建筑结构设计对碳排放的影响研究

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

(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

近年来,由于温室气体的大肆排放导致温室效应加剧,自然灾害日益频发,环境问题愈发尖锐。为控制温室效应,世界各国均采取行动控制碳排放。根据Energy &Climate Intelligence Unit发布的“净零排放跟踪表”[1]统计结果显示,截至目前,全球已有136个国家制定碳中和目标。作为世界上碳排放第一的国家,2020年9月22日,中国政府在第七十五届联合国大会上明确表示:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”[2]。

联合国环境规划署制定的《2021年全球建筑建造业现状报告》中指出,2020年全球建筑领域能源消耗占总消耗的36%,建筑领域二氧化碳排放占全球总排放的37%[3]。建筑业碳排放对全球排放总量影响巨大,是碳减排的关键领域之一。根据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗与碳排放研究报告(2021)》显示,2019年全国建筑全过程二氧化碳排放总量为49.97亿t,占全国碳排放的比重为50.6%[4]。因此,建筑行业碳排放控制将是实现“双碳目标”的关键。

当前,建筑行业的低碳化解决方案多集中在节能减排上,对结构专业的研究稍显不足。现有研究成果显示,结构作为建筑的重要组成部分,在建筑全寿命期内碳排放占比较高[5-10]。因此结构低碳化设计是控制建筑碳排放的重要方面,是实现建筑领域“双碳目标”的关键抓手。本文将以《建筑碳排放计算标准》(GB 51366—2019)[11]、《建筑碳排放计量标准》(T/CECS 374—2014)[12]、《省级温室气体清单编制指南(试行)》[13]为碳排放主要计算依据,立足于建筑结构设计阶段,开展建筑结构性能设计对碳排放的影响研究。

1 结构设计工作年限对碳排放影响分析

1.1 研究假定

根据《工程结构通用规范》(GB 55001—2022)[14]中规定,房屋建筑的设计工作年限规定情况如表1所示。

表1 房屋建筑设计工作年限/年

由表1可知,普通房屋设计工作年限为50年。因此本文以设计工作年限50年的常规项目为分析基础,开展不同设计工作年限对结构碳排放影响分析,并作如下假定:1)结构服役期间,年碳排放量随着设计工作年限的提升而降低;2)结构服役期间,年碳排放分为等比例增长和恒值两个模型。

1.2 等比例增长模型的碳排放分析

(1)

式中:CYD为建筑隐含碳排放量,对于50年设计工作年限建筑取为640kgCO2e/m2,100年设计工作年限建筑取为768kgCO2e/m2,50年至100年间按照线性插值;CYX为建筑服役第一年碳排放量;γY为建筑当年碳排放量与上一年度比值,γ50取为1.01,γ100取为1.005[11,15-18]。根据上述假定,计算等比例增长模型下不同设计工作年限建筑碳排放情况,计算结果见图1。

图1 等比例增长模型下不同设计工作年限建筑碳排放

由图1可知,在等比例增长模型下,设计工作年限分别为50年和100年的建筑,在服役年限约达30年时建筑单位面积碳排放量几近持平,而后随着服役年限的增加,设计工作年限为100年的建筑在低碳排放方面优势愈发显著,较50年设计工作年限建筑碳排放量降低可达20%。

1.3 恒值模型的碳排放分析

(2)

CYD=CY×α

(3)

式中:CY为建筑初始隐含碳排放量,取640kgCO2e/m2;α为增大系数,当设计工作年限不大于50年时取1.0,100年时,取1.2,50年至100年间,按线性插值[11,15-18]。

根据恒值模型,计算不同设计工作年限建筑碳排放情况,计算结果如表2所示。由图1及表2可得如下结论:1)当采用等比例增长模型时,设计工作年限越长,建筑隐含碳排放量越高,服役建筑碳排放量年增长率越低。2)当采用恒值模型时,当建筑寿命小于50年时,按照50年设计工作年限设计的建筑碳排放量相较100年设计工作年限建筑碳排放低;当建筑寿命大于50年时,按照100年设计工作年限设计的建筑相较50年设计工作年限建筑碳排放量低。

表2 恒值模型下不同设计工作年限建筑碳排放量计算结果/(kgCO2e/m2)

100年与50年设计工作年限建筑碳排放情况如图2所示。

图2 100年与50年设计工作年限建筑碳排放

2 结构耐久性设计年限对碳排放影响分析

2.1 研究假定

对于混凝土结构,耐久性应根据结构的设计工作年限、结构所处的环境类别和环境作用等级进行设计,并应满足《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[19]中相关规定。特殊工况下,应同时满足《混凝土结构耐久性设计标准》(GB/T 50476—2019)[20]对耐久性的要求。

对于钢结构,其耐久性设计包括防腐蚀、累积损伤、磨损等。应按照《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[21]和《建筑钢结构防腐蚀技术规程》(JGJ/T 251—2011)[22]进行设计。

混凝土结构耐久性设计的重要指标为工作年限。因常规混凝土结构项目设计工作年限通常为50年,故本文选取耐久性设计年限50年对建筑结构碳排放进行分析,并作出如下假定:1)耐久性设计年限会影响服役建筑的年碳排放量,随着耐久性设计年限的提升,服役建筑的年碳排放量会有所降低;2)服役建筑的年碳排放量分为等比例增长模型和恒值模型两种假定。

2.2 等比例增长模型的碳排放分析

(4)

式中:γNY为建筑当年碳排放量与上一年度比值,γN50取为1.01,γN100取为1.008[11,15-22]。

根据上述假定,计算等比例增长模型下不同耐久性设计年限建筑碳排放情况,计算结果如图3所示。由图可得,在等比例增长模型下,耐久性设计年限分别为50年和100年的建筑,在服役时长约达30年时建筑单位碳排放量几近持平,而后随着服役年限的增加,耐久性设计年限为100年的建筑碳排放量增长速度逐步减小,较耐久性设计年限为50年的建筑碳排放量降低约10%。

图3 等比例增长模型下不同耐久性设计年限建筑碳排放

2.3 恒值模型的碳排放分析

(5)

CYD=CY×αN

(6)

式中:αN为结构耐久性增大系数,当耐久性设计年限不大于50年时取1.0,100年时,取1.05,50年至100年间,按线性插值[11,15-22]。

根据恒值模型,计算不同耐久性设计年限建筑碳排放情况,计算结果如表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计算结果/(kgCO2e/m2)

由图3及表3可得如下结论:1)当采用等比例增长模型时,耐久性设计年限越长,建筑隐含碳排放量越高,服役建筑碳排放年增长率越低;2)当采用恒值模型时,当建筑服役年限小于50年时,按照耐久性设计年限50年设计的建筑较耐久性设计年限100年建筑碳排放量低;当建筑服役年限大于50年时,按照耐久性设计年限100年设计的建筑较耐久性设计年限50年建筑碳排放量低。

耐久性设计年限100年建筑与50年建筑相比,碳排放情况如图4所示。

图4 耐久性设计年限100年建筑与50年建筑的碳排放

3 结构适变性碳排放分析

3.1 研究假定

结构适变性,即结构适应使用功能和空间变化的能力,是结构韧性的重要体现[23]。目前实现结构适变性的主要手段有:

(1)结构布置开阔:主要指结构构件(特别是竖向构件)的大间距、开阔性布置,后期可通过调整非结构构件布置以实现因使用功能和空间变化而带来的变动,且对结构构件不做改动或改动很小。在实际工程中,公共建筑可采用大空间结构布置,城镇住宅可采用户内无结构墙或少结构墙的布置等方式。

(2)适当提升局部荷载:建筑在使用中,往往因部分空间使用需求发生变化(如机电系统提升等)引起荷载增加,从而需对相关范围内结构进行改造加固。因此,可在设计之初对部分房间进行荷载预留,避免因后续使用需求调整导致对结构进行改造加固。

本节依旧选用等比例增长模型和恒值模型进行碳排放分析。

3.2 等比例增长模型的碳排放分析

假定服役建筑的年碳排放量逐年等比例增长,采用结构适变性设计的建筑服役X年的单位面积碳排放量CC计算公式如下:

(7)

式中:CYC为进行结构适变性设计后的建筑隐含碳排放量;γY为建筑当年碳排放量与上一年度比值,采用结构开阔布置时取1.008,采用提升局部荷载时取1.009[11-12,15-19]。

CYC=CY×αC

(8)

式中αC为结构适变性增大系数,采用结构布置开阔时取1.02,采用提升局部荷载时取1.01[11-12,15-19]。

根据等比例增长模型,是否采用结构适变性设计的建筑碳排放情况计算结果如图5所示。

图5 等比例增长模型下采用结构适变性设计前后的建筑碳排放

3.3 恒值模型的碳排放分析

(9)

根据恒值模型,是否采用结构适变性设计的建筑碳排放情况计算结果如表4所示。

表4 恒值模型下采用结构适变性设计前后的建筑碳排放量计算结果/(kgCO2e/m2)

由表4及图5可得如下结论:1)当采用等比例增长模型时,与不采用结构适变性设计的建筑相比,采用结构适变性设计的建筑隐含碳排放量较高,服役建筑的碳排放年增长率越低;2)当采用恒值模型时,建筑服役年限小于50年时,不采用结构适变性设计较采用结构适变性设计的建筑碳排放量低;建筑服役年限大于50年时,相比于不采用结构适变性设计的建筑,采用结构适变性设计的建筑碳排放量较低。

采用结构适变性与不采用结构适变性的建筑碳排放情况如图6所示。

图6 采用结构适变性与不采用结构适变性的建筑碳排放情况

4 结论

(1)随着建筑服役时间的增长,后续出现加固改造概率及频次将随之增大。因此相较于恒值模型,采用等比例增长模型对现阶段我国城镇住宅及公共建筑碳排放进行模拟分析更合理。

(2)服役建筑碳排放年增长率随设计工作年限、耐久性设计年限的增加而降低。且服役时间越长,碳排放量越低,即合理延长设计工作年限、耐久性设计年限可有效降低建筑碳排放量。

(3)对于结构适变性设计,当建筑服役时间大于30年时,进行适变性设计将使得建筑碳排放显著降低,且随着建筑服役年限的增长,结构适变性设计带来的减碳效果愈发明显。

(4)低碳设计时,应优先选取结构适变性设计,其次为耐久性设计年限100年设计,最后为设计工作年限100年设计,以更为高效地降低建筑碳排放。