混凝土建筑碳排放计算与低碳设计张孝存王凤来刘凯华_张孝存王凤来刘凯华_9787111771838

建筑行业是我国积极稳妥推进碳达峰碳中和目标的重点领域。建筑设计阶段所确定的建筑材料、建造方式及运行性能，对建筑全生命周期近90%的碳排放有着直接或间接的影响。由此可见，建筑节能降碳设计是推动建筑领域实现低碳可持续发展的关键举措。
本书以我国广泛应用的混凝土结构为对象，从隐含碳排放计算方法、碳排放指标特征、碳排放预测模型，以及材料、构件与结构的低碳设计这四个维度进行阐述，旨在为混凝土建筑的低碳设计与评价提供有效指导。
本书共7章，在分析建筑领域碳排放现状、相关政策与标准建设，以及国内外研究情况的基础上，综合运用生命周期评价、建筑结构设计、机器学习、智能优化算法和统计概率分析等交叉学科知识，系统地阐述了混凝土建筑隐含碳排放计算方法，基于工程大数据分析了隐含碳排放指标的统计特性与影响因素，提出了早期设计阶段的碳排放强度智能预测模型，并通过理论研究和工程实例建立了混凝土材料、构件及结构的低碳设计方法。
本书结构清晰、内容丰富，理论与实践相结合，可供土木工程等相关专业的高等院校、科研单位及建筑企业的相关人员参考，尤其适合从事建筑结构节能降碳设计等研究与工程实践的研究生和技术人员使用。

碳达峰碳中和是我国基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求而作出的重大战略决策，展示了我国为应对全球气候变化作出的新努力和新贡献。建筑领域是我国资源、能源消费与碳排放的重点领域，节能降碳任务艰巨、潜力巨大。为加快推动建筑领域节能降碳，积极稳妥推进碳达峰碳中和战略目标，促进建筑产业实现高质量发展，发展新质生产力，我国陆续建立了1 N完整的政策体系，发布了《加快推动建筑领域节能降碳工作方案》等重要政策文件，对推进建筑领域碳排放统计核算与绿色低碳建造，具有极其重大的理论意义和实践指导价值。
混凝土结构作为我国应用最为广泛的建筑结构体系之一，在建筑领域占据着举足轻重的地位。然而，混凝土建筑在建造过程中需要消耗大量的水泥、钢材等高碳排放建筑材料，形成了环境保护的巨大压力。从头而论，建筑设计阶段决定了建筑材料的种类和用量，决定了建造方式及运行阶段的各项性能与参数，实际上直接或间接对建筑全生命周期近90%的碳排放量有至关重要的影响。为此，以设计为切入点，深入研究混凝土建筑的碳排放特征与节能降碳技术路径，是抓住了建筑领域低碳可持续发展的牛鼻子。
近年来，建筑领域碳排放的相关研究备受行业关注。全球范围内，从建筑碳排放的计算方法、案例分析与低碳设计等方面开展了大量的基础性研究、应用与标准化工作，国内外先后发布了GB/T 513662019《建筑碳排放计算标准》及BS EN 15978：2011等标准，配套了Gabi BuildIt、BEES、PKPMCES等建筑领域碳计算与分析的专门性软件，为加快建筑领域节能降碳工作奠定了良好基础。与此同时，围绕混凝土建筑隐含碳排放的研究与应用仍存在明显不足：首先，碳排放计算模型的工程适用性有待提高，碳排放因子基础数据库亟须完善，与现行工程计量及计价体系的衔接等方面尚有较大的工作量；其次，工程案例碳排放计算与分析受限于计算边界、计量方法与基础数据的准确性，行业碳排放基准值的确定十分困难，加大了在设计阶段早期完成碳排放预测的难度，形成对材料、技术与建筑低碳评价工作的阻碍；最后，建筑设计过程低碳化评判缺乏系统化的量化指标、实际工作中技术堆砌带来的低碳夸大等问题十分普遍，从低碳材料、低碳构件、低碳技术到低碳建筑的系统性设计方法尚处于起步阶段。
本书作者在建筑结构碳排放计算、评价与低碳设计等方面有深刻的理解和研究基础，承担相关科研项目十余项，发表高质量学术论文数十篇，曾出版《建筑工程碳排放计量》（十四五国家重点出版物出版规划项目碳中和绿色建造丛书子目），并主编或参编黑龙江省《建筑全过程碳排放计算标准》、国家标准《城乡建设领域碳计量核算标准》、团体标准《装配式混凝土预制构件碳排放计量与核算标准》等多项标准，主要成果荣获2023年度黑龙江省科学技术奖成果转化一等奖。在长期潜心研究的成果支撑下，本书以混凝土建筑碳排放为研究对象，在总结分析国内外政策措施、技术标准与研究成果基础上，从碳排放计算方法入手，依托工程案例大数据分析，厘清碳源与技术指标，构建了混凝土建筑的隐含碳排放预测模型，从混凝土材料、构件和结构三个层面，结合人工智能算法建立了低碳设计方法体系，从而为混凝土建筑的低碳设计与评价提供指导。
全书共分为7章，第1章介绍了全球建筑领域碳排放现状、相关政策、标准建设情况及国内外研究现状；第2章整理了混凝土建筑隐含碳排放计算的理论框架，基于物料消耗和分项工程建立了实用计算模型及不确定性评价方法；第3章给出了混凝土建筑隐含碳排放指标的统计方法，研究了低层、多层与高层混凝土建筑隐含碳排放的统计特性；第4章以机器学习算法为核心，基于数据处理、模型创建与实例分析提出了适用于早期设计阶段的混凝土建筑隐含碳排放智能预测模型；第5章以混凝土材料为对象，集成机器学习与智能优化算法建立了配合比的低碳优化设计方法；第6章提出了混凝土构件的低碳优化设计算法，并以框架柱、简支梁和连续梁为对象开展了实例研究与影响因素分析；第7章聚焦混凝土结构的低碳设计，通过实例研究分析了对比设计法与优化设计法实现混凝土结构降碳设计的可行路径与潜力。
本书由宁波大学张孝存、哈尔滨工业大学王凤来和广东工业大学刘凯华合著，具体分工为：第1章，张孝存和王凤来；第2～3章，张孝存；第4～5章，张孝存和刘凯华；第6～7章，张孝存。全书由张孝存负责统稿，王凤来和刘凯华进行内容校对。本书由国家自然科学基金项目基于低碳指标的混凝土结构可持续性设计与评价方法研究（编号52108152）、浙江省自然科学基金项目建筑碳排放定额计算方法与低碳量化评价模型研究（编号LQ22E080001）和宁波市自然科学基金项目基于机器学习的城市居住建筑物化碳排放指标分析与特征研究（编号2023J073）资助。本书引用了大量的国内外相关研究文献，在此向文献作者表示衷心感谢。本书撰写过程中，宁波大学陈海亮、徐龙等也做了一些辅助性工作，在此一并表示感谢。
本书以混凝土建筑的碳排放计算方法、统计特征、预测模型及低碳设计体系为着眼点，理论研究与实例分析相结合，组织脉络清晰、内容体系完整，适用于土木工程等相关专业高等院校、科研单位及建筑企业的相关人员参考使用。由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请广大读者及时反馈相关问题与建议，帮助不断完善本书内容，为建筑领域低碳可持续发展共同努力。

张孝存（1990），工学博士，宁波大学土木工程与地理环境学院副教授，智能建造研究所所长。本硕博毕业于哈尔滨工业大学土木工程专业，国家一级注册结构工程师。主要从事低碳建筑结构与可持续、智能设计与建造、碳排放计量评价等相关研究工作。主持国家自然科学基金等纵向科研项目7项，承担横向课题等10余项。主编浙江省十四五普通高等教育本科规划教材《建筑工程碳排放计量》，副主编教材3部。出版译注《混凝土结构统一理论》。发表相关领域学术论文40余篇，其中以第一/通讯作者在国际期刊发表高水平SCI论文25篇，ESI高被引论文1篇，引用千余次。参编国家、地方及团体标准6部。
王凤来（1971），工学博士，哈尔滨工业大学教授、博导，黑龙江省工程勘察设计大师，国家一级注册结构工程师，砌体结构专家。现任哈尔滨工业大学混凝土及砌体结构研究中心主任。在寒地绿色低碳建筑与结构成套技术等领域取得重大成果且实施了转化落地。主持并完成十一五十二五十三五国家重点研发计划项目及课题；主持黑龙江省重大科技成果转化项目、中国工程院咨询项目等数十项科研课题。出版专著、译著及教材等7本，主编及参编国家、省级、行业标准17本，发表论文170余篇，授权专利88项（其中发明专利19项）；研究成果获黑龙江省科学技术进步一等奖、二等奖各一项（排名第1）、黑龙江省科学技术奖科学技术成果转化一等奖（排名第1）、标准科技创新奖一等奖（排名第1）、中国房地产协会科学技术奖一等奖（排名第1），参与获得华夏建设科学技术奖一等奖、二等奖各一项。
刘凯华（1990），工学博士，广东工业大学土木与交通工程学院副教授，土木工程系副主任。本硕博毕业于哈尔滨工业大学，主要从事混凝土结构耐久性、建筑固废资源化、智能建造等方向研究。主持国家及省部级纵向科研项目3项，参与国家重点研发计划子课题及企业委托横向项目10余项。参编教材《混凝土及砌体结构》《混凝土结构设计》《建筑工程碳排放计量》等，发表领域研究论文30余篇，其中以第一/通讯作者发表高水平SCI论文20余篇。担任中国土木工程学会绿色建造与运维分会理事，全国高等教育自学考试指导委员会土木水利矿业环境类专业委员会委员等。

前言
第1章概述1
1．1建筑碳排放现状1
1．1．1全球碳排放趋势1
1．1．2建筑领域碳排放2
1．2相关政策与标准建设3
1．2．1国际政策3
1．2．2国内政策6
1．2．3标准建设8
1．3国内外研究情况10
1．3．1建筑碳排放计算方法10
1．3．2建筑碳排放案例研究18
1．3．3混凝土建筑低碳设计24
1．4研究路线图28
本章小结29
第2章混凝土建筑隐含碳排放计算方法31
本章导读31
2．1理论框架32
2．1．1一般程序32
2．1．2功能单位32
2．1．3系统边界32
2．1．4计算方法35
2．1．5数据来源36
2．1．6结果解释36
2．2基于物料消耗的碳排放计算37
2．2．1计算方法37
2．2．2碳排放因子40
2．3基于分项工程的碳排放计算43
2．3．1计算方法43
2．3．2综合碳排放指标45
2．4计算不确定性评价53
2．4．1不确定性来源53
2．4．2评价方法概述53
2．4．3数据概率模型53
2．4．4不确定性分析56
2．5算例分析58
2．5．1算例概况58
2．5．2碳排放计算61
2．5．3不确定性水准62
本章小结66
第3章混凝土建筑隐含碳排放指标特征67
本章导读67
3．1统计方法概述68
3．1．1系统边界68
3．1．2指标计算68
3．1．3统计分析70
3．1．4数据清洗71
3．2高层建筑指标特征72
3．2．1建筑样本概况72
3．2．2碳排放强度分析74
3．2．3材料贡献度分析76
3．2．4影响因素分析78
3．2．5降碳潜力分析81
3．2．6主要结论82
3．3低层与多层建筑指标特征82
3．3．1建筑样本概况82
3．3．2碳排放强度分析85
3．3．3影响因素分析86
3．3．4材料贡献度分析88
3．3．5系统边界情景分析89
3．3．6线性回归模型90
3．3．7主要结论93
本章小结94
第4章混凝土建筑隐含碳排放预测模型95
本章导读95
4．1回归分析基础96
4．1．1回归分析方法96
4．1．2预测模型框架99
4．2数据集与特征筛选100
4．2．1数据清洗100
4．2．2类型转换103
4．2．3特征筛选105
4．2．4多重共线性106
4．3机器学习算法107
4．3．1概述107
4．3．2常用算法介绍108
4．3．3交叉验证技术116
4．3．4超参数调优技术118
4．3．5模型性能评价120
4．3．6模型解释121
4．4实例分析122
4．4．1数据处理122
4．4．2模型构建124
4．4．3性能对比125
4．4．4模型解释129
4．4．5主要结论与建议131
本章小结132
第5章混凝土材料的低碳设计133
本章导读133
5．1混凝土配合比134
5．1．1基本概念134
5．1．2传统设计方法136
5．2配合比智能设计算法140
5．2．1目标函数140
5．2．2约束条件142
5．2．3智能优化算法142
5．2．4最优解决策145
5．3混凝土强度预测模型146
5．3．1数据筛选146
5．3．2材料性能预测模型147
5．3．3模型性能评价148
5．4配合比优化设计实例149
5．4．1特征描述149
5．4．2模型选择150
5．4．3设计结果155
5．4．4主要结论158
本章小结158
第6章混凝土构件的低碳设计160
本章导读160
6．1优化设计模型161
6．1．1问题描述161
6．1．2目标函数163
6．1．3约束条件164
6．2优化算法166
6．2．1最优解决策166
6．2．2遗传算法168
6．3框架柱算例分析172
6．3．1模型构建172
6．3．2算例概况174
6．3．3优化设计结果176
6．3．4材料强度的影响176
6．3．5轴压比和偏心距的影响177
6．3．6抗震等级的影响178
6．4简支梁算例分析179
6．4．1模型构建179
6．4．2算例概况181
6．4．3优化设计结果182
6．4．4设计参数的影响184
6．4．5环境类别的影响185
6．4．6碳排放因子的影响186
6．4．7荷载效应的影响187
6．5连续梁算例分析188
6．5．1模型构建188
6．5．2算例概况189
6．5．3基准情景优化设计结果191
6．5．4考虑不确定性的优化结果192
6．5．5设计参数分析195
6．5．6优化设计建议196
本章小结198
第7章混凝土结构的低碳设计199
本章导读199
7．1对比设计法200
7．1．1基本步骤200
7．1．2目标范围201
7．1．3评估指标201
7．1．4贡献度分析204
7．1．5敏感性分析205
7．2结构体系对比实例208
7．2．1低层建筑结构208
7．2．2多层建筑结构217
7．2．3高层建筑结构224
7．3优化设计法227
7．3．1混合式优化框架227
7．3．2优化算法229
7．4框架结构优化算例231
7．4．1设计资料231
7．4．2初始结构方案碳排放分析231
7．4．3单目标优化设计245
7．4．4双目标优化设计250
本章小结252
参考文献253

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