物所排放的碳總量要小于普通的建筑物，所以在式內(nèi)，排放總量與某單一個(gè)階段排放量之間存在正比關(guān)系。若其中某一個(gè)階段和低碳技術(shù)進(jìn)行了融合，導(dǎo)致建筑物的碳排放量有所降低，那么該建筑物的碳排放總量也會(huì)降低[4]。

在建筑的生命周期過(guò)程內(nèi)，所有階段都屬于變量，若能夠計(jì)算出每個(gè)階段的碳排放量具體情況，就可推斷出建筑物在哪一個(gè)階段需要與低碳技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，從而獲取更多的政策支持[5]。

先在第一部分的階段規(guī)劃內(nèi)，把Ep分成均勻的兩部分，因而在規(guī)劃設(shè)計(jì)的階段內(nèi)，主要是含有建筑材料的運(yùn)算以及進(jìn)行選擇的部分，所以，具體可以得到公式為

Ep=Em+Et

(3)

式中：Em表示每種建筑材料在選擇以及用量上面CO2的排放量，例如：混凝土、玻璃等。

Em=∑δmi*δi

(4)

式中：δmi代表第i種類的建筑材料用量，?i代表第i內(nèi)建筑單位CO2的排放系數(shù)。

因?yàn)榻ㄖ牧显谶M(jìn)行運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程內(nèi)，和運(yùn)輸距離、運(yùn)輸工具、以及材料自身的重量有關(guān)。所以Et表示在運(yùn)輸過(guò)程內(nèi)，運(yùn)輸工具所排放的CO2總量。

Em=∑δmi*Li*η

(5)

式中：δmi也是代表第i內(nèi)建筑材料用量，Li表示第i種類建筑材料運(yùn)輸?shù)木嚯x，不過(guò)η測(cè)代表相對(duì)運(yùn)輸工具的CO2排放總系數(shù)。

第二階段，主要是對(duì)建筑物進(jìn)行施工，所制造的階段，該階段能夠利用建筑施工量，和建造過(guò)程內(nèi)不同的建筑方式排放的碳量，來(lái)對(duì)第二階段總的碳排放量進(jìn)行計(jì)算。以此就能夠獲得公式為

Em=∑βc*σci

(6)

式中：βc代表此工程建筑的施工總量，σci對(duì)應(yīng)施工單位CO2所排放的系數(shù)。

而第三階段是在建筑物建造完畢以后，正式開始的運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。因在運(yùn)營(yíng)維護(hù)的過(guò)程內(nèi)，所排放CO2的主要關(guān)鍵是取決于建筑物在使用的過(guò)程內(nèi)能耗，所以要把能耗劃分成為兩大種類。一是電能的消耗量，二是化石能源的消耗量，以此就能夠獲得公式為

Eo=Y*(Qe*fe+Qg*fg)

(7)

式中：Qe表示單位年內(nèi)的耗電量，fe代表電力所生成碳排放的系數(shù)，Qg代表單位年的耗氣量，fg表示能源所排放的碳系數(shù)。

第4階段是拆除階段，和以上相同，能夠經(jīng)過(guò)不同拆除方式完成劃分同時(shí)計(jì)算，可以獲得公式為

Ed=∑βdi*σdi

(8)

式中：βdi表示拆除建筑物所需要的施工量，σdi表示不同的拆除方法CO2排放系數(shù)。

3 建筑碳排放多目標(biāo)優(yōu)化算法

3.1 多目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題

多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題能夠描述成

x=[x1，x2，x3，…，xn]T

miny=f(x)={f1(x)，f2(x)，…，fm(x)}

s.tx∈S={x|gj(x)≤0，j=1，2，…，p}

(9)

式中：x代表決策的向量，y代表目標(biāo)的向量，gj(x)代表第j個(gè)約束，S代表決策變量的可行解域。

定義1：在設(shè)有決策的變量u，v，并且u∈S，v∈S，如果fi(u)≤fi(v)，(i=1，2，…，m)，同時(shí)其中最少存在一個(gè)嚴(yán)格的不等式，那么u就要優(yōu)于v。繼而能夠得出?i∈{1，…，k}，ui≤υi∧?i∈{1，…，k}：ui<υi，標(biāo)記成u≤v。

定義2：如果x*∈S，并且S內(nèi)沒(méi)有比x*更加優(yōu)越的解x，那么稱x*為多目標(biāo)的優(yōu)化模型式(9)帕累托(Pareto)最佳解。

定義3：相對(duì)于一個(gè)已經(jīng)給定多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題f(x)，全部Pareto最佳解所構(gòu)成的最佳解集，標(biāo)記成P*，從而能夠得出P*={x∈S|?x′∈S，f(x′)≤f(x)}。

定義4：相對(duì)于一個(gè)已經(jīng)給定多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題f(x)，全部Pareto最佳解相應(yīng)的目標(biāo)向量，所構(gòu)成的此目標(biāo)問(wèn)題Pareto前端，標(biāo)記成PF*，從而能夠獲得PF*={f=(f1(x)，…，fm(x))|x∈P*}。

要想解決實(shí)際建筑工程內(nèi)碳排放量系數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題，先要找出Pareto的最優(yōu)解集以及Pareto的前端，再通過(guò)決策者依據(jù)實(shí)際的要求，來(lái)選擇其中最為合理的解[6]。

3.2 多目標(biāo)優(yōu)化算法獲得最佳解評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

怎么來(lái)評(píng)價(jià)優(yōu)化方法，所得到的非劣解集量化標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，是作為多目標(biāo)優(yōu)化一直以來(lái)的難點(diǎn)，主要是很難獲得一個(gè)合適并且還有效的標(biāo)準(zhǔn)。所以提出可三種量化的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，來(lái)對(duì)建筑物的碳排放量多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。

第一種是通過(guò)算法獲得非劣解集到達(dá)Pareto的最優(yōu)解集間距離，具體公式為

(10)

式中：n代表算法所獲取的非劣解數(shù)量，di代表第i個(gè)解獲得Pareto最佳解集，而得到最小的距離，如果GD=0，則代表獲得非劣解都是屬于Pareto的最佳解集。此指標(biāo)能夠反映出算法獲得優(yōu)化解集和Pareto的最佳解集相近程度[8]。

第二種是分散性，具體公式為

(11)

第三種錯(cuò)誤率，具體公式為

(12)

式中：n代表算法所獲取的非劣解數(shù)量，而第i個(gè)非劣解是屬于Pareto的最佳解集，即ei=0，反之ei=1。ER=0代表所獲取的非劣解集，是屬于Pareto的最佳解。

可通過(guò)上述3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，完成多目標(biāo)優(yōu)化并在一定程度上反映其性能。

4 實(shí)驗(yàn)證明

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證本文方法的效果，選擇一棟10層的樓房作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究，此建筑物的總面積是14521.025m2，而使用的年限是50年，其中第一與第二層是作為停車場(chǎng)、儲(chǔ)物室以及入口，所以不予以考慮，其余位置是作為房間使用，特征層全是房間。層數(shù)高為4.2m，地板到達(dá)吊頂?shù)母叨仁?.45m。

該項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)信息，具體如表1所示。

表1 項(xiàng)目的設(shè)計(jì)信息

4.2 系統(tǒng)優(yōu)化

在不同的決策變量之下相對(duì)信息，如表2所示。與玻璃類型的材料細(xì)節(jié)如表3所示，把變量值輸入Ecotect 2018軟件內(nèi)，運(yùn)行104個(gè)小時(shí)。在假設(shè)全部的決策變量是離散的，窗墻比、外部的遮陽(yáng)寬度都要精準(zhǔn)至小數(shù)點(diǎn)后一位，而建筑物的朝向值需要精確至1個(gè)單位，以此完成運(yùn)算模擬。

表2 項(xiàng)目的決策變量表

表3 玻璃的種類細(xì)節(jié)

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在系統(tǒng)模擬與系統(tǒng)優(yōu)化的一起作用下，獲得帕累托的最佳解，如表4、表5所示。

表4 墻體類型的帕累托最優(yōu)解解決方案

表5 玻璃類型的帕累托最優(yōu)解解決方案

把每一個(gè)帕累托的最佳方案和起始方法對(duì)比，經(jīng)過(guò)對(duì)比LCCE二者變化值，可以得到表6，能夠新設(shè)計(jì)內(nèi)LCCE都比起始設(shè)計(jì)方案縮小，LCCE縮小了13.84%～33.41%，平均縮小了27.67%。

表6 各方案與起始方案對(duì)比

此建筑的維護(hù)以及拆除階段，相對(duì)于碳排放與成本的影響較低，所以該次實(shí)驗(yàn)并未考慮此兩階段。經(jīng)過(guò)帕累托的最佳解決方案能夠看出，LCCE值的碳系數(shù)比初始的方案更加精準(zhǔn)。以此能夠看出，經(jīng)過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化以后，本文方法得到的建筑生命周期碳排放量數(shù)值，在一定程度更加接近于實(shí)際建筑的數(shù)值，使其成為函數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為建筑物生命周期的碳排放量改善、可持續(xù)性提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)依據(jù)，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)統(tǒng)一。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本文方法對(duì)碳排放量評(píng)價(jià)函數(shù)優(yōu)化以后，為日后降低環(huán)境污染問(wèn)題，提供了數(shù)據(jù)指標(biāo)，使建筑物生命周期的環(huán)境改善問(wèn)題得到了可持續(xù)性發(fā)展，完成減低節(jié)能減排目標(biāo)?？偠灾诮ㄖ芷谥?，最大程度對(duì)能源資源節(jié)約，可以減少污染、保護(hù)環(huán)境。提供適合、健康的生活空間，如自然共生的建筑物。因此，建筑物的未來(lái)發(fā)展方向是低碳建筑物，同時(shí)也是社會(huì)向著低碳社會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變的條件之一。本文方法也向著建筑生命周期內(nèi)的每一個(gè)細(xì)節(jié)、問(wèn)題等情況進(jìn)行優(yōu)化，以此獲得所有的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)。