尹秀琴， 李惠強(qiáng)， 薄海濤， 柯華虎

(華中科技大學(xué) a 土木工程與力學(xué)學(xué)院； b 控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430074)

我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段，作為大量消耗資源、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響的建筑業(yè)，應(yīng)全面實(shí)施綠色施工，承擔(dān)起可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)責(zé)任，在保證工程質(zhì)量、安全等基本要求的前提下，通過(guò)科學(xué)管理和技術(shù)進(jìn)步，最大限度地節(jié)約資源和減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，建設(shè)“資源節(jié)約，環(huán)境友好”兩型社會(huì)。

從全球環(huán)境來(lái)看，當(dāng)前最為關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題是全球變暖問(wèn)題。大氣層中的CO2、CH4、N2O、CFC、O3、CO等溫室效應(yīng)氣體具有吸收太陽(yáng)輻射熱，同時(shí)又阻止地球向外層輻射散熱，使得大氣低層具有自然溫室效應(yīng)。當(dāng)CO2等溫室氣體在大氣中濃度升高，便會(huì)造成吸收太陽(yáng)輻射熱增加，而地球向外輻射散熱減少，導(dǎo)致全球變暖。全球變暖會(huì)使冰川融化，海平面上升，陸地面積減少，海岸后退，引起港口、航道的回淤、濕地和河口沖擊平原被淹沒(méi)，將給沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大影響。此外全球變暖還會(huì)引起溫度帶向高緯度移動(dòng)，使一些地帶生態(tài)發(fā)生變化，以及一些傳染性疾病增加和大氣臭氧層耗損增加。

根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)的研究，自1850至2005年間，地球表面的平均溫度升高了0.69℃(±0.2℃)。中國(guó)政府2008年10月29日發(fā)布的《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策與行動(dòng)》白皮書(shū)指出，中國(guó)近百年來(lái)地表平均氣溫升高了1.1℃。近30年來(lái)，中國(guó)沿海海平面總體上升了90 mm。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，未來(lái)氣候變暖趨勢(shì)將進(jìn)一步加劇，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)。如2007年8月28日廣東省氣象局首次發(fā)布的《廣東氣候變化評(píng)估報(bào)告》指出：近50年廣東氣溫升高與全國(guó)平均水平相當(dāng)，0.21℃/10年，明顯高于全球或北半球同期平均增溫速率。其中工業(yè)區(qū)密布，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠三角是主要增溫區(qū)域，平均0.3℃/10年，而工業(yè)區(qū)較少的粵北大部分縣市的增溫速率不到0.15℃/10年。預(yù)計(jì)廣東在2011年至2040年、2041年至2070年和2071年至2100年的三個(gè)30年時(shí)段，平均氣溫可能分別升高約1.0 ℃、1.9℃ 和2.8℃ 。未來(lái)海平面可能上升30 cm(從歷史最高潮位起算)，屆時(shí)珠江三角洲的可能淹沒(méi)面積將達(dá)1153平方公里，受威脅最大的有廣州市區(qū)、珠海市和佛山市。受影響地區(qū)的直接經(jīng)濟(jì)損失預(yù)計(jì)將達(dá)到560億元左右。

根據(jù)美國(guó)世界觀察研究所(WWI)的報(bào)告，2006年世界各國(guó)溫室氣體排放所占份額中，中國(guó)在能源領(lǐng)域的CO2排放量為59億噸，已經(jīng)十分接近美國(guó)的61億噸，居世界第二位(圖1)。

圖1 2006年世界各國(guó)溫室氣體排放所占份額(%)

目前建筑能耗約占全國(guó)總能耗的30%左右，建筑業(yè)是CO2等溫室氣體的排放大戶，建筑節(jié)能減排是減緩全球變暖的重要領(lǐng)域之一。建筑節(jié)能減排工作涉及到建筑規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、采暖系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、照明系統(tǒng)等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前工程上已開(kāi)展多種途徑的建筑節(jié)能工作，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱節(jié)能技術(shù)、太陽(yáng)能及風(fēng)能利用、供熱供冷節(jié)約用能、加強(qiáng)節(jié)能科學(xué)管理等等，在節(jié)能減排方面取得了較好成效。但筆者感到當(dāng)前在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工領(lǐng)域還有待深入，如當(dāng)前建筑節(jié)能減排十分重視的是圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱技術(shù)，考慮的是建筑在使用期間降低空調(diào)制冷和供熱采暖的能耗，而對(duì)結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)材料的選用、結(jié)構(gòu)廢棄物的可回收利用等的重視程度遠(yuǎn)不如對(duì)節(jié)能減排的重視。建筑實(shí)體的建造需要消耗大量的建筑材料，建筑材料的采集、加工及運(yùn)輸對(duì)能源的消耗將排放大量的CO2等溫室氣體，而這些與結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)材料的選用等有著十分密切的關(guān)系。限于篇幅，本文主要探討結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中混凝土強(qiáng)度和鋼筋等級(jí)選用與環(huán)境影響負(fù)荷之間的內(nèi)在聯(lián)系，并通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行定量分析。

1 建筑材料內(nèi)含環(huán)境影響負(fù)荷分析

1.1 內(nèi)含環(huán)境影響負(fù)荷含義

建筑工程結(jié)構(gòu)實(shí)體建造要消耗大量建筑材料，而建筑原材料的開(kāi)采、運(yùn)輸、生產(chǎn)到制成建筑材料產(chǎn)品，整個(gè)過(guò)程都會(huì)排放CO2、SO2、NO3等廢氣、固體廢棄物和廢水等，對(duì)環(huán)境帶來(lái)一定的負(fù)面影響，稱之為內(nèi)含環(huán)境影響負(fù)荷。

如混凝土的內(nèi)含環(huán)境負(fù)荷影響，包括石灰石、砂巖、鐵粉、石膏等原材料的獲取及運(yùn)輸、水泥生產(chǎn)及運(yùn)輸、天然骨料的生產(chǎn)及運(yùn)輸、混凝土的制備過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷影響。又如鋼材的內(nèi)含環(huán)境負(fù)荷影響包括主要原料和輔助原料從采掘、運(yùn)輸?shù)戒摬漠a(chǎn)品等過(guò)程所產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷影響。

1.2 環(huán)境負(fù)荷影響的計(jì)算

以混凝土的內(nèi)含環(huán)境負(fù)荷影響為例，說(shuō)明環(huán)境負(fù)荷影響的計(jì)算。

(1)根據(jù)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比，獲取制備每立方米混凝土需要消耗的水泥、粉煤灰、沙石、水等材料數(shù)量的數(shù)據(jù)；

(2)搜集、計(jì)算、分析水泥、粉煤灰、沙、石等原開(kāi)采、生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程中各種廢氣、廢渣、廢水等環(huán)境影響因子的排放量；

(3)根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國(guó)際環(huán)境毒理學(xué)和化學(xué)學(xué)會(huì)(SETAC)建立的環(huán)境負(fù)荷影響評(píng)價(jià)體系，對(duì)影響全球變暖、酸雨、水體富營(yíng)養(yǎng)化等各種環(huán)境負(fù)荷影響進(jìn)行分類；分別計(jì)算影響全球變暖、酸雨、水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境影響排放物的數(shù)量；并根據(jù)效應(yīng)當(dāng)量因子把影響全球變暖、酸雨、水體富營(yíng)養(yǎng)化等的各種氣體折算為CO2、SO2、NO3的排放量，最后匯總計(jì)算出不同混凝土的內(nèi)含環(huán)境影響負(fù)荷，詳情可參見(jiàn)我們課題組已發(fā)表的文獻(xiàn)[1～3]。

2 工程實(shí)際案例定量分析

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中采用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土可以節(jié)約鋼筋和混凝土材料用量，這已為行業(yè)內(nèi)所共識(shí)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)建設(shè)行業(yè)所用鋼筋和混凝土強(qiáng)度普遍低1～2個(gè)等級(jí)[4，5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年HRB400鋼筋用量不到鋼筋總用量的10%，高強(qiáng)混凝土累計(jì)使用量還不到1500萬(wàn)m3，不足混凝土年消耗總量的1%[4]。此外，采用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土對(duì)環(huán)境負(fù)荷影響如何，研究甚少，本文選取某化工廠廠房框架結(jié)構(gòu)底層柱實(shí)例通過(guò)計(jì)算進(jìn)行定量對(duì)比分析。

2.1 工程概況

某化工廠廠房為五層框架結(jié)構(gòu)，底層建筑面積為668.16 m2，層高5.6 m，底層柱設(shè)計(jì)截面分別為300 mm×300 mm、400 mm×400 mm、450 mm×450 mm、500 mm×500 mm、550 mm×550 mm、600 mm×600 mm，各種設(shè)計(jì)截面對(duì)應(yīng)的柱子數(shù)分別為3根、4根、4根、6根、4根、3根，共24根。

以底層柱中數(shù)量較多的截面為500 mm×500 mm的柱子為代表，進(jìn)行比較研究。原設(shè)計(jì)采用C40混凝土、HRB335鋼筋，設(shè)計(jì)柱截面及柱配筋情況見(jiàn)圖2。

圖2 原設(shè)計(jì)柱截面

2.2 對(duì)比方案

對(duì)比方案將底層柱混凝土、鋼筋級(jí)別提高，采用C50混凝土、HRB400鋼筋，重新修改后的設(shè)計(jì)柱截面及配筋情況見(jiàn)圖3。

圖3 對(duì)比方案柱截面

研究原設(shè)計(jì)方案與對(duì)比方案的環(huán)境負(fù)荷影響差異，環(huán)境負(fù)荷僅考慮CO2溫室氣體以及對(duì)我國(guó)環(huán)境影響較大的酸雨致因SO2、水體富營(yíng)養(yǎng)化致因NO3的排放量。此外，在混凝土施工配比設(shè)計(jì)中考慮摻粉煤灰和不摻粉煤灰二種情況環(huán)境負(fù)荷影響的對(duì)比。

2.3 底層柱設(shè)計(jì)采用C40與C50混凝土對(duì)比

在滿足原抗震等級(jí)要求、同樣的結(jié)構(gòu)荷載、滿足原設(shè)計(jì)使用功能的情況下，底層柱混凝土等級(jí)由C40提高到C50、鋼筋等級(jí)由HRB335提高到HRB400，用PKPM軟件計(jì)算表明，大部分柱子截面邊長(zhǎng)尺寸可減少50 mm，主筋直徑減小一個(gè)等級(jí)(圖2、圖3)。

根據(jù)《建筑工程工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范》(GB50500-2003)混凝土及鋼筋混凝土工程的計(jì)算規(guī)則，經(jīng)詳細(xì)計(jì)算可得，底層柱采用C40混凝土，總用量為31.00 m3；若采用C50混凝土，總用量為25.39 m3，減少了5.61 m3(占18.09%)。

在混凝土施工配比設(shè)計(jì)中考慮摻與不摻粉煤灰的環(huán)境負(fù)荷影響，不摻粉煤灰的C40、C50混凝土以及摻粉煤灰的FC40、FC50混凝土內(nèi)含的CO2、SO2、NO3環(huán)境負(fù)荷影響經(jīng)計(jì)算如表1所示[3]。

表1 不同等級(jí)混凝土內(nèi)含環(huán)境負(fù)荷影響潛值

原設(shè)計(jì)方案與對(duì)比方案的混凝土內(nèi)含CO2、SO2、NO3環(huán)境影響總量如表2所示。

表2 不同設(shè)計(jì)方案混凝土內(nèi)含環(huán)境影響

由表2分析比較可知：

(1)采用不摻粉煤灰的混凝土，原方案底層柱共需C40混凝土31.00 m3，產(chǎn)生的CO2溫室氣體當(dāng)量30814.0 kg；對(duì)比方案共需C50混凝土25.39 m3，產(chǎn)生的CO2溫室氣體當(dāng)量為28995.38 kg，則對(duì)比方案比原方案少產(chǎn)生1818.62 kg(占5.9%)的CO2溫室氣體排放量。

(2)若采用摻粉煤灰的混凝土，對(duì)比方案比原方案相比，將減少排放CO2溫室氣體2080.16 kg(占7.2%)?？梢?jiàn)摻粉煤灰比不摻粉煤灰又進(jìn)一步減少CO2排放量261.54 kg。

2.4 底層柱設(shè)計(jì)采用HRB335與HRB400鋼筋對(duì)比

根據(jù)GB 50500-2003凝土及鋼筋混凝土工程的計(jì)算規(guī)則，經(jīng)詳細(xì)計(jì)算可得，底層柱采用HRB335普通鋼筋，用量為5788.51kg；若采用HRB400高強(qiáng)鋼筋，用量為4716.85 kg，鋼筋強(qiáng)度由HRB335提高到HRB400后，鋼筋用量減少1071.66 kg(占18.51%)。

表3為一般鋼材的內(nèi)含環(huán)境影響數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來(lái)源于楊建新[6]等的研究。原設(shè)計(jì)方案與對(duì)比方案的鋼材內(nèi)含環(huán)境影響的計(jì)算如表4所示。

表3 鋼材的內(nèi)含環(huán)境影響潛值

表4 不同設(shè)計(jì)方案鋼材內(nèi)含環(huán)境影響對(duì)比

由表4分析比較可知，對(duì)比方案比原方案的內(nèi)含CO2溫室氣體排放量減少749.95 kg (占18.51%)。需說(shuō)明的是，因目前尚未收集到鋼材不同強(qiáng)度等級(jí)的內(nèi)含環(huán)境影響的數(shù)據(jù)，因此在表4的計(jì)算中未考慮由于鋼材強(qiáng)度等級(jí)的提高對(duì)環(huán)境負(fù)荷影響的增加。

3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

3.1 C40、C50混凝土造價(jià)比較分析

在該實(shí)例中，高強(qiáng)混凝土與普通混凝土相比，用量減少18.09%，但高強(qiáng)混凝土比普通混凝土價(jià)格高，表9對(duì)采用C40、C50混凝土造價(jià)進(jìn)行比較，該表中的混凝土單價(jià)參照2008年武漢市7～9月份建筑材料信息價(jià)中混凝土預(yù)算價(jià)的算術(shù)平均值。

表5 C40、C50混凝土造價(jià)對(duì)比表

通過(guò)上表計(jì)算可知，對(duì)比方案比原方案混凝土材料費(fèi)總價(jià)減少818.87元，減少8.08%，表明高強(qiáng)混凝土雖然單價(jià)比普通混凝土高，但采用高強(qiáng)混凝土使混凝土用量的減少量大于高強(qiáng)混凝土價(jià)格的提高量對(duì)總造價(jià)的影響。從降低造價(jià)方面來(lái)考慮，高強(qiáng)混凝土更經(jīng)濟(jì)。

3.2 HRB335鋼筋與HRB400造價(jià)比較分析

在該實(shí)例中，高強(qiáng)鋼筋與普通鋼筋相比，用量減少18.51%，但高強(qiáng)鋼筋比普通鋼筋價(jià)格高，表9對(duì)采用普通鋼筋HRB335、高強(qiáng)鋼筋HRB400造價(jià)進(jìn)行比較，該表格中的鋼材單價(jià)參照2008年武漢市10月份建筑材料信息價(jià)中鋼材的預(yù)算價(jià)。

表6 普通鋼筋與高強(qiáng)鋼筋造價(jià)對(duì)比表

通過(guò)上表計(jì)算可知，對(duì)比方案比原方案鋼材材料費(fèi)總價(jià)減少5544.89元，節(jié)約造價(jià)17.36%，表明高強(qiáng)鋼筋雖然單價(jià)比普通鋼筋高，但采用高強(qiáng)鋼筋使鋼筋用量的減少量大于高強(qiáng)鋼筋價(jià)格的提高對(duì)總造價(jià)的影響。從降低造價(jià)的方面來(lái)考慮，高強(qiáng)鋼筋更經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié) 論

(1)提高混凝土和鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)，混凝土施工配比設(shè)計(jì)摻用粉煤灰等措施可以減少導(dǎo)致全球變暖的CO2溫室氣體排放、減少酸雨的產(chǎn)生、降低土壤及水體的富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境影響負(fù)荷。

(2)提高混凝土、鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)可以較大程度地節(jié)約建筑材料總消耗量。

(3)采用高強(qiáng)混凝土、高強(qiáng)鋼筋比普通混凝土、普通鋼筋有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，提高混凝土和鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)，摻用粉煤灰等是建設(shè)“資源節(jié)約，環(huán)境友好”兩型社會(huì)的有效途徑之一。從后京都公約時(shí)代(2012年后)我國(guó)將不可避免要承擔(dān)全球CO2溫室氣體減排任務(wù)的緊迫形勢(shì)所需，應(yīng)引起建設(shè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)和施工人員高度重視，切實(shí)為節(jié)碳減排、保護(hù)環(huán)境作貢獻(xiàn)。

[1] 帥小根. 建設(shè)項(xiàng)目“隱性”環(huán)境影響評(píng)價(jià)的量化研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2009.

[2] 帥小根, 李惠強(qiáng), 柯華虎. 工程建設(shè)及資源消耗對(duì)環(huán)境影響的定量評(píng)價(jià)[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(城市科學(xué)版), 2009, 26(2): 34-39.

[3] 李思堂. 建筑項(xiàng)目減物質(zhì)化施工評(píng)價(jià)模型研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2007.

[4] 王鐵宏. 亟需推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋和高性能混凝土[J]. 建設(shè)科技, 2005, (6): 28-29.

[5] 裴 智, 張維匯, 王潤(rùn)曉, 等. HRB500鋼筋的發(fā)展與設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)[J]. 施工技術(shù), 2007, 36(4): 13-16.

[6] 楊建新, 徐 成, 王如松. 產(chǎn)品生命周期評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用[M]. 北京: 氣象出版社, 2002.