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 國家建筑工程技術研究中心，北京 100013；2 中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；3 北京市綠色建筑設計工程技術研究中心，北京 100013；4 清華大學土木工程系，北京 100084；5 國家電投集團科學技術研究院有限公司，北京 100029)

0 概述

隨著科學的發(fā)展和社會的進步,人類生產力逐步提升,物質生活不斷得到滿足。在改造自然界、創(chuàng)造財富的同時,自然環(huán)境也隨之遭受一定的破壞。人們對環(huán)境問題愈發(fā)關注,環(huán)保問題日益突出。建筑結構設計及規(guī)劃作為建筑全壽命期的起點,在極大程度上對建筑生產、運輸、施工、運營、拆除回收等各個環(huán)節(jié)的物質和能量消耗產生影響,從建筑設計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《建筑碳排放計算標準》(GB 51366—2019)[4]、《混凝土結構通用規(guī)范》(GB 55008—2021)[5]、《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)[6]、《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[7]、《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[8]等國家標準,立足于建筑結構設計階段,探討建筑結構形式及方案對碳排放的影響。

1 結構形式對碳排放的影響

1.1 計算原則

不同的結構形式適用于不同的建筑類型。目前,在建筑中應用較多的結構形式為混凝土結構和鋼結構,約占總量的95%?；炷两Y構通常用于各類常規(guī)建筑中,而鋼結構因其輕質高強的特點多應用于大跨度或高層、超高層公共建筑。近些年因各地裝配式建筑的相關政策法規(guī)推動,鋼結構也逐步在多層公建或住宅項目中被選用。因建筑地下室部分通常采用混凝土結構,故本文僅對建筑地上部分進行分析,并根據(jù)不同結構形式的應用范圍,按照多層公建、高層公建和住宅建筑進行分類分析。

基于全壽命期的建筑碳排放可劃分為建材生產及運輸、建筑建造、建筑運行、建筑拆除四個階段。同時,考慮到部分結構材料自身為可再利用材料或可循環(huán)利用材料,拆除后可進行二次利用,故考慮負碳折減效應。因此,結構的碳排放計算見下式:

C=Cjc+Cjz+Cm+Ccc-Cf

(1)

式中:C為單位建筑面積的碳排放量;Cjc建材生產及運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為負碳折減單位建筑面積的碳排放量。

根據(jù)《中國建筑能耗與碳排放研究報告(2021)》[9]統(tǒng)計結果顯示,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%,且建筑運行階段碳排放受結構材料變化影響較小[9]。故本文將重點對混凝土結構和鋼結構在考慮負碳折減效應前后的生產及運輸階段碳排放結果進行分析。

1.2 參數(shù)分析

根據(jù)《建筑碳排放計算標準》(GB 51366—2019)規(guī)定,建筑生產及運輸階段碳排放與材料用量和相應材料的碳排放因子有關。因結構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)建設項目進行參數(shù)設置,地震設防烈度為8度,場地土類別為Ⅲ類,基本風壓為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。

結構材料的負碳技術眾多[10-11],針對混凝土結構和鋼結構的對比需求,本文中的負碳技術主要指結構材料的再利用。混凝土材料的再利用技術主要為生產再生混凝土。因再生混凝土與普通混凝土間的碳排放量差異不大,故認為混凝土結構的負碳折減值為0。再利用的鋼筋和鋼材則通過電爐煉鋼技術實現(xiàn)負碳,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 碳排放計算分析

經大量工程項目統(tǒng)計匯總,對于多層公建、高層公建和住宅建筑三種建筑類型,混凝土結構和鋼結構考慮負碳折減效應前后的生產及運輸階段碳排放結果如表1～3所示。

表1 多層公建混凝土結構和鋼結構計算情況

表2 高層公建混凝土結構和鋼結構計算情況

表3 住宅建筑混凝土結構和鋼結構計算情況

由表1～3可得,鋼結構在建材生產及運輸階段的碳排放量較混凝土結構高約20%。而考慮負碳折減系數(shù)后,鋼結構的碳排放量大幅降低,較混凝土結構低27%。同時,在建筑的建造階段和拆除階段,鋼結構的碳排放量稍低于混凝土結構;在建筑的運行階段,兩者的碳排放量相當[13]。因此,經計算,在不考慮負碳折減效應時,鋼結構的碳排放量高于混凝土結構,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并考慮負碳折減效應后,鋼結構的碳排放量低于混凝土結構,平均單位建筑面積碳排放量差值約為50～80kgCO2e/m2。

2 建筑形體對碳排放的影響

2.1 建筑形體概念

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)中相關規(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、嚴重不規(guī)則四個等級。特別不規(guī)則的建筑應進行專門研究和論證,且不應采用嚴重不規(guī)則的建筑。

據(jù)統(tǒng)計,因形體復雜而超限的項目數(shù)量多于因高度而超限的項目[14]。因此,應重視建筑形體的選擇,盡可能避免形成超限結構。

2.2 建筑形體的低碳設計

建筑形體是決定結構布置規(guī)則性的主要原因,是影響結構低碳性能的首要因素。但因建筑形體的復雜性,無法進行定量分析。因此,本文根據(jù)以往工程經驗給出定性分析,具體如下:1)嚴重不規(guī)則或特別不規(guī)則建筑形體結構材料用量增加約5%～15%,直接增加的生產、運輸和拆除階段的碳排放量達5%～15%;2)嚴重不規(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)嚴重不規(guī)則或特別不規(guī)則建筑形體提升了運行期間的維護及維修難度,間接增加的運行階段的碳排放量約5%。

因此,嚴重不規(guī)則或特別不規(guī)則的建筑形體會增加碳排放量約10%～25%,極端情況下增幅可達50%以上?；谝陨蠑?shù)據(jù),建筑形體的低碳設計應優(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,嚴禁采用嚴重不規(guī)則形體。

3 結構體系對碳排放的影響

3.1 結構體系低碳設計的選型原則

結構體系選擇是影響結構碳排放的重要因素?，F(xiàn)有結構體系眾多,且任一建筑均可通過幾種結構體系來實現(xiàn),因此選擇低碳結構體系是低碳結構設計的重要方面。

結構體系的低碳分析與具體的建筑形式有關,且相互差別較大,無法進行定量分析。本文基于經驗分析法,給出結構體系低碳設計的原則如下:1)常規(guī)混凝土結構,可根據(jù)表4所示原則選擇低碳的結構體系;2)特殊類型的建筑,可以通過設置關鍵構件,形成特殊結構體系,從而達到低碳效果。結構體系的低碳選型,可有效降低結構碳排放量5%以上。

表4 混凝土結構體系比選[15-16]

3.2 普通結構體系選型原則

對于普通結構體系碳排放分析,本文主要研究框架結構與框架-剪力墻結構兩種工程常用結構形式。以某辦公樓項目為背景,其結構平面布置圖如圖1所示。為確保計算結果的真實合理性,采用PKPM軟件分別對框架結構及框架-剪力墻結構進行建模計算及工程量統(tǒng)計,并依據(jù)1.2節(jié)的碳排放因子分析不同結構模型下建筑的碳排放量。

圖1 辦公樓結構平面布置圖

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

圖2 不同地震烈度下結構體系及高度對碳排放的影響

3.3 特殊結構體系選型原則

對于特殊結構體系(如減隔震體系),本文基于實際工程案例進行分析。

(1)隔震體系

以某TOD項目為背景,該項目為部分框支剪力墻結構體系。項目共15層,結構高度41.2m,首層層高4.3m,標準層層高3m,車庫與運用庫層高分別為4.8、11.0m。首層、二層、標準層樓板厚度分別為250、300、120mm,車輛段、標準層樓板形式分別為大板、梁板。

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

圖3 隔震支座平面布置圖

αmax1=βαmax/ψ

(2)

式中:αmax1為調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為調整系數(shù),對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比情況如圖4、5所示。

圖4 隔震與非隔震體系工程量對比

圖5 隔震與非隔震體系碳排放量對比

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的框架結構為背景,項目共5層,結構高度24.7m,標準層層高4.2m,抗震設防烈度8度(0.20g),地震設計分組第一組,場地土類別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)對該項目采用BRB的減震體系和不設置減震措施的混凝土框架-剪力墻結構體系(非減震體系)的碳排放情況進行分析。經計算可知,減震體系與非減震體系工程量及碳排放量對比情況如圖7、8所示。

圖7 減震與非減震體系工程量對比

圖8 減震與非減震體系碳排放量對比

由圖7、8可知,減震體系通過設置BRB減少地震作用,降低混凝土及鋼筋材料總用量,從而降低結構碳排放。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 結構低碳優(yōu)化設計

結構設計應根據(jù)實際工程情況和結構計算結果,進行合理的低碳優(yōu)化設計,從而減少材料冗余,降低結構碳排放。結構設計應避免陷入設計誤區(qū),常見的過度設計情況如下:1)根據(jù)計算結果進行底限設計,不考慮工程實際情況,造成結構安全隱患;2)過多預留配筋,可能帶來結構安全隱患(如梁鋼筋預留過多,形成強梁弱柱)的同時,又增加碳排放。

結構低碳優(yōu)化設計的主要措施如下:1)合理的計算輸入,包括計算參數(shù)、荷載取值等;2)合理的結構設計,包括結構統(tǒng)一措施、結構配筋量取值等;3)合理預留富余量,建議常規(guī)構件預留富余量控制在10%左右,特殊構件或特殊部位可另行考慮。

5 結論

(1)鋼結構在建筑全壽命周期單位建筑面積的碳排放量較混凝土結構低50～80kgCO2e/m2,因此在結構低碳設計中,應優(yōu)先選取鋼結構形式。

(2)嚴重不規(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,合理的結構體系會減少5%的碳排放量,結構低碳優(yōu)化設計后會降低3%～5%的碳排放量。

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

(4)結構優(yōu)化低碳設計主要取決于設計者的主觀因素,因此設計工程師應具有結構低碳優(yōu)化設計理念,合理低碳設計,同時確保結構安全可靠。