鋼結(jié)構(gòu)建筑減碳潛力測算

王市均 張光明

摘要：鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性好，在推進(jìn)新型建筑工業(yè)化進(jìn)程、提高裝配式建筑水平及落實(shí)低碳綠色發(fā)展目標(biāo)的作用十分明顯。本文按低層、中層高層住宅分類，通過相關(guān)文獻(xiàn)梳理及實(shí)地調(diào)研，采用建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、建筑運(yùn)行、建筑拆除及回收全生命周期理論分析對比了鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土建筑碳排放量。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土建筑運(yùn)行階段時(shí)期碳排放水平相當(dāng)，在建造階段和建筑拆除回收階段，無論是城市常見的高層住宅還是農(nóng)村的低層住宅，鋼結(jié)構(gòu)的碳排放量明顯低于混凝土建筑，碳減排效果明顯。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；碳排放；鋼筋混凝土建筑；潛力測算

0 引言

溫室氣體的超負(fù)荷排放使全球氣候問題日益嚴(yán)峻，碳減排是減緩氣候變化的首要任務(wù)。據(jù)國際能源署（IEA）、世界綠色建筑委員會等機(jī)構(gòu)測算，建筑行業(yè)碳排放量約占全球碳排放量的35-40%，是全球排碳量最高的行業(yè)。通過鋼鐵代替混凝土、或者低碳排放鋼材代替高排放鋼材，對低成本地實(shí)現(xiàn)降低建筑隱含碳排放有顯著的效果和重要作用。

當(dāng)前中國建筑規(guī)模體量大，且主要類型為排放量較高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，通過擴(kuò)大鋼結(jié)構(gòu)消費(fèi)比重，從全生命周期角度降低建筑碳排放量，是低成本、高效益減碳鋼鐵和建筑行業(yè)碳排放的重要途徑。本文通過鋼結(jié)構(gòu)建筑與傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑全生命周期碳排放水平進(jìn)行了對比測算，為推廣綠色低碳鋼結(jié)構(gòu)建筑提供理論支撐。

1 中高層建筑鋼結(jié)構(gòu)與鋼混建筑碳排放分析

根據(jù)GB/T 51366—2019 《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》，建筑全生命周期可分為建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、建筑運(yùn)行、建筑拆除及回收等不同階段。國內(nèi)很多學(xué)者［1-7］以不同地區(qū)、不同類型的住宅建筑為研究對象，采用全生命周期法，分析計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)混凝土建筑全生命期碳排放總量和碳排放強(qiáng)度，不同建筑全生命周期的建筑信息和碳排放信息如表1和表2所示。

由表1和表2可知，不同樓層、不同建筑面積、不同地區(qū)的建筑碳排放強(qiáng)度會因建材、電力排放因子不同等多種因素而產(chǎn)生差異。鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的單位面積碳排放強(qiáng)度為1759.43-1936.90 kgCO2/m2。傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)建筑碳排放強(qiáng)度為971.22-2793.87 kgCO2/m2。

王從章［7］等對阜陽市某鋼結(jié)構(gòu)建筑和傳統(tǒng)混凝土建筑的研究結(jié)果表明，50周年的壽命期內(nèi)，28層鋼結(jié)構(gòu)住宅的碳排放強(qiáng)度為1767.05 kgCO2/m2，21層傳統(tǒng)混凝土住宅的碳排放強(qiáng)度為2354.23 kgCO2/m2。從全生命周期計(jì)算，鋼結(jié)構(gòu)住宅的碳排放強(qiáng)度較傳統(tǒng)混凝土住宅低24.94%。

對比蔣友娣［2］對鋼結(jié)構(gòu)住宅（8層）和周曉對傳統(tǒng)混凝土建筑（6層）的研究結(jié)果可知，鋼結(jié)構(gòu)住宅的碳排放強(qiáng)度較傳統(tǒng)混凝土住宅低21.97%。對比周觀根［1］對鋼結(jié)構(gòu)住宅（29層）和周曉［4］對傳統(tǒng)混凝土建筑（21層）的碳排放強(qiáng)度，鋼結(jié)構(gòu)住宅較傳統(tǒng)混凝土住宅低30.67%。

通過查閱資料和現(xiàn)場調(diào)研，相較于傳統(tǒng)混凝土住宅建筑，目前中國鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的成本高約20-30%，開發(fā)商和建筑公司在建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑時(shí)，一般會增加樓層，建筑樓層達(dá)到20層以上。

分析鋼結(jié)構(gòu)住宅和傳統(tǒng)混凝土住宅各階段碳排放占全生命周期的比例如表3可示，由表3可知，鋼結(jié)構(gòu)住宅和傳統(tǒng)混凝土住宅的運(yùn)營階段占全生命周期碳排放比例最高，其次是建材生產(chǎn)階段，建材運(yùn)輸、施工及拆除階段占比較小。此外，鋼結(jié)構(gòu)住宅的建材回收率高于傳統(tǒng)混凝土住宅。

宋志茜［8］等以內(nèi)蒙古地區(qū)層數(shù)相近的鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅和現(xiàn)澆鋼筋混凝土住宅為研究對象，不考慮建筑運(yùn)行階段碳排放，分析了建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、施工建造及建材回收階段的碳排放情況。參考GB/T 51366—2019 《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》，計(jì)算出兩種建筑的碳排放結(jié)果如表4所示。由表4可知，在不計(jì)算材料回收時(shí)，相比于混凝土建筑，鋼結(jié)構(gòu)建筑的減碳率為16.32%，計(jì)算材料回收時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)建筑的減碳率為34.30%。鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建筑中，鋼材以鋼構(gòu)件和型鋼為主，而傳統(tǒng)住宅以鋼筋為主。在回收率上，型鋼、鋼構(gòu)件回收率高于鋼筋，型鋼、鋼構(gòu)件回收率可達(dá)0.9，鋼筋僅有0.4～0.5。在建材生產(chǎn)、建材回收、建材運(yùn)輸、施工建造碳排放上，鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅均有明顯的減碳效果。

2 低層建筑鋼結(jié)構(gòu)與鋼混建筑碳排放分析

對于低層鋼結(jié)構(gòu)住宅的減碳效果，張愛陽［9］研究了農(nóng)村常見住房在全生命周期情況下的碳排放情況，對比輕鋼農(nóng)房與鋼混、磚混及磚木農(nóng)房的單位面積碳排放量，分析輕鋼農(nóng)房相較于鋼混、磚混及磚木農(nóng)房的碳減排量及碳減排率，結(jié)果表明：農(nóng)房的全生命周期碳排放量排序?yàn)殇摶旖Y(jié)構(gòu)＞磚混結(jié)構(gòu)＞磚木結(jié)構(gòu)＞輕鋼結(jié)構(gòu)，輕鋼農(nóng)房相比其他形式農(nóng)村住房的碳減排比例在-1%—34%之間。輕鋼與鋼混農(nóng)房的碳減排率為17-34%，碳排放計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可知，低層的輕鋼住宅相較于鋼混住宅減碳率為17-34%，由此可見，無論是城市常見的高層鋼結(jié)構(gòu)住宅還是農(nóng)村的地層鋼結(jié)構(gòu)住宅，其減碳效率最高達(dá)34%，鋼鐵與建筑協(xié)同減碳具有較大潛力。

3 現(xiàn)場調(diào)研與驗(yàn)證

武漢蔡甸區(qū)奓山五期項(xiàng)目6號、9號樓裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑，采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，地下1層（結(jié)構(gòu)性地下室）、地上30層（1-27層為住宅，層高2.8 m，28-30層為工程層），建筑總高83.1 m，總戶數(shù)432戶，總建筑面積約4.91萬m2。建筑結(jié)構(gòu)類型為鋼框架結(jié)構(gòu)，整體裝配率為68%，主要預(yù)制構(gòu)件包括：鋼柱、鋼梁、鋼筋桁架樓承板、預(yù)制PC樓梯、預(yù)制外掛墻板、輕質(zhì)ALC條板、裝配式裝修等。

采用GB51366-2019標(biāo)準(zhǔn)并參考趙彥革《基于全壽命周期的鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的碳排放分析》中的分析方法，對該項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)建筑與混凝土建筑的碳排放進(jìn)行分析。為便于比較分析，本文的結(jié)構(gòu)材料碳排放因子根據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51366-2019）取值為：混凝土320 kgCO2/m3（按照工程中應(yīng)用范圍最廣的C35等級取值），鋼筋/鋼板2310 kgCO2/t?；炷敛牧系脑倮锰寂欧艦?，鋼筋的再利用比例取60%，鋼材的再利用取90%。

根據(jù)對武漢奓山鋼結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)場調(diào)研，鋼結(jié)構(gòu)建筑與混凝土建筑地下基礎(chǔ)部分均采用混凝土結(jié)構(gòu)，鋼材、混凝土種類和用量基本相同。鋼結(jié)構(gòu)建筑地上主體結(jié)構(gòu)采用鋼板焊接為需要的尺寸，并采用焊接、螺絲等連接方式構(gòu)建。因此，分析鋼結(jié)構(gòu)建筑和混凝土建筑地上建筑碳排放情況，同時(shí)考慮鋼材、混凝土的回收帶來的減排情況，對鋼結(jié)構(gòu)建筑的減排潛力進(jìn)行分析，結(jié)果如表6和表7所示，由表6和表7可知，鋼結(jié)構(gòu)住宅在建材生產(chǎn)及運(yùn)輸階段的碳排放較混凝土結(jié)構(gòu)高19.79%，而考慮材料回收利用后，鋼結(jié)構(gòu)住宅的碳排放較混凝土低54.01%。同時(shí)，因在建筑的建造階段和建筑的拆除階段，鋼結(jié)構(gòu)的碳排放會較混凝土略低，建筑的運(yùn)行階段時(shí)兩者的碳排放相當(dāng)。因此，鋼結(jié)構(gòu)在不考慮回收的全生命周期階段的碳排放高于混凝土結(jié)構(gòu)大約64kgCO2/m2，考慮材料回收后，鋼結(jié)構(gòu)的碳排放低于混凝土大約123 kgCO2/m2，減碳率約54.01%。

4 結(jié)論

（1）無論是城市常見的高層住宅還是農(nóng)村的低層住宅，采用鋼結(jié)構(gòu)形式較鋼筋混凝土均有較大的碳減排效果，從全生命周期考慮，中高層的鋼結(jié)構(gòu)住宅相較于鋼混住宅減碳21.97%-34.3%，低層的輕鋼住宅相較于鋼混住宅減碳率為17-34%。

（2）建筑的建造階段和建筑的拆除階段，鋼結(jié)構(gòu)的碳排放會較混凝土略低，建筑的運(yùn)行階段時(shí)兩者的碳排放相當(dāng)。因此，鋼結(jié)構(gòu)在不考慮回收的全生命周期階段的碳排放高于混凝土結(jié)構(gòu)大約64 kgCO2/m2，考慮材料回收后，鋼結(jié)構(gòu)的碳排放低于混凝土大約123 kgCO2/m2。

參考文獻(xiàn)

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