可持續(xù)建筑的全壽命周期評價策略研究

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作為耗能和污染大戶,建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展勢在必行,其中建筑設(shè)計理念首當其沖,決定著建筑與環(huán)境關(guān)系的基調(diào)。傳統(tǒng)建筑學(xué)忽略了建筑系統(tǒng)作為一個次級系統(tǒng)依存于特定自然環(huán)境中,是生態(tài)系統(tǒng)中連續(xù)的能量和物質(zhì)流動的一個環(huán)節(jié)和階段。如果說這種傳統(tǒng)建筑模式在以前尚能勉強維持的話,在當今地球資源日益枯竭之時已寸步難行。
    所謂“可持續(xù)發(fā)展建筑”即能減少資源消耗從而延長自然資源的可獲得性,同時保護環(huán)境少受污染的建筑設(shè)計和建設(shè)方法。建筑師應(yīng)貫徹全壽命周期評價思想,對設(shè)計方案進行整體優(yōu)化和綜合比較,切實作到“綜合用地;多能轉(zhuǎn)換,立體用地;自然空調(diào);立體綠化;生態(tài)平衡;美感、衛(wèi)生、安全”。所謂“全壽命周期評價”,據(jù)1997年國際標準化組織(ISO)制定的原則與框架,指將某一產(chǎn)品在其壽命周期內(nèi)的輸入輸出和潛在環(huán)境影響的匯編和評價。對建筑而言,即將材料構(gòu)件生產(chǎn),規(guī)劃與設(shè)計,建造與運輸,運行與維護,拆除與處理全循環(huán)過程中物質(zhì)能量流動所產(chǎn)生對環(huán)境影響的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益綜合評價,即ISO界定的資源利用、人類健康及生態(tài)后果三方面。
    1 全壽命周期經(jīng)濟效益評價
    可持續(xù)發(fā)展建筑全壽命周期經(jīng)濟效益評價包含兩個層次的內(nèi)涵:①實現(xiàn)一定功能需求的投入最小化;②相同投入條件下功能效益化。其中①是從靜態(tài)的抑制需求角度被動減少資源消耗,與提高生活水平相矛盾,屬于低層次標準;而②則從動態(tài)的提高系統(tǒng)資源利用率和供給質(zhì)量角度主動可持續(xù)發(fā)展,屬于高層次標準。建筑的一次造價和使用期間操作運行費用、維修費用、更換及改造費用等構(gòu)成經(jīng)濟學(xué)家所稱的“全壽命費用”,它很大程度上取決于設(shè)計方案的優(yōu)劣。建筑產(chǎn)品的后期投入與一次造價的比例隨不同時期不同國家不同項目而異,但后期投入始終是非??捎^的。建筑師應(yīng)充分考慮到全壽命周期中各階段的投入及其在全壽命費用中的比重,運用加權(quán)平均法綜合平衡一次投資與后期投入的關(guān)系,從整體上降低全壽命周期成本。
    1.1 建筑材料選擇階段
    “蘊能量”(Embodied Energy)的概念對全壽命費用有重大影響。它最早由Rachard Stein和Diane Serber于1979年提出——所謂物質(zhì)材料的蘊能量包括物質(zhì)材料從原材料提煉到生產(chǎn)過程完成所消耗的能量,轉(zhuǎn)化為建筑元素所消耗的能量和進行裝配所消耗的能量的總和。它表征建筑系統(tǒng)由外到內(nèi)的能量和物質(zhì)材料交換量的多少。因目前建筑材料加工過程中主要能源輸人為化石燃料,利用蘊能量可估計出建筑系統(tǒng)的輸入,從而衡量出材料的經(jīng)濟性能??傮w上,蘊能量高低由磚和石等初級材料到鋁材和鋼鐵等精細材料成倍增長。當然與高蘊能量相對的是較少的維護要求、高回收率和高循環(huán)利用率,環(huán)保型使用模式相對節(jié)省了能耗和物質(zhì)材料??傊ㄖO(shè)計選擇材料時應(yīng)針對具體工程實際,全面綜合比較做到整體上性而優(yōu)則用,以實現(xiàn)建筑的可持續(xù)。
    1. 2 建筑構(gòu)造設(shè)計、設(shè)備選擇階段
    根據(jù)系統(tǒng)論的等價原理,開放系統(tǒng)可通過不同的輸入和不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)達到同樣的目標。T.A.馬克斯認為用于維護的能源配額只是對于建造能源的一種延期分配形式。建筑壽命周期中其自身蘊能量只占總能源使用的35%,高達65%的能耗與其運營方式有關(guān)。因此直接決定建筑運營方式的節(jié)能策略是全壽命周期評價的關(guān)鍵,我們既不能盲目控制一次造價而不顧后期投人大量增加,也不能一味追求所謂生態(tài)高技術(shù),造成建設(shè)投資大幅超標。如果節(jié)能措施增加初期投資5%-10%,而其可在預(yù)見的期限內(nèi)收回,就不失為我們所接受的提高經(jīng)濟效益的良策。對于增加的成本,應(yīng)把長期效益按可比價格折算成直觀經(jīng)濟指標以利于比較分析。國內(nèi)首座節(jié)能示范建筑——科技部綜合節(jié)能樓設(shè)計時應(yīng)用DOE—2程序,量化推出北京節(jié)能辦公樓設(shè)計應(yīng)從夏季制冷和照明角度入手,然后對適應(yīng)地形的各種形狀的制冷效果進行模擬,得出十字形綜合節(jié)能效果,在相同樓層、相同空間、相同窗戶面積情況下十字形樓能耗可比方形樓降低4.7%。通過整體和細部措施的有機組合,該建筑預(yù)計可節(jié)省能源開支45%-50%。其增加成本不超過傳統(tǒng)建筑費用的10%,且會在10年內(nèi)通過節(jié)約能源收回來,因此全壽命費用大大降低。從實踐來看,建筑師應(yīng)對節(jié)能策略的全壽命周期經(jīng)濟效益理性分析并綜合取優(yōu),因其直接影響建筑存在方式,它必將成為科學(xué)化建筑設(shè)計的必要程序而非形式主義過場。
    1.2 1 建筑后期處理階段
    建筑功能的廢棄、技術(shù)的過時和物質(zhì)性衰退造成的設(shè)備更換及改造費用也是全壽命成本重要組成部分。一座易于改造的建筑才會擁有更長的使用壽命和更高的使用效益。
    建筑師在設(shè)計中應(yīng)充分預(yù)見到建筑改造和設(shè)備更換的可能性,采取適應(yīng)性改變、靈活性設(shè)計、長壽多適等策略,預(yù)留開放端口,以提高整體資源利用率,動態(tài)適應(yīng)變化的社會生活。筆者參與的白城師專體育館設(shè)計結(jié)合高校體育館的特點,在比賽廳中創(chuàng)造性的全部用活動座席取代固定座席,徹底解放了座席空間,為師生提供限度的靈活使用可能性;在緊湊的布局中設(shè)計了健美、藝術(shù)體操、器械體操、武術(shù)、60m跑道等大空間功能用房,為其社會化轉(zhuǎn)型提供適應(yīng)性。該館投入使用后受到普遍好評。從社會學(xué)和生態(tài)學(xué)角度講,一項具有良好靈活性的設(shè)計延展了社會生活的可持續(xù)性。
    正如英國建筑經(jīng)濟學(xué)家P.A.Stone所言,經(jīng)濟建筑并不一定是最廉價的建筑,而是一種美觀的,而且在建造費用運營管理費用、人工費用上都便宜合算的建筑。
    2 壽命周期社會效益評價
    建筑的社會效益指建成環(huán)境在與人類互動中對其產(chǎn)生的生理心理健康影響。所謂“不健康”應(yīng)廣義理解為一種不協(xié)調(diào)不適應(yīng)的存在狀態(tài)。建筑師應(yīng)以創(chuàng)造健康環(huán)境為目標。
    2.1 使用者健康問題
    現(xiàn)代建筑對使用者生理健康影響表現(xiàn)在:①建造伊始埋下的建材揮發(fā)輻射的禍害。許多建材散發(fā)的有毒物質(zhì)如氧氣、甲醛、重金屬微粒及揮發(fā)性有機物都是使用者健康的殺手,可持續(xù)發(fā)展建筑應(yīng)選用綠色建材,減少揮發(fā)放射性物質(zhì)的危害。②建筑運行過程中的病態(tài)環(huán)境。全空調(diào)環(huán)境并不健康,它隔絕了內(nèi)外環(huán)境的聯(lián)系,使人體抵抗力下降,產(chǎn)生病態(tài)建筑綜合癥等“容器”負效應(yīng)。因此,Crowther.R提醒人類應(yīng)該保留一定程度的自我調(diào)節(jié)和適應(yīng)能力,而不是完全密封在人工環(huán)境中,應(yīng)該適當考慮人類的生物舒適性,而不是利用各種技術(shù)手段達到人工舒適的極至。人們在“如同一個瀕于死亡的重病人似的”現(xiàn)代建筑中,看到的是沉悶的人工照明環(huán)境,呼吸著不新鮮的空氣,聽著電腦、打印機等噪音……這樣的人工環(huán)境強烈刺激使用者的心理健康。最近的研究表明:具有良好環(huán)境品質(zhì)的建筑包括有效的通風,天然的或適當水平的照明,良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)及聲學(xué)環(huán)境可提高勞動生產(chǎn)率6%—16%。這意味著創(chuàng)造有益于使用者健康的室內(nèi)環(huán)境將使人力資源的潛力發(fā)揮到較高水平。
    2. 2 旁觀者健康問題
    旁觀者健康問題是現(xiàn)代建筑長期所忽略的軟肋,也是全壽命周期社會效益評價的重要組成部分,主要表現(xiàn)在建成環(huán)境對行人心理的刺激。由于這方面的投入沒有直接的經(jīng)濟效益,以往建筑設(shè)計很少關(guān)注。隨著人們生活品位的提高,獨善其身的建筑設(shè)計不再適用,綠色化、景觀化的環(huán)境設(shè)計理念逐漸深入人心。精良的環(huán)境品質(zhì)積極塑造行人心理并帶來廣泛社會效益,如宜人的空間環(huán)境有助于提高空間凝聚力而降低犯罪率,綠樹成萌的環(huán)境是對行人活動真心的關(guān)切支持和對城市空間的積極貢獻等。建筑師有責任把旁觀者的健康問題納入視野,以實現(xiàn)城市空間積極健康的生長。
    3 全壽命周期環(huán)境效益評價
    建筑全壽命周期環(huán)境效益指建筑系統(tǒng)全循環(huán)過程中輸入輸出對宏觀和微觀環(huán)境造成的生態(tài)后果。
    3.1 宏觀環(huán)境效益
    從宏觀環(huán)境效益來看,現(xiàn)代建筑對地球環(huán)境破壞有余,建設(shè)不足,舒馬赫認為作為傳統(tǒng)建筑學(xué)基礎(chǔ)的凱恩斯經(jīng)濟學(xué)沒考慮自然資源的價值,而空氣、水、土壤乃至整個現(xiàn)存的自然環(huán)境不能用通常意義的價格概念來表示,因為現(xiàn)代經(jīng)濟學(xué)不了解它們之間質(zhì)的差異。自然環(huán)境對于每個物種來說都是獨一無二的,可持續(xù)建筑有責任將其環(huán)境負荷降至最小。在設(shè)計階段預(yù)測并減少建筑系統(tǒng)的輸入輸出是必要的,因為從理論上分析,建筑系統(tǒng)只有在外部生態(tài)系統(tǒng)的吸收能力與輸出量相匹配時才能維持自身的穩(wěn)定性。前文的“蘊能量”概念一方面表示建筑系統(tǒng)的輸入量,還表示建筑系統(tǒng)通過輸入過程影響周圍生態(tài)系統(tǒng)的程度,所以建材就已經(jīng)對環(huán)境造成負荷。而建筑運行中超負荷的溫室氣體、酸雨氣體、煙塵、CEC、廢水、固體廢物等輸出需要自然吸收,隨著人們改造自然能力的指數(shù)式增長,人工環(huán)境已大有置換自然環(huán)境之勢,從而減少了生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)和同化吸收能力。對此建筑師應(yīng)從設(shè)計上統(tǒng)籌安排,綜合節(jié)能,并盡可能使用耐用的建筑材料、設(shè)備產(chǎn)品以延長建筑使用壽命,以減少全壽命周期建筑環(huán)境負荷,實現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展。
    3.2 微觀環(huán)境效益
    從微觀環(huán)境效益角度而言,現(xiàn)代建筑似乎很重視,殊不知傳統(tǒng)建筑師對環(huán)境概念簡化為系統(tǒng)所在的空間區(qū)域,而不會將環(huán)境視為一個活躍的、具有一定功能的生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng)的組成部分應(yīng)遵循自然過程中相互作用。追求片面經(jīng)濟效益使現(xiàn)代建筑無視局部環(huán)境特殊性,給微觀環(huán)境景觀和生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大壓力??沙掷m(xù)建筑設(shè)計應(yīng)因地制宜,兼顧景觀及生態(tài)敏感性,選擇對局部環(huán)境破壞最小施工方式。
    4 結(jié)語
    4.1 認識論層面:關(guān)注本體,呼喚理性
    如果把建筑模式看作一個整體結(jié)構(gòu),那傳統(tǒng)設(shè)計只能算脆弱的靜定結(jié)構(gòu),當建筑系統(tǒng)面臨賴以存在的負嫡流匱乏的挑戰(zhàn)時,它就岌岌可危了——時代呼喚超靜定的理性建筑設(shè)計程序。全壽命周期評價為可持續(xù)建筑設(shè)計提供了一個有力的支點,建筑設(shè)計應(yīng)突破風格、構(gòu)圖等傳統(tǒng)藝術(shù)范疇的狹窄天地,在全壽命周期效益評價的基礎(chǔ)上,對建筑的輸入輸出進行有效調(diào)控,以求徹底實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
    4.2 方法論層面:“90%解決原則”
    可持續(xù)建筑全壽命周期的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益及單項與整體效益之間往往會發(fā)生矛盾,如傳統(tǒng)建材價格優(yōu)勢,節(jié)能構(gòu)造設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟壁壘使建筑師和業(yè)主經(jīng)常進退維谷。當然建筑師沒必要也沒能力滿足全方面的要求,而應(yīng)借用阿蘭.蘭德爾提出的“90%解決原則”,因建筑制宜,突出重點,綜合權(quán)衡,通過全壽命周期評價來判別設(shè)計方案的優(yōu)劣,并探索改進設(shè)計的途徑以實現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展。