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

(1 國家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013；2 中國建筑科學(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

近年來,由于溫室氣體的大肆排放導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇,自然災(zāi)害日益頻發(fā),環(huán)境問題愈發(fā)尖銳。為控制溫室效應(yīng),世界各國均采取行動(dòng)控制碳排放。根據(jù)Energy &Climate Intelligence Unit發(fā)布的“凈零排放跟蹤表”[1]統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,截至目前,全球已有136個(gè)國家制定碳中和目標(biāo)。作為世界上碳排放第一的國家,2020年9月22日,中國政府在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上明確表示:“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[2]。

聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署制定的《2021年全球建筑建造業(yè)現(xiàn)狀報(bào)告》中指出,2020年全球建筑領(lǐng)域能源消耗占總消耗的36%,建筑領(lǐng)域二氧化碳排放占全球總排放的37%[3]。建筑業(yè)碳排放對(duì)全球排放總量影響巨大,是碳減排的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國建筑能耗與碳排放研究報(bào)告(2021)》顯示,2019年全國建筑全過程二氧化碳排放總量為49.97億t,占全國碳排放的比重為50.6%[4]。因此,建筑行業(yè)碳排放控制將是實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的關(guān)鍵。

當(dāng)前,建筑行業(yè)的低碳化解決方案多集中在節(jié)能減排上,對(duì)結(jié)構(gòu)專業(yè)的研究稍顯不足?，F(xiàn)有研究成果顯示,結(jié)構(gòu)作為建筑的重要組成部分,在建筑全壽命期內(nèi)碳排放占比較高[5-10]。因此結(jié)構(gòu)低碳化設(shè)計(jì)是控制建筑碳排放的重要方面,是實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域“雙碳目標(biāo)”的關(guān)鍵抓手。本文將以《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51366—2019)[11]、《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECS 374—2014)[12]、《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》[13]為碳排放主要計(jì)算依據(jù),立足于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段,開展建筑結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)對(duì)碳排放的影響研究。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限對(duì)碳排放影響分析

1.1 研究假定

根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》(GB 55001—2022)[14]中規(guī)定,房屋建筑的設(shè)計(jì)工作年限規(guī)定情況如表1所示。

表1 房屋建筑設(shè)計(jì)工作年限/年

由表1可知,普通房屋設(shè)計(jì)工作年限為50年。因此本文以設(shè)計(jì)工作年限50年的常規(guī)項(xiàng)目為分析基礎(chǔ),開展不同設(shè)計(jì)工作年限對(duì)結(jié)構(gòu)碳排放影響分析,并作如下假定:1)結(jié)構(gòu)服役期間,年碳排放量隨著設(shè)計(jì)工作年限的提升而降低;2)結(jié)構(gòu)服役期間,年碳排放分為等比例增長和恒值兩個(gè)模型。

1.2 等比例增長模型的碳排放分析

(1)

式中:CYD為建筑隱含碳排放量,對(duì)于50年設(shè)計(jì)工作年限建筑取為640kgCO2e/m2,100年設(shè)計(jì)工作年限建筑取為768kgCO2e/m2,50年至100年間按照線性插值;CYX為建筑服役第一年碳排放量;γY為建筑當(dāng)年碳排放量與上一年度比值,γ50取為1.01,γ100取為1.005[11,15-18]。根據(jù)上述假定,計(jì)算等比例增長模型下不同設(shè)計(jì)工作年限建筑碳排放情況,計(jì)算結(jié)果見圖1。

圖1 等比例增長模型下不同設(shè)計(jì)工作年限建筑碳排放

由圖1可知,在等比例增長模型下,設(shè)計(jì)工作年限分別為50年和100年的建筑,在服役年限約達(dá)30年時(shí)建筑單位面積碳排放量幾近持平,而后隨著服役年限的增加,設(shè)計(jì)工作年限為100年的建筑在低碳排放方面優(yōu)勢愈發(fā)顯著,較50年設(shè)計(jì)工作年限建筑碳排放量降低可達(dá)20%。

1.3 恒值模型的碳排放分析

(2)

CYD=CY×α

(3)

式中:CY為建筑初始隱含碳排放量,取640kgCO2e/m2;α為增大系數(shù),當(dāng)設(shè)計(jì)工作年限不大于50年時(shí)取1.0,100年時(shí),取1.2,50年至100年間,按線性插值[11,15-18]。

根據(jù)恒值模型,計(jì)算不同設(shè)計(jì)工作年限建筑碳排放情況,計(jì)算結(jié)果如表2所示。由圖1及表2可得如下結(jié)論:1)當(dāng)采用等比例增長模型時(shí),設(shè)計(jì)工作年限越長,建筑隱含碳排放量越高,服役建筑碳排放量年增長率越低。2)當(dāng)采用恒值模型時(shí),當(dāng)建筑壽命小于50年時(shí),按照50年設(shè)計(jì)工作年限設(shè)計(jì)的建筑碳排放量相較100年設(shè)計(jì)工作年限建筑碳排放低;當(dāng)建筑壽命大于50年時(shí),按照100年設(shè)計(jì)工作年限設(shè)計(jì)的建筑相較50年設(shè)計(jì)工作年限建筑碳排放量低。

表2 恒值模型下不同設(shè)計(jì)工作年限建筑碳排放量計(jì)算結(jié)果/(kgCO2e/m2)

100年與50年設(shè)計(jì)工作年限建筑碳排放情況如圖2所示。

圖2 100年與50年設(shè)計(jì)工作年限建筑碳排放

2 結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)年限對(duì)碳排放影響分析

2.1 研究假定

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu),耐久性應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作年限、結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別和環(huán)境作用等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì),并應(yīng)滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[19]中相關(guān)規(guī)定。特殊工況下,應(yīng)同時(shí)滿足《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50476—2019)[20]對(duì)耐久性的要求。

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu),其耐久性設(shè)計(jì)包括防腐蝕、累積損傷、磨損等。應(yīng)按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[21]和《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 251—2011)[22]進(jìn)行設(shè)計(jì)。

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)為工作年限。因常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作年限通常為50年,故本文選取耐久性設(shè)計(jì)年限50年對(duì)建筑結(jié)構(gòu)碳排放進(jìn)行分析,并作出如下假定:1)耐久性設(shè)計(jì)年限會(huì)影響服役建筑的年碳排放量,隨著耐久性設(shè)計(jì)年限的提升,服役建筑的年碳排放量會(huì)有所降低;2)服役建筑的年碳排放量分為等比例增長模型和恒值模型兩種假定。

2.2 等比例增長模型的碳排放分析

(4)

式中:γNY為建筑當(dāng)年碳排放量與上一年度比值,γN50取為1.01,γN100取為1.008[11,15-22]。

根據(jù)上述假定,計(jì)算等比例增長模型下不同耐久性設(shè)計(jì)年限建筑碳排放情況,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖可得,在等比例增長模型下,耐久性設(shè)計(jì)年限分別為50年和100年的建筑,在服役時(shí)長約達(dá)30年時(shí)建筑單位碳排放量幾近持平,而后隨著服役年限的增加,耐久性設(shè)計(jì)年限為100年的建筑碳排放量增長速度逐步減小,較耐久性設(shè)計(jì)年限為50年的建筑碳排放量降低約10%。

圖3 等比例增長模型下不同耐久性設(shè)計(jì)年限建筑碳排放

2.3 恒值模型的碳排放分析

(5)

CYD=CY×αN

(6)

式中:αN為結(jié)構(gòu)耐久性增大系數(shù),當(dāng)耐久性設(shè)計(jì)年限不大于50年時(shí)取1.0,100年時(shí),取1.05,50年至100年間,按線性插值[11,15-22]。

根據(jù)恒值模型,計(jì)算不同耐久性設(shè)計(jì)年限建筑碳排放情況,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 恒值模型下不同耐久性工作年限建筑碳排放量計(jì)算結(jié)果/(kgCO2e/m2)

由圖3及表3可得如下結(jié)論:1)當(dāng)采用等比例增長模型時(shí),耐久性設(shè)計(jì)年限越長,建筑隱含碳排放量越高,服役建筑碳排放年增長率越低;2)當(dāng)采用恒值模型時(shí),當(dāng)建筑服役年限小于50年時(shí),按照耐久性設(shè)計(jì)年限50年設(shè)計(jì)的建筑較耐久性設(shè)計(jì)年限100年建筑碳排放量低;當(dāng)建筑服役年限大于50年時(shí),按照耐久性設(shè)計(jì)年限100年設(shè)計(jì)的建筑較耐久性設(shè)計(jì)年限50年建筑碳排放量低。

耐久性設(shè)計(jì)年限100年建筑與50年建筑相比,碳排放情況如圖4所示。

圖4 耐久性設(shè)計(jì)年限100年建筑與50年建筑的碳排放

3 結(jié)構(gòu)適變性碳排放分析

3.1 研究假定

結(jié)構(gòu)適變性,即結(jié)構(gòu)適應(yīng)使用功能和空間變化的能力,是結(jié)構(gòu)韌性的重要體現(xiàn)[23]。目前實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)適變性的主要手段有:

(1)結(jié)構(gòu)布置開闊:主要指結(jié)構(gòu)構(gòu)件(特別是豎向構(gòu)件)的大間距、開闊性布置,后期可通過調(diào)整非結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置以實(shí)現(xiàn)因使用功能和空間變化而帶來的變動(dòng),且對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件不做改動(dòng)或改動(dòng)很小。在實(shí)際工程中,公共建筑可采用大空間結(jié)構(gòu)布置,城鎮(zhèn)住宅可采用戶內(nèi)無結(jié)構(gòu)墻或少結(jié)構(gòu)墻的布置等方式。

(2)適當(dāng)提升局部荷載:建筑在使用中,往往因部分空間使用需求發(fā)生變化(如機(jī)電系統(tǒng)提升等)引起荷載增加,從而需對(duì)相關(guān)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造加固。因此,可在設(shè)計(jì)之初對(duì)部分房間進(jìn)行荷載預(yù)留,避免因后續(xù)使用需求調(diào)整導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造加固。

本節(jié)依舊選用等比例增長模型和恒值模型進(jìn)行碳排放分析。

3.2 等比例增長模型的碳排放分析

假定服役建筑的年碳排放量逐年等比例增長,采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)的建筑服役X年的單位面積碳排放量CC計(jì)算公式如下:

(7)

式中:CYC為進(jìn)行結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)后的建筑隱含碳排放量;γY為建筑當(dāng)年碳排放量與上一年度比值,采用結(jié)構(gòu)開闊布置時(shí)取1.008,采用提升局部荷載時(shí)取1.009[11-12,15-19]。

CYC=CY×αC

(8)

式中αC為結(jié)構(gòu)適變性增大系數(shù),采用結(jié)構(gòu)布置開闊時(shí)取1.02,采用提升局部荷載時(shí)取1.01[11-12,15-19]。

根據(jù)等比例增長模型,是否采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)的建筑碳排放情況計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 等比例增長模型下采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)前后的建筑碳排放

3.3 恒值模型的碳排放分析

(9)

根據(jù)恒值模型,是否采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)的建筑碳排放情況計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 恒值模型下采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)前后的建筑碳排放量計(jì)算結(jié)果/(kgCO2e/m2)

由表4及圖5可得如下結(jié)論:1)當(dāng)采用等比例增長模型時(shí),與不采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)的建筑相比,采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)的建筑隱含碳排放量較高,服役建筑的碳排放年增長率越低;2)當(dāng)采用恒值模型時(shí),建筑服役年限小于50年時(shí),不采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)較采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)的建筑碳排放量低;建筑服役年限大于50年時(shí),相比于不采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)的建筑,采用結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)的建筑碳排放量較低。

采用結(jié)構(gòu)適變性與不采用結(jié)構(gòu)適變性的建筑碳排放情況如圖6所示。

圖6 采用結(jié)構(gòu)適變性與不采用結(jié)構(gòu)適變性的建筑碳排放情況

4 結(jié)論

(1)隨著建筑服役時(shí)間的增長,后續(xù)出現(xiàn)加固改造概率及頻次將隨之增大。因此相較于恒值模型,采用等比例增長模型對(duì)現(xiàn)階段我國城鎮(zhèn)住宅及公共建筑碳排放進(jìn)行模擬分析更合理。

(2)服役建筑碳排放年增長率隨設(shè)計(jì)工作年限、耐久性設(shè)計(jì)年限的增加而降低。且服役時(shí)間越長,碳排放量越低,即合理延長設(shè)計(jì)工作年限、耐久性設(shè)計(jì)年限可有效降低建筑碳排放量。

(3)對(duì)于結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì),當(dāng)建筑服役時(shí)間大于30年時(shí),進(jìn)行適變性設(shè)計(jì)將使得建筑碳排放顯著降低,且隨著建筑服役年限的增長,結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì)帶來的減碳效果愈發(fā)明顯。

(4)低碳設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)優(yōu)先選取結(jié)構(gòu)適變性設(shè)計(jì),其次為耐久性設(shè)計(jì)年限100年設(shè)計(jì),最后為設(shè)計(jì)工作年限100年設(shè)計(jì),以更為高效地降低建筑碳排放。