利用拓扑优化方法减少景观结构中的碳排放

《Buildings》：Topology Optimization Approach to Reducing Carbon Emissions in Landscape Structures

　　

景观结构由于材料冗余和低结构效率而产生显著的生命周期隐含碳排放。虽然拓扑优化（Topology Optimization, TO）为材料减少提供了科学依据，但其产生的自由曲面和复杂节点常常阻碍制造和现场组装。本研究引入面向制造与装配的设计（Design for Manufacture and Assembly, DfMA）方法来解决这些挑战，以北京奥林匹克森林公园中的景观长椅、亭子和桥梁作为案例研究。在数据收集后，研究人员通过Autodesk Fusion进行拓扑优化，并应用DfMA原则将复杂的拓扑形式简化为标准化、模块化的结构系统。随后，比较了初始设计、拓扑优化设计和DfMA简化设计的生命周期隐含碳排放。结果表明，虽然拓扑优化减少了19–85%的材料用量，但由于更高的施工能耗和回收困难，可能会增加总碳排放，特别是在复杂金属结构中。相比之下，DfMA简化显著提高了制造可行性，与初始设计相比，将总碳排放削减了33–64%。材料生产阶段表现出最显著的碳减排，平均占总排放节约的60%。最终，本研究强调，拓扑优化本身并非普遍减碳，它需要面向制造与装配的设计导向的简化才能实现可靠的低碳结果。

**论文解读：拓扑优化与DfMA协同降低景观结构生命周期碳排放**

**研究背景与问题**
在全球变暖背景下，建筑行业作为主要碳排放源之一，约占全球总排放的30%。随着建筑运行阶段碳排放逐步受控，隐含碳排放占比持续上升，成为低碳设计核心目标。景观结构因材料冗余和低结构效率，产生大量生命周期隐含碳排放。拓扑优化（TO）作为一种性能驱动结构设计方法，能识别核心传力路径并实现轻量化，但优化结果常呈现自由曲面、复杂节点和非标准构件，难以直接满足制造与现场装配需求。同时，现有研究缺乏将TO与面向制造与装配的设计（DfMA）协同应用于景观结构，并系统评估其生命周期碳排放的框架。因此，本研究旨在提出一种集成TO与DfMA的方法，解决优化结果的可建造性问题，并实现可靠的低碳排放。

**研究内容与结论**
本研究以北京奥林匹克森林公园内的三种典型景观设施（长椅、亭子、桥梁）为对象，建立“案例调查–初始碳排放核算–拓扑优化–DfMA简化–结构验证–优化后碳排放核算–减排对比”的系统框架。通过现场调查获取基础数据，利用Autodesk Fusion进行拓扑优化，再应用DfMA原则将复杂拓扑形式转化为标准化、模块化、可装配的结构系统，随后进行结构可行性验证，并采用生命周期评估（LCA）方法核算各方案的隐含碳排放。结果表明：拓扑优化可减少材料用量19–85%，但可能因施工能耗和回收损失增加总碳排放（如亭子案例增长709.61%）；DfMA简化则显著改善制造可行性，使总碳排放降低33–64%（平均51.80%），其中材料生产阶段减排贡献最大（平均60%）。因此，拓扑优化需与DfMA协同，才能实现稳定的低碳效果。

**论文发表意义**
该研究发表在《Buildings》期刊，为景观结构低碳设计提供了新路径，强调单靠拓扑优化并非普遍减碳，需结合可建造性导向的简化。该方法为小尺度建筑、景观设施（如人行桥、模块化城市家具）的低碳实践提供了参考，但对高层建筑或大跨度结构的适用性需进一步验证。

**主要关键技术方法**
1. **拓扑优化方法**：使用Autodesk Fusion（版本2704.1.23，64位教育版）对三种结构进行优化，以“定义设计域–设置保留区域–施加荷载与约束–计算最优材料路径”为流程，目标是在满足基本承载和刚度要求下减少非必要材料用量超过50%。
2. **DfMA简化方法**：遵循“保留传力路径、标准化构件、实现节点装配”核心原则，将连续不规则实体离散为标准化组件，减少构件类型，复杂节点转化为模块化可逆连接，具体针对长椅、亭子、桥梁分别采用三角形模块、空心圆钢管桁架、分段拱形块体系。
3. **生命周期碳排放核算方法**：依据中国《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）及文献，将生命周期隐含碳排放分为物化阶段（材料生产、运输、施工）和拆除阶段（拆除、废物运输、废物处置、回收），计算各阶段排放并考虑回收抵消（按50%计）。
4. **结构验证方法**：对混凝土结构（长椅、桥梁）使用Autodesk Fusion进行静应力分析，提取von Mises等效应力、最大总位移和安全系数；对钢构造亭子使用Dlubal RSTAB 9.14软件进行空间杆系三维静力分析，计算节点位移、构件变形、内力和应变。
注：本研究样本队列来源于北京奥林匹克森林公园内现场调查选定的三个典型景观结构（长椅7号、亭子1号、桥梁3号）。

**研究结果**
**4.1 拓扑优化结果**
- 景观长椅：在三种不同支撑条件（长边支撑、短边组合）下，优化后重量减少超过80%，其中长边支撑配置通过近似三角形承重结构实现高达85.26%的材料减少。
- 景观亭子：初始为常规框架系统，优化后演变为仿生树状分支形态，总材料用量减少19.18%，但连续实体形态高度复杂，存在局部质量过大和极不规则节点。
- 景观桥梁：有效削减桥面板下混凝土支撑的多余体积，实现25.35%的重量减少，绝对材料节约达79,632 kg混凝土。

**4.2 DfMA简化结果**
- 景观长椅DfMA：基于拓扑优化结果构建三种DfMA方案，长边支撑方案将下部支撑重构为可重复的三角形模块，总质量比纯拓扑优化再减少7.27%，标准化程度最高。
- 景观亭子DfMA：将树状拓扑结构转化为标准空心圆钢管构成的树状支撑系统，采用球形套筒节点，总重量降至1233.39 kg，比拓扑优化结果再减少20.65%。
- 景观桥梁DfMA：重构为“上部桥面板–中央拱–两端半拱–基座节点”的可装配系统，中央拱分为6个标准化拱块，两侧半拱各分为2个独立构件，总重量未进一步减少但实现了高精度工厂预制和快速现场装配。

**4.3 结构可行性验证结果**
- 景观长椅三种DfMA方案在3.0 kN竖向荷载下，最小安全系数均显著高于1.5，满足概念安全要求。
- 景观亭子DfMA方案在RSTAB中分析显示最大位移仅0.15 mm，最大组合应力约1.90 MPa，宏观结构可行。
- 景观桥梁DfMA方案最小安全系数3.71，最大von Mises应力3.86 MPa，最大位移2.90 mm，无局部强度或刚度问题。

**5. 碳排放计算结果分析**
- 景观长椅：所有优化方案均实现减排，拓扑优化方案总碳排放略低于相应DfMA方案，但DfMA仍保持平均超过60%的减排率，且工程可行性更优。
- 景观亭子：拓扑优化虽减少19.18%重量，但总碳排放激增709.61%，因不规则钢构件需增材制造（3D打印）导致施工能耗和劳动力大幅增加；DfMA方案降至437.55 kgCO₂e，减排44.71%。
- 景观桥梁：拓扑优化减少混凝土用量但施工能耗和回收损失削弱减排效果；DfMA方案总碳排放降至29,773.09 kgCO₂e，减排33.29%。
- 各阶段贡献：拓扑优化主要在材料生产、运输、废物运输和处置阶段产生减排贡献，其中材料生产阶段平均占60%以上；但施工、拆除和回收阶段可能产生负面影响（如亭子施工阶段碳排放增加41.5倍）；DfMA方案在所有阶段均实现减排，施工阶段碳排放显著优于拓扑优化方案。

**讨论与结论**
**讨论部分总结**：
本研究指出，拓扑优化在景观结构中的碳减排效益高度有条件性。对于重型混凝土结构，减少实体材料可直接降低碳排放；但对于空间分支钢构造（如亭子），TO直接产生的连续非标准形式会加剧几何复杂性，进而推高生命周期碳排放。因此，TO并非必然是低碳设计，其有效性取决于材料类型、结构形式、制造方法和回收场景的综合整合。DfMA方法作为连接计算优化和可建造实施的关键桥梁，通过构件标准化、节点几何规则化和装配方法优化，降低了复杂不规则构件的加工难度，提升了可拆卸性和材料回收潜力。将DfMA集成到TO流程中，可在设计早期引入可制造性约束，显著降低定制模具、材料浪费和现场专业劳动力的成本。然而，将该框架扩展到高层建筑或大跨度结构需进一步考虑动态荷载、节点疲劳和更严格的安全法规。此外，不同结构类型的低碳优化核心路径和重点不同：混凝土长椅主要依赖减少支撑实体体积，混凝土桥梁因初始基线巨大而贡献最高绝对材料减排，钢构造亭子则高度依赖DfMA几何简化。本研究仍存在局限性：DfMA简化过程尚未实现参数化自动推导；碳排放核算中部分采用默认参数；未定量评估制造复杂性指数、装配时间效率等DfMA指标。未来研究应关注定量DfMA指标、BIM-LCA数据链接、多目标优化算法及现场实测施工数据。

**研究结论翻译**：
以北京奥林匹克森林公园中的景观长椅、亭子和桥梁为具体研究对象，本研究提出了一种由拓扑优化和DfMA驱动的景观结构低碳设计方法。通过结构验证和生命周期隐含碳排放核算，评估了该协同方法的综合效果。主要研究结论总结如下：
（1）拓扑优化能够识别景观结构的传力路径，并指导材料的精细化减少。在本研究中，混凝土景观长椅的轻量化效果最为显著，在三种不同边界条件下结构重量减少率均超过80%。优化后的混凝土景观桥梁质量减少25.35%，但其庞大基线贡献了最高的绝对材料减少量。优化后的钢结构景观亭子质量减少19.18%，形成了传力路径更清晰的树状分支拓扑结构。
（2）DfMA能够将拓扑优化结果简化为可制造、可运输、可装配的构件系统。在实际应用中，景观长椅通过高度重复的支撑模块提升了结构标准化水平；景观亭子通过引入标准空心钢管桁架缓解了空间不规则结构的制造困难；景观桥梁通过模块化分区实现了构件清晰的几何边界和有序的现场装配。与纯拓扑优化形式相比，DfMA简化在几何规则化过程中未导致结构重量大幅反弹，其中景观亭子相对于初始拓扑结果实现了额外20.65%的重量减少。
（3）与单一拓扑优化路径相比，DfMA协同方案在各阶段表现出更稳定的碳减排效益，其生命周期隐含碳排放平均减少51.80%。其中，景观长椅DfMA方案的碳减排强度最高，达到55.40%至64.31%的减排率；景观亭子方案成功逆转了纯拓扑方案的缺陷，实现了44.71%的减排；大体积景观桥梁方案的碳减排率也达到33.29%。DfMA方法通过施工、物流和回收的系统性改进，实现了多阶段碳足迹的协同下降。
（4）生命周期隐含碳排放核算结果证实，未经可建造性导向DfMA简化的纯拓扑优化在实际工程中极易受到高工艺能耗和回收损失的影响，严重制约实际减排效果，甚至可能引发碳排放净增加。这在复杂金属空间结构中尤为明显，需采用金属增材制造（3D打印）直接增加了其生命周期总碳排放。这表明，在所选案例中，拓扑优化本身并非普遍减碳，需要可建造性导向的转化才能实现可靠的低碳结果。
尽管结果强烈表明拓扑优化与DfMA协同框架能减少生命周期碳排放，但关于该框架对其他更复杂结构类型普遍适用性的更广泛主张应谨慎对待。
总之，拓扑优化与DfMA的协同低碳减排体现了一个连续过程：“力路径识别–构件系统重构–节点优化–碳排放计算”。未来研究必须整合定量DfMA性能指标，评估更广泛的结构类型，并利用物联网（IoT）进行实际能耗数据跟踪，以进一步证实该低碳设计框架的工程适用性。