1、研究背景

根据GB 55037—2022《建筑防火通用规范》规定：建筑高度大于27 m的住宅建筑和建筑高度大于24 m的非单层厂房、仓库和其他民用建筑被称为高层建筑。超过24 m的公共建筑可以划分为3类，分别是二类高层建筑、一类高层建筑以及超高层建筑。二类高层建筑是指建筑高度超过24 m但未超过50 m；一类高层建筑是指建筑高度超过50 m但未超过100 m；超高层建筑是指建筑高度超过100 m。而办公建筑在公共建筑领域建设量大、代表性强，根据《合肥统计年鉴（2022）》可知，合肥地区2021年新建办公建筑面积为903 114 m2，在新建建筑总面积（不包含居住建筑）中占比16.3%，其中高层办公建筑占比较大。

办公建筑是为企事业单位和机关团体提供活动的场所，办公建筑形式可分为企业总部大楼，租赁式办公以及商住混合型办公，结构形式多为框架混凝土结构。高层办公建筑因其体量大，所产生的碳排放基量大。根据中国建筑节能协会发布的《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》可知，全国建筑全生命周期碳排放总量在2020年达到了50.8亿t CO2，占全国各行业碳排放量的比重为50.9%。2020年，农村居住建筑、城镇居住建筑、公共建筑的碳排放量分别为4.27亿t CO2、9.01亿t CO2和8.34亿t CO2，占建筑碳排放总量的比例分别为19.8%、41.7%和38.6%，公共建筑和城镇居住建筑是碳排放增长的主要原因之一。由此可见，在“双碳”目标大背景下，公共建筑领域是实现节能减排总体目标的必经之路。

2、高层办公建筑典型模型建立

2.1合肥地区高层办公建筑基础调研

安徽省合肥市地处中纬度地带，气候特点为夏热冬冷，季风气候较为明显。合肥地区高层办公建筑平面形态特征可以分成塔式和板式两种基本类型。调研案例选取合肥地区28栋已建高层办公建筑，建筑高度为50～100 m，均为一类高层建筑。建筑长宽比1.0～3.0，办公形式为较普遍的租赁式办公和企业总部办公，建筑标准层面积控制在1 000 m2以上。

2.2合肥地区高层办公建筑特征分析

合肥地区高层办公建筑空间形体较为规整，多为方形、长条形以及组合形。建筑朝向多为坐北朝南，其结构形式以框架混凝土结构为主。对于高层办公建筑而言，其内部的功能空间组成主要分为办公空间、走道空间以及核心筒空间，而办公空间的平面布局形式与核心筒的平面布局形式相辅相成，核心筒作为高层办公建筑的核心部分，其在标准层平面中的相对位置会影响办公空间的平面布局方式。

随着办公形式的多元化以及建设水平的快速化，高层办公建筑核心筒在标准层平面中的平面布局形式也在不断变化。根据调研数据和相关文献研究表明：核心筒在高层办公建筑标准层中的相对位置根据聚集程度可以分为集中式和分散式。集中式核心筒平面组织形式是指在高层办公建筑标准层平面中核心筒集中设置在某个位置。分散式核心筒平面组织形式是指在高层办公建筑标准层平面中核心筒分散设置在多个位置。此外，根据其在平面中相对位置的不同，集中式核心筒平面组织又可以分为中置式和偏置式，如图1所示。分散式核心筒平面组织可以分成偏置式和对角式，如图2所示。

图1集中式核心筒平面布局形式示意

图2分散式核心筒平面布局形式示意

依据JGJ/T 67—2019《办公建筑设计标准》，办公空间主要包括开放式办公间、独立式办公间以及会议室等。核心筒空间主要包括管井空间、辅助空间以及交通空间。通过对合肥地区高层办公建筑调研以及分析，合肥地区高层办公建筑的办公空间多为封闭式办公，少量为开放式办公。为了简化模型以及确保变量的准确性，本次模拟办公空间全部设置为封闭式办公，各功能房间的面积数量和占比通过统计法以及平均法进行确定。关于核心筒空间的内部平面布置，根据JGJ/T 67—2019《办公建筑设计标准》以及调研数据，本次模拟设置6台额定载重量1 300 kg的电梯，并依据调研数据设置强弱电间、杂物间、卫生间、开水间、空调管井等功能房间。

2.3高层办公建筑典型模型建立

典型高层办公模型设定主要包括层高、层数、长宽比、面积和平面形式等，是可以代表某一特定区域高层办公建筑构造、空间及平面布局的模型。本研究通过调研合肥地区28所高层办公建筑，对标准层平面图纸进行统计分析。

首先，利用SPSS软件对调研数据进行K–means聚类算法分析，主要操作步骤是首先执行k均值聚类以识别办公楼层数、办公楼层高度和单个办公楼层面积。其次，根据聚类结果推导了占据大多数办公楼的集群类型，剔除了小型集群中的非典型建筑。最后，采用平均法确定典型办公楼参数，得出合肥地区高层办公建筑典型模型的层高、层数、长宽比以及面积。该高层办公建筑典型模型标准层面积为1 477 m2，层数为23层，建筑长48.3 m，宽30.6 m，长宽比为1.65，层高为3.9 m，结构形式采取较为普遍的框架剪力墙结构形式，如图3所示。

图3合肥地区高层办公建筑典型模型

由于本研究为了简化模型，提高模拟的准确性，仅以标准层为分析对象。标准层内部功能仅考虑办公空间、核心筒和走道，对调研数据采取平均法，确定各功能空间的占比和数量。

根据核心筒平面布局的两种组别，同时参照合肥地区已调研办公建筑标准层平面组织方式，结合已有高层办公建筑平面相关功能流线布置研究。本次模拟设定8组具有代表性的平面布局形式。JZ–01～JZ–04组为集中式核心筒平面布局形式，FS–01～FS–04组为分散式核心筒平面布局形式。JZ–01组为核心筒集中核心式平面组织形式，将核心筒布置在平面中心位置，办公空间以环绕状布置在建筑周边。JZ–02组和JZ–03组为核心筒集中短边偏置式平面布置形式，结合合肥的气候及建筑特征，将核心筒分别设置在建筑西侧和东侧。JZ–04组为核心筒集中长边偏置式平面组织形式，因考虑南侧需更好的采光，将核心筒设置在建筑北侧。FS–01组为核心筒分散长边偏置式平面组织形式，将核心筒均分成两个部分，结合调研案例和消防规范要求，设置在建筑北侧。FS–02组为核心筒分散短边偏置式平面布局形式，核心筒均分成两部分，参照调研案例组织形式，分别设置在建筑的西侧以及东侧。FS–03组和FS–04组为核心筒对角内置式平面组织形式，将核心筒均分成两部分，分别设置在建筑的对角线上，办公空间呈现集中式布置，如图4所示。

图4核心筒平面布局组别设计示意

(a)JZ–01组：集中核心式；（b)JZ–02组：集中短边偏置式（西侧）；（c)JZ–03组：集中短边偏置式（东侧）；（d)JZ–04组：集中短边偏置式（南侧）；（e)FS–01组：分散北侧长边偏置式；（f)FS–02组：分散短边两侧偏置式；（g)FS–03组：分散东北对角偏置式；（h)FS–04组：分散西北对角偏置式

3、不同核心筒布局下的碳排放模拟

3.1参数设定

建筑碳排放计算参数设定以GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》为依据。因为合肥地区属于华东区域，所以设计建筑和参照建筑的电网碳排放因子选取为0.703 5 kg CO2/k Wh。建筑外围护结构的构造作法参考GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》，将规范规定的夏热冬冷地区甲类公共建筑围护结构热工系数限值作为碳排放计算的外围护结构参数。建筑外围护结构的窗墙比的选取参考GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》，规范规定夏热冬冷地区甲类公共建筑各单一立面窗墙比（包括透光幕墙）均不大于0.70，本次模拟将设计建筑各单一立面的窗墙比均设置为0.70，围护结构热工参数设置见表1。

表1围护结构热工参数设置

3.2软件模拟

高层办公建筑碳排放模拟软件采用YJK，运行的方法是信息模型法，计算边界为与建筑运行阶段活动相关的温室气体排放的计算范围。

该软件是通过获取建筑信息模型以及相关参数进行计算，从而得到建筑碳排放量。首先，分别将模拟图纸导入YJK转图软件中进行建筑构件的识别以及三维建模，如图5所示。其次，在建筑节能模块输入节能构造作法表进行建筑节能权衡性分析，观察设计办公建筑围护结构构造作法是否满足热工性能的要求。最后，再设定各个功能房间的运行参数，分别是空调系统设置、冷热源设置、办公楼人员在室率设定、生活热水、照明设备布置以及电梯系统设定。因为本次模拟为保证碳排放结果的准确性，所以仅考虑建筑运行阶段的碳排放量（表2）。

图5碳排放模型

表2碳排放模拟信息设置

3.3结果输出

使用YJK软件进行碳排放模拟，输出建筑运行阶段碳排放总量。运行阶段能耗类型包括空调能耗、照明能耗和动力系统能耗，动力系统能耗包含电梯以及生活热水。根据GB/T 51366—2019《建筑碳排放计算标准》，8组工况年碳排放量模拟结果输出统计见表3。

4、碳排放模拟结果分析

4.1核心筒布局组别碳排放量比较

模拟显示，集中式核心筒平面布局形式在运行阶段的年平均碳排放量是整体高于分散式核心筒平面布局形式。集中式核心筒平面布局形式在运行阶段的年平均碳排放量为926.66 t CO2/a，最高值为JZ–01组集中核心式平面组织形式，年平均碳排放量为1 045.701 t CO2/a，最低值为JZ–03组东侧短边偏置式平面布局形式，年平均碳排放量为867.959 t CO2/a。分散式核心筒平面布局形式在运行阶段的年平均碳排放量为953.94 t CO2/a，最高值为FS–02组分散短边两侧偏置式平面布局形式，年平均碳排放量为917.184 t CO2/a，最低值为FS–03组分散东北对角偏置式平面布局，年平均碳排放量为815.492 t CO2/a。根据运行阶段各种类型碳排放量输出数值表明，造成核心筒集中式平面布局形式碳排量高于分散式平面布局形式的主要碳排放量来源是供暖空调碳排放量。

表3碳排放模拟结果输出

在核心筒集中式平面布局组别中，年供暖空调碳排放量最大的是JZ–01组，为425.870 t CO2/a，核心筒东侧短边偏置式的JZ–03组供暖空调碳排放量最小。数值显示，JZ–01组在照明碳排放量和动力系统碳排放量中也是集中式平面布局组别中最大的一组，分别为390.805 t CO2/a和229.086 t CO2/a。短边偏置式的JZ–02组和JZ–03组在这两个类型中的碳排放数量一致，在同类别中数量最小。在核心筒分散式平面布局组别中，年供暖空调碳排放量最大的是FS–02组，为345.236 t CO2/a。东北对角偏置式的FS–03组年供暖空调碳排放量最小。数值显示，FS–03组和FS–04组的年照明碳排放量中在同组别中数量最大，FS–01组和FS–02组在同组别中数量最小，4种不同形式的分散式核心筒平面布局形式对于照明碳排放量没有特别明显的影响。对于动力系统碳排放量而言，在同类别中数量最大的为FS–02组，年平均碳排放量为244.731 t CO2/a，也是8种工况中碳排放数量最大的。FS–01组数量最小，年平均碳排放量为199.9 t CO2/a。

对于8种不同工况核心筒平面布局形式，运行阶段年平均碳排放量最大的是JZ–01组，为1 045.701 t CO2/a,FS–03组年平均碳排放量最小，为815.492 t CO2/a，如图6所示。JZ–01组的年平均供暖空调碳排放量和照明碳排放量在8种工况中数量最大，FS–03组的年平均供暖空调碳排放量和动力系统碳排放量在8种工况中数量最大，如图7所示。由此可以得出，供暖空调碳排放量是造成8种工况运行阶段碳排放量不同的主要原因之一。

图6模拟工况运行阶段年平均碳排量

图7模拟工况单项年平均碳排量

4.2核心筒布局组别与碳排量原因分析

通过对8种工况碳排放量模拟结果进行分析，对于集中式核心筒平面布局组别，当核心筒布置在建筑中心位置，办公建筑围绕核心筒呈现环绕式布局，建筑内部不能形成良好的自然通风，增加了夏天空调的碳排放量，同时核心筒内部各功能房间无法获得自然采光和自然通风，增加了照明和空调能耗。对于分散式核心筒平面布局组别，这种形式可以使卫生间等辅助空间直接对外通风采光，减少新风设备的使用，核心筒可以形成室内外环境的缓冲空间，减少室外不利环境造成的室内热损失。并且分散式的核心筒平面布局形式，可以在室内形成较大的流动空间，有效促进室内空气的流动，减少了空调和新风系统设备的使用。

本次碳排放计算仅针对建筑在运行阶段的碳排放量，对于建筑的全生命周期而言，建筑的碳排放量应综合考量。需要从建筑的形体、材料、结构形式、外部围护构造作法和冷热桥的处理等各个方面进行设计，使建筑更好地达到了节能减排的效果。

5、结束语

基于对合肥地区现有高层办公建筑的调研分析，对合肥地区高层办公建筑典型模型进行建立，通过设置8种不同工况的核心筒平面布局形式，进行碳排放模拟，对建筑运行阶段的碳排放量进行综合比较分析，得出以下相关节能减排策略。

(1）在高层办公建筑运行阶段，空调系统的碳排放量占比最大，因此在高层办公建筑前期设计方案阶段，要综合考虑办公空间的保温隔热措施。

(2）集中式平面布局的平均碳排放量要高于分散式平面布局的碳排放量，在设计方案阶段，要综合考虑核心筒内部空间的自然采光和自然通风。

(3）核心筒中置式平面布局形式在实际项目中占比较大，具有结构稳定性强和造价低等优势。需要加大对于核心筒中置式平面布局形式的节能减排策略研究，例如可以通过增加风井和庭院等措施，减少核心筒内部的人工照明和新风系统的使用，后续将继续对此进行研究补充。

参考文献:

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文章来源:王涛,王旭.合肥地区高层办公建筑核心筒平面布局与碳排放关系研究[J].建筑技术,2024,55(16):2009-2013.