趙彥革, 孫 倩, 韋 婉, 肖從真1,, 任建偉,3,王子燕, 高 升,3, 代亞輝

(1 國(guó)家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013；2 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3 北京市綠色建筑設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100013；4 清華大學(xué)土木工程系，北京 100084；5 國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100029)

0 概述

隨著科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,人類生產(chǎn)力逐步提升,物質(zhì)生活不斷得到滿足。在改造自然界、創(chuàng)造財(cái)富的同時(shí),自然環(huán)境也隨之遭受一定的破壞。人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)關(guān)注,環(huán)保問(wèn)題日益突出。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及規(guī)劃作為建筑全壽命期的起點(diǎn),在極大程度上對(duì)建筑生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、運(yùn)營(yíng)、拆除回收等各個(gè)環(huán)節(jié)的物質(zhì)和能量消耗產(chǎn)生影響,從建筑設(shè)計(jì)階段引入低碳的理念,能有效降低建筑全壽命期碳排放[1-3]。本文將基于《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51366—2019)[4]、《混凝土結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》(GB 55008—2021)[5]、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[6]、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[7]、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[8]等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),立足于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,探討建筑結(jié)構(gòu)形式及方案對(duì)碳排放的影響。

1 結(jié)構(gòu)形式對(duì)碳排放的影響

1.1 計(jì)算原則

不同的結(jié)構(gòu)形式適用于不同的建筑類型。目前,在建筑中應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)形式為混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu),約占總量的95%。混凝土結(jié)構(gòu)通常用于各類常規(guī)建筑中,而鋼結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)多應(yīng)用于大跨度或高層、超高層公共建筑。近些年因各地裝配式建筑的相關(guān)政策法規(guī)推動(dòng),鋼結(jié)構(gòu)也逐步在多層公建或住宅項(xiàng)目中被選用。因建筑地下室部分通常采用混凝土結(jié)構(gòu),故本文僅對(duì)建筑地上部分進(jìn)行分析,并根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用范圍,按照多層公建、高層公建和住宅建筑進(jìn)行分類分析。

基于全壽命期的建筑碳排放可劃分為建材生產(chǎn)及運(yùn)輸、建筑建造、建筑運(yùn)行、建筑拆除四個(gè)階段。同時(shí),考慮到部分結(jié)構(gòu)材料自身為可再利用材料或可循環(huán)利用材料,拆除后可進(jìn)行二次利用,故考慮負(fù)碳折減效應(yīng)。因此,結(jié)構(gòu)的碳排放計(jì)算見下式:

C=Cjc+Cjz+Cm+Ccc-Cf

(1)

式中:C為單位建筑面積的碳排放量;Cjc建材生產(chǎn)及運(yùn)輸階段單位建筑面積的碳排放量;Cjz為建筑的建造階段單位建筑面積的碳排放量;Cm為建筑的運(yùn)行階段單位建筑面積的碳排放量;Ccc為建筑的拆除階段單位建筑面積的碳排放量;Cf為負(fù)碳折減單位建筑面積的碳排放量。

根據(jù)《中國(guó)建筑能耗與碳排放研究報(bào)告(2021)》[9]統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,建筑建造階段與拆除階段碳排放量在建筑總碳排放量中占比不到5%,且建筑運(yùn)行階段碳排放受結(jié)構(gòu)材料變化影響較小[9]。故本文將重點(diǎn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)在考慮負(fù)碳折減效應(yīng)前后的生產(chǎn)及運(yùn)輸階段碳排放結(jié)果進(jìn)行分析。

1.2 參數(shù)分析

根據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51366—2019)規(guī)定,建筑生產(chǎn)及運(yùn)輸階段碳排放與材料用量和相應(yīng)材料的碳排放因子有關(guān)。因結(jié)構(gòu)材料用量受多種因素影響,為減少變量,本文主要參考北京地區(qū)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,地震設(shè)防烈度為8度,場(chǎng)地土類別為Ⅲ類,基本風(fēng)壓為0.45kN/m2,基本雪壓為0.40kN/m2,混凝土碳排放因子為320kgCO2e/m3,鋼筋及鋼材碳排放因子為2 350kgCO2e/t[4]。其中,混凝土碳排放因子為工程中應(yīng)用范圍最廣的C35混凝土碳排放因子值,鋼筋及鋼材取常用鋼材及型鋼碳排放因子均值。

結(jié)構(gòu)材料的負(fù)碳技術(shù)眾多[10-11],針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的對(duì)比需求,本文中的負(fù)碳技術(shù)主要指結(jié)構(gòu)材料的再利用?；炷敛牧系脑倮眉夹g(shù)主要為生產(chǎn)再生混凝土。因再生混凝土與普通混凝土間的碳排放量差異不大,故認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)的負(fù)碳折減值為0。再利用的鋼筋和鋼材則通過(guò)電爐煉鋼技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)碳,根據(jù)再利用的難易程度,鋼筋的再利用率取60%,鋼材的再利用率取90%,電爐煉鋼的碳排放因子為600kgCO2e/t[12]。

1.3 碳排放計(jì)算分析

經(jīng)大量工程項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)匯總,對(duì)于多層公建、高層公建和住宅建筑三種建筑類型,混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)考慮負(fù)碳折減效應(yīng)前后的生產(chǎn)及運(yùn)輸階段碳排放結(jié)果如表1～3所示。

表1 多層公建混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算情況

表2 高層公建混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算情況

表3 住宅建筑混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算情況

由表1～3可得,鋼結(jié)構(gòu)在建材生產(chǎn)及運(yùn)輸階段的碳排放量較混凝土結(jié)構(gòu)高約20%。而考慮負(fù)碳折減系數(shù)后,鋼結(jié)構(gòu)的碳排放量大幅降低,較混凝土結(jié)構(gòu)低27%。同時(shí),在建筑的建造階段和拆除階段,鋼結(jié)構(gòu)的碳排放量稍低于混凝土結(jié)構(gòu);在建筑的運(yùn)行階段,兩者的碳排放量相當(dāng)[13]。因此,經(jīng)計(jì)算,在不考慮負(fù)碳折減效應(yīng)時(shí),鋼結(jié)構(gòu)的碳排放量高于混凝土結(jié)構(gòu),平均單位建筑面積碳排放量差值約為60kgCO2e/m2。但基于建筑全壽命周期假設(shè)并考慮負(fù)碳折減效應(yīng)后,鋼結(jié)構(gòu)的碳排放量低于混凝土結(jié)構(gòu),平均單位建筑面積碳排放量差值約為50～80kgCO2e/m2。

2 建筑形體對(duì)碳排放的影響

2.1 建筑形體概念

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)中相關(guān)規(guī)定,將建筑形體的規(guī)則性分為:規(guī)則、不規(guī)則、特別不規(guī)則、嚴(yán)重不規(guī)則四個(gè)等級(jí)。特別不規(guī)則的建筑應(yīng)進(jìn)行專門研究和論證,且不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑。

據(jù)統(tǒng)計(jì),因形體復(fù)雜而超限的項(xiàng)目數(shù)量多于因高度而超限的項(xiàng)目[14]。因此,應(yīng)重視建筑形體的選擇,盡可能避免形成超限結(jié)構(gòu)。

2.2 建筑形體的低碳設(shè)計(jì)

建筑形體是決定結(jié)構(gòu)布置規(guī)則性的主要原因,是影響結(jié)構(gòu)低碳性能的首要因素。但因建筑形體的復(fù)雜性,無(wú)法進(jìn)行定量分析。因此,本文根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)給出定性分析,具體如下:1)嚴(yán)重不規(guī)則或特別不規(guī)則建筑形體結(jié)構(gòu)材料用量增加約5%～15%,直接增加的生產(chǎn)、運(yùn)輸和拆除階段的碳排放量達(dá)5%～15%;2)嚴(yán)重不規(guī)則或特別不規(guī)則建筑形體提高了施工作業(yè)難度,間接增加的建造、拆除階段的碳排放量約5%;3)嚴(yán)重不規(guī)則或特別不規(guī)則建筑形體提升了運(yùn)行期間的維護(hù)及維修難度,間接增加的運(yùn)行階段的碳排放量約5%。

因此,嚴(yán)重不規(guī)則或特別不規(guī)則的建筑形體會(huì)增加碳排放量約10%～25%,極端情況下增幅可達(dá)50%以上?；谝陨蠑?shù)據(jù),建筑形體的低碳設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)選取規(guī)則形體,其次為不規(guī)則形體,避免采用特別不規(guī)則形體,嚴(yán)禁采用嚴(yán)重不規(guī)則形體。

3 結(jié)構(gòu)體系對(duì)碳排放的影響

3.1 結(jié)構(gòu)體系低碳設(shè)計(jì)的選型原則

結(jié)構(gòu)體系選擇是影響結(jié)構(gòu)碳排放的重要因素?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系眾多,且任一建筑均可通過(guò)幾種結(jié)構(gòu)體系來(lái)實(shí)現(xiàn),因此選擇低碳結(jié)構(gòu)體系是低碳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要方面。

結(jié)構(gòu)體系的低碳分析與具體的建筑形式有關(guān),且相互差別較大,無(wú)法進(jìn)行定量分析。本文基于經(jīng)驗(yàn)分析法,給出結(jié)構(gòu)體系低碳設(shè)計(jì)的原則如下:1)常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu),可根據(jù)表4所示原則選擇低碳的結(jié)構(gòu)體系;2)特殊類型的建筑,可以通過(guò)設(shè)置關(guān)鍵構(gòu)件,形成特殊結(jié)構(gòu)體系,從而達(dá)到低碳效果。結(jié)構(gòu)體系的低碳選型,可有效降低結(jié)構(gòu)碳排放量5%以上。

表4 混凝土結(jié)構(gòu)體系比選[15-16]

3.2 普通結(jié)構(gòu)體系選型原則

對(duì)于普通結(jié)構(gòu)體系碳排放分析,本文主要研究框架結(jié)構(gòu)與框架-剪力墻結(jié)構(gòu)兩種工程常用結(jié)構(gòu)形式。以某辦公樓項(xiàng)目為背景,其結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1所示。為確保計(jì)算結(jié)果的真實(shí)合理性,采用PKPM軟件分別對(duì)框架結(jié)構(gòu)及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算及工程量統(tǒng)計(jì),并依據(jù)1.2節(jié)的碳排放因子分析不同結(jié)構(gòu)模型下建筑的碳排放量。

圖1 辦公樓結(jié)構(gòu)平面布置圖

當(dāng)?shù)卣鹆叶确謩e為6度、7度、8度時(shí),不同結(jié)構(gòu)體系及高度的碳排放情況見圖2。由圖2可知,隨著結(jié)構(gòu)高度的增加,框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的碳排放逐漸小于框架結(jié)構(gòu),且抗震等級(jí)的提高使得框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的降碳優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。

圖2 不同地震烈度下結(jié)構(gòu)體系及高度對(duì)碳排放的影響

3.3 特殊結(jié)構(gòu)體系選型原則

對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)體系(如減隔震體系),本文基于實(shí)際工程案例進(jìn)行分析。

(1)隔震體系

以某TOD項(xiàng)目為背景,該項(xiàng)目為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。項(xiàng)目共15層,結(jié)構(gòu)高度41.2m,首層層高4.3m,標(biāo)準(zhǔn)層層高3m,車庫(kù)與運(yùn)用庫(kù)層高分別為4.8、11.0m。首層、二層、標(biāo)準(zhǔn)層樓板厚度分別為250、300、120mm,車輛段、標(biāo)準(zhǔn)層樓板形式分別為大板、梁板。

項(xiàng)目共設(shè)置隔震支座18套,其中鉛芯橡膠隔震支座14套,無(wú)鉛芯橡膠隔震支座4套(支座5、8、11、14),隔震支座平面布置如圖3所示。通過(guò)計(jì)算可知在設(shè)防烈度地震作用下,項(xiàng)目減震系數(shù)為0.395,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)相關(guān)規(guī)定,采取隔震措施時(shí),水平地震影響系數(shù)最大值可按下式計(jì)算:

圖3 隔震支座平面布置圖

αmax1=βαmax/ψ

(2)

式中:αmax1為調(diào)整后水平地震影響系數(shù)最大值;αmax為水平地震影響系數(shù)最大值,對(duì)于8度區(qū)多遇地震取0.16;β為水平向減震系數(shù);ψ為調(diào)整系數(shù),對(duì)于一般橡膠隔震支座取0.8。

隔震體系與非隔震體系工程量及碳排放量對(duì)比情況如圖4、5所示。

圖4 隔震與非隔震體系工程量對(duì)比

圖5 隔震與非隔震體系碳排放量對(duì)比

由圖4、5可知,采用隔震體系后的混凝土及鋼筋材料總用量降低土及鋼筋材料總用量降低,且隔震支座自身的碳排放量較小。因此,隔震體系碳排放量低于非隔震體系,大約可降低3%以上碳排放量。

(2)減震體系

以采用BRB的框架結(jié)構(gòu)為背景,項(xiàng)目共5層,結(jié)構(gòu)高度24.7m,標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m,抗震設(shè)防烈度8度(0.20g),地震設(shè)計(jì)分組第一組,場(chǎng)地土類別Ⅲ類,特征周期0.45s。BRB布置示意見圖6。

圖6 BRB布置示意圖

現(xiàn)對(duì)該項(xiàng)目采用BRB的減震體系和不設(shè)置減震措施的混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系(非減震體系)的碳排放情況進(jìn)行分析。經(jīng)計(jì)算可知,減震體系與非減震體系工程量及碳排放量對(duì)比情況如圖7、8所示。

圖7 減震與非減震體系工程量對(duì)比

圖8 減震與非減震體系碳排放量對(duì)比

由圖7、8可知,減震體系通過(guò)設(shè)置BRB減少地震作用,降低混凝土及鋼筋材料總用量,從而降低結(jié)構(gòu)碳排放。減震體系碳排放量低于非減震體系,可降低5%以上碳排放量。

4 結(jié)構(gòu)低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況和結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行合理的低碳優(yōu)化設(shè)計(jì),從而減少材料冗余,降低結(jié)構(gòu)碳排放。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免陷入設(shè)計(jì)誤區(qū),常見的過(guò)度設(shè)計(jì)情況如下:1)根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行底限設(shè)計(jì),不考慮工程實(shí)際情況,造成結(jié)構(gòu)安全隱患;2)過(guò)多預(yù)留配筋,可能帶來(lái)結(jié)構(gòu)安全隱患(如梁鋼筋預(yù)留過(guò)多,形成強(qiáng)梁弱柱)的同時(shí),又增加碳排放。

結(jié)構(gòu)低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要措施如下:1)合理的計(jì)算輸入,包括計(jì)算參數(shù)、荷載取值等;2)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),包括結(jié)構(gòu)統(tǒng)一措施、結(jié)構(gòu)配筋量取值等;3)合理預(yù)留富余量,建議常規(guī)構(gòu)件預(yù)留富余量控制在10%左右,特殊構(gòu)件或特殊部位可另行考慮。

5 結(jié)論

(1)鋼結(jié)構(gòu)在建筑全壽命周期單位建筑面積的碳排放量較混凝土結(jié)構(gòu)低50～80kgCO2e/m2,因此在結(jié)構(gòu)低碳設(shè)計(jì)中,應(yīng)優(yōu)先選取鋼結(jié)構(gòu)形式。

(2)嚴(yán)重不規(guī)則或特別不規(guī)則的建筑形體較規(guī)則的建筑形體,約增加10%～25%的碳排放量,合理的結(jié)構(gòu)體系會(huì)減少5%的碳排放量,結(jié)構(gòu)低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)后會(huì)降低3%～5%的碳排放量。

(3)通過(guò)合理的減隔震方式,形成有效抗側(cè)力體系后,能夠有效降低碳排放,可降低3%～5%的碳排放量。

(4)結(jié)構(gòu)優(yōu)化低碳設(shè)計(jì)主要取決于設(shè)計(jì)者的主觀因素,因此設(shè)計(jì)工程師應(yīng)具有結(jié)構(gòu)低碳優(yōu)化設(shè)計(jì)理念,合理低碳設(shè)計(jì),同時(shí)確保結(jié)構(gòu)安全可靠。