建筑碳排放是城市建设过程中最主要的碳排放来源，大量研究表明，合理的空间规划手段可以有效降低建筑碳排放强度。但既有研究以宏观城市尺度与微观建筑、地块等尺度为主，对中观控规单元尺度的关注不足；在优化路径方面，当前以指标约束为主的低碳建设方法难以兼顾上级规划要求和整体降碳目标。因此，通过建筑碳排放模拟，理清各主要空间要素对控规单元碳排放的影响机理，在此基础上结合多目标规划模型算法，以天津市的某控规单元为例，综合考虑降碳目标与容量要求，最终得到控规单元层级整体方案空间容量低碳优化策略。

[关键词] 控规单元；低碳城市；建筑能耗模拟；天津市

[文章编号] 1006-0022(2025)03-0042-08

[中图分类号] TU984.11+3、X503.5

[文献标识码] B

[引文格式] 张丽莎，张赫，王雨涵，等．基于碳排放模拟的控规单元空间容量优化方法与策略：以天津市为例[J]．规划师，2025(3)：42-49．

我国在2020年9月22日第75届联合国大会一般性辩论上宣布，我国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。 这一目标的提出，意味着我国未来的节能减排与实施将会提升到一个新的战略高度，并面临更大的实现难度。既有研究表明，我国城乡建设领域的碳排放量约占全社会碳排放总量的24％，且与全社会约50％的碳排放息息相关。可见，从城乡建设领域着手推进低碳优化与减排工作至关重要。

大量研究表明，通过空间规划能够有效控制城市碳排放。目前，学界主要从总体规划(以下简称“总规”)或片区规划、控规以及建筑设计层面开展广泛研究，旨在通过梳理分析城市建设过程中不同规划体系在不同阶段的空间要素与碳排放之间的影响机理关系，探讨科学有效的低碳空间规划理论体系、方法路径与优化策略。然而，目前我国低碳空间规划的研究重点聚焦在宏观层面的城市总规、片区规划的低碳优化以及微观层面的建筑节能两个方面，针对中观尺度的控规研究仍相对较少。现有研究大部分集中在单一地块或街区层面，通过设置地块建设中碳排放相关要素的最优空间指标区间，以确定最低碳的地块建设模式。从控规实施视角出发，单纯以低碳空间指标约束，虽能构建低碳空间，但却难以满足控规单元的整体建筑容量需求及总规的宏观导向要求。反之，若仅聚焦于单元的整体控碳与容量平衡，忽视了具体地块的低碳策略，亦无法有效实施总规的战略目标。因此，只有将地块控制与单元约束相结合，才能够实现上位规划的低碳城市空间建设目标。

鉴于此，本次研究通过明确控规单元层级的低碳管控要点，筛选出控规单元层面的建筑碳排放影响要素，并进行地块能耗模拟，得到各典型地块的碳排放强度系数。在此基础上，采用基于遗传算法的多目标规划模型构建低碳约束目标下的控规单元容量调控模型，并进行实例验证，最终提出控规单元层面的低碳空间规划优化策略。

1　研究概述

1.1　研究区域与研究对象

天津市地处我国华北地区，属温带季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。本次研究的区域为天津市中心城区，包括和平区、河东区、河西区、南开区、河北区和红桥区。中心城区现状人口规模为793万人，占全市人口总量的57.76％，到2035年规划人口为900万，用地面积约为2132.19km²，有225个控规单元。中心城区庞大且持续增长的居住与工作人口，预示着未来该区域的建设用地规模将持续扩大，从而加大城市低碳建设的难度。与其他大城市相似，天津市也面临着同样的低碳发展困境：城市发展在集聚人口、经济等众多要素的同时，用地空间扩张，碳排放量也在不断增加，大城市土地资源与能源消耗之间的平衡问题亟待解决。因此，选取天津市中心城区作为研究对象有一定的代表性、普适性及推广价值，通过分析中心城区不同功能地块的碳排放强度及存在问题，能够为当前的低碳规划编制提供一种创新思路。

1.2　研究技术路线

本次研究首先采用碳排放模拟的方法探究地块规模与建筑容量、建筑密度及建筑高度等空间组合要素对建筑碳排放强度的影响机制，进而基于这4个关键空间要素对建筑碳排放进行精准的估算和计量(图1)。其次，通过对比分析得到不同面积与建筑容量的地块的最优碳排放强度系数。最后，从控规单元整体层面的约束要求出发，构建数学调控模型，对各地块的用地面积与建筑容量进行具体的调控分配，生成控规单元整体碳排放最低的低碳规划方案，从而为低碳空间规划方案的制定提供科学指导。

2　数据来源与研究方法

2.1　数据来源

2.1.1　空间数据

本次研究通过OpenStreetMap网站获取天津市行政区划范围内已建成建筑的轮廓、层数及城市道路网数据，通过LocaSpace软件平台获取水系网络矢量数据，通过高德地图API平台获取POI数据。

2.1.2　能耗数据

本次研究用于能耗模拟的室外温湿度、风速等天津市的气象参数来源于EnergyPlus官网。设备使用参数、人员活动参数、采暖制冷系统参数、围护结构参数等建筑运行能耗数据参考实地走访与调研问卷得到的现场资料和既有文献资料，以及《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 26—2018)、《天津市居住建筑节能设计标准》(DB 29—1—2013)、《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)及《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 507306—2012)等相关行业规范标准来确定。

2.2　研究方法

2.2.1　典型单元理想模型建立

采用基于POI数据的面积加权赋值法来识别地块的用地性质。结合各类 POI 数据所对应的平均建筑面积、用地规模及其权重，计算地块内各类功能建筑面积所占的比例，最终得到天津市中心城区用地性质的矢量数据，并计算各地块的规模、建筑密度、容积率与建筑高度。

鉴于城市地块建设因受多种客观条件影响而呈现出差异性，为确保模拟所得的城市地块建筑碳排放强度能够接近真实值且具有代表性，本次研究按照以下步骤提取典型的居住、商业及办公地块。首先，采用四分位法对地块规模、容积率与建筑密度数据进行筛选清洗，明确各类数据的分级区间并进行分类整理。其次，对建筑高度组合形式进行科学分类，最终识别得到居住、商业及办公等各类典型地块。其中：居住地块在建筑布局、建筑单元规模等方面呈现出较明显的规律性，为了有效比较研究空间要素对建筑碳排放强度的影响，本次研究主要采用控制变量的方式，根据相关规范数值建立理想模型(图2)；在实际建设项目中，由于商业与办公地块的建筑类型繁多，且在形态、布局等方面存在较大差异，本次研究通过样本选取的方式对这两类地块进行三维模型构建。

2.2.2　地块能耗测度

本次研究使用EnergyPlus能耗模拟软件对建筑碳排放进行模拟，探讨建筑之间的遮挡关系与场地的微气候影响。在建立SketchUp物理模型的基础上，通过OpenStudio插件对所建模型进行热工分区、模型分类、窗墙比设定、材质设定等，最后在EnergyPlus软件平台进行运算得出能耗结果。

2.2.3　多目标规划模型构建

本次研究借助 MATLAB 软件搭建多目标模型构建与计算求解平台，并采用其中的gamultiobj函数对多目标规划模型进行寻优计算，得到既满足整体碳排放强度最低的要求，建筑容量又接近规定要求值的最优规划方案，从而确定控规单元规划方案中以地块规模与容积率调控低碳优化的重点方向和力度。

3　控规单元能耗模拟

3.1　能耗模拟结果分析

根据相关规范要求、既有文献以及问卷调查、走访调研数据，对不同功能类型地块的气象参数、设备使用参数、人员活动参数、采暖制冷系统参数、围护结构参数进行设定。经过能耗软件模拟，得到居住、办公及商业3类城市功能地块的碳排放强度模拟结果(图3)。从整体上看，商业地块的建筑碳排放强度略大于办公地块，且这两者的建筑碳排放强度均大于居住地块的建筑碳排放强度。从均值看，商业地块、办公地块、居住地块的平均建筑碳排放强度分别为131.74kg/m²·a、114.53kg/m²·a、47.42kg/m²·a。

通过对各功能地块内的影响要素进行比较分析，得到地块空间要素与建筑碳排放之间的影响机理关系：①3类功能地块的容积率与建筑碳排放强度均呈正相关关系。②在居住地块中，地块规模与建筑碳排放强度的关系受到建筑密度的影响。具体而言，当建筑密度较低或处于中等水平时，随着地块规模的扩大，建筑碳排放强度呈现先减小后增大的“U”形曲线；当建筑密度较高时，地块规模与建筑碳排放强度呈正相关关系。总体来看，多层建筑地块的建筑碳排放强度最大，高层建筑地块的建筑碳排放强度次之，小高层建筑地块的建筑碳排放强度最小。③在办公地块中，地块规模与建筑碳排放强度呈正相关关系，即随着建筑密度的增大，建筑碳排放强度呈现先减小后增大的“U”形曲线。低层建筑地块的建筑碳排放强度最大，高层建筑地块的建筑碳排放强度次之，多层建筑地块的建筑碳排放强度最小。④在商业地块中，地块规模对建筑碳排放强度的影响较小；建筑密度与建筑碳排放强度呈正相关关系；低层商业街的建筑碳排放强度要大于多层商业综合体建筑。

3.2　控规单元最优空间形态及其碳排放系数

首先，以控规单元低碳容量分配为研究目标，将地块规模和容积率作为后续研究的自变量并进行区段划分；其次，在各区段中筛选出建筑碳排放强度最小的容量形态参数，并将其作为该地块的低碳布局模式的参数。最后，得到不同自变量区段下各地块的最优参数选择(表1)。

4　基于碳排放约束的控规单元空间容量优化方法

4.1　低碳约束下控规单元容量调控模型构建

模拟结果显示，地块容积率与建筑碳排放强度呈现正相关关系，地块规模的划定也对碳排放量产生一定影响。然而，控规单元不仅要满足低碳建设的目标要求，还要满足上位规划提出的容量需求。因此，本次研究采用数学领域常用的多目标规划模型，将控规单元碳排放最低、面积与容量满足上位规划要求作为规划目标，构建函数进行最优方案求解，得到既满足上位规划要求，又满足低碳建设目标要求的整体单元规划方案。

由于控规单元的实际建设程度不同，其规划方案的低碳优化策略也存在差异。针对实际规划实践中常涉及的建成区优化与新城开发两种不同情境，本次研究将控规单元容量调控分为两种情景(表2)，并分别进行模型构建。

4.1.1　仅调控地块容积率的情景

用地性质限定情景下的地块建筑容量调控旨在达成两个目标：一是控规单元内用地的整体碳排放强度最低；二是满足上位规划对各功能地块的总建筑容量要求。这就需要从以下两个方面对情景设定进行约束：①将控规单元内的各功能地块的数量与规模设定为已知固定值；②使控规单元内各功能地块的建筑容量之和接近于总建筑容量要求。

该情景下的决策变量为各功能地块的容积率，可用表示居住地块的容积率，表示办公地块的容积率，表示商业地块的容积率。根据现有规范及天津市中心城区地块的相关数据，为了使模型计算结果能更好地指导实际的控规单元规划编制工作，需要对各功能地块的容积率进行限定约束，各个自变量的约束范围(可行域)如下所示： 

本次研究以居住地块的建筑容量分配模型为例进行构建，再类推得到办公、商业地块的建筑容量分配模型。居住地块建筑容量分配模型的目标函数如下所示：

式中：G_R为控规单元内居住地块的整体碳排放强度；W_R为控规单元内居住总建筑容量要求与实际居住建筑容量的差值绝对值；R为控规单元内居住地块的总建筑容量；a_i为i地块的容积率；b_i为i地块的地块规模；k_i为i地块的容积率与地块规模所对应的建筑碳排放强度，其中i= 1，2，……，m。根据最优地块参数选择表，可以得到不同容积率与地块规模组合下各地块的建筑碳排放强度系数k_i的取值。

4.1.2　地块划分与容积率双调控的情景

地块划分与容积率双调控的情景需遵循以下两个约束条件：①控规单元内各功能地块的面积之和等于上位规划要求的各功能地块总用地面积；②控规单元内各功能地块的建筑容量之和接近于总建筑容量要求。

该情景决策变量设定如下：①各功能地块的规模与数量为自变量， b_i、d_j、f_l分别表示居住、办公、商业地块的规模，其中i=1，2，……，m；j= 1，2，……，n；l=1，2，……，h。②a_i表示居住地块b_i的容积率，c_j表示办公地块d_j的容积率，e_l表示商业地块f_l的容积率。各自变量的约束范围如下所示。

式中：A_R表示居住地块的总用地面积，A_S表示办公地块的总用地面积，A_T表示商业地块的总用地面积。

在该情景下进行地块划分与容积率调控旨在达成3个目标：①控规单元内用地的整体碳排放强度最低；②满足上位规划对各功能地块的总建筑容量要求；③各功能地块面积之和符合该类功能地块总用地面积的要求。以居住地块的建筑容量分配模型构建为例，目标函数如下所示。

式中：G_R为控规单元内居住地块的整体碳排放强度；W_R为控规单元内居住地块的总建筑容量与实际居住地块建筑容量的差值绝对值；U_R为控规单元内居住地块的总用地面积与实际居住地块用地面积之和的差值绝对值；R为控规单元内居住地块的总建筑容量；A_R为控规单元内居住地块的总用地面积；a_i为i地块的容积率；b_i为i地块的地块规模；k_i为i地块的容积率与地块规模所对应的建筑碳排放强度。其中，i= 1，2，……，m，m为变量。根据最优地块参数选择表，可以得到不同容积率与地块规模组合下各地块的建筑碳排放强度系数k_i的取值。

4.1.3　多目标规划模型寻优计算

根据两种情景构建的多目标规划模型，使用NSGA-II算法对其进行寻优计算，得到整体建筑碳排放强度最低且容量接近规划要求值的最优建设方案，据此明确控规单元规划中地块规模与容积率低碳优化的关键路径。本次研究选用的编码方式为二进制编码方式，设置参数取值如下：选择算法采用二元锦标赛选择，交叉概率为0.9，变异概率为 0.1，最优个体系数为0.3，种群大小为200，最大遗传代数为800。

4.2 　实例验证

基于多目标规划模型，选择样本控规单元进行实证应用，从而验证研究模型在实际规划方案调整中的应用潜力及效果。在实际应用过程中，按照设定的两种规划情景对居住、办公与商业地块进行低碳调控计算。本次研究筛选了天津市规划和自然资源局网站上所公布的各控规单元的规划方案，最终选取中心城区内居住、办公、商业功能较为综合的河东区02-15控规单元为实证分析对象。

4.2.1　仅调控地块容积率情景下的控规单元分析

将河东区02-15控规单元规划方案中各功能地块的建筑总容量与各地块规模数据输入仅调控地块容积率情景的模型函数，并通过智能算法求解，得到河东区02-15控规单元各类用地容积率调控的最优解集。在此基础上，根据计算得到各地块具体的容积率调控数值(图4)。河东区02-15控规单元原规划方案整体建筑碳排放强度为92.22kg/m²·a，调控后整体建筑碳排放强度为88.36kg/m²·a，整体控规单元减碳效益为4.19％。其中，居住地块低碳容量调控的减碳效益为9.63％，办公地块低碳容量调控的减碳效益为3.69％，商业地块低碳容量调控的减碳效益为1.15％。

4.2.2　地块划分与容积率双调控情景下的控规单元分析

将河东区02-15控规单元规划方案中各功能地块数量、总建筑容量与用地面积数据输入地块划分与容积率双调控情景的模型函数，并通过算法求解，得到河东区02-15控规单元的调控结果(表3)。根据不同地块数量的调控结果可以看出，随着各功能地块划分数量的增加，建筑碳排放强度呈现先增加后减少的趋势，这意味着过少或过多的地块数量不利于控规单元的节能减排。

根据计算结果，结合控规单元实际方案，选取控碳效益较佳的地块划分与容积率分配调控方式，对河东区02-15控规单元进行规划方案优化调整。方案优化调控结果显示(图5)，原规划方案整体建筑碳排放强度为92.22kg/m²·a，调控后整体建筑碳排放强度为86.64kg/m²·a，较原方案减少6.05％。

实例验证表明，以上两种情景下的调控方法均可有效指导控规单元的低碳优化工作。从控碳效果上看，本次研究所构建的容量调控方法能够达到整体单元建筑碳排放强度降低的效果，地块划分与容积率双调控情景下的减碳效益(6.05％)较仅调控地块容积率情景下的减碳效益(4.19％)更优。从适用场景来看，仅调控地块容积率情景下的低碳方案优化改动较小，只需对各地块的容积率做出调整；地块划分与容积率双调控情景下的地块划分数量存在最优值，但低碳方案优化改动较大，往往会对控规单元的用地布局与道路网络产生影响。

5　控规单元空间优化策略

根据典型地块建筑碳排放强度模拟结果与控规单元低碳调控模型实证应用结果，本次研究针对天津市中心城区提出以下控规单元空间优化策略，旨在通过技术应用支撑与优化策略引导，合理规划控规单元内各地块的空间要素，以期达到降低单元整体建筑碳排放强度的目标。

5.1　坚持控碳优先，优化空间组织

地块空间组织模式优化是进行地块容量结构性调控的前提，因此在调控过程中先要明确各功能地块在不同规模下的低碳建设空间形态组合方式。具体而言，居住地块根据容积率与建筑密度的设定，应主要建设小高层(10～18层)的住宅；办公地块应主要建设传统的中密度多层办公建筑(6～12层)，但当容积率较高时，可侧重建设高密度高层(12层以上)办公建筑；商业地块主要开发中密度、多层(4～9层)的商业综合体，如此能兼顾经济效益与低碳目标。

5.2　选择适用模型，因地制宜规划

在具体使用过程中，应当结合方案的实际情况，根据规划情景的需要，因地制宜地划定调控范围与选择调控模型，从而科学合理地对控规单元内的空间要素进行低碳优化。虽然采用地块划分与容积率双调控情景的低碳调控方式的减碳效益更优，但是往往需对方案的既有路网与用地布局进行调整，因此该方式更适用于新区控规单元编制或可调整用地布局及路网的控规单元修编场景。仅调控地块容积率的低碳调控方式不会改变现有用地布局与道路网络，更加适合难以调整道路或地块权属的旧区控规修编情况。

5.3　秉持低碳理念，科学调控容量

在仅调控地块容积率的情景下，容积率决定了地块的开发强度与经济效益，且各功能地块的容积率与建筑碳排放强度均呈现明显的正相关关系。因此，在控规单元建设中应尽量节约集约用地，高效开发，在满足居民日常生活工作需求的同时降低整体控规单元的容积率。居住、办公及商业地块的建设应优先考虑采用容积率高的小地块开发模式；对于中面积、大面积地块的容量调整，则需依据整体单元的容量要求，一般以低容积率、中容积率的要求来进行容量调控。

在地块划分与容积率双调控的情景下，居住、办公与商业地块均存在最优的地块划分数量。随着地块数量的增加，各类地块的建筑碳排放强度呈现先降低后上升的“U”形曲线。因此，在对控规单元地块进行划分时，可以通过低碳调控模型进行具体计算，以确定建筑碳排放强度最低时的最优地块划分数量。在容积率分配层面，需关注两个差异：一是不同功能地块的容积率调控方向存在差异；二是不同控规单元内各功能地块的平均容积率存在差异。上述差异均会影响容积率具体分配策略，由此提出不同情景下低碳空间优化策略(表4)。

6　结束语

本次研究基于碳排放模拟及多目标规划模型，揭示了控规单元尺度下空间要素对建筑碳排放的影响机制，兼顾地块规划要求与低碳目标，提出低碳优化路径。实证表明，通过调控容积率与地块划分，天津市案例单元碳排放强度降低了4.19％～6.05％，验证了中观控规单元尺度容量优化对低碳规划的有效性。研究成果为平衡城市开发强度与碳减排目标提供了量化方法支撑，对完善国土空间规划低碳管控体系具有实践价值。