建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的減碳措施及木結(jié)構(gòu)的減碳優(yōu)勢分析

張義長 鄧 超 江 超 曾昭英

(1.湖南省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410003；2.建筑工業(yè)化技術(shù)及安全控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410003）

0 引言

2015年第21屆聯(lián)合國氣侯變化大會(huì)通過的《巴黎協(xié)定》制定了人類社會(huì)應(yīng)對氣侯變化的長期目標(biāo)——相較于前工業(yè)化時(shí)期的全球平均溫升控制在2℃（并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)），2020年9月我國對世界宣布了“2030 年碳達(dá)峰，2060 年碳中和”的目標(biāo)(“雙碳”目標(biāo))，由此可見全球變暖己成為全人類的共同挑戰(zhàn)[1]。建筑業(yè)具有高能耗、高碳排放的特點(diǎn)，在保持建筑業(yè)正常發(fā)展的情況下，逐年降低建筑業(yè)碳排放量成為“雙碳”目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)的必然要求。

建筑全生命周期的碳排放基本分為建材生產(chǎn)和運(yùn)輸階段、建筑建造和拆除階段、建筑運(yùn)行階段。其中建筑運(yùn)行階段的碳排放占全生命周期碳排放約42.8%，建材生產(chǎn)和運(yùn)輸階段的碳排放占比約55.2%，建造和拆除階段的碳排放占比僅為2%[2]。而建筑材料的種類、建筑材料的用量、建筑節(jié)能和可再生能源的利用、建筑設(shè)備的選型及運(yùn)行方式、是否采用裝配式建造、碳匯等方面，在建筑的設(shè)計(jì)階段己基本確定。因此在建筑業(yè)降低碳排量的實(shí)踐中,建筑設(shè)計(jì)起到了關(guān)鍵的引領(lǐng)作用，低碳設(shè)計(jì)的理念應(yīng)貫穿到建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)專業(yè)和各個(gè)環(huán)節(jié)。

建筑設(shè)計(jì)的減碳措施一般包括節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和碳匯等方面，其中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑減碳方面主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)選材、新技術(shù)的應(yīng)用、裝配式建筑的應(yīng)用、延長既有結(jié)構(gòu)使用年限等方面。木材具有天然的固碳特性，應(yīng)在結(jié)構(gòu)選材中得到重視。本文對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的減碳措施及木結(jié)構(gòu)的減碳優(yōu)勢進(jìn)行分析。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要減碳措施

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的減碳措施有結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)選材、新技術(shù)應(yīng)用、裝配式建筑的應(yīng)用、延長既有結(jié)構(gòu)使用年限等。

1.1 結(jié)構(gòu)選型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用規(guī)則結(jié)構(gòu)或一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)規(guī)則有利于減少結(jié)構(gòu)整體材料用量，達(dá)到節(jié)材減碳效果。

在建筑方案階段應(yīng)控制建筑的規(guī)則性，如高寬比、平面凹凸、層高變化、豎向體型變化和功能布置等方面，并通過合理設(shè)置抗震縫調(diào)整結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，減少結(jié)構(gòu)薄弱部位，提高抗震性能。除受建筑功能限制或紀(jì)念性、展示性建筑外，應(yīng)減少“奇奇怪怪”的建筑。

1.2 結(jié)構(gòu)選材

當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)的單位建筑面積碳排放通常高于鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)或砌體結(jié)構(gòu)[3]，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，政府應(yīng)出臺(tái)更多政策鼓勵(lì)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。有條件的地方，根據(jù)項(xiàng)目的條件適當(dāng)推廣木結(jié)構(gòu)形式。

混凝土結(jié)構(gòu)也可以通過使用高強(qiáng)鋼筋、研發(fā)低碳材料、新型減量化結(jié)構(gòu)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)，保持在低碳設(shè)計(jì)中的競爭力。如推廣使用HRB500鋼筋、CRB600H鋼筋、預(yù)應(yīng)力大板樓蓋等。

1.3 新技術(shù)的應(yīng)用

減隔震技術(shù)把建筑抗震的思路，由傳統(tǒng)的提高建筑物的抗震承載力，改為減少對建筑物的地震能量輸入和減小結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)，給建筑物抗震設(shè)計(jì)提供了新的方案。

對于高烈度地區(qū)和對抗震設(shè)防要求較高的新建建筑，可以采用隔震、消能減震技術(shù)，以達(dá)到節(jié)材減碳的效果。將隔震技術(shù)和消能減震技術(shù)應(yīng)用到既有結(jié)構(gòu)的加固中也有良好的效果[4-5]，相較傳統(tǒng)的加固技術(shù)，具有綜合造價(jià)低、施工周期短、對既有結(jié)構(gòu)影響小的優(yōu)點(diǎn)，也具有明顯的減碳效果。

1.4 裝配式建筑的推廣

裝配式建筑的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在能有效改善施工現(xiàn)場環(huán)境、提高施工效率、節(jié)約資源和減少建筑垃圾的產(chǎn)生[6]。近年來各地區(qū)都加大了裝配式建筑體系及技術(shù)的研究，隨著裝配式建筑施工工藝和技術(shù)越發(fā)成熟，裝配式建筑將有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

采樣電路主要是由3個(gè)電流采樣電路和4個(gè)電壓采樣電路構(gòu)成。采樣方式方面選擇信號(hào)隔離的采樣的方式。電壓信號(hào)的采樣在此選用微型精密電壓互感器ZMPT107。電流采樣方面選用微型精密電流互感器ZMCT101B。實(shí)驗(yàn)裝置中電流的最大值不到 1 A,測量電阻選用Ro=500 Ω,輸出電壓峰峰值為 1.0 V。由于開關(guān)管的高頻動(dòng)作,采樣信號(hào)中存在很大的高頻諧波分量,采用一個(gè)截止頻率fc=10 kHz,阻尼系數(shù)ζ=1.45的巴特沃斯濾波器進(jìn)行濾除。

1.5 延長既有結(jié)構(gòu)使用年限

當(dāng)前我國建筑結(jié)構(gòu)平均壽命遠(yuǎn)小于發(fā)達(dá)地區(qū)平均水平[7]和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限（50年），應(yīng)通過限制大拆大建并發(fā)展結(jié)構(gòu)改造和加固技術(shù)以延長既有結(jié)構(gòu)的使用年限。

延長既有結(jié)構(gòu)的使用年限，既可以減少建筑拆除階段的碳排放，又可以有效減少新建建筑的開工量。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注提高結(jié)構(gòu)的耐久性，行業(yè)管理部門應(yīng)加強(qiáng)對既有建筑的維護(hù)和改造管理。

2 木結(jié)構(gòu)低碳特性

木結(jié)構(gòu)可有效地儲(chǔ)碳，被譽(yù)為城市的“第二森林”，木結(jié)構(gòu)作為一種可持續(xù)發(fā)展材料，具有明顯的低碳特性。

2.1 木材具有天然的固碳特性

木材作為自然生長的材料，在生長過程中會(huì)吸收二氧化碳。有文獻(xiàn)[8]指出，合理的種植和采伐有利于促進(jìn)森林里樹木生長，在建筑中適當(dāng)增加木材的使用能促進(jìn)森林資源的可持續(xù)發(fā)展，助力建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 木結(jié)構(gòu)有利于綠色建造的發(fā)展

木材相較于其它材料，更容易加工?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的所有結(jié)構(gòu)件和連接件都可在工廠標(biāo)準(zhǔn)加工生產(chǎn)，而且可以組裝成具有某一功能或功能組合的模塊再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場組裝。

木結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，節(jié)點(diǎn)連接安裝容易，對現(xiàn)場的人力和器械的要求也低于其他結(jié)構(gòu)形式。木結(jié)構(gòu)房屋施工安裝速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于混凝土和砌體結(jié)構(gòu)建筑，大大縮短了工期，節(jié)省了人工成本，施工質(zhì)量得以保證，木結(jié)構(gòu)房屋也易于改造和維修。施工現(xiàn)場沒有成堆的磚頭、鋼筋、水泥和塵土，減少了工地垃圾及清理工作，真正做到環(huán)保節(jié)能，實(shí)現(xiàn)綠色建造。

2.3 木結(jié)構(gòu)節(jié)約資源和能源

木結(jié)構(gòu)建筑的主要建材是天然綠色環(huán)保的物質(zhì)材料，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，對水、空氣的污染程度更低，對能源的消耗更少，產(chǎn)生的溫室氣體及固體廢物更少。

木結(jié)構(gòu)建筑的保溫節(jié)能功能比較突出，其主要原因是在木材的微觀結(jié)構(gòu)中，存在很多微小空腔，空腔的存在能顯著改善木材的天然熱效率，使得木材有比鋼材和混凝土更高的阻擋熱量散發(fā)的能力。所以，在同等隔熱效果下，鋼筋混凝土建筑需要使用更多的隔熱材料。

3 木結(jié)構(gòu)建筑減碳優(yōu)勢分析

某幼兒園位于湖南長沙，采用木+混凝土組合結(jié)構(gòu)。一層采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，二、三層采用木框架—支撐結(jié)構(gòu)和SPF木樓板，見圖1所示。

圖1 某幼兒園建筑實(shí)景

該工程施工圖按木+混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)按全混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比設(shè)計(jì)。對兩種結(jié)構(gòu)體系的主要建筑材料用量進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行碳排放計(jì)算，以比較兩種結(jié)構(gòu)體系的主要材料碳排放量。

主要建筑材料碳排放計(jì)算如下列公式[9]：

式中：

Csc——主要建筑材料碳排放量，kgCO2e；

Mi——第i種材料的消耗量；

Fi——第i 種材料的碳排放因子，kgCO2e/單位建材數(shù)量。

計(jì)算兩類結(jié)構(gòu)的主要材料用量和腳用架的工程量，并根據(jù)相應(yīng)碳排放因子計(jì)算兩類結(jié)構(gòu)的碳排放量，見表1。

表1 木+混凝土組合結(jié)構(gòu)與混凝土框架結(jié)構(gòu)主要建筑材料碳排放對比

由表1可知，相較現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，木+混凝土混合結(jié)構(gòu)的碳排放量減少了26%，有明顯的減碳效果。

4 結(jié)束語

“雙碳”目標(biāo)給建筑行業(yè)發(fā)展提供了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，建筑設(shè)計(jì)在建筑行業(yè)減碳中起到引領(lǐng)作用，低碳設(shè)計(jì)的理念應(yīng)貫穿到建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)專業(yè)和各個(gè)環(huán)節(jié)。本文提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要減碳措施，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的具體特點(diǎn)，采用合適的技術(shù)措施減少碳排放。對某木結(jié)構(gòu)幼兒園的結(jié)構(gòu)減碳計(jì)算表明，相較現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)建筑具有明顯的低碳特性，可在部分項(xiàng)目中推廣使用木結(jié)構(gòu)。