建筑结构类型及方案对碳排放的影响研究

赵彦革, 孙 倩, 韦 婉, 肖从真1,, 任建伟,3,王子燕, 高 升,3, 代亚辉

(1 国家建筑工程技术研究中心，北京 100013；2 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；3 北京市绿色建筑设计工程技术研究中心，北京 100013；4 清华大学土木工程系，北京 100084；5 国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 100029)

0 概述

随着科学的发展和社会的进步,人类生产力逐步提升,物质生活不断得到满足。在改造自然界、创造财富的同时,自然环境也随之遭受一定的破坏。人们对环境问题愈发关注,环保问题日益突出。建筑结构设计及规划作为建筑全寿命期的起点,在极大程度上对建筑生产、运输、施工、运营、拆除回收等各个环节的物质和能量消耗产生影响,从建筑设计阶段引入低碳的理念,能有效降低建筑全寿命期碳排放[1-3]。本文将基于《建筑碳排放计算标准》(GB 51366—2019)[4]、《混凝土结构通用规范》(GB 55008—2021)[5]、《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[6]、《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[7]、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[8]等国家标准,立足于建筑结构设计阶段,探讨建筑结构形式及方案对碳排放的影响。

1 结构形式对碳排放的影响

1.1 计算原则

不同的结构形式适用于不同的建筑类型。目前,在建筑中应用较多的结构形式为混凝土结构和钢结构,约占总量的95%。混凝土结构通常用于各类常规建筑中,而钢结构因其轻质高强的特点多应用于大跨度或高层、超高层公共建筑。近些年因各地装配式建筑的相关政策法规推动,钢结构也逐步在多层公建或住宅项目中被选用。因建筑地下室部分通常采用混凝土结构,故本文仅对建筑地上部分进行分析,并根据不同结构形式的应用范围,按照多层公建、高层公建和住宅建筑进行分类分析。

基于全寿命期的建筑碳排放可划分为建材生产及运输、建筑建造、建筑运行、建筑拆除四个阶段。同时,考虑到部分结构材料自身为可再利用材料或可循环利用材料,拆除后可进行二次利用,故考虑负碳折减效应。因此,结构的碳排放计算见下式:

C=Cjc+Cjz+Cm+Ccc-Cf

(1)

式中:C为单位建筑面积的碳排放量;Cjc建材生产及运输阶段单位建筑面积的碳排放量;Cjz为建筑的建造阶段单位建筑面积的碳排放量;Cm为建筑的运行阶段单位建筑面积的碳排放量;Ccc为建筑的拆除阶段单位建筑面积的碳排放量;Cf为负碳折减单位建筑面积的碳排放量。

根据《中国建筑能耗与碳排放研究报告(2021)》[9]统计结果显示,建筑建造阶段与拆除阶段碳排放量在建筑总碳排放量中占比不到5%,且建筑运行阶段碳排放受结构材料变化影响较小[9]。故本文将重点对混凝土结构和钢结构在考虑负碳折减效应前后的生产及运输阶段碳排放结果进行分析。

1.2 参数分析

根据《建筑碳排放计算标准》(GB 51366—2019)规定,建筑生产及运输阶段碳排放与材料用量和相应材料的碳排放因子有关。因结构材料用量受多种因素影响,为减少变量,本文主要参考北京地区建设项目进行参数设置,地震设防烈度为8度,场地土类别为Ⅲ类,基本风压为0.45kN/m2,基本雪压为0.40kN/m2,混凝土碳排放因子为320kgCO2e/m3,钢筋及钢材碳排放因子为2 350kgCO2e/t[4]。其中,混凝土碳排放因子为工程中应用范围最广的C35混凝土碳排放因子值,钢筋及钢材取常用钢材及型钢碳排放因子均值。

结构材料的负碳技术众多[10-11],针对混凝土结构和钢结构的对比需求,本文中的负碳技术主要指结构材料的再利用。混凝土材料的再利用技术主要为生产再生混凝土。因再生混凝土与普通混凝土间的碳排放量差异不大,故认为混凝土结构的负碳折减值为0。再利用的钢筋和钢材则通过电炉炼钢技术实现负碳,根据再利用的难易程度,钢筋的再利用率取60%,钢材的再利用率取90%,电炉炼钢的碳排放因子为600kgCO2e/t[12]。

1.3 碳排放计算分析

经大量工程项目统计汇总,对于多层公建、高层公建和住宅建筑三种建筑类型,混凝土结构和钢结构考虑负碳折减效应前后的生产及运输阶段碳排放结果如表1～3所示。

表1 多层公建混凝土结构和钢结构计算情况

表2 高层公建混凝土结构和钢结构计算情况

表3 住宅建筑混凝土结构和钢结构计算情况

由表1～3可得,钢结构在建材生产及运输阶段的碳排放量较混凝土结构高约20%。而考虑负碳折减系数后,钢结构的碳排放量大幅降低,较混凝土结构低27%。同时,在建筑的建造阶段和拆除阶段,钢结构的碳排放量稍低于混凝土结构;在建筑的运行阶段,两者的碳排放量相当[13]。因此,经计算,在不考虑负碳折减效应时,钢结构的碳排放量高于混凝土结构,平均单位建筑面积碳排放量差值约为60kgCO2e/m2。但基于建筑全寿命周期假设并考虑负碳折减效应后,钢结构的碳排放量低于混凝土结构,平均单位建筑面积碳排放量差值约为50～80kgCO2e/m2。

2 建筑形体对碳排放的影响

2.1 建筑形体概念

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)中相关规定,将建筑形体的规则性分为:规则、不规则、特别不规则、严重不规则四个等级。特别不规则的建筑应进行专门研究和论证,且不应采用严重不规则的建筑。

据统计,因形体复杂而超限的项目数量多于因高度而超限的项目[14]。因此,应重视建筑形体的选择,尽可能避免形成超限结构。

2.2 建筑形体的低碳设计

建筑形体是决定结构布置规则性的主要原因,是影响结构低碳性能的首要因素。但因建筑形体的复杂性,无法进行定量分析。因此,本文根据以往工程经验给出定性分析,具体如下:1)严重不规则或特别不规则建筑形体结构材料用量增加约5%～15%,直接增加的生产、运输和拆除阶段的碳排放量达5%～15%;2)严重不规则或特别不规则建筑形体提高了施工作业难度,间接增加的建造、拆除阶段的碳排放量约5%;3)严重不规则或特别不规则建筑形体提升了运行期间的维护及维修难度,间接增加的运行阶段的碳排放量约5%。

因此,严重不规则或特别不规则的建筑形体会增加碳排放量约10%～25%,极端情况下增幅可达50%以上。基于以上数据,建筑形体的低碳设计应优选取规则形体,其次为不规则形体,避免采用特别不规则形体,严禁采用严重不规则形体。

3 结构体系对碳排放的影响

3.1 结构体系低碳设计的选型原则

结构体系选择是影响结构碳排放的重要因素。现有结构体系众多,且任一建筑均可通过几种结构体系来实现,因此选择低碳结构体系是低碳结构设计的重要方面。

结构体系的低碳分析与具体的建筑形式有关,且相互差别较大,无法进行定量分析。本文基于经验分析法,给出结构体系低碳设计的原则如下:1)常规混凝土结构,可根据表4所示原则选择低碳的结构体系;2)特殊类型的建筑,可以通过设置关键构件,形成特殊结构体系,从而达到低碳效果。结构体系的低碳选型,可有效降低结构碳排放量5%以上。

表4 混凝土结构体系比选[15-16]

3.2 普通结构体系选型原则

对于普通结构体系碳排放分析,本文主要研究框架结构与框架-剪力墙结构两种工程常用结构形式。以某办公楼项目为背景,其结构平面布置图如图1所示。为确保计算结果的真实合理性,采用PKPM软件分别对框架结构及框架-剪力墙结构进行建模计算及工程量统计,并依据1.2节的碳排放因子分析不同结构模型下建筑的碳排放量。

图1 办公楼结构平面布置图

当地震烈度分别为6度、7度、8度时,不同结构体系及高度的碳排放情况见图2。由图2可知,随着结构高度的增加,框架-剪力墙结构的碳排放逐渐小于框架结构,且抗震等级的提高使得框架-剪力墙结构的降碳优势愈发明显。

图2 不同地震烈度下结构体系及高度对碳排放的影响

3.3 特殊结构体系选型原则

对于特殊结构体系(如减隔震体系),本文基于实际工程案例进行分析。

(1)隔震体系

以某TOD项目为背景,该项目为部分框支剪力墙结构体系。项目共15层,结构高度41.2m,首层层高4.3m,标准层层高3m,车库与运用库层高分别为4.8、11.0m。首层、二层、标准层楼板厚度分别为250、300、120mm,车辆段、标准层楼板形式分别为大板、梁板。

项目共设置隔震支座18套,其中铅芯橡胶隔震支座14套,无铅芯橡胶隔震支座4套(支座5、8、11、14),隔震支座平面布置如图3所示。通过计算可知在设防烈度地震作用下,项目减震系数为0.395,根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)相关规定,采取隔震措施时,水平地震影响系数最大值可按下式计算:

图3 隔震支座平面布置图

αmax1=βαmax/ψ

(2)

式中:αmax1为调整后水平地震影响系数最大值;αmax为水平地震影响系数最大值,对于8度区多遇地震取0.16;β为水平向减震系数;ψ为调整系数,对于一般橡胶隔震支座取0.8。

隔震体系与非隔震体系工程量及碳排放量对比情况如图4、5所示。

图4 隔震与非隔震体系工程量对比

图5 隔震与非隔震体系碳排放量对比

由图4、5可知,采用隔震体系后的混凝土及钢筋材料总用量降低土及钢筋材料总用量降低,且隔震支座自身的碳排放量较小。因此,隔震体系碳排放量低于非隔震体系,大约可降低3%以上碳排放量。

(2)减震体系

以采用BRB的框架结构为背景,项目共5层,结构高度24.7m,标准层层高4.2m,抗震设防烈度8度(0.20g),地震设计分组第一组,场地土类别Ⅲ类,特征周期0.45s。BRB布置示意见图6。

图6 BRB布置示意图

现对该项目采用BRB的减震体系和不设置减震措施的混凝土框架-剪力墙结构体系(非减震体系)的碳排放情况进行分析。经计算可知,减震体系与非减震体系工程量及碳排放量对比情况如图7、8所示。

图7 减震与非减震体系工程量对比

图8 减震与非减震体系碳排放量对比

由图7、8可知,减震体系通过设置BRB减少地震作用,降低混凝土及钢筋材料总用量,从而降低结构碳排放。减震体系碳排放量低于非减震体系,可降低5%以上碳排放量。

4 结构低碳优化设计

结构设计应根据实际工程情况和结构计算结果,进行合理的低碳优化设计,从而减少材料冗余,降低结构碳排放。结构设计应避免陷入设计误区,常见的过度设计情况如下:1)根据计算结果进行底限设计,不考虑工程实际情况,造成结构安全隐患;2)过多预留配筋,可能带来结构安全隐患(如梁钢筋预留过多,形成强梁弱柱)的同时,又增加碳排放。

结构低碳优化设计的主要措施如下:1)合理的计算输入,包括计算参数、荷载取值等;2)合理的结构设计,包括结构统一措施、结构配筋量取值等;3)合理预留富余量,建议常规构件预留富余量控制在10%左右,特殊构件或特殊部位可另行考虑。

5 结论

(1)钢结构在建筑全寿命周期单位建筑面积的碳排放量较混凝土结构低50～80kgCO2e/m2,因此在结构低碳设计中,应优先选取钢结构形式。

(2)严重不规则或特别不规则的建筑形体较规则的建筑形体,约增加10%～25%的碳排放量,合理的结构体系会减少5%的碳排放量,结构低碳优化设计后会降低3%～5%的碳排放量。

(3)通过合理的减隔震方式,形成有效抗侧力体系后,能够有效降低碳排放,可降低3%～5%的碳排放量。

(4)结构优化低碳设计主要取决于设计者的主观因素,因此设计工程师应具有结构低碳优化设计理念,合理低碳设计,同时确保结构安全可靠。