生态设计软件打造绿色土木工程
作者：Isabelle Dumé
编辑：Meister Xia
导读：
绿色节能是建筑设计的发展趋势，符合当前国内外对节能减排的要求。这需要在确保建筑安全、舒适、健康、宜居的基础上，加强设计理念、建筑实体、建筑材料等方面的环保设计。研究人员正在开发相关软件，旨在通过调整设计来助力打造环保型建筑。本期为“建筑业的节能减碳”系列二，将为大家介绍生态设计软件如何助力建筑业的绿色节能。
一览：
研究人员正在开发新型软件助力打造环保型建筑。这种生态设计方法在建筑领域的热度不断攀升。
生态设计方法事关建筑设计早期的相关决策，且能左右项目完成后的环境效益。
新型软件对新旧建筑同样适用。
巴黎高科矿业学院（MINES ParisTech）开发的“遗传算法”优化技术，颇受住宅建筑商的欢迎。
很多产品在设计阶段都会兼顾生态环境保护，建筑领域也可以效仿这一做法。除碳足迹外，建筑材料对人类健康、生物多样性和自然资源的影响也需纳入考量。材料的选择影响着建筑的能耗，因此，这些材料从制造到报废的整个生命周期都需得到优化。
生态设计软件
巴黎高科矿业学院正在开发相关软件，旨在通过调整设计来促成上述目标的实现。一大可行方案是在初始设计阶段开发一个简化模型，或是使用名为“建筑信息模型”的软件（BIM）。这些工具允许建筑师和工程师通过调整各种参数来分析最终结果，从而优化建筑的能量使用、温度设定和环境影响。这些参数不仅涉及建筑本身的绝缘和热惯性，以及暖通空调等内置系统，也会将气候因素和居民行为纳入考量。
上述生态设计方法事关建筑设计早期的相关决策，且能左右项目完成后的环境效益，因此，它在建筑领域的热度不断攀升。有鉴于此，开发能够轻松比较各种建筑和技术参数的软件工具、选择适合的建筑朝向和窗户大小以提升能效就显得尤为重要。设计阶段结束后，建筑材料的优化选择将成为关注焦点。例如，要想让建筑拥有更好的高温抵御能力并减少碳足迹，工程师可在墙壁内部铺设稀土或砖石等不易传热的物质，并在外部铺设生物基材料，以形成绝缘层，而非使用上述材料与汉麻混凝土或是木屑混凝土相混合的建筑材料。
经过数千次计算，我们得出了一系列基线标准，并通过与基线对标，来判断不同建筑类型的影响。例如，我们测算了不同建筑每年每平方米排放的二氧化碳当量，从而得出该参数的区间值（一般来说，住宅楼每年的区间值为10~120公斤二氧化碳/平方米）。建筑设计师若在比较后发现其项目的碳足迹太高，便可相应作出调整。
生命周期评估
我们的评估涵盖建筑的整个生命周期，包括建筑材料的制造、使用、翻新和报废。该方法名为“生命周期评估”，最早出现于20世纪80年代末，但直到2022年才开始成为测算新建筑碳足迹的必经步骤。这些法规虽有瑕疵，但标志着建筑向着节能减排迈出了重要一步。
除温室气体排放外，工程建设项目对人类健康、生物多样性和环境资源的影响也需纳入考量。世界各地的实验室正在开发上述评估方法，ISO和CEN（欧洲标准化委员会）等各大标准中也频繁出现其身影。我们主要通过评估建筑可能产生的有毒物质，以及对气候可能产生的后果来判断建筑的潜在健康影响。这一做法与世界卫生组织（WHO）的DALYs（伤残调整寿命年）原理类似。
在评估建筑对生物多样性的潜在影响时，我们将一定时间段内，某区域可能因该建筑而消失的物种百分比视作指标。该指标囊括了气候影响、酸化和施肥导致的水体富营养化。后者会耗尽河流氧气，造成水体污染。此外，土地利用也需纳入考量。
新旧建筑改造
在每年开工的土木项目中，只有1%是新建建筑，其余都是现有楼房改造。因此，若想减少建筑物对环境的整体影响，必须以改造项目为抓手。然而，历史遗迹，或是城市老旧建筑的外墙无法进行外部隔热处理，而内部安装隔热层，则意味着缩小本已局限的生活空间。
幸运的是，我们的模型和软件对新旧建筑同样适用。迄今为止，我们已经参与了多个项目的新旧建筑改造，涵盖从家庭住房到办公室和学校等多个领域，因此，设计师和建筑师可以自由挑选这些经过实践检验的工具和软件。
我们开发的一种基于“遗传算法”的优化技术颇受住宅建筑商的欢迎。这和农民花费几代时间选用最佳基因育种的原理类似。我们选取的“基因”代表着绝缘材料的最佳厚度和窗户玻璃的最佳表面积。经过多次迭代后，最终选取最为环保，以及工程建设成本最优的“基因”组合，供住房建筑商参考。
Isabelle Dumé
推荐阅读:
- Peuportier B., Eco-conception des bâtiments et des quartiers, Presses de l’Ecole des Mines, 336p, novembre 2008, http://www.pressesdesmines.com/eco-conception-des-batiments-et-des-quartiers.html
- Wurtz A., Peuportier B., Application de l’analyse de cycle de vie à un échantillon de bâtiments pour l’aide à l’évaluation des projets, Conférence IBPSA-France, Reims, novembre 2020
- Recht T., Robillart M., Schalbart P., Peuportier B., Éco-conception de maisons à énergie positive assistée par optimisation multicritère, Conférence IBPSA France, Marne-la-Vallée , mai 2016
Bruno Peuportier
巴黎高科矿业学院环境研究实验室科研主任
Isabelle Dumé
科学，物理学哲学博士
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