李慶偉, 岳清瑞, 金紅偉, 馮 鵬

(1 清華大學土木工程系，北京 100084；2 中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會，北京 100088；3 北京科技大學城鎮(zhèn)化與城市安全研究院，北京 100083)

0 引言

近年來世界各地出現(xiàn)了較多的極端天氣事件,導致數(shù)以萬計的人流離失所,造成巨額經(jīng)濟損失。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2021～2022年陸續(xù)發(fā)布了第六次評估報告的三個工作組報告。其中第一工作組報告《氣候變化 2021:自然科學基礎(chǔ)》[1]明確指出,地球平均氣溫相比工業(yè)革命前已經(jīng)升高1.1℃,全球升溫主要歸因于人類活動、燃燒化石燃料和土地利用造成的溫室氣體排放。國際能源署發(fā)布《全球能源回顧:2021年二氧化碳排放》[2]指出,2021年,全球能源領(lǐng)域碳排放達到363億t,創(chuàng)下歷史最高紀錄,中國碳排放量約占世界總碳排放量的30%。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布《2021年全球建筑建造業(yè)現(xiàn)狀報告》[3]指出,2020年建筑業(yè)碳排放占全球碳排放的37%,其他基建領(lǐng)域占10%,全球建筑業(yè)碳排放量十分巨大。中國建筑節(jié)能協(xié)會發(fā)布的《中國建筑能耗與碳排放研究報告(2021)》[4]指出,建筑領(lǐng)域(含鋼鐵、水泥等建材)碳排放占比為50.6%。建筑業(yè)作為能源消耗和碳排放量較高的傳統(tǒng)行業(yè),應積極采取轉(zhuǎn)型升級措施,降低能源消耗,減少碳排放,實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

基于以上研究背景,建筑碳排放研究迅速成為建筑行業(yè)研究熱點。建筑常用結(jié)構(gòu)形式包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等。木結(jié)構(gòu)在我國應用較少,混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)應用相對廣泛。與混凝土結(jié)構(gòu)相比,鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強、抗震性能好、施工周期短、綠色環(huán)保、便于工業(yè)化生產(chǎn)、可循環(huán)利用等優(yōu)點,屬于典型的綠色環(huán)保節(jié)能型結(jié)構(gòu),符合循環(huán)經(jīng)濟和低碳綠色發(fā)展的要求,近年來得到土木工程領(lǐng)域的持續(xù)關(guān)注,并迅速發(fā)展。根據(jù)中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)[5],2021年我國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量達到了9700萬t,近10年來平均增長率達10%以上,如圖1所示。十三五期間,北京大興國際機場航站樓項目、500m口徑球面射電望遠鏡項目、國家速滑館項目、北京中信大廈項目等一系列標志性建筑順利完成,彰顯了鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。積極推廣應用鋼結(jié)構(gòu)有助于實現(xiàn)藏鋼于民的國家戰(zhàn)略,有助于推動我國建筑業(yè)節(jié)能減排工作,有助于加快實現(xiàn)建筑工業(yè)化、標準化、數(shù)字化,促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展,因此積極開展鋼結(jié)構(gòu)建筑碳排放研究具有重要的戰(zhàn)略意義、生態(tài)意義和社會意義。

圖1 近10年鋼結(jié)構(gòu)加工量趨勢圖

1 國內(nèi)外研究進展

鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比,制造安裝及拆除回收等過程具有明顯不同,其碳排放研究與混凝土結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。第一,鋼結(jié)構(gòu)的主體材料為鋼材,用鋼量要比一般混凝土結(jié)構(gòu)要高,鋼材的碳排放因子取值很重要,直接關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)碳排放量計算的準確程度;第二,鋼構(gòu)件通常在加工廠內(nèi)制作加工,加工精度及制作質(zhì)量都要比現(xiàn)場施工好很多,工廠內(nèi)的能耗和碳排放量需要重點關(guān)注;第三,鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝通常需要大型吊裝設(shè)備,工期短,需要的勞動力較少,濕作業(yè)極少,與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)有明顯不同;第四,鋼結(jié)構(gòu)在消納階段,相比混凝土結(jié)構(gòu)更容易拆除,且回收率高,部分構(gòu)件可以直接重復利用,極大減少了碳排放量。

目前國內(nèi)外針對鋼結(jié)構(gòu)建筑的碳排放僅有少量研究,多是定性闡述鋼結(jié)構(gòu)建筑相比混凝土建筑在能源消耗及碳排放方面具備一定優(yōu)勢,同時對建筑用鋼材碳排放因子、全生命周期碳排放計算、碳減排措施等做了一些研究。

1.1 建筑用鋼材碳排放因子研究

建筑用鋼材碳排放因子是鋼結(jié)構(gòu)碳排放量化分析的基礎(chǔ),直接關(guān)系到碳排放量核算的準確程度。鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)過程工序多,流程長,包括煉焦、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼、深加工等環(huán)節(jié)。目前對鋼板、H型鋼、鋼筋等建筑常用鋼鐵產(chǎn)品的碳排放因子取值存在較大的差異。表1為研究學者對長流程鋼鐵企業(yè)鋼鐵產(chǎn)品碳排放因子的研究匯總。

表1 長流程鋼鐵企業(yè)鋼鐵產(chǎn)品碳排放因子系數(shù)研究匯總

研究學者針對部分中長流程或短流程工藝的鋼鐵企業(yè)計算了碳排放因子。中長流程工藝指不包含焦化、燒結(jié)等部分工藝,短流程工藝主要指電爐煉鋼。其碳排放因子系數(shù)如表2所示。

表2 中短流程鋼鐵企業(yè)鋼鐵產(chǎn)品碳排放因子系數(shù)研究匯總

建筑行業(yè)的研究學者計算了建筑用鋼碳排放因子,高源雪[15]針對全工序碳排放計算出大型鋼材、中小型鋼、中小線材、熱軋帶鋼、冷軋帶鋼的長流程工藝碳排放因子分別為2.8、2.32、2.30、2.43、2.94,相應的短流程煉鋼的碳排放因子分別為0.411、0.328、0.325、0.344、0.460。張孝存[16]經(jīng)過計算得出大型型鋼、中小型鋼、鋼線材、熱軋帶鋼的碳排放因子分別為2.907、2.308、2.31、2.425。王玉[17]通過計算得出大型鋼材、中小型鋼材、冷軋帶鋼、熱軋帶鋼的碳排放因子分別為1.722、1.382、2.206、2.757。

由以上研究成果可知,鋼材碳排放因子相差較大,原因在于核算方法、數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑、核算界面劃分不同,給鋼結(jié)構(gòu)碳排放計算造成了極大的困擾。研究結(jié)果中對建筑用鋼材沒有做統(tǒng)一細致劃分,常用鋼鐵產(chǎn)品如鋼板、鋼筋、H型鋼、鋼管等,每種產(chǎn)品的加工工藝均不相同,生產(chǎn)能耗也不同,碳排放因子應該予以區(qū)分。同時部分學者采用的鋼鐵廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)較為陳舊,沒有考慮近年來鋼鐵企業(yè)在節(jié)能減排方面的巨大進步。因此需要鋼鐵行業(yè)與建筑行業(yè)合作,結(jié)合建筑業(yè)需求,共同給出建筑常用鋼材產(chǎn)品碳排放因子的權(quán)威統(tǒng)一數(shù)值,并根據(jù)鋼鐵行業(yè)技術(shù)進步予以定時更新,為鋼結(jié)構(gòu)碳排放核算奠定堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 建筑全生命周期階段劃分研究

全生命周期理論在建筑碳排放研究中應用較廣,建筑全生命周期是指建筑物從設(shè)計到最后拆除的全過程,國內(nèi)外研究學者對建筑全生命周期的階段劃分做了研究。歐洲標準BS EN 15978∶2011(建筑工程的可持續(xù)性,建筑物環(huán)境性能的評估、計算方法)[18]中明確將全生命周期分為產(chǎn)品階段、建造過程階段、使用階段、拆除階段共4個階段。其中產(chǎn)品階段分為原材料供應、運輸、加工3個子階段;建造階段分為運輸、建造安裝2個子階段;使用階段分為使用、維護、修理、更新、替換、能源消費、水消費7個子階段;拆除階段分為拆除、運輸、廢物處理、棄置4個子階段。其他研究學者對建筑全生命周期階段劃分各有不同,如表3所示。

表3 全生命周期階段劃分典型研究成果匯總

在建筑全生命周期碳排放計算方面,Shen等[20]將建筑全生命周期分為5個階段,提出了基于系數(shù)法和清單分析的計算模型,以廣州某療養(yǎng)院綜合樓為案例進行了碳排放分析。L.Luo等[21]將裝配式建筑全生命周期碳排放階段分為4個階段,并以哈爾濱、石家莊、南京、昆明、廣州等城市為例,對不同地區(qū)建筑全生命周期碳排放做了研究,認為嚴寒地區(qū)>寒冷地區(qū)>夏熱冬冷地區(qū)>溫和地區(qū)>夏熱冬暖地區(qū),且使用階段和建材生產(chǎn)階段碳排放量最大,是減碳重點階段。李靜等[22]建立了全生命周期碳排放計算模型,并通過北京某廠房項目計算,認為物化階段是正常使用階段一年碳排放的4.3倍,物化階段碳排放時間段,強度大,應予以重視。王曉丹[27]以天津某住宅項目為例,分析了全生命周期各階段碳排放量,認為建筑使用階段占比最大,達73.02%,建材生產(chǎn)階段占比23.88%。

由上述研究成果可知,歐洲標準BS EN 15978∶2011明確將全生命周期統(tǒng)一劃分為4個階段,而國內(nèi)全生命周期階段劃分研究成果差別較大,分為3、4、5、6階段的提法都有,這給后續(xù)的全生命周期碳排放研究帶來了極大的困擾與不便。因為階段劃分不同,界面劃分不清晰,導致碳排放計算時造成漏算或重復計算的可能,使得各研究成果不具備可比性。因此鋼結(jié)構(gòu)建筑應統(tǒng)一并明確全生命周期的各個階段劃分。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)建筑碳排放對比研究

國內(nèi)外研究學者對鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的碳排放量進行了對比分析研究。王玉[17]對4個低層住宅建筑碳排放進行分析,其結(jié)構(gòu)形式分別為重型結(jié)構(gòu)(鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu))和輕型結(jié)構(gòu)(木結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)),其中鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)碳排放減少8.4%,輕鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)減少13.6%。尚春靜等[24]對北方地區(qū)3個別墅建筑碳排放進行對比分析,其結(jié)構(gòu)形式分別為木結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),結(jié)果鋼結(jié)構(gòu)碳排比木結(jié)構(gòu)大,比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)小。周觀根等[25]以杭州某鋼結(jié)構(gòu)人才用房為例,計算全生命周期碳排放為1 940kg/m2,比混凝土結(jié)構(gòu)碳排放減少30%以上。龔先政等[26]對北京地區(qū)3個住宅建筑碳排放進行對比分析,其結(jié)構(gòu)形式分別為木結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳排放比輕鋼結(jié)構(gòu)高44%。Zhu等[28]通過對某鋼結(jié)構(gòu)住宅項目碳排放進行計算分析,得出鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)單位面積碳排放減少5.5%,能耗減少12%。R.J.Cole[29]是較早研究混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)的碳排放對比的學者,通過實例分析發(fā)現(xiàn)建造階段混凝土結(jié)構(gòu)碳排放最高,鋼結(jié)構(gòu)碳排放最低。鄭曉云等[30]對重慶地區(qū)一棟2層別墅碳排放進行分析,發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)碳排放減少23%。W. Hawkins等[31]對混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等進行全生命周期碳排放對比,發(fā)現(xiàn)各個階段鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)碳排放減少22%左右。Su X等[32]認為鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比濕作業(yè)少,更利于保護環(huán)境,并通過案例分析表明鋼結(jié)構(gòu)碳排放比混凝土結(jié)構(gòu)少48.1%,鋼結(jié)構(gòu)圍護結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)高于混凝土,應提高保溫性能可降低使用期間能耗。A. Zeitz等[33]通過對4個不同結(jié)構(gòu)形式的停車樓進行碳排放研究,發(fā)現(xiàn)在不考慮材料回收時,鋼結(jié)構(gòu)碳排放最大?？紤]鋼材回收后,鋼結(jié)構(gòu)碳排放僅為原來的38.3%,且遠小于混凝土結(jié)構(gòu)的碳排放量。

分析以上研究成果可知,鋼結(jié)構(gòu)建筑是綠色環(huán)保型建筑,與混凝土結(jié)構(gòu)相比,可減少全生命周期碳排放15%～45%,不同地區(qū)、不同結(jié)構(gòu)形式、不同功能用途的建筑可能會有所差異。如果鋼構(gòu)件可以直接重復利用,會有更好的碳減排效果。同時鋼結(jié)構(gòu)符合我國藏鋼于民、藏鋼于建筑的國家戰(zhàn)略,作為廢鋼儲備,是唯一可替代鐵礦石的含鐵原料,是鋼鐵工業(yè)可持續(xù)展開的重要資源,應進一步推廣應用鋼結(jié)構(gòu)并加強對其碳排放研究。

1.4 鋼結(jié)構(gòu)建筑碳減排措施研究

鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)劃設(shè)計階段對全生命周期碳排放量影響最大,國內(nèi)外研究學者強調(diào)要重視優(yōu)化設(shè)計工作。C.F. Dunant等[34]強調(diào)鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)化設(shè)計的重要性,認為設(shè)計中應盡可能地選擇規(guī)則的網(wǎng)格布置,通過設(shè)計優(yōu)化最多可減少50%的建材隱含碳排放。M.P. Drewniok等[35]認為鋼結(jié)構(gòu)建筑碳排放與建材用量直接相關(guān),優(yōu)化設(shè)計是碳減排的有力措施。B. D’Amico等[36]認為設(shè)計優(yōu)化或改進是最有效的減少鋼結(jié)構(gòu)建筑建材碳排放的措施,對于典型鋼框架建筑,通過設(shè)計優(yōu)化可減少碳排放23%,且不影響工期。S. Eleftheriadis等[37]認為鋼結(jié)構(gòu)框架通常存在較大的優(yōu)化空間,可優(yōu)化的鋼材達到35%～46%。通過設(shè)計優(yōu)化可獲得更合適的截面,并大幅降低工程成本和碳排放量。

鋼結(jié)構(gòu)加工安裝通過采用精益管理來降低成本,減少碳排放。G. Heravi等[38-39]對VSM價值流程圖管理模式在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線上的應用做了研究,采用精益加工可節(jié)省工期34%,降低成本16%,同時可有效降低鋼構(gòu)件生產(chǎn)過程的碳排放量。通過案例分析認為采用精益管理方式如價值流程圖(VSM)、準時制生產(chǎn)(JIT)、連續(xù)流、全員維護(TPM)等可將建筑能耗和碳排放分別降低9.2%和4.4%,并大幅度減少了工作時間,降低了成本。F. Fu等[40]建議對鋼結(jié)構(gòu)工程施工過程中采用精益施工原則,提高施工效率并降低碳排放。以某展館桁架工程為例,精益施工減少碳排放43.7t,碳減排效果明顯。

消納階段鋼材回收再利用對減少碳排放有重要作用。M. Pongiglione等[41]通過意大利的一個車站項目討論了鋼結(jié)構(gòu)回收再利用帶來的效益,通過采用回收利用和完全使用新構(gòu)件兩種方式的對比,認為回收再利用至少可減少碳排放30%。C.Z. Qiao等[42]以北京某售樓處為案例,分析了鋼結(jié)構(gòu)回收再利用的效益,認為可減少80%的碳排放,回收過程中應考慮運輸距離和回收率等因素,最大限度減少碳排放。R. Minunno[43]認為回收鋼材回爐冶煉可減少碳排放60%,如果在新項目中直接使用回收鋼構(gòu)件,可減少碳排放88%,效果十分明顯。A.J. Davies[44]認為鋼鐵幾乎可以無限循環(huán)使用,并以英國某鋼結(jié)構(gòu)平臺為例,拆除所得鋼結(jié)構(gòu)可直接用于其他項目中,可減排5.5萬t二氧化碳,若將其回收再冶煉可減少2.5萬t二氧化碳。

另外,有學者對建筑業(yè)碳稅做了研究,表明采用適當?shù)奶级愓哂兄谔紲p排。Q W Shi[45]認為中國建筑業(yè)適當?shù)奶级悶?0元/t,最多不超過80元/t,既可實現(xiàn)碳減排目標,又可最大限度減少對宏觀經(jīng)濟的影響。

2 研究中存在問題

我國建筑領(lǐng)域碳排放計算研究相對起步較晚,缺乏統(tǒng)一公認的碳排放核算方法,碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)缺乏,碳排放核算和碳減排措施分析工作進展緩慢。尤其是針對鋼結(jié)構(gòu)建筑的碳排放僅有少量研究,缺少必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。對鋼結(jié)構(gòu)明顯區(qū)別于混凝土結(jié)構(gòu)的消納階段,對碳減排的貢獻及藏鋼于民戰(zhàn)略實施效果缺少有效分析?？偨Y(jié)研究中存在的問題如下。

2.1 鋼材碳排放因子等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究不足

鋼材碳排放因子是進行鋼結(jié)構(gòu)碳排放量化分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),由于生產(chǎn)技術(shù)條件、生產(chǎn)工藝、不同地域、不同氣候條件等相關(guān)因素影響,不同研究人員的結(jié)果差異很大,如圖2所示。目前我國缺少相對統(tǒng)一且權(quán)威的鋼材碳排放因子數(shù)據(jù)。國外有較完善的數(shù)據(jù)庫,但與中國國情不同,不能直接照搬應用。應針對我國國情和鋼鐵實際生產(chǎn)情況,對相關(guān)參數(shù)與影響因素詳細分析,提出合理可靠的建筑用鋼材碳排放因子,為建立鋼結(jié)構(gòu)全生命周期碳排放的精準計算奠定基礎(chǔ)。

圖2 鋼鐵產(chǎn)品碳排放因子散點圖

2.2 鋼結(jié)構(gòu)碳排放核算體系不完善,不方便實際應用

建筑碳排放的研究多采用全生命周期理論,但不同研究人員對全生命周期的假設(shè)與限定條件不同,使得階段劃分、系統(tǒng)邊界等差異很大,缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的核算體系與方法。部分學者按照全生命周期進行碳排放研究,但有意或無意地忽略了如鋼構(gòu)件加工生產(chǎn)階段、使用階段中維護修繕、消納階段等碳排放的影響,造成研究結(jié)果不完整、不科學。同時因相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計半徑不同,無法與其他研究成果形成有效的對比,降低了研究成果的科學性與可靠性。目前相關(guān)標準規(guī)范中給出的建筑碳排放計算公式比較復雜,相關(guān)計算過程過于繁瑣,工作量大,難以實際操作,指導建筑設(shè)計和施工的作用十分有限。

2.3 物化和消納階段碳排放研究不足

對鋼結(jié)構(gòu)建筑來說,研究物化階段和消納階段碳排放非常重要。目前使用階段碳排放研究成果豐富,但對物化階段和消納階段碳排放重視程度不夠。我國現(xiàn)階段建設(shè)體量巨大,建設(shè)過程周期短,物化階段碳排放貢獻十分突出。尤其是施工建造階段,工序復雜繁瑣,排放集中,需要系統(tǒng)收集工程量數(shù)據(jù)及施工方案信息,目前相關(guān)研究成果非常少。

拆除回收再利用是鋼結(jié)構(gòu)區(qū)別于混凝土結(jié)構(gòu)的顯著標志,鋼材理論上可無限循環(huán)使用,且部分應用場景下,鋼構(gòu)件可以直接重復利用,減排效果非常明顯,但目前缺乏鋼結(jié)構(gòu)消納階段的碳排放研究。應針對鋼結(jié)構(gòu)拆除與回收再利用環(huán)節(jié),進一步梳理影響因素,設(shè)計階段即做好有利于拆除回收的節(jié)點構(gòu)造,提高鋼結(jié)構(gòu)回收效率,降低碳排放和能耗。

2.4 建筑碳減排措施研究不足

目前研究中對鋼結(jié)構(gòu)碳減排技術(shù)進行了少量的研究與總結(jié),但相關(guān)的分析與評價體系尚不完善,在技術(shù)措施的比選與評估中存在較大的主觀性,無法正確指導建造方案的實施。由于缺少全生命周期的考慮,很多減排措施達不到預期效果。我國建筑行業(yè)的國情與歐美等發(fā)達國家不同,由于施工規(guī)模巨大,排放相對集中,缺少針對性的建筑減排措施,尤其是針對鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)節(jié)能減排研究很不充分,亟需盡快開展研究分析。

3 研究方向與展望

針對以上研究中存在的問題,通過梳理分析,鋼結(jié)構(gòu)碳排放研究需要重點關(guān)注以下幾個方向。

3.1 建筑鋼材碳排放因子的研究

建筑鋼材碳排放因子的取值是鋼結(jié)構(gòu)建筑碳排放研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),必須要可靠統(tǒng)一。現(xiàn)在鋼鐵業(yè)主流是轉(zhuǎn)爐煉鋼,即由鐵礦石通過系列冶煉成鋼坯,然后通過不同的軋鋼工藝生成不同的鋼鐵產(chǎn)品,如圖3所示。電爐煉鋼主要是用廢鋼作原料生成鋼坯,二者的碳排放量差異非常大。目前國內(nèi)電爐煉鋼占比僅為10%左右,建議采用加權(quán)平均方式確定鋼材碳排放因子取值。對于各種鋼鐵產(chǎn)品來說,粗鋼生產(chǎn)過程基本一致,然后根據(jù)后續(xù)不同軋鋼工藝的耗電、耗氣、耗油等能源消耗情況,計算不同產(chǎn)品的碳排放情況。筆者研究團隊目前正聯(lián)合中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會進行鋼鐵行業(yè)相關(guān)碳排放數(shù)據(jù)收集,根據(jù)收集數(shù)據(jù)和鋼鐵行業(yè)實際生產(chǎn)情況進行研究分析,提出適合我國國情的建筑常用鋼材碳排放因子。

圖3 建筑鋼材生產(chǎn)工藝流程示意圖

3.2 鋼結(jié)構(gòu)全生命周期碳排放計算模型

目前國內(nèi)對建筑全生命周期的劃分存在差異,劃分范圍和界限不統(tǒng)一,造成了研究建筑碳排放的項目案例無法進行有效對比。對鋼結(jié)構(gòu)建筑來說,全生命周期理論同樣非常適用,應建立起統(tǒng)一的全生命周期階段劃分。建議將鋼結(jié)構(gòu)全生命周期劃分為3個階段,即物化階段、使用階段、消納階段,各個階段再細分為不同環(huán)節(jié),如圖4所示。全生命周期階段劃分要在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域形成統(tǒng)一標準并予以權(quán)威發(fā)布。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)全生命周期階段劃分

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)各個階段碳排放情況,建立碳排放核算模型。重點是物化階段和消納階段的分析,使用階段參照現(xiàn)有的研究成果,同時要考慮日常維修環(huán)節(jié)和改造大修環(huán)節(jié)的碳排放量。計算模型要準確可行,方便計算。為方便項目設(shè)計階段對碳排放量有所預估,應通過大量實際案例分析,對各個階段給出碳排放估算公式,方便在項目初期快速估算出該階段碳排放量。同時開展生產(chǎn)階段不同鋼構(gòu)件加工碳排放數(shù)據(jù)庫、施工階段多目標最優(yōu)化建造方案研究、消納階段鋼結(jié)構(gòu)最優(yōu)回收方案等重點專題研究。構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)碳排放模型過程如圖5所示。

圖5 構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)全生命周期碳排放核算模型

3.3 鋼結(jié)構(gòu)建筑減排措施研究

應重點研究規(guī)劃設(shè)計環(huán)節(jié)鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化、構(gòu)件生產(chǎn)環(huán)節(jié)精益加工研究、構(gòu)件運輸環(huán)節(jié)合理布局、建造安裝環(huán)節(jié)和使用階段的節(jié)能減排措施、消納階段相關(guān)措施如使用可拆卸結(jié)構(gòu)、加強高性能與高效能鋼材的推廣應用等。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)建筑是綠色環(huán)保型建筑,符合我國綠色可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟的理念。積極開展鋼結(jié)構(gòu)碳排放研究,大力推廣應用鋼結(jié)構(gòu),是保障建筑業(yè)整體實現(xiàn)雙碳目標的必要手段和措施,同時有助于加強國家對鋼鐵資源的戰(zhàn)略儲備,意義十分重大。

(1)鋼結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比,全生命周期內(nèi)可減少碳排放15%～45%。不同地區(qū)、不同功能用途的建筑可能會有些差異。鋼結(jié)構(gòu)物化階段和消納階段的碳排放是今后的研究重點。

(2)鋼結(jié)構(gòu)碳減排措施研究應從全生命周期角度綜合考慮,重視設(shè)計優(yōu)化、精益建造、拆除回收等重點環(huán)節(jié)。部分應用場景下,鋼構(gòu)件可以直接重復利用,會有更好的碳減排效果。

(3)在國家高度重視碳排放的新形勢下,鋼結(jié)構(gòu)迎來了更好的發(fā)展機會,應在建筑業(yè)碳減排中發(fā)揮更大的作用。雙碳目標下,鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)必須要緊緊抓住重大戰(zhàn)略機遇,努力實現(xiàn)從鋼結(jié)構(gòu)大國向鋼結(jié)構(gòu)強國的轉(zhuǎn)變。