应对不确定性下最小化建筑全生命周期温室气体排放与成本：中国寒冷地区办公楼的应用

《Environmental Impact Assessment Review》：Robust decision-making for minimizing building life-cycle GHG emissions and costs under uncertainties: Application to office buildings in China's cold regions

　　

•稳健的LCA/LCC优化框架支持风险厌恶的早期设计决策
•形式原型与围护结构、暖通空调（HVAC）和光伏（PV）策略进行联合优化
•电网结构、HVAC使用寿命和贴现率主导了稳健结果的不确定性
•阶段性归因分析和敏感性分析提供了可迁移的设计指导
•与确定性/均值法优化相比，P90增强了LCGHG/LCC的稳健性

**引言**

建筑业占全球温室气体（GHG）排放量的34%，对气候减缓贡献巨大（联合国环境规划署，2025；Caballero-Güereca等，2026）。在建筑设计的早期阶段，被动和主动策略——包括建筑形式、围护结构、空调系统和现场可再生能源——可以提供相当大的设计灵活性（Hester等，2018；Wang等，2024）。这些策略共同塑造了运营能效、材料生产、更换和报废阶段的影响（Ansah等，2021；Xu等，2022）。这些影响使生命周期温室气体排放量（LCGHG）和生命周期成本（LCC）成为比较设计替代方案的重要指标，而不仅仅是回顾性核算工具（Nasir等，2026）。

然而，不确定性使这类评估变得复杂，因为多个因素——如未来气候条件、电网脱碳轨迹、经济参数和部件使用寿命——都可能改变建筑的实际性能（Su等，2021；Li等，2023；Chan等，2024）。因此，确定性的生命周期评估（LCA）可能会在名义假设下高估对优选方案的信心（Marsh等，2023；Duan等，2026）。对于影响评估和设计决策，这里的关键挑战不仅是将这些因素传播到评估结果中，还要将不确定的结果转化为与决策相关的证据。这些证据应明确哪些设计替代方案在未来条件下仍然稳健，它们的性能如何分布，哪些生命周期阶段解释了它们的性能差异，以及哪些不确定性因素最强烈地驱动了它们的性能风险（Marsh等，2023）。解决这些挑战对于建筑LCA在不确定性下提供有说服力的设计替代方案比较和优先级排序基础至关重要。

近期研究越来越多地应用建筑性能模拟、多目标优化和代理模型，在早期设计阶段更有系统地探索解决方案空间（Li等，2025；Gachkar等，2026）。这类方法使得在关键决策做出之前评估大量设计替代方案成为可能。例如，Hester等（2018）引入了一种早期设计LCA方法，识别具有准最优LCGHG和LCC的建筑，展示了概率设计空间探索的潜力。一些研究利用多目标优化来考察运营影响和隐含影响之间的权衡。例如，Shadram和Mukkavaara（2019）研究了保温措施组合与六种建筑形状的关联，表明优化可以消除各种形状之间的生命周期能耗差异。这些研究为从生命周期角度进行早期设计优化提供了重要基础。然而，它们仍然面向确定性条件下的设计表征，而非面向长期未来不确定性下的稳健设计评估。

因此，具有不确定性意识的建筑LCA已成为一个日益重要的研究课题。现有研究主要采用两种方法。第一种方法是在名义假设下提出候选设计后，测试其稳健性。例如，Wu等（2024）使用基于田口的方法评估了农村房屋围护结构的稳健改造方案。Walker（2022）和An等（2026）通过基于场景的不确定性比较了不同节能改造的稳健性。这类后评估方法提高了对未来性能风险的意识，但初始设计空间仍然由确定性条件塑造，因此在应对不确定性时可能错过最佳解决方案。第二种方法通过使用基于分布的性能指标作为优化目标，将不确定性传播直接嵌入到解决方案探索中（Bi等，2025）。例如，Galimshina等（2024）利用LCGHG和LCC，在考虑未来气候、使用行为和价格波动等不确定参数的情况下，确定了瑞士现有住宅建筑的稳健改造策略，展示了不确定性如何影响供暖系统更新和保温材料选择方面的决策。类似地，Lu等（2024）在不确定性下优化了详细的能源系统配置。这些研究表明，稳健优化可以提高设计方案的可靠性。然而，这些研究中考虑的设计变量通常集中在围护结构保温和基于预定义建筑体积的能源系统配置上。对于建筑形式和屋顶光伏（PV）决策仍然开放且相互作用的早期设计环境，关注较少。

设计空间的探索方式也会影响设计替代方案的排序。顺序或敏感性引导的工作流程经常被采用来管理复杂的早期设计问题，例如在优化主动系统之前先固定被动策略（Zong等，2024），或者按照先验敏感性分析建议的顺序优化变量（Galimshina等，2020）。协调方法也已开发用于提高子系统集成度。例如，Li和Wang（2020）提出了一种零/低能耗建筑围护结构和能源系统的稳健优化方法。尽管这些工作流程可以减少计算负担，但它们很少考虑建筑形式的多样性，因此限制了可行设计空间。比较优化研究表明，在某些情境下，整体搜索可以优于顺序设计流程（Gagnon等，2019），这凸显了被动和主动策略之间相互作用的重要性。从生命周期角度来看，这些相互作用不仅影响设计替代方案比较的结果，还会在不同生命周期阶段之间重新分配排放和成本。因此，基于LCA结果的具有不确定性意识的优化不仅需要集成设计变量的探索，还需要解释这些变量如何塑造稳健设计和生命周期性能权衡。

尽管稳健优化可以识别具有最优和风险厌恶性能的方案，但它并不解释结果背后的机制。一些研究试图通过后优化分析来解决这些问题。例如，Mukkavaara和Shadram（2021）将多目标优化与敏感性分析相结合，以考察运营能耗和隐含能耗之间的权衡。Goulouti等（2020）和Pannier等（2023）表征了LCA和LCC分布，并通过敏感性结果对不确定性进行评级。然而，概率生命周期性能的解释通常仅作为单个建筑案例研究来报告，而不是作为可推广到更广泛建筑类型的稳健优化和评估框架。对于具有不确定性意识的早期设计LCA，稳健设计需要通过至少三种互补类型的证据来解释。第一种是概率LCA结果的分布，它显示了性能在不确定性之间的变化。第二种是生命周期阶段之间的归因，它解释了生命周期影响和成本的差异出现在哪里。第三种是各种不确定性的敏感性，它识别出最能塑造稳健结果的假设。如果没有这种集成解释，基于概率LCA的优化可能会产生解决方案，但未能充分解释它们在决策制定中的相关性。

现有研究对基于建筑LCA的稳健设计做出了贡献，如表1所示。然而，它们支持早期设计评估和决策的能力受到三个缺口的限制。

第一个缺口涉及设计变量的多样性。现有的具有不确定性意识的建筑LCA研究通常将稳健设计探索限制在建筑形式已经被假设或固定的围护结构或能源系统中，这限制了该方法在建筑形式是待决关键变量的早期设计阶段的适用性。

第二个缺口涉及变量设置针对不确定性的机制。稳健优化的结果通常仅报告为最优方案，对塑造稳健设计的变量层次解释有限。一些变量可能定义主要的排放-成本权衡，而另一些则在有限范围内细化性能。然而，很少有稳健设计研究在明确区分早期设计中主导变量和次要变量的同时，联合优化被动和主动设计变量。

第三个缺口涉及稳健性解释。不确定性分析通常仅作为单独的诊断来报告。因此，稳健设计替代方案通常根据各种风险厌恶指标进行排序，但未能充分解释其概率分布特征、不同生命周期阶段的归因以及对关键不确定性的敏感性。这限制了具有不确定性意识的LCA作为超越特定优化方案的可迁移决策指导的能力。

为了弥补这些缺口，本研究开发了一个用于不确定性下早期建筑设计的LCGHG和LCC稳健优化框架，它不仅是一个搜索稳健最优解的程序，也是可解释决策支持过程的一部分。该框架以中国寒冷地区多层办公楼设计为例进行演示，其中基于存量调查得出的九种建筑形式原型与围护结构、暖通空调（HVAC）和屋顶光伏策略在不确定未来气候、电网结构、经济波动和部件使用寿命下进行联合探索。本研究主要关注以下研究问题：

（1）当建筑形式原型、围护结构策略、HVAC系统和屋顶光伏配置在不确定性下联合探索时，在LCGHG和LCC方面会出现哪些稳健设计？以及设计排序相对于不同风险指标、代理模型误差和关键不确定性假设的可靠性如何？

（2）设计变量在塑造稳健最优LCGHG和LCC结果方面扮演什么相对角色？能否在早期设计变量中识别出主导驱动因素？

（3）概率分布特征、阶段性生命周期归因和不确定性敏感性如何解释稳健设计的风险与权衡，并将其转化为可迁移的决策指导？

通过回答这些问题，本研究将具有不确定性意识的建筑LCA从选择稳健设计的支持方法推进到对设计替代方案整体性能和可靠性的可解释评估。创新体现在三个方面：

（1）它通过将源自建筑存量的形式相关原型作为可比较变量而非预定义条件，将稳健LCA的应用从特定建筑的风险厌恶设计扩展到基于原型的早期设计优化和决策指导，并通过识别与围护结构、HVAC和屋顶光伏配置联合探索时的性能差异来实现这一点。

（2）它通过被动和主动策略的相对角色和相互作用，以及对不同风险指标和代理模型准确性的决策可靠性评估来解释稳健设计，而非仅仅报告最优变量设置，从而能够区分不确定性结果的变量主导因素和次要因素。

（3）它整合了概率性能分布、生命周期阶段之间的归因和不确定性因素的敏感性分析，以解释最优稳健设计如何以及为何不同、它们意味着什么性能风险和权衡，以及概率结果如何指导设计优先事项和可迁移的决策指导。

这些贡献共同将早期设计建筑LCA重新定位为具有不确定性意识的评估过程，不仅支持最优稳健设计替代方案的选择，还支持在不确定性下对设计决策的解释、优先级排序和合理性论证。

**章节片段**

**稳健决策框架**

本研究开发了一个用于早期被动和主动建筑策略稳健优化和解释的具有不确定性意识的框架。主要目标是最小化LCGHG和LCC分布的P90，分别记为LCGHG(90%)和LCC(90%)。并且进一步检验所得设计排序相对于确定性指标和均值风险指标、优化收敛性和代理模型误差的稳健性。如图1所示，

**背景和设计变量设置**

所提出的框架在天津——中国寒冷地区的一个国家城市——进行多层办公楼设计的演示（图2（a）-（b））（中华人民共和国住房和城乡建设部，2016）。选择此案例是因为办公楼面临减少运营能耗和生命周期排放的双重减缓压力，而寒冷气候条件使得耦合的被动-主动设计与长期不确定性之间的相互作用

**结果**

结果首先通过验证代理模型来呈现，随后评估多目标优化收敛性，比较不同稳健性标准下的设计排序，表征最优设计策略，最后通过概率分析、阶段性生命周期归因和不确定性敏感性分析评估代表性解决方案的稳健性。

**代理模型精度对决策稳健性的影响**

代理模型是建筑能耗模拟与稳健优化之间的关键环节。其预测误差会传播到最终的LCGHG和LCC中。ACD和AHD的误差直接影响运营能耗，从而改变OGHG和OC。PCL和PHL的误差还会影响HVAC的尺寸确定，后者是将计算得出的容量需求向上取整到整数单位来确定的。因此，接近容量阈值的预测可能会增加或减少设备单位，

**结论**

本研究展示了早期设计建筑LCA如何从稳健解决方案搜索发展为不确定性下可解释的设计评估和决策制定。通过使用风险厌恶标准，本研究应用概率LCGHG和LCC来探索一个整合被动和主动策略的最优设计空间。

与其将帕累托最优解视为最终输出，该框架考察了基于类型的建筑形式、围护结构策略、暖通空调系统和屋顶……

利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些因素可能影响本文所报告的工作。

致谢
本研究得到国家自然科学基金（批准号：51878436 和 52578039）以及天津大学交叉学科中心新兴方向培育项目（批准号：202507000018）的支持。本研究成果也是中国对国际能源署建筑能效委员会附件89（IEA EBC Annex 89）"基于全生命周期的建筑净零温室气体排放实施途径"的贡献之一。

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