哈爾濱17層住宅結構方案對比與碳排放分析

王鳳來，朱 飛，張孝存，王海云

(1.哈爾濱工業大學土木工程學院，150090 哈爾濱;2.黑龍江省建設集團有限公司，150046 哈爾濱)

哈爾濱17層住宅結構方案對比與碳排放分析

王鳳來1，朱 飛1，張孝存1，王海云2

(1.哈爾濱工業大學土木工程學院，150090 哈爾濱;2.黑龍江省建設集團有限公司，150046 哈爾濱)

為了對比配筋砌塊砌體結構與鋼筋混凝土剪力墻結構在碳排放量方面的優劣，對同一棟住宅建筑分別采用兩種結構體系進行結構設計.通過對結構性能、工程造價的對比，以及原材料生產、運輸和建筑施工過程中碳排放量的詳細計算分析，結果表明，采用配筋砌塊砌體結構進行中高層住宅設計，可保證與混凝土剪力墻結構相當的結構性能，同時降低工程造價10.9%，并降低碳排放量47.76 kg/m2，約合10.0%.相比于混凝土剪力墻結構，配筋砌塊砌體結構建設高層住宅具有明顯的低碳節能優勢，是“資源節約型、環境友好型”綠色建筑結構形式.

配筋砌塊砌體結構;混凝土剪力墻結構;工程造價;碳排放量;對比分析

基于我國現階段生產力水平，建筑行業仍以人工作業為主，生產效率低下，浪費了大量的勞動力資源，同時帶來了嚴峻的環境問題.據統計，建筑行業所消耗的能源約占全社會總能耗的40%［1］;城市里碳排放 60%［2］來源于建筑行業.所以對傳統的技術進行改造升級，尋求節能環保型的結構構造形式，發展低碳建筑，減少建筑能耗，無疑是日后建筑行業發展的新方向.

建筑碳排放主要來源于建筑材料的碳排放;建筑施工的碳排放;建筑正常使用與維護的碳排放;建筑拆除及回收利用的碳排放.

為對比配筋砌塊砌體結構與傳統混凝土剪力墻結構應用于中高層住宅建筑建設時的碳排放水平，本文對哈爾濱市某17層住宅采用兩種結構方案進行了設計，并對其結構性能、工程造價及碳排放量進行對比分析.由于建筑使用及拆除階段的碳排放與結構形式的相關性很小，故本文主要對該建筑建造階段的碳排放進行分析，以突出對比結構形式對建筑碳排放的影響，其碳排放清單如圖1.

圖1 建筑碳排放清單分析框圖

1 結構方案簡介

1.1 主要建筑信息與結構設計資料

本工程為哈爾濱市住宅建筑，建設于2009年，總建筑面積17 558.72 m2，地上16層，地下1層，標準層平面每層 3個單元，建筑總高度49.200 m，建筑的設計使用年限為50年.

哈爾濱地區按6度(0.05 g)進行抗震設防，設計地震分組為第一組，場地類別為II類.50年一遇基本風壓值為0.55 kN/m2，地面粗糙度類別為b類，建筑的風載體型系數取1.3.此外兩結構設計方案中，鋼筋均采用HPB235級與HRB335級.

1.2 鋼筋混凝土剪力墻結構方案

混凝土剪力墻的抗震等級為四級，墻身采用C30混凝土，混凝土墻上有洞口而建筑無洞口處，采用陶粒混凝土砌塊填充.基礎采用直徑為400 mm的預應力混凝土管樁，混凝土強度等級為C30.該結構方案的設計圖紙由哈爾濱工業大學建筑設計研究院提供.

1.3 配筋砌塊砌體結構方案

在該工程設計中，混凝土砌塊、砂漿和灌芯混凝土強度等級，1～3 層分別為MU20、Mb20、Cb40，4～9 層分別為 MU20、MU15、Cb30，10～13層分別為 MU15、Mb15、Cb30，14～ 16 層 MU10、Mb10、Cb20.圈梁混凝土強度1～9層為C30，10～16 層為C25.該結構方案的設計圖紙由哈爾濱工業大學混凝土與砌體結構研究中心提供.

1.4 兩種方案的結構性能對比

風荷載作用下，配筋砌塊砌體結構的最大樓層位移角為1/3 980，剪力墻結構為1/1 868.地震作用下，配筋砌塊砌體結構與剪力墻結構的第一階自振周期分別為1.22、1.43 s，最大樓層位移分別為1/5 463、1/3 237，底層抗剪承載力分別為22 500、18 610 kN.配筋砌塊砌體結構的抗傾覆承載力與傾覆力矩的比值為18.9，剛重比為11.6，剪力墻結構分別為15.9、8.3.整體來看兩種方案的結構性能相似，而配筋砌塊砌體結構的抗側承載力、結構水平剛度、抗傾覆承載力、結構整體穩定性都要略高于剪力墻結構.

2 工程造價對比

該工程兩種結構方案的工程造價資料均由黑龍江省建筑設計研究院提供，工程造價對比結果見表1.

表1 兩種結構方案工程造價對比［2］

由表1可知，配筋砌塊砌體結構在鋼筋、混凝土用量，總用工量，模板使用量和間接費方面均具有較大的節省優勢，總工程造價節省10.9%.此外由于墻體無需支模養護，提高了施工周轉速度，工期可以縮短20%～25%.

在上述預算分析中，墻體抹灰厚度均按20 mm考慮.而實際上砌塊采用標準模具進行生產，表面平整度較好，因而僅需8～10 mm的抹灰厚度就可滿足墻面平整度的要求;而現澆混凝土結構由于模板變形等原因，即使20 mm的抹灰厚度也較難達到要求.故若考慮抹灰厚度影響，配筋砌塊砌體結構的造價將更低.此外，抹灰變薄可使使用面積增加3%～5%.

3 碳排放量計算方法綜述

3.1 碳排放因子的取值

由于國內和國外在技術水平和生產工藝方面存在差異，碳排放計算優先采用國家相關部門、國內研究機構、以及國內文獻資料中給出的排放因子.本文引用的材料碳排放因子及數據來源見表2.表中“廢棄比例”，是指建筑材料，在二次加工及施工過程中的損耗及廢棄率;其取值主要依據是黑龍江省的相關定額數據.

表2 常用建筑材料的碳排放因子及施工廢棄比例

對于混凝土、砂漿等復合型材料，應考慮組成材料的碳排放量及所采用生產工藝的碳排放量兩部分.例如對于預拌商品混凝土，可按其配合比分解成水泥、沙子、石子(水不考慮碳排放)，考慮每種材料的碳排放量，并在施工過程中考慮生產成品混凝土拌合物所用攪拌和振搗設備的碳排放量.按照上述方式計算C30混凝土以及M5、M10砂漿的碳排放因子見表3.值得注意的是，表中碳排放值僅考慮了原材料生產的碳排放量，并未考慮生產工藝的碳排放量，其相關值在施工階段中進行計算.

表3 單位體積(1 m3)混合材料的碳排放量計算

3.2.1 原材料碳排放計算

建筑材料生產的碳排放占建筑整個生命周期碳排放量的 8%～12%［6］，其碳排放量較大.建筑材料生產階段碳排放量可按下式［3，6］計算:

式中:n為建筑物所使用建筑材料的種類，wi為建筑材料在施工過程中的廢棄比例，mi為所使用建筑材料的用量，EFi，m為生產單位建筑材料的CO2排放量.

3.2.2 材料運輸碳排放量計算

建筑原材料運輸碳排放量可按下式［3，7］計算:

式中:di為建筑材料從生產地到施工現場的運輸距離;EFi，trans為單位建筑材料運輸單位距離的碳排放量;ai為不同能源單位能耗的CO2排放系數，煤為103 281 g·GJ-1，柴油為76 026 g·GJ-1;Tc為單位建材運輸單位距離的能耗，見表4.

表4 常見運輸方式的單位能耗T

表4 常見運輸方式的單位能耗T

運輸方式 單位能耗/(MJ·(t·km)－1公路(距離≤50 km) 8.31)公路(距離＞50 km) 3.10鐵路運輸 3.05

3.2.3 施工過程碳排放量計算

建筑施工過程碳排放量可按下式［6，9］計算:

式中:m為施工過程中不同施工類型的數目;si為每種施工類型施工總量;Pi為每種施工類型的單位能耗(或單位燃油消耗量)，EFi不同能源的CO2排放因子，燃油為 3.186 3 kg/kg［10］，電為0.881 1 kg/kWh［11］(工程建設于 2009 年，電力碳排放因子值參考當年東北區域電網的數據).

4 碳排放量對比分析

4.1 原材料碳排放計算

本文主要考慮了結構材料的碳排放量(見表5)，以明確對比結構方案對碳排放量的影響.剪力墻結構與配筋砌塊砌體結構墻面抹灰厚度分別按20、10 mm考慮.此外模板可多次周轉使用，本文根據周轉次數考慮其在每次使用過程中的均攤碳排放量(見表6).

表5 兩種結構方案原材料碳排放量

表6 兩種結構方案模板均攤碳排放量 t

4.2 運輸階段碳排放計算

鋼材由鞍鋼運送至哈市，火車運輸650 km，卡車轉運60 km;其余材料采用卡車運輸.砂漿、砌塊、混凝土、模板由生產廠或存放處至工地的距離為60 km，水泥、砂石由開采地至生產廠的距離為100 km.運輸階段碳排放量見表7.

表7 兩種結構方案材料運輸碳排放量

4.3 施工階段碳排放計算

施工碳排放計算根據工程預算書進行.按照施工定額，確定各施工類型所需施工機械的臺班數及單位臺班的能耗數據，從而獲得總的能耗量;而對于一些臨時性措施，比如施工場地的臨時供電與照明，按施工組織情況，估算其每天的耗能量.由此可根據能源碳排放因子確定碳排放量.施工階段碳排放量對比見表8.

表8 兩種結構方案施工階段碳排放量

4.4 碳排放量對比

兩種結構方案的建筑建設階段碳排放量對比見表9.相比于剪力墻結構，配筋砌塊砌體結構可降低碳排放量47.76 kg/m2，約合10%.

表9 原材料生產及施工過程中碳排放量對比

通過參閱相關文獻資料得到的國內部分研究人員計算的中高層建筑原材料生產及施工階段碳排放量見表10.表中原材料生產階段碳排放，由于本文只考慮了主要的結構材料，故相對較低;而運輸階段碳排放由于材料供應商遠近、運輸條件的不同，可比性不是很大.案例1施工階段碳排放量計算值偏低，可能是其在工程量的統計方面存在偏差;案例2的施工階段碳排放量是按單位面積施工耗能量估算的，其取值偏高;案例3的施工階段碳排放根據臺灣學者對臺灣建筑碳排放統計調查，用線性回歸的方法推演的簡化計算公式計算，應用于大陸地區可能存在一定的偏差;案例4施工階段碳排放量的計算方法與本文相似，但案例4的數值較低，其原因是本文取機械施工定額外，還考慮了工地臨時性措施(如臨時供暖供電)所產生的碳排放量.綜合上述4個案例得到的平均值，與本文的計算結果吻合較好，說明本文計算值有可信度.

表10 國內部分研究人員計算得到的建筑原材料生產及施工階段的碳排放量

5 結 語

通過對哈爾濱市1棟17層住宅，分別采用剪力墻結構方案與配筋砌塊砌體結構方案進行設計，對其材料生產，運輸及施工階段的碳排放量進行計算分析.結果表明，配筋砌塊砌體結構在保證結構的承載能力與變形性能，降低工程造價的同時，碳排放亦降低.

由于配筋砌塊砌體結構節約了大量的鋼材與混凝土，故其在降低原材料的碳排放方面具有較大優勢;同時節約了大量模板，輔助建筑材料的碳排放量降低;并且降低了混凝土用量，降低了泵送混凝土的能耗量.此外，工期上根據工程實踐可以獲得提高20%～25%的施工速度優勢，可以節約在場地照明、臨時采暖等方面的碳排放量.

通過本文的對比分析可以發現，較剪力墻結構，配筋砌塊砌體結構在原材料生產、運輸及施工過程中可降低碳排放量47.76 kg/m2，約合10%，具有相當大的低碳優勢.配筋砌塊砌體結構與我國倡導發展綠色建筑的方針相一致，是“資源節約型、環境友好型”綠色建筑結構形式.

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Comparison and analysis of structure design and carbon emissions of a 17-storey residential building in Harbin

WANG Fenglai1，ZHU Fei1，ZHANG Xiaocun1，WANG Haiyun2
(1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China;2.Heilongjiang Construction Group Co.，LTD，150046 Harbin，China)

To compare the pros and cons of reinforced concrete block masonry shear wall structure(R.M.system)with reinforced concrete short-limb shear wall structure(R.C.system)in the area of carbon emissions，both structural systems were used for the structure design of a 17-storey residential building，and the detailed analysis of the structure performance，project cost and carbon emissions in the process of material production，transportation and construction was carried out.The results show that using the R.M.system for the construction of Multi-storey residential buildings can gain similar structure performance to the R.C.system，and at the same time reducing the project cost by 10.9%，reducing the emissions of Carbon Dioxide by 47.76 kg/m2(10.0%).Comparing with the R.C.system，the R.M.system has the advantage of less carbon emissions and energy consumption for the construction of high-rise residential building，and it’s a kind of green building system with the property of‘resource-saving，environment-friendly’.

reinforced concrete block masonry shear wall structure;reinforced concrete shear wall structure;project cost;carbon emissions;comparison and Analysis.

TU365

A

0367－6234(2014)02－0011－05

2012－11－01.

國家科技支撐計劃項目(2013BAJ12B03);住房和城鄉建設部研究開發項目(2010－k2－1);黑龍江省建設集團有限公司聯合科研項目(MH20100436).

王鳳來(1971—)，男，教授，博士生導師.

王鳳來 ，wflai@sina.com.

(編輯 趙麗瑩)