引言建筑行业是全球温室气体排放最多的七大行业之一[1]。根据联合国环境规划署的计算，建筑业排放了全球近30%的温室气体。如果不提高建筑能源效率，减少碳排放，到2050年，建筑行业排放的温室气体将占总排放量的50%以上。中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告（2022）》显示，2020年我国建筑碳排放总量为50.8亿t二氧化碳，占全国碳排放总量的50.9%。其中，建材生产阶段二氧化碳排放量为28.2亿t，占全国碳排放总量的28.2%；建筑施工阶段二氧化碳排放量为1.0亿t，占全国碳排放总量的1.0%；运行阶段建筑碳排放量为21.6亿t二氧化碳，占全国碳排放量的21.7%[2]。生命周期是指某一产品（或服务）从取得原材料，经生产、使用直至废弃的整个过程。生命周期评估被广泛应用于建筑碳排放领域[3]，以计算建筑物的生命周期碳排放。采取措施降低碳排放的同时，成本会相应增加，需要考虑建筑物的经济性，生命周期成本分析常用于计算和评价生命周期成本[4]。1生命周期评价标准和工具国际上绿色建筑评价的研究中，英国于1990年创建BREEAM绿色建筑评估方法。美国于1998年在BREEAM的基础上开发了LEED绿色建筑认证。加拿大和瑞典等19个国家合作研制了绿色建筑工具GBTool。1977年，德国颁布节能法规《建筑保温条例》，此后陆续推出环保领域的相关法律。英国于2006年推出永续住宅技术规则。美国于2009年发布《美国联邦零能耗、高性能绿色建筑行政命令》。欧盟于2010年发布《建筑能效指令》(EPBD)。2019年德国通过新版《建筑能源法》，成为绿色低能耗建筑的标准法律框架。我国针对绿色建筑行业也相继出台了多部政策。2012年5月1日，《建筑工程可持续性评价标准》（JGJ/T 222—2011）正式实施。2019年8月1日，中国建研院牵头修订的《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）正式实施，该标准作为规范和引领我国绿色建筑发展的根本性技术标准。2022年4月1日，强制性工程建设规范《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015—2021）开始实施。2建筑生命周期的阶段划分李岳岩[5]等将建筑的全生命周期分为3个阶段：物化阶段、使用维护阶段及拆除阶段。其中，物化阶段通常包括建筑材料的生产、运输和安装施工阶段。也有学者将建筑全生命周期分为建造阶段、运营阶段、报废回收阶段[6-7]，并对材料回收利用的潜力进行考虑[7]。对原材料的开采生产、运输以及建筑废物的回收处理再利用进行分步分析。刘秋雁[8]将建筑的全生命周期划分为物化阶段、使用阶段以及拆除处置阶段，还将全生命周期细分为建材生产和部件加工、运输、施工和安装、建筑物的运行和维护、回收、拆除和处置评估等步骤。王玉[9]等将建筑的全生命周期分为原材料开采、设备生产和部件制造、施工和安装、运营和维护、拆除和处置等阶段。MARIA[10]等将生命周期分为建筑材料生产、建筑材料运输、建筑建造及拆除、建筑的直接能源使用以及废物处理。不同的研究侧重点不同，对建筑全生命周期阶段有轻重取舍。王幼松[11]等忽略了建筑设计阶段，将建筑的全生命周期分为5个阶段：建材生产、运输、施工安装、运营使用和维护更新、废弃与拆除，同时对碳排放的来源进行分析。VACLAV[12]等研究的重点是评估与使用建筑材料有关的环境影响，排除了建筑安装、使用和拆除阶段及运行能量使用和运行水使用阶段，把生命周期分为建材阶段、施工阶段、使用阶段、寿命结束阶段以及回收再利用阶段。通过对国内外生命周期阶段划分的研究，可以发现，由于研究目的和研究内容不同，建筑全生命周期阶段的划分不同。研究通常将几个阶段合并为一个部分，如物化阶段包括预制构件的生产、运输、安装；或者把阶段细分，如将建造阶段分为原材料开采、设备生产和构件加工。大部分研究考虑了对废物的回收再利用，能最大限度地提高建材的回收利用率。3建筑生命周期碳排放及成本的研究现状3.1建筑生命周期碳排放及成本的计算国内外对建筑生命周期碳排放和成本展开了大量研究，主要包括制定一个同时考虑碳排放和成本的框架以及考虑建筑碳排放的环境成本或经济性。在国内的研究中，刘秋雁[8]对绿色建筑全生命周期的成本效益进行了深入分析，建立了一套综合考量碳排放量的评价指标体系，并基于指标体系给出量化评价方法。姜彩琳[13]对建筑施工阶段进行研究，分析计算成本和碳排放，提出基于BIM的施工成本与碳排放计算模型，并在该计算模型的基础上构建一个信息集成管理的6D-BIM模型。郑婷[14]建立建筑构件生命周期碳排放和成本核算体系及综合评价方法，将其运用于实际案例并进行影响因素的敏感性分析。卢锟[15]整合了一个基于建筑信息模型(BIM)的生命周期碳排放和生命周期成本的框架，并将该框架应用于某医院建筑，验证可行性。肖旭东[16]基于生命周期理论，建立绿色建筑生命周期碳排放测算模型和生命周期成本计算模型，并结合碳定价机制将碳排放与成本联系起来，建立绿色建筑生命周期碳成本计算模型，并对实际案例进行计算分析。在国外的研究中，MONIQUE[17]等制定了整合生命周期碳排放和生命周期成本的框架，该框架可用于碳减排策略以及碳减排的经济性分析。TAEHOON[18]等提出了一个评估成本和二氧化碳排放的综合模型(IMACC)，该模型能够在结构设计过程中选择最经济、环保的设计方案。MEHDI[7]等提出了一种用于分析及减少隐含碳和建筑成本的碳价值工程框架(CO2VE)，并在悉尼的一栋18层建筑中进行了测试。MARIA[10]等将生命周期评估(LCA)纳入传统的经济-财务评估模式，考虑了重置成本和剩余价值，并将该经济-环境评估模式用于地中海地区公共建筑的标准能源改造项目。TAEHOON[19]等开发了NRE系统（太阳能光伏、光热、地热和风能系统）的实施的框架，并通过生命周期成本分析和生命周期二氧化碳分析选择最优NRE系统。3.2建筑生命周期碳排放及成本的多目标优化低碳材料的成本通常高于相应的传统材料，对建筑采取低碳措施时，会使建筑成本增加。国内外各学者开始综合考虑前期成本投入，从经济的角度对低碳建筑优化改造方案进行分析[20]。在国内的研究中，刘莎[21]等采用多目标粒子群算法(PSO)，旨在对建筑全生命周期碳排放量和全生命周期成本进行优化，优化参数选取窗墙比、墙体类型、玻璃类型、外部遮阳宽度和建筑朝向，模拟了建筑物的热环境和光环境，计算建筑碳排放和成本，最终得到最优设计方案。蒲云辉[22]等通过BIM技术模拟建筑的能耗和碳排放，以得到建筑全生命周期碳排放量和成本值，再基于粒子群算法(PSO)对全生命周期碳排放和成本两个目标进行优化，得到经过优化的设计方案。杨崴[23]等以降低建筑的使用能耗、生命周期能耗、碳排放和生命周期成本为目的，建立了基于设计早期阶段的参数优化设计方法与工具，并以寒冷地区的博物馆建筑为例，比较了不同过程和可变设置的最优解决方案。XU[24]等开发了一种快速方便的多目标预测和优化工具，以建筑能耗、碳排放和初始成本为子目标，通过优化建筑围护结构的参数（即传热系数、遮阳系数、单位成本）和每种类型建筑的空调系统参数（如性能系数），采用权重因子法对3个子目标进行优先考虑，最终优化结果可供决策者参考。瞿燕[25]等为了提高节能效果和自然采光性能，降低增量成本，开展NSGA-Ⅱ算法优化和TOPSIS多因素决策研究，进行能耗和光环境性能模拟，优化变量选取窗墙比、外窗玻璃遮阳系数、外窗传热系数、外墙传热系数、屋顶传热系数，并以夏热冬冷地区办公建筑为案例进行测试。在国外的研究中，LUO[6]等提出了一种新的数据驱动生命周期优化方法，用于建筑改造。标准改造方案包括屋顶隔热、墙壁隔热、风力涡轮机、太阳能加热器、生物质锅炉、热电联产系统和光伏板改造，旨在最大限度地降低其寿命成本和能源消耗，减少碳排放。CHRISTINA[26]等提出了多目标决策模型，并根据一套标准进行评估，其中包括建筑物的年一次能源消耗量、年二氧化碳排放量和初始投资成本，这些标准根据决策者的偏好进行调整，并借助折中规划进行优化，利用一个简单的案例演示决策模型的功能。MODESTE[27]等评估、分析、比较和优化了位于撒哈拉以南的非洲8个国家的住宅建筑的热舒适性、能耗和碳排放，此外评估了每个国家的新建筑在50年内的寿命周期的总成本，使用Design Builder软件进行参数模拟和优化。MARIA[28]等开发了一个多目标优化过程，旨在将运行温室气体排放和生命周期成本降至最低，同时应用于一栋典型的多住宅建筑，并在4个希腊气候区进行了测试。YAIR[29]等使用多目标遗传算法(MOGA)，在假定寿命为60年的情况下，根据生命周期碳足迹(LCCF)和生命周期成本(LCC)，为住宅综合体翻新案例研究找到最佳设计。结果表明，利用MOGA有可能减少翻新LCCF和LCC。4建筑生命周期碳排放及成本的综合分析4.1建筑生命周期碳排放及成本的计算4.1.1传统的碳排放及成本研究当前，低碳发展理念已成为全球共识[30]。对于建筑生命周期传统的碳排放与成本的研究，各学者主要从不同结构与不同阶段两个方向对建筑进行分类分析。对不同结构进行研究，木结构材料的碳排放明显少于钢结构和混凝土结构材料[31]，且每年单位建筑面积碳排放轻型结构小于重型结构[9]。生命周期成本方面，建设成本为钢结构住宅较高，但其回收成本较低，钢结构住宅全生命周期的综合成本总体低于混凝土结构住宅[32]。多数研究证实，建筑使用阶段碳排放量占比最大[9,15]。但考虑各个阶段的时间跨度，建材生产及运输阶段的年数据均远高于运营维护阶段[16]。随着节能技术的不断发展，建筑使用阶段的能耗不断降低，建材生产及运输阶段的碳排放占比也将越来越大。生命周期成本同样也是运营阶段占比最大，但是在考虑时间价值的情况下，折现率越高，物化阶段占比越大[15]。4.1.2将碳排放转化为碳成本在对成本进行计算时，应从经济和环境这两个方面入手，对绿色建筑社会影响进行定量分析[15]，并且存在运营维护、拆除处置阶段时期的未来通货膨胀率、通货紧缩率。部分研究考虑现有资金流量、未来现金流量和货币的时间价值，选取合适的折现率，对建筑长期环境绩效进行更现实的评估。计算低碳建筑的成本时，国内外研究多通过碳税将二氧化碳排放转化为环境成本[1]。有研究考虑环境成本，得出建筑生命周期的环境成本占总生命周期成本的24.09%[33]。社会各界对碳税已经展开讨论，但我国目前暂未明确出台相关政策；2013年以来，我国相继在8个试点省市启动了碳排放权交易市场，并于2021年7月16日，全国碳市场正式开市。未来研究可考虑碳交易与碳税的结合，推动“双碳”目标的实现。4.1.3整合碳排放和成本的模型大部分学者将碳排放和成本分开进行研究，碳排放和成本处于同一个系统中的研究较少。基于建筑信息模型(BIM)整合生命周期碳排放和生命周期成本的框架[15]，可在建筑的设计阶段完成对生命周期碳排放和生命周期成本的评估，简化了后续碳排放与成本的研究。有学者为评估建筑物的生命周期碳排放和生命周期成本制定了综合框架[17]，可作为建筑决策过程的一部分，有助于创造低碳、可负担的建筑环境。4.2建筑生命周期碳排放及成本的多目标优化进行碳排放和成本的多目标优化研究时，使用最多的优化算法为遗传算法，此外还有粒子群优化算法、加权因子法、和声搜索等。对全生命周期碳排放进行计算时，需要进行模拟，相关模拟软件包括Ecotect、斯维尔、Trnsys、Energy Plus、equest等。进行碳排放和成本的多目标优化时，需要对建模软件、模拟软件和多目标软件进行耦合。研究过程中基于参数化设计平台（如Grasshopper、Revit、Rhino等），通过性能模拟插件以及优化插件实现几何参数与性能模拟软件之间的连接。通过与自动寻优算法的结合，极大程度提高性能优化的效率和效果，节约设计优化时间、提高绿色建筑优化的工作效率。5结语对国内外建筑生命周期碳排放及成本研究情况进行综述，总结全生命周期阶段划分与生命周期评价模型，从生命周期的角度出发，归纳了近年关于碳排放和成本的研究现状，未来还可以对以下几方面进行深入探索和研究：对建筑物碳排放核算范围及计算方法进行标准化的统一，完善建筑碳排放相关数据库，提出全国适用的生命周期评价方法，便于进行不同研究结果的近似比对与分析。在建筑阶段，使用新材料及新技术以减少建筑碳排放，将可持续、可循环融入建筑生命周期，并考虑控制建筑隐含碳的排放。建立多种建筑性能与多目标优化的集成平台，可容纳动态的条件变化，使建模、模拟、优选整个过程衔接流畅、快速准确。