【导言】近年来，绿色低碳成为高质量发展的鲜明底色，我国建筑领域能耗与碳排放成为全社会能耗与排放的重要组成部分，充分了解和分析当前我国建筑能耗与碳排放现状具有重要意义。为此，《建筑结构》杂志特别邀请中国建筑科学研究院建筑设计院副总工程师赵彦阁，从结构方案设计、材料低碳设计、结构适应性等方面对建筑碳排放进行系列解读，以期为从业者提供参考。
一
概述
承接前人工作（），本文主要研究不同结构运行条件对碳排放的影响。
二
结构用途碳排放分析
本文将分别分析结构设计使用寿命、结构耐久性、结构适应性对碳排放的影响。
2.1 结构设计经验
2.1.1 研究思路与假设
根据《工程结构通用规范》（GB 55001-2021）第2.2.2条规定，建筑结构使用年限不应小于表1的规定：
表1 房屋建筑工程年限
可见，普通民用住宅的设计使用年限为50年，因此本文以设计使用年限为50年的常规项目为基础，分析不同设计使用年限对结构性碳排放的影响，并做出以下假设：
1）运营期间年碳排放量随着设计使用年限的增加而减少；
2）基于年运营碳排放量比例增长和恒定值两个假设，分析了结构耐久性对碳排放的影响。
2.1.2 等比例假设下的设计使用年限与碳排放分析
（1）碳排放量计算公式
假设建筑运行碳排放量逐年按比例增加，则一栋设计使用年限为Y年、运行时间X年的建筑，其单位面积碳排放量计算公式为：
CYX=CYD+CYX(1-γYX)/(1-γY)
式中：CYX为设计使用年限Y年、运营X年的建筑单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYD为建筑隐含碳排放强度（kgCO2/m2），C50D取640，C100D取50年的1.2倍；运营年限不足50年的，取640，50~100年之间采用线性插值；CYX为建筑运营第1年的碳排放强度（kgCO2/m2）；γY为建筑当年碳排放强度与上一年碳排放强度的比值，γ50取1.01，γ100取1.005。
（2）碳排放计算与分析
基于上述参数，在等比例假设下计算不同设计使用年限建筑的碳排放量，计算结果如表2及图1至图4所示：
表2 等比例假设下建筑碳排放计算结果
单位：千克二氧化碳/平方米
注：设计使用年限为50年的建筑，当使用年限大于50年时，不计算加固、改造产生的碳排放。
图1 不同设计年限城镇居住建筑（不含北方采暖）碳排放
图2 不同设计年限城镇居住建筑（北方采暖）碳排放
图3 不同设计年限公共建筑（北方采暖除外）碳排放
图4 不同设计年限公共建筑（北方采暖）碳排放
2.1.3 定值假设下的设计使用年限与碳排放分析
（1）碳排放量计算公式
假设建筑运行碳排放量不变，设计使用年限为Y年，运行时间X年的建筑，其单位面积碳排放量计算公式为：
CYX=CYD+CYXX
式中：CYX为设计使用年限Y年、运营X年的建筑单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYD为建筑隐含碳排放强度（kgCO2/m2）；CYX为建筑运营第一年的碳排放强度（kgCO2/m2）。
CYD=CYα
式中：CY为建筑初始隐含碳排放强度，可取640kgCO2/m2；α为增量系数，当设计使用年限为100年时取1.2，小于或等于50年时取1.0，50~100年之间采用插值法。
（2）碳排放计算与分析
基于上述参数，在等比例假设下计算不同设计使用年限建筑的碳排放量，计算结果如表3和图5所示：
表3 定值假设下建筑碳排放计算结果
单位：千克二氧化碳/平方米
注：对于设计使用年限50年的建筑，当使用年限大于50年时，按照改造加固相应增加碳排放量500kgCO2/m2。
2.1.4 总结
通过以上分析和计算可以得出以下结论：
（1）当建筑运营产生的碳排放量逐年增加时：
①设计使用年限越长，建筑隐含碳排放量越高，建筑运行碳排放年增长率越低；
② 设计使用年限100年的建筑与设计使用年限50年的建筑碳排放量对比如图5所示：
图5 设计寿命为100年的建筑与设计寿命为50年的建筑的碳排放量比较
（2）当建筑运行产生的碳排放量一定时：
当建筑寿命在50年以内时，设计使用年限为50年，碳排放量较低；当建筑寿命在50年以上时，设计使用年限为100年，碳排放量较低。
2.2 结构耐久性
2.2.1 研究思路与假设
结构耐久性是指结构或构件在环境条件和正常维护使用条件下，在设计使用寿命内保持其适用性和安全性的能力。
1）混凝土结构：应根据结构的设计使用年限、结构所处的环境类别、环境作用水平进行耐久性设计。一般情况下应按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010）进行耐久性设计，特殊情况下应按照《混凝土结构耐久性设计标准》（GB/T 50476）进行耐久性设计；
2）钢结构：耐久性包括腐蚀防护、累积损伤、磨损等。设计应按照《钢结构设计标准》（GB 50017）和《建筑钢结构防腐蚀技术规范》（JGJ/T 251）进行。
混凝土结构耐久性的一个重要指标是使用年限，由于常规工程的设计使用年限为50年，本文取耐久性年限50年分析结构碳排放影响，并做出如下假设：
1）不同的耐久年限会影响结构的年运行碳排放量，随着耐久年限的增加，年运行碳排放量减少；
2）基于年运营碳排放量比例增长和恒定值两个假设，分析了结构耐久性对碳排放的影响。
2.2.2 等比例假设下的耐久性与碳排放分析
（1）碳排放量计算公式
假设建筑运行碳排放量逐年按比例增加，则耐久性设计年限为Y年、运行X年的建筑单位面积碳排放量计算公式为：
CYX=CYD+CYX(1-γYX)/(1-γY)
式中：CYX为耐久性设计年限为Y年、运营X年的建筑单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYD为建筑体现碳排放强度（kgCO2/m2），C50D取640，C100D取50年的1.05倍；运营年限不足50年的，取640，50~100年之间采用线性插值；CYX为建筑运营第1年的碳排放强度（kgCO2/m2）；γY为建筑当年碳排放强度与上一年碳排放强度的比值，γ50取1.01，γ100取1.008。
（2）碳排放计算与分析
基于以上参数，在等比例假设下计算不同耐久性使用年限建筑的碳排放量，计算结果如表4和图6-9所示：
表4 等比例假设下建筑碳排放计算结果
单位：千克二氧化碳/平方米
注：耐久性设计年限为50年的建筑，当使用年限大于50年时，不包含加固、改造产生的碳排放。
图6 不同耐久性设计年限城镇居住建筑（不含北方采暖）碳排放
图7 不同耐久性设计年限城镇居住建筑（北方采暖）碳排放
图8 不同耐久性设计年限公共建筑（北方采暖除外）碳排放
图9 不同耐久性设计年限公共建筑（北方采暖）碳排放
2.2.3 恒定值假设下的耐久性设计寿命与碳排放分析
（1）碳排放量计算公式
假设建筑运行碳排放量不变，耐久性设计年限为Y年，运行X年的建筑单位面积碳排放量计算公式为：
CYX=CYD+CYXX
式中：CYX为耐久性设计年限为Y年、运营X年的建筑单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYD为建筑隐含碳排放强度（kgCO2/m2）；CYX为建筑运营第一年的碳排放强度（kgCO2/m2）。
CYD=CYα
式中：CY为建筑初始隐含碳排放强度，可取640kgCO2/m2；α为结构耐久性增加系数，耐久性设计年限为100年时取1.05，小于等于50年时取1.0，50~100年之间采用插值法。
（2）碳排放计算与分析
基于上述参数钢结构梁计算公式中的γ，在恒定值假设下计算不同耐久性设计年限建筑的碳排放量，计算结果如表5所示：
表5 定值假设下建筑碳排放计算结果
单位：千克二氧化碳/平方米
注：对于耐久性设计年限为50年的建筑，当使用年限大于50年时，按照改造加固措施增加碳排放量500kgCO2/m2。
2.2.4 总结
通过以上分析和计算可以得出以下结论：
（1）当建筑运营产生的碳排放量逐年成比例增加时：
①耐久性设计年限越长，建筑隐含碳排放量越高，建筑运行碳排放年增长率越低；
② 耐久性100年建筑与耐久性50年建筑碳排放量对比如图10所示：
图10 耐久性设计年限100年与50年建筑碳排放对比
（2）当建筑运行产生的碳排放量一定时：
当建筑寿命小于50年时，耐久性设计年限为50年，碳排放量较低；当建筑寿命大于50年时，耐久性设计年限为100年，碳排放量较低。
2.3 结构适应性
2.3.1 研究思路与假设
结构适应性是指结构适应使用功能和空间变化的能力，也是结构弹性的一个方面。实现结构适应性的主要手段有：
①开放式结构布局：主要指结构构件（特别是竖向构件）的开放式布局和较大的间距。后期可调整非结构构件的布置以适应使用功能和空间变化引起的变化，结构构件不作改变或改变甚少。在具体应用中，公共建筑可采用大空间结构布局，住宅建筑可采用屋内无或少结构墙的布局。
②增加局部荷载：建筑在使用过程中，往往由于某些要求的变化（如机电系统的改进等）而使个别空间荷载增大，从而引起相关区域结构改造加固。因此，在设计之初，可预留这部分房间荷载，以调整情况，不需进行结构改造加固。
本节依然基于等比例假设和恒定值假设进行碳排放分析。
2.3.2 等比例假设下的设计使用年限与碳排放分析
（1）碳排放量计算公式
假设建筑运行碳排放量逐年按比例增加，利用结构适应性计算X年建筑运行单位面积碳排放量的公式为：
CC=CYC+C0(1-γCX)/(1-γC)
式中：CC为结构适应性建筑X年单位面积碳排放量(kgCO2/m2)；CYC为结构适应性后建筑隐含碳排放强度(kgCO2/m2)；C0为建筑运营第1年碳排放强度(kgCO2/m2)；γC为建筑当年碳排放强度与上一年碳排放强度之比，采用开放式结构时为1.008，增加局部荷载时为1.009。
CYC=CYα
式中：CY为建筑初始隐含碳排放强度，可取640kgCO2/m2；α为结构适应性增加系数，结构布置开放时取1.02，增加局部荷载时取1.01。
（2）碳排放计算与分析
根据以上参数，在等比例假设下计算建筑有无结构适应性措施的碳排放量，计算结果如表6及图11-14所示：
表6 等比例假设下建筑碳排放计算结果
单位：千克二氧化碳/平方米
图11 城市居住建筑采取结构适应性措施前后碳排放对比（北方不含采暖）
图12 城市居住建筑采取结构适应性措施前后碳排放对比（北方采暖）
图13 公共建筑采取结构适应性措施前后碳排放对比（北方采暖除外）
图14 公共建筑采取结构适应性措施前后碳排放对比（北方供暖）
2.3.3 定值假设下的设计使用寿命与碳排放分析
（1）碳排放量计算公式
假设建筑运行碳排放量不变，利用结构适应性计算X年建筑运行单位面积碳排放量公式为：
CCX=CYC+C0X
其中：CCX为X年内采用结构适应性后建筑单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYC为结构适应性后建筑隐含碳排放强度（kgCO2/m2）；C0为建筑投入运营第一年碳排放强度（kgCO2/m2）。
CYC=CYα
式中：CY为建筑初始隐含碳排放强度，可取640kgCO2/m2；α为结构适应性增加系数，结构开放时取1.02，局部荷载增加时取1.01。
（2）碳排放计算与分析
基于以上参数，在定值假设下，计算建筑采取和不采取结构适应性措施的碳排放量，计算结果如表7所示：
表7 定值假设下建筑碳排放计算结果
单位：千克二氧化碳/平方米
2.2.4 总结
经过以上计算与分析，可以得出以下结论：
（1）当建筑运营产生的碳排放量逐年增加时：
①具有结构适应性，建筑隐含碳排放量较高，但建筑运行碳排放年增长率较低；
②采取结构适应性与不采取结构适应性时的碳排放对比，如图15所示：
图15 有无结构适应性碳排放对比
（2）当建筑物每年的碳排放量一定时：
当建筑寿命小于50年时，不采用结构适应性设计，碳排放较低；当建筑寿命大于50年时，采用结构适应性设计，碳排放较低。
三
总结
以上分析表明，不同结构运行状态下建筑的碳排放呈现以下规律：
3.1设计使用寿命：
1）当建筑运行碳排放逐年按比例增加时，设计使用年限越长，建筑隐含碳排放量越高，建筑运行碳排放量年增长率越低。当建筑运行30年时，设计使用年限50年和100年的建筑碳排放量基本相同；随着建筑运行时间的减少，使用年限越长，碳排放量越高；随着建筑运行时间的增加，使用年限越长，碳排放量越低。
2）当建筑运行碳排放一定时，当建筑寿命小于50年时，按设计使用年限50年计算的碳排放较低；当建筑寿命大于50年时，按设计使用年限100年计算的碳排放较低。
3.2结构耐久性：
1）当建筑运行碳排放逐年按比例增加，采用结构适应性时，建筑隐含碳排放量高，建筑运行碳排放年增长率低。当建筑运行时间30年时，耐久性设计年限50年和100年的建筑碳排放量基本相同；随着建筑运行时间的减少，耐久性设计年限越长，碳排放量越高；随着建筑运行时间的增加，耐久性设计年限越长，碳排放量越低。
2）当建筑运行碳排放一定时，当建筑寿命小于50年时，按照耐久性设计年限50年设计的碳排放较低；当建筑寿命大于50年时，按照耐久性设计年限100年设计的碳排放较低。
3.3结构适应性：
1）具备结构适应性的建筑隐含碳排放量高，建筑运行碳排放年增长率低。当建筑运行30年时，采用结构适应性设计的建筑与未采用结构适应性设计的建筑碳排放量基本相同；随着建筑运行时间的减少，采用建筑适应性设计的建筑碳排放量较高；随着建筑运行时间的增加，采用适应性设计的建筑碳排放量明显低于未采用适应性设计的建筑。
2）当建筑年运行碳排放量一定时，若建筑寿命小于50年，设计中不采用结构适应性，碳排放量会较低；若建筑寿命大于50年，采用结构适应性，碳排放量会较低。
3.4 结论
总结以上分析，基于等比例增长假设的各种条件下的碳排放如图16所示。可以看出，设计使用年限100年，使用100年后碳排放回报率为1（20%/20%=1），而耐久年限100年的碳排放回报率为2（10%/5%=2）钢结构梁计算公式中的γ，结构适应性为5（15%/3%=5）。因此，在低碳结构设计时，应优先考虑结构适应性，其次是耐久年限100年，最后才是设计使用年限100年。
图16 不同结构使用条件下碳排放对比
感谢建筑科学研究院专家孙倩协助稿件准备和计算分析。
自我介绍
赵彦阁，男，1977年10月出生，毕业于中国建筑科学研究院，获硕士学位，清华大学土木工程博士学位，结构工程专业，现任中国建筑科学研究院有限公司建筑设计院第一设计院副院长、副总工程师，建筑检测与评价研究中心主任，建筑工业化中心副主任，绿色建筑中心副主任，教授级高级工程师。 是建筑结构行业首届杰出青年，中国建筑学会工程诊断与运维分会理事，中国建筑学会结构分会青年理事，中国岩石力学与工程学会岩土基础工程分会理事，中国工程建设标准化协会绿色建筑与生态城市分会理事，中国绿色建筑与节能委员会委员，中国亚洲经济发展协会绿色建筑建材委员会委员，北京装配式建筑专家委员会委员，中国工程建设标准专家库特邀专家。
擅长复杂结构设计与研究、装配式建筑设计与研究、绿色建筑设计与研究等。参与中国国家博物馆、成都来福士广场等结构设计项目30余项，北京贵宾楼、厦门英兰国际金融中心等咨询项目50余项；负责天津周大福金融中心、卧龙大熊猫基地等绿色建筑、装配式建筑相关设计、咨询项目100余项；发表核心期刊论文20篇；参与科研项目及标准20余项；获华夏建设科学技术奖二等奖1项，省部级奖励30余项。
