【导读】近年来，绿色低碳成为高质量发展的鲜明底色。我国建筑业能源消耗和碳排放已成为全社会能源消耗和排放的重要组成部分。全面了解和分析我国建筑能耗和碳排放现状具有重要意义。为此，《建筑结构》杂志特邀中国建筑科学研究院副总工程师赵彦阁从结构方案设计、低碳材料设计、结构适应性、等，以期为从业者提供参考。
1. 概述
2020年9月22日，中国政府在第75届联合国大会上提出：“中国将加大国家自主贡献力度，采取更有力的政策措施，力争2030年之前实现二氧化碳排放峰值，力争2060年实现年度碳中和”，简称“双碳目标”。 2021年10月，《关于全面准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰和碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动计划》发布。这两个重要文件的相继出台，共同构建了我国碳达峰和碳中和“1+N”政策体系的顶层设计，重点领域和行业的配套政策将根据上述意见逐步出台。计划。
建筑业是我国的“碳排放大户”。中国建筑节能协会去年底发布的《中国建筑能耗与碳排放研究报告（2021）》显示，2019年全国建筑全过程碳排放总量为49.97亿吨。二氧化碳占全国碳排放量的50.6%。因此，建筑业碳排放控制将是实现“双碳目标”的关键。
图 1：碳中和和碳峰值说明
影响建筑碳排放的因素有很多，其中建筑结构形式的选择是一个重要因素。目前，建筑中最常用的结构形式是混凝土结构和钢结构，约占总数的95%；其中混凝土结构占90%，钢结构占5%。对于采用上述两种结构形式的建筑类型，碳排放量较低，国内研究还不够。本文将根据不同的建筑形式，结合《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）对混凝土结构和钢结构建筑的碳排放量进行分析，为混凝土结构和钢结构建筑的相关研究提供参考。行业。
2.碳排放分析
不同的结构形式适用于不同的建筑类型。混凝土结构适用于各种常规建筑形式，而钢结构建筑多用于大跨度或高层公共建筑。近年来，由于各地对装配式建筑的相关要求，钢结构也开始应用于多层公共建筑或住宅建筑。项目。建筑物的地下室部分通常采用混凝土结构，因此本文仅分析地上建筑物。结合这两种材料的应用范围，本文将按照多层公共建筑、高层公共建筑和住宅建筑三种建筑形式对混凝土结构和钢结构的碳排放进行分析。
建筑全生命周期碳排放可分为四个阶段：①建筑材料生产和运输，②建筑施工，③建筑运营，④建筑拆除。同时钢结构寿命，考虑到部分结构材料在拆解后可以转化为可重复使用或可回收材料，从而形成负碳效果，因此增加了负碳技术。因此，结构材料的碳排放量计算公式可为：
C=CJC+CJZ+CM+CCC+CF
式中：C为单位建筑面积碳排放量； CJC为①建筑材料生产、运输阶段单位建筑面积的碳排放量； CJZ为建筑施工阶段单位建筑面积的碳排放量； CM 是建筑物的③运营。各阶段单位建筑面积碳排放量； CCC为建筑第④拆除阶段单位建筑面积的碳排放量； CF为负碳技术中单位建筑面积的碳排放量。
据统计分析，CJZ+CCC（建造和拆除阶段的碳排放）占建筑碳排放量不足8%；同时，结构材料的变化对CM（建筑运营期间的碳排放）几乎没有影响；因此，本文将重点分析CJC和CF，不会分析CJZ、CM和CCC。
2.1 参数分析
根据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）第6.2.1条和第6.3.1条，CJC与材料使用量和相应材料的碳排放因子有关。结构中使用的材料量受到许多因素的影响。为了便于分析，本文主要指北京建设项目。假设抗震设防烈度为8度，场地土类为Ⅲ类，基本风压为0.45kN/㎡，基本雪压为0.40kN/㎡。结构材料的碳排放因子与材料强度等级密切相关，因此数字略有差异。为了便于比较分析，本文结构材料的碳排放因子统一按照《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）取：混凝土320 kg CO2e/m3（按C35级，工程价值中应用最广泛），钢筋/钢材2350 kg CO2e/t。
结构材料有许多负碳技术。鉴于混凝土结构和钢结构的对比需求，本文中的负碳技术主要是指结构材料的再利用。混凝土材料的再利用主要是再生混凝土。由于再生混凝土和普通混凝土的碳排放几乎相同，因此被认为是0。再利用的钢筋和钢材通过电炉炼钢技术实现负碳。根据再利用的难易程度，钢筋的再利用率为60%，型钢的再利用率为90%。电炉炼钢碳排放系数为600.kg CO2e/t。
2.2 碳排放量计算
根据上述参数分析，多层公共建筑、高层公共建筑和住宅建筑三种地上建筑类型的混凝土结构和钢结构的CJC和CF计算结果如表1至表3所示：
表1：多层公共建筑混凝土结构和钢结构的CJC和CF计算
表2：高层公共建筑混凝土结构和钢结构的CJC和CF计算
表3：住宅建筑混凝土结构和钢结构的CJC和CF计算
注：1）表中材料用量来自各房地产公司数据，并取平均值； 2）混凝土材料运输距离40公里，钢筋、钢材运输距离500公里。
2.3 碳排放分析
根据上述计算结果，多层公共建筑、高层公共建筑和住宅建筑中混凝土结构和钢结构材料的CJC分析见表4，CJC+CF分析见表5。
表4：混凝土结构和钢结构的CJC分析
表5：混凝土结构和钢结构的CJC+CF分析
由上可见，钢结构在建筑材料生产和运输阶段的碳排放CJC比混凝土结构高20%。考虑负碳技术CF后，钢结构的CJC+CF碳排放比混凝土低27%。
上述计算分析以北京地区为基础，按照多层公共建筑、高层公共建筑和住宅建筑三种地上建筑形态，对钢结构和混凝土建筑进行CJC+CF碳排放分析。对于其他地区、其他建筑形式，其规则基本相同，因为材料的用量具有一定的相对性。同时，由于在建筑的②施工阶段和建筑拆除阶段，钢结构的碳排放量会略低于混凝土，而在③建筑运营阶段，钢结构的碳排放量会略低于混凝土结构的碳排放量。两者是等价的。因此，钢结构在①+②+③+④阶段的碳排放量比混凝土结构高出约60kgCO2/㎡。但基于全生命周期，考虑负碳CF，钢结构的碳排放量约为50~80kgCO2/㎡。
三、总结与展望
根据上述分析，可以得出以下结论：
（1）考虑全生命周期后，钢结构在①建材生产运输+②建筑施工+③建筑运营+④建筑拆除+⑤碳负技术阶段单位建筑面积碳排放量约为比混凝土结构低50%。 ～80kgCO2/㎡；
(2)在低碳结构设计中，应优先考虑低碳钢结构形式；
（3）钢铁生产过程产生高碳排放。钢铁生产阶段亟待改进工艺、减少碳排放。
同时，鉴于本文的局限性，未来展望如下：
（1）本文仅对主要结构材料进行碳排放分析。后期添加其他建筑材料钢结构寿命，并进行全面的碳排放分析；
(2) ③在建筑运营阶段的碳排放分析中，结构维护和改造，如钢结构的防火防腐、结构改造和加固等对碳排放的影响为不考虑。后期还需进一步研究。
感谢审稿人：中国建筑科学研究院韦婷婷、孙茜。
个人介绍
赵彦阁，男，1977年10月出生，中国建筑科学研究院硕士研究生，清华大学土木工程系结构工程专业博士研究生。现工作单位为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。建筑结构行业首届杰出青年、中国建筑学会工程诊治与运行维护分会理事、中国建筑学会结构分会青年理事、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、中国工程建设标准化协会绿色建筑与生态城市。分会主任、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。
专业领域包括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。完成中国国家博物馆、成都来福士广场等结构设计项目30余项，咨询项目50余项如北京贵宾酒店、厦门英兰国际金融中心等；负责天津周大福金融中心、卧龙大熊猫基地等100个项目。多项绿色建筑、装配式建筑相关设计及咨询项目；在核心期刊发表论文20篇；参与了20多项有关各种主题和标准的研究；获中国建筑科学技术奖二等奖1项，省部级以上奖项30余项。
