高 源，方 丽，薛贵香

(1. 河北工业大学，天津 300130；2. 河北工业大学人工智能与数据科学学院，天津 300401)

1 引言

建筑生命周期是指把建筑工程内包含设计、规划、施工、竣工以及物业管理等一个整体，来衔接每一个环节综合管理平台，通过对应的平台信息，来共享、管理以及创建相同的工程信息，来降低工程建筑每个阶段衔接和每个参与方之间的信息丢失情况，以此提升建筑工程的施工效率问题。同时建筑工程存在技术含量比较高、施工周期长、涉及单位较多以及风险高等特点，所以建筑生命周期的划分非常重要[1]。通常划分成为4个阶段，分别是：规划阶段、设计阶段、施工阶段以及运营阶段。其中规划阶段是在建筑项目定位的基础上，对功能、风格符合定位，再进行比较具体的规划以及总体上的设计。而工程施工是指建筑施工团队对工程的成本核算，在建筑工程的设计条件下，对工程进行新建、改建以及扩建的活动。运动阶段就是对于建筑物的日常操作、维护、改善、修理、更新以及物业管理等过程[2]。

而碳排放量通常是指温室气体的排放，地球在对太阳辐射吸收的同时，自身也在向着外层空间辐射热量，当这些辐射在进入到大气层以后，非常容易被某些较大的分子量和极性特别强的气体分子吸收。因红外线能量比较低，不足以致使分子键能断裂，所以气体分子在吸收到红外线辐射之后不会发生化学反应，仅是阻挡热量从地球向外逃逸，这就相当于是地球与外层空间形成了一个绝热层。而空气内的一些微量组分对地球的辐射吸收作用，导致全球气温上升，这种现象被称为“温室效应”。人类活动或者是自然形成的温室气体都包括：二氧化碳、氧化亚氮、水汽、臭氧等，这些气体的排放主要是来源于重工业发展、汽车尾气以及建筑整个生命周期等。全球变暖已经成为制约人类经济社会可持续发展的重要障碍之一，对于控制污染物与温室气体排放现在需要高度重视。所以需要通过多目标优化的方法，来对碳排放量的评价函数进行优化，获得更加准确的数据，为保护环境提供指标参数[3]。为此本文提出一种建筑生命周期碳排放评价函数多目标优化算法，为改善环境污染问题提供了精准数据依据。

2 计算建筑生命周期碳排放量

通过建筑物的4个阶段碳排放量总和，对建筑物二氧化碳总排放量进行计算。先假设CO2的总排放量为E，在一定的周期中，4个阶段的碳排放量为：规划设计Em、施工的阶段Ec、运行维护的阶段Eo以及拆除阶段的Ed，通过这4个阶段，能够得出

E=Ep+Ec+Eo+Ed

(1)

通过上式能够获得，单位面积内年的碳排放量，就是CO2排放量的指标评价C，具体公式为

C=E/(S*Y)

(2)

式中：S表示建筑物的面积，Y表示建筑物使用的年限。

通过式(1)与式(2)能够使决策者清晰观察到每一个阶段的排放量数值，并且依据该数据，可以制定出相对应的对策，同时还能够作为对低碳建筑与普通建筑间差异衡量标准。因低碳建筑物所排放的碳总量要小于普通的建筑物，所以在式内，排放总量与某单一个阶段排放量之间存在正比关系。若其中某一个阶段和低碳技术进行了融合，导致建筑物的碳排放量有所降低，那么该建筑物的碳排放总量也会降低[4]。

在建筑的生命周期过程内，所有阶段都属于变量，若能够计算出每个阶段的碳排放量具体情况，就可推断出建筑物在哪一个阶段需要与低碳技术进行结合，从而获取更多的政策支持[5]。

先在第一部分的阶段规划内，把Ep分成均匀的两部分，因而在规划设计的阶段内，主要是含有建筑材料的运算以及进行选择的部分，所以，具体可以得到公式为

Ep=Em+Et

(3)

式中：Em表示每种建筑材料在选择以及用量上面CO2的排放量，例如：混凝土、玻璃等。

Em=∑δmi*δi

(4)

式中：δmi代表第i种类的建筑材料用量，∂i代表第i内建筑单位CO2的排放系数。

因为建筑材料在进行运输的过程内，和运输距离、运输工具、以及材料自身的重量有关。所以Et表示在运输过程内，运输工具所排放的CO2总量。

Em=∑δmi*Li*η

(5)

式中：δmi也是代表第i内建筑材料用量，Li表示第i种类建筑材料运输的距离，不过η测代表相对运输工具的CO2排放总系数。

第二阶段，主要是对建筑物进行施工，所制造的阶段，该阶段能够利用建筑施工量，和建造过程内不同的建筑方式排放的碳量，来对第二阶段总的碳排放量进行计算。以此就能够获得公式为

Em=∑βc*σci

(6)

式中：βc代表此工程建筑的施工总量，σci对应施工单位CO2所排放的系数。

而第三阶段是在建筑物建造完毕以后，正式开始的运营维护阶段。因在运营维护的过程内，所排放CO2的主要关键是取决于建筑物在使用的过程内能耗，所以要把能耗划分成为两大种类。一是电能的消耗量，二是化石能源的消耗量，以此就能够获得公式为

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

(7)

式中：Qe表示单位年内的耗电量，fe代表电力所生成碳排放的系数，Qg代表单位年的耗气量，fg表示能源所排放的碳系数。

第4阶段是拆除阶段，和以上相同，能够经过不同拆除方式完成划分同时计算，可以获得公式为

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排放系数。

3 建筑碳排放多目标优化算法

3.1 多目标的优化问题

多目标优化的问题能够描述成

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代表决策的向量，y代表目标的向量，gj(x)代表第j个约束，S代表决策变量的可行解域。

定义1：在设有决策的变量u，v，并且u∈S，v∈S，如果fi(u)≤fi(v)，(i=1，2，…，m)，同时其中最少存在一个严格的不等式，那么u就要优于v。继而能够得出∀i∈{1，…，k}，ui≤υi∧∃i∈{1，…，k}：ui<υi，标记成u≤v。

定义2：如果x*∈S，并且S内没有比x*更加优越的解x，那么称x*为多目标的优化模型式(9)帕累托(Pareto)最佳解。

定义3：相对于一个已经给定多目标优化的问题f(x)，全部Pareto最佳解所构成的最佳解集，标记成P*，从而能够得出P*={x∈S|∃x′∈S，f(x′)≤f(x)}。

定义4：相对于一个已经给定多目标优化的问题f(x)，全部Pareto最佳解相应的目标向量，所构成的此目标问题Pareto前端，标记成PF*，从而能够获得PF*={f=(f1(x)，…，fm(x))|x∈P*}。

要想解决实际建筑工程内碳排放量系数多目标优化的问题，先要找出Pareto的最优解集以及Pareto的前端，再通过决策者依据实际的要求，来选择其中最为合理的解[6]。

3.2 多目标优化算法获得最佳解评价标准

怎么来评价优化方法，所得到的非劣解集量化标准评价，是作为多目标优化一直以来的难点，主要是很难获得一个合适并且还有效的标准。所以提出可三种量化的标准评价，来对建筑物的碳排放量多目标优化进行评价[7]。

第一种是通过算法获得非劣解集到达Pareto的最优解集间距离，具体公式为

(10)

式中：n代表算法所获取的非劣解数量，di代表第i个解获得Pareto最佳解集，而得到最小的距离，如果GD=0，则代表获得非劣解都是属于Pareto的最佳解集。此指标能够反映出算法获得优化解集和Pareto的最佳解集相近程度[8]。

第二种是分散性，具体公式为

(11)

第三种错误率，具体公式为

(12)

式中：n代表算法所获取的非劣解数量，而第i个非劣解是属于Pareto的最佳解集，即ei=0，反之ei=1。ER=0代表所获取的非劣解集，是属于Pareto的最佳解。

可通过上述3个标准评价，完成多目标优化并在一定程度上反映其性能。

4 实验证明

4.1 实验环境

为了验证本文方法的效果，选择一栋10层的楼房作为实验对象进行研究，此建筑物的总面积是14521.025m2，而使用的年限是50年，其中第一与第二层是作为停车场、储物室以及入口，所以不予以考虑，其余位置是作为房间使用，特征层全是房间。层数高为4.2m，地板到达吊顶的高度是2.45m。

该项目的初步设计信息，具体如表1所示。

表1 项目的设计信息

4.2 系统优化

在不同的决策变量之下相对信息，如表2所示。与玻璃类型的材料细节如表3所示，把变量值输入Ecotect 2018软件内，运行104个小时。在假设全部的决策变量是离散的，窗墙比、外部的遮阳宽度都要精准至小数点后一位，而建筑物的朝向值需要精确至1个单位，以此完成运算模拟。

表2 项目的决策变量表

表3 玻璃的种类细节

4.3 实验结果分析

在系统模拟与系统优化的一起作用下，获得帕累托的最佳解，如表4、表5所示。

表4 墙体类型的帕累托最优解解决方案

表5 玻璃类型的帕累托最优解解决方案

把每一个帕累托的最佳方案和起始方法对比，经过对比LCCE二者变化值，可以得到表6，能够新设计内LCCE都比起始设计方案缩小，LCCE缩小了13.84%～33.41%，平均缩小了27.67%。

表6 各方案与起始方案对比

此建筑的维护以及拆除阶段，相对于碳排放与成本的影响较低，所以该次实验并未考虑此两阶段。经过帕累托的最佳解决方案能够看出，LCCE值的碳系数比初始的方案更加精准。以此能够看出，经过多目标优化以后，本文方法得到的建筑生命周期碳排放量数值，在一定程度更加接近于实际建筑的数值，使其成为函数评价标准，为建筑物生命周期的碳排放量改善、可持续性提供准确数据依据，达到节能减排目标统一。

5 结束语

经过本文方法对碳排放量评价函数优化以后，为日后降低环境污染问题，提供了数据指标，使建筑物生命周期的环境改善问题得到了可持续性发展，完成减低节能减排目标。总而言之，在建筑生命周期中，最大程度对能源资源节约，可以减少污染、保护环境。提供适合、健康的生活空间，如自然共生的建筑物。因此，建筑物的未来发展方向是低碳建筑物，同时也是社会向着低碳社会进行转变的条件之一。本文方法也向着建筑生命周期内的每一个细节、问题等情况进行优化，以此获得所有的评价指标数据。