综述：建筑结构系统与围护结构中的固有碳：方法可比性、设计权衡及早期决策支持的系统性批判性综述

《Journal of Building Engineering》：Embodied carbon in building structural systems and envelopes: a systematic critical review of methodological comparability, design trade-offs, and early-stage decision support

　　•通过两个数据库的系统性搜索，共纳入100篇全文研究。•功能单位、参考周期、不确定性以及模块D的表述存在不一致性。•结构与建筑围护结构的排序取决于功能等效性及区域差异。•由于不适合进行元分析，因此依据方向和置信度对证据进行了综合分析。•一个分阶段的框架将证据质量、不确定性与早期设计决策联系起来。

引言
建筑环境的脱碳需要超越仅关注运营能源的思路。数十年来，可持续建筑研究与能源政策一直侧重于降低使用阶段的能源需求，尤其是供暖、制冷、通风、照明以及建筑服务方面的能耗。这一理念推动了节能建筑、近零能耗建筑、被动式设计策略、电气化以及可再生能源整合等方面的重大进展。然而，随着运营性能的提升以及能源系统逐步实现脱碳，与材料、建造过程、维护、更换以及建筑寿命终结相关的排放在建筑整体气候影响中的重要性日益凸显[2]、[9]、[13]、[15]、[17]、[31]。

在此背景下，隐含碳已成为建筑脱碳过程中的关键因素。隐含碳包括与原材料开采、制造、运输、建造、维修、更换、拆除、废物处理相关的温室气体排放，此外，根据系统边界的不同，还可能包括生命周期之外的收益或负担[5]、[12]、[13]、[59]。与运营碳不同，很大一部分隐含碳排放发生在建筑投入使用之前。因此，早期的设计决策可能会锁定难以在项目进入详细设计或施工阶段后更改的碳足迹[1]、[6]、[11]、[58]、[64]、[67]、[69]。

结构系统与建筑围护结构是两个极具影响力的子系统。由于大量使用混凝土、钢材、木材、砌体、混合结构、模块化组件以及预制部件，结构系统往往会产生较高的初始碳足迹[11]、[14]、[19]、[24]、[28]、[33]、[56]、[72]、[76]、[79]。而建筑围护结构则具有双重作用：它通过立面、屋顶、保温材料、玻璃、饰面、幕墙以及多层复合结构等方式贡献隐含碳，同时也会影响热舒适度、能源需求、防潮性能、维护成本以及运营碳排放[3]、[7]、[8]、[9]、[10]、[16]、[20]、[21]、[25]、[26]、[29]、[32]、[42]、[45]、[47]、[48]、[50]、[52]。

因此，减少隐含碳并非简单地将一种材料替换为另一种材料即可解决。尽管低碳材料、环境产品声明、生物基材料、再利用、预制化、循环经济以及数字化评估工具都是有效的策略，但其效果取决于系统边界、功能等效性、使用寿命、区域供应链、运输距离、建筑规范、耐久性要求、防火与防潮标准、能源结构以及建筑寿命终结后的处理方式[5]、[10]、[18]、[23]、[27]、[28]、[39]、[46]、[55]、[57]、[61]。如果忽视了某种材料或系统的性能、应用场景、使用寿命以及全生命周期影响，就无法将其视为真正的低碳材料。

方法上的差异进一步增加了对现有文献理解的难度。现有研究采用了产品级生命周期评估、基于组件的评估方法、整栋建筑生命周期评估、基于环境产品声明的量化分析、BIM与生命周期评估相结合的工作流程、结合能源模拟的生命周期评估、优化模型以及预测工具。这些方法在系统边界、所包含的评估模块、功能单位、使用寿命假设、数据来源、区域排放因子、生物基碳的处理方式、不确定性分析以及寿命终结阶段的建模方法上存在差异[12]、[13]、[35]、[58]、[59]、[60]、[66]、[67]、[68]、[69]。因此，不同研究之间的直接比较往往受到限制，若不明确方法论假设，还可能得出误导性结论。

另一个问题是研究主题的碎片化。有些研究聚焦于材料与结构系统，有些研究关注建筑围护结构或改造措施，还有些研究则着眼于数字化工具或早期设计评估。尽管每类研究都有其价值，但建筑设计需要同时考虑结构性能、围护结构性能、隐含碳含量、运营能耗、成本、舒适度、耐久性、可建造性以及循环经济性。现有证据表明，能源最优、成本最优和碳减排最优的解决方案并不一定一致，尤其是在建筑围护结构设计、改造策略、结构系统选择以及全生命周期碳评估方面[4]、[6]、[9]、[10]、[20]、[23]、[55]、[57]、[61]、[63]、[65]、[77]、[78]。

此前的综述已经总结了与隐含碳、隐含能量、生命周期评估以及建筑脱碳相关的重要概念、方法与减排策略[11]、[12]、[13]、[15]、[31]、[32]、[48]。然而，仍存在一个明显的缺口：缺乏一种能够将评估方法、结构系统、建筑围护结构以及运营性能之间的权衡关系进行整合的系统性分析。这一缺口十分重要，因为结构与围护结构的设计决策不仅决定了初始阶段的碳排放，还会影响建筑的运营能耗、室内舒适度、使用寿命、维护需求、改造可能性以及寿命终结后的循环利用机会[3]、[7]、[10]、[14]、[16]、[20]、[21]、[28]、[46]、[54]、[57]。

为此，本文对建筑结构系统与围护结构中的隐含碳问题进行了系统性批判性综述。该综述采用了可重复的两数据库搜索方法、明确的纳入标准、针对具体设计的需求进行的方法学评估，以及基于置信度加权的半定量综合分析。它不仅探讨了各种减排策略，还分析了这些策略的优势会在何种条件下发生变化，并构建了一个用于早期设计的集成型证据决策框架。

尽管关于建筑隐含碳的文献数量已大幅增加，但仍存在四个关键问题。首先，不同研究采用的系统边界、功能单位、数据来源以及使用寿命假设各不相同，这降低了结果之间的可比性[12]、[13]、[59]。其次，尽管结构系统与建筑围护结构会相互影响建筑的能源效率、环境性能以及技术性能，但现有研究往往将二者分开进行分析[7]、[11]、[14]、[16]、[20]、[21]。第三，隐含碳、运营能耗、舒适度、成本、耐久性、结构安全以及循环经济性之间的权衡关系并未始终得到明确阐述[4]、[6]、[9]、[10]、[20]、[23]、[57]、[61]、[63]、[65]。第四，现有证据主要来自那些具备较为完善的生命周期评估数据基础设施的地区，这使得这些成果难以应用于那些建筑施工方式、能源结构、供应链以及环境数据体系不同的国家和地区[27]、[28]、[35]、[49]、[59]。

因此，本文要解决的核心问题就是目前缺乏一种能够整合评估方法、结构系统、建筑围护结构以及性能权衡关系、从而为旨在降低建筑全生命周期碳排放的早期设计决策提供支持的系统性分析。

本文旨在对建筑结构系统与围护结构中隐含碳相关的科学文献进行批判性分析，明确各类评估方法、减排策略、运营性能方面的权衡关系以及现有研究中的不足，进而从全生命周期视角提出一个用于早期设计决策的集成概念框架。

本文的核心研究问题是：如何评估和减少建筑结构系统与围护结构中的隐含碳？在方法论和性能方面存在哪些权衡关系，制约了隐含碳评估在早期设计决策中的应用？

•用于评估建筑隐含碳的方法、指标、系统边界以及功能单位是什么？
•有哪些策略可用于减少结构系统中的隐含碳？
•有哪些策略可用于减少建筑围护结构中的隐含碳？
•隐含碳、运营能耗、热舒适度、成本、耐久性、结构安全以及循环经济性之间存在着怎样的权衡关系？
•在方法论和地域层面，哪些因素限制了隐含碳评估在早期设计中的实际应用？
•怎样的概念框架能够支持结构、围护结构与运营性能之间的协同决策？

本文从四个方面为建筑工程研究做出贡献。首先，它将结构系统、围护结构设计以及运营影响整合在一个统一的分析框架之中。其次，它明确了功能单位、参考周期、生命周期边界、数据来源以及不确定性分析等方面存在的常见缺陷。第三，它区分了研究的适用性、分析作用以及方法学可信度，避免将相关性误认为是质量的标准。第四，它将分析结果转化为一种分阶段的决策流程，明确指出最优选项、置信水平、决定性假设以及可能改变决策结果的场景。

因此，本文提供了一种基于批判性分析且考虑置信度的综合结果以及相应的决策流程，而非一种适用于所有情况的材料排名，也不是那种缺乏功能与方法学依据的简单综合估算。

章节节选
审查设计与报告方法
本研究被重新设计为一种采用半定量证据综合分析的系统性批判性综述。系统性部分负责搜索、去重、筛选、检索、确定纳入标准、数据提取以及方法学评估。批判性部分则探讨方法学选择如何影响隐含碳分析结果的可比性及解读方式。报告遵循PRISMA 2020标准，而搜索记录则详细记载了使用的数据库、搜索界面、搜索字段、搜索日期等信息。

研究对象的筛选
通过搜索共找到1,316条相关文献记录：其中735条来自Scopus，581条来自Web of Science Core Collection。在剔除571条重复记录后，共有745条独特记录进入标题和摘要筛选阶段。在初步且严格的关联性筛选后，又有637条记录被排除，最终有108份报告需要进一步检索。其中有8份报告无法被检索到。因此，共有100篇经过DOI验证的全文报告被纳入评估范围，且符合纳入标准，被保留用于后续的综合分析。那些无法获取的报告则未被纳入分析。

为何方法论架构会影响分析结果
核心研究发现，某种结构或围护结构替代方案的表面碳性能与其评估架构密不可分。产品层面的比较与全生命周期比较所回答的问题不同；以质量为基准的评估方式与同等建筑服务的评估方式所回答的问题也不同；静态的库存数据与考虑电网脱碳、部件更换以及延迟排放因素的情景分析所回答的问题更是存在差异。这类现象十分普遍。

整合型的早期设计决策框架
现有证据支持采用六阶段的工作流程。该框架从设计问题出发，而非从某种首选材料入手。随后确定各方案之间的等效性、比较不同情景、分析不确定性及各种权衡关系、明确置信度水平，并随着更多设计信息的出现不断更新评估结果[60]、[84]、[137]。

该框架的独特之处在于其输出结果。它不会给出名义碳因子最低的材料，而是会提供一种最优选项。

对实践与政策的启示
结构工程师应比较功能上等效的多种方案，优先考虑降低能耗，然后再考虑材料替换问题。围护结构设计师应结合不同气候条件以及未来电网的发展情景，评估各种方案的全生命周期效益。建筑师在概念设计阶段应采用区间估计值并进行决策反转测试，而非将不确定的估算值当作精确数值来使用。制造商应通过清晰地说明产品成分比率、产地信息、技术规格、数据更新时间、所采用的评估单位以及生物基成分的比例等信息，提高环境产品声明的可比性。

未来的研究方向
现有证据指出了五个需要重点关注的领域：（1）建立将碳排放与结构及围护结构的功能表现相关联的功能性评估标准；（2）采用概率论与情景分析方法，充分考虑材料特性、使用寿命、能源消耗以及寿命终结后的各种不确定性因素；（3）动态分析电网发展趋势、生物基储能技术、延迟排放现象以及碳回报周期等问题；（4）开发具有开放映射规则、版本控制功能以及验证机制的互操作性BIM与生命周期评估结合的数字化双胞胎工作流程；（5）完善区域性的环境产品声明体系、相关数据数据库以及评估标准。

优势与局限性
该综述的优势在于使用了两个互补的文献数据库、可重复的搜索流程、在记录层面进行去重处理、明确列出了排除某些记录的原因、区分了无法检索到的报告与可检索到的报告、进行了全文提取、针对具体设计需求进行了质量评估，并采用了基于置信度加权的综合分析方法。此外，证据矩阵还将分析功能与方法学质量进行了区分。

不过，该综述也存在一些局限性。有8份报告无法被检索到，这可能存在样本选取偏差。尽管如此……

结论
对于建筑结构系统与围护结构中的隐含碳问题，不能简单地通过某种通用材料排名来确定最优方案。在纳入分析的100份报告中，由于功能单位、参考周期、数据来源、模块D信息以及不确定性方面的表述不完整，导致这些报告之间难以直接进行比较。结构相关的研究结果表明，应注重材料效率、优化设计、根据具体应用场景选择合适的替代材料，同时还要考虑便于拆解的设计方案；而围护结构相关的研究则表明，必须在考虑初始碳排放减少效果的同时，综合评估其他多方面的因素。

未引用参考文献
[22]、[30]、[34]、[36]、[37]、[38]、[40]、[41]、[43]、[44]、[53]、[62]、[70]、[71]、[73]、[74]、[75]、[92]、[93]、[94]、[99]、[102]、[103]、[104]、[106]、[107]、[108]、[109]、[110]、[111]、[112]、[113]、[114]、[115]、[118]、[119]、[120]、[121]、[122]、[123]、[125]、[126]、[127]、[128]、[129]、[130]、[131]、[132]、[133]、[134]、[135]、[138]、[139]、[140]、[142]、[143]、[144]、[145]、[146]、[147]、[148]、[149]、[150]、[152]、[153]、[154]、[155]、[156]、[157]、[158]、[159]、[160]、[161]、[162]

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

数据可用性声明
本综述所依据的数据作为补充材料提供，其中包括用于开展系统性批判性综述的Scopus搜索策略、筛选流程、文档分类标准以及数据提取矩阵。

写作过程中生成式人工智能与人工智能辅助技术的应用声明
在准备和执行本次综述的过程中，作者使用了人工智能辅助工具来帮助筛选初始的文献记录、对数据提取结果进行索引处理、优化语言表达以及构思图表内容。在自动化处理完成后，作者又手动审核并核实了所有提取的证据、质量评分以及综合分析结果，确保其与原始资料的一致性。作者对本文的完整性、科学性以及最终内容承担全部责任。

资金支持情况
本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织提供的任何资助。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何已知的财务利益冲突或个人关系，这些因素均不可能影响本文的研究结果。

罗兰多·蒂尼扎雷-卡斯蒂略