超高層建筑結構優化過程中的環境成本計算

趙 昕，方 朔

（同濟大學 a.建筑設計研究院（集團）有限公司；b.土木工程學院，上海200092）

近年來，人們越來越關注氣候變暖問題。2009年，世界氣候大會在丹麥哥本哈根召開，與會者討論了全球矚目的氣候變化對地球和人類的潛在影響，深化了有關共識。2007年中國在發展中國家中第一個制定并實施了應對氣候變化國家方案，2009年確定了到2020年單位國內生產總值溫室氣體排放比2005年下降40%～45%的行動目標［1］。

截至2012年5月初，大陸規劃、在建和建成的超過300m的超高層建筑數量超過40座，超過600m的有3座（上海中心、武漢綠地中心、深圳平安國際金融大廈）。我國建筑總能耗占全國總能耗的20%～30%［2］。大陸的超高層建筑建設熱潮必將會對環境產生巨大的影響（見圖1），制定相應的環境成本評估和計算方法勢在必行。

氣候變暖是人們最關心的議題。全生命周期的環境成本（見圖2）中重要的氣體參數有二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、六氟化硫、全氟碳化物以及氫氟碳化物等。筆者僅以二氧化碳為例，分析其與超高層建筑結構優化的關系，其他GHG氣體排量乘以相應的GWP值即可得出相關影響。筆者只涉及了結構工程師能夠直接觸及的設計領域，即直接與結構相關的碳排放［3］（見圖3）。

圖1 超高層建筑對環境的影響

圖2 生命周期環境成本［3］

圖3 結構設計與建筑整體的關系［4］

1 基于生命周期時空模型（Time－space based life cycle model，TSLCM）的結構優化設計方法

1.1 生命周期盤查

1.1.1 范圍與系統邊界

從材料和能源的角度，建筑的生命周期是指從生產材料的開采，構件的加工制造（包括運輸過程）、施工、運行與維護直到建筑的拆除與處理（廢棄、再循環和再利用等）。

1）盤查范圍

為計算方便及明晰概念，很多材料并不考慮其完整的生命周期。做出以下假設。

a）能源：只考慮工廠一級的能源輸入，不向上追溯；不計能源損耗，假設在使用過程中全部按照一定的氧化規律轉化成了二氧化碳。

b）生產階段：考慮主要供應工廠，從其他工廠補充的少量材料的碳排放以主要工廠的標準計算。對于粉煤灰、高爐礦渣等工業副產品，隱含碳數值很大，但由于是發電廠的廢棄資源分選而成，故不計入建筑生命周期的碳排放。

c）固化碳、生物質能燃料和可再生能源不進行碳排放計算，但是會被列為重要的參考變量。

2）系統邊界

現在主要有3種統計范圍［6］：“從搖籃到大門（cradle－togate）”包括原料開采及生產的階段；“從搖籃到墳墓（cradleto－grave）”包括了從原料開采、加工生產、安裝、使用及處理等階段；“從搖籃到搖籃（cradle－to－cradle）”就是把“從搖籃到墳墓”的評價方式拓展到回收階段，但對于可回收材料的表述并不明確，見圖4。

提出cradle－to－cradle－to－gate新邊界。末段的cradle－togate階段考慮了可回收材料的運輸并進行二次加工的碳排放。這種做法考慮了可回收材料的效用，提高回收利用的積極性。回收再生產階段不但包括對材料的回收利用，還包括對余能余熱的回收利用。

圖4 邊界模型

1.1.2 隱含碳與隱含能

隱含能和隱含碳分別用 MJ／kg和kg·CO2／kg作為各自的單位。對同種材料來說，采用不同的生產商或供應商會顯著影響隱含能與隱含碳的數值；不同的規格特性也會使結果不同，如碳素鋼與不銹鋼，膠合木與鋸材。

其中：C為碳排放；k為二氧化碳排放因子；E為能源量；x為生產過程中化學反應產生二氧化碳的系數（無化學反應時取為1.0）；L為材料量。

隱含碳包括材料相關（material－related）碳足跡和非材料相關（non－material－related）碳足跡。材料相關碳足跡計算直接生產原料有關（如石灰石、砂石的生產加工運輸等）的碳排放，不考慮間接使用的材料有關（如制造施工機械）的碳排放，還包括能源轉移成物質材料（如原油可以制成塑料和橡膠）的碳排放。非材料相關碳足跡主要是運營階段暖通電氣耗能引起碳排放，與材料無關。

建筑能量消耗包括運營能和隱含能。隱含能包括必要隱含能（包括生產和施工階段）和隨機隱含能（包括維修和運營階段）［7］。鋼材的隱含能數值是18.130 7MJ／kg，水泥熟料為3.512 4MJ／kg［8］。

其中：C為建筑碳排放總量；A為建筑使用面積；X為引起運營碳排放的構件；Y為引起隱含碳排放的構件；l為構件生命；N為引起運營碳排放的構件種類；P為獨立構件種類；Q為連接構件系統種類；T為構成單個連接系統的構件種類。

1.2 基于時空的生命周期模型（TSLCM）

1.2.1 模型與時空因素

1）材料分布、生命周期對碳排放的影響

a）材料空間分布

如果材料分布在生命短、可更換構件上，要考慮它的回收再利用性及可降解性，并采用隱含碳數值小的材料；如果材料分布在使用生命長的結構或構件上，應考慮在功能可改變（拓展）性和具有高耐久性［9］。

超高層建筑的結構體系與基本的結構體系相同，具體構件會有所不同（如圖5中第3級），如環帶桁架、伸臂桁架、鋼管（骨）混凝土柱，體量更大。材料組合方式更加復雜、多樣化。

圖5 用戶滿意度 時間曲線

b）材料時間維度

由于超高層建筑體量大，施工時間長，要考慮時間因素［10］（建筑設計年限）及面積，碳排放單位為／（a·m2）。

根據邊際效應遞減規則，隨著建筑生命周期的延伸，單位維修翻新或變更結構用途所帶來的滿意度和建筑結構修復度會越來越小，只有不斷增加維修的強度或是變更結構用途（即增加材料和能源的消耗）才能維持滿意額度［11］。另外，如果在初始階段未考慮到后期的結構變化和需要，投入沒有達到要求，后期倍增投入量才能滿足滿意額度。

有關生產、運輸等技術會隨著時間進步，同等情況下（產品量或是生產工藝），二氧化碳的排放量會減少，要進行折減；由于匯率等影響，不同時期的經濟代價也要換算到同一時期。

其中：S為生命周期內建筑碳排放總量；S0為第一個時間段的碳排放量；n為建筑設計生命周期；ξi為因技術進步、產業結構調整等社會因素造成的碳排放量的年降低率。

2）模型中分離的時空因素

以往的設計不考慮時間和地點的因素（Tukker，2000）。現在引入新的基于時間與地點的模型，這樣不會遺漏必要的碳排放過程（如在工地內發生的生產過程）。

圖6 時間 地點全生命周期模型

其中：C為碳排放總量；i為建筑生命周期第i階段（從1到n），Transportation、Origin、Factory、Site、Deposition、Recycling factory分別對應運輸過程、原料開采地、工廠、工地、廢棄點和回收工廠的碳排放量。

1.2.2 回收處理階段

很多研究嘗試用嚴格而有邏輯的方法［12］考慮回收階段的影響，但很多開發出的方法都還沒有得到大眾的認同。下面提出一種適用于超高層建筑的新方法。

1）回收利用和直接利用

A material is“recycled”if it is used，reused（直接利用）［13］，or reclaimed（回收利用）［13］。這里的直接利用和回收利用都是指在經過這一過程后，材料的類型或規格都不發生變化（例如，混凝土仍然以混凝土的形式被直接利用，或經歷回收再生產后仍是同種規格的混凝土）。

回收利用即將材料粉碎、熔化后作為生產環節原料投入再生產（如可再生混凝土、大部分鋼材等）。直接利用即對材料簡單加工后直接用于房屋建造（如某些磚瓦）。

其中，pi為回收利用率；qi為直接利用率；LCi為工廠重新利用的材料量，kg；LUi為回收后可直接利用不用進入工廠再加工的材料量，kg；Li為材料在拆除前的總量，kg；i為材料種類。

2）補貼方法

單棟建筑拆除后在原址建設，直接利用和回收利用階段的碳排放都采用累加方式，屬于同一建筑周期循環，即封閉環。若進入其他建筑周期中，則屬于開放環［14］。超高層建筑屬于開放環范疇，以下方法適用于開放環。

圖7 回收處理階段開放環（open－loop cycle）和封閉環（closed－loop cycle）

回收利用和直接利用過程主要發生在廣義的生產階段，包括生產和回收再生產，以及運營和拆除階段涉及的生產。定義直接利用材料在第一次建筑周期中碳排放為（A＋0）／2；在下一周期，不計碳排放。回收利用材料在第一次建筑周期中，計算為（A＋A′）／2，傳送到下一周期的為A′／2，以此類推（A為材料生產階段的碳排放，A′為材料回收再生產階段的碳排放）。

其中，P為考慮回收利用與直接利用的碳排放，kg；Xi為第i種建筑材料生產過程中碳排放，t／t；Bi為第i種建筑材料的質量總和，t；S為建筑面積，m2；Y為目標使用時間與施工周期的和，year；p為第i種建筑材料的回廠再利用率；q為第i種建筑材料的直接利用率；Xri為第i種建筑材料的回廠再加工過程碳排放，t／t；n為建筑材料的種類。

1.3 結構優化設計目標

1.3.1 結構優化與隱含碳

結構優化目標：在滿足結構性能的基礎上，在合理時間投入材料，合理位置分布材料，減小材料用量以帶來最小環境成本。結構優化在很大程度上就是隱含碳的優化。

結構一般占建筑整體隱含能的15%～50%［15］，結構構件與建筑其他構件間存在潛在的相互影響。例如，表面平整的結構混凝土能減少粉刷層的使用。在最小化隱含碳的過程中，結構工程師應有效控制各結構指標，不對其他的可持續性指標產生不利影響。

1.3.2 超高層建筑結構設計與隱含碳

在結構初算中，結構自振周期、位移變形（如頂點位移和層間位移）、內力分布（軸壓比限值）等結構指標受到設計人員的經驗和具體的地區規范的影響，由于超高層建筑的體量很大，這些微小的指標改變會對碳排放有很大影響。

圖8 不同規格素混凝土的隱含碳數值

另外，超高層建筑使用的材料規格種類繁多。對工程師來說，不應當采用材料的普適值，而應該根據不同的規格采用相應的數值。Arup的研究［16］表明，混凝土的數據需要反映水泥的配合比與強度，先張法預應力混凝土和預拌混凝土應與普通鋼筋混凝土單元區別對待。

2 超高層結構算例

2.1 數據來源

需要獲取大量宏觀與微觀數據：動態數據如材料及能源輸入量，直接利用材料含量（直接利用率），可回收材料含量（回收利用率），材料運輸方式及里程，施工機械量及方法等；靜態數據如燃料熱值、生產行業的基準數據等。

1）生產階段

對于超高層建筑，主要計算受力單元的碳排放，再進行歸并累加。以1kg鋼筋混凝土空心板算例為例，消耗石灰170 g，骨料850g，鐵礦石14g。燃料消耗0.93MJ，電力消耗0.2 MJ。產生 CO2120g，NO20.55g，SO30.14g，CH40.13g，VOCn0.18g，粉塵0.023g，重金屬20g。

圖9 鋼筋混凝土空心板的碳排放

算例中使用的材料生產碳排放核心數據庫是碳與能源盤查［17］。

2）運輸過程

3）施工運營及拆除階段

根據IPCC統計報告（2006IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories，Volume 2Energy，第1章21～24頁的表1.3和表1.4）和“中國能源統計年鑒2009”，可以得到原煤、焦炭、煤氣、原油、汽油和柴油等主要燃料的含碳量（tc／TJ）及平均低位發熱量（MJ／（t·km3）），進而算出單位燃料的碳排放。

4）回收處理階段

有研究顯示86%的鋼材進入回收階段，只有1%被廢棄［18］。我國回收鋼材重新加工的CO2排放量為原始生產排放量的20%～50%，可取40%計算［19］。

表1 運輸方式單位能耗

2.2 超高層建筑算例

結構高度500m，層高均為5m，共100層，設計使用周期（包含施工周期）100年。整個建筑接近圓形布置，建筑平面沿高度縮進。結構采用“巨型框架—核心筒—外伸臂”結構體系，以混凝土核心筒為主要抗側力體系，巨型框架為次要抗側力體系，外伸臂桁架將巨型框架與核心筒相連，使兩者能有效協同工作。

假設所有原料均為一次性從工廠運輸到工地，距離500km。運營維護階段材料量取可更換構件的材料量及所有非結構材料用量的20%。施工和拆除階段的機械能耗量取為相應階段材料生產能耗的1／10。根據截止到2012年4月底的價格走勢，假定型鋼價格12 000元／t，鋼筋價格4 500元／t，混凝土價格500元／m3。鋼材密度取為7.85t／m3，鋼筋混凝土密度取為2.5t／m3。

1）比較方法

采用在碳排放評價中常用的不同方案的比較方法。首先根據經驗取兩片在幾何和受力上相似但卻具有不同材料組成的剪力墻單元，分別計算它們的控制指標并調整材料配合比使控制指標相同或在5%的誤差之內。這樣就考慮了碳排放指標和經濟指標，還可以酌情考慮結構單元和其他構件間的互相作用，如剪力墻的墻重對可利用空間大小及基礎樁數的影響，見圖10。

圖10 計算剪力墻墻肢

2）第1種受力結構單元

a）初始設計參數

墻肢截面寬1 600mm，長5 000mm，高5 000mm，混凝土C70，鋼材Q345GJ，鋼筋HPB400。設計水平分布鋼筋為6排直徑20mm，沿豎向每250mm均勻布置，配筋率為0.47%，滿足最小配筋率0.4%的要求；縱向受力鋼筋，暗柱區鋼筋直徑28mm，間距200mm；其余鋼筋直徑20mm，間距250mm。經濟花費為48 779元，其中鋼筋消耗0.268 9m3，混凝土消耗78.44m3，見圖11。

b）驗算結果（X、Y向抗剪均為中震彈性控制）

表2 計算結果

圖11 結構整體及截面模型

圖12 剪力墻截面壓彎驗算（XTRACT v3.0.9）

c）碳排放統計

碳排放根據上述假設、數據和方法進行計算，范圍僅涵蓋材料相關的碳排放，數據單位是kg／m2。

3）第2種受力結構單元

a）初始設計參數

墻肢截面寬900mm，長5 000mm，高5 000mm，混凝土C70，鋼材Q345GJ，鋼筋HPB400。設計水平分布鋼筋為5排直徑20mm，沿豎向每250mm均勻布置，配筋率為0.50%，滿足最小配筋率0.4%的要求；縱向受力鋼筋，鋼筋20mm，間距250mm；鋼骨尺寸為 H560×250×60×80，鋼板厚20mm，總含鋼率為4.24%。經濟花費為105 702元，其中鋼筋消耗0.113 7m3，混凝土消耗35.64m3，型鋼消耗1.16m3。

表3 計算結果

圖13 生命周期內的材料相關碳足跡排放

圖14 剪力墻截面壓彎驗算（XTRACT v3.0.9）

b）驗算結果（X、Y向抗剪均為中震彈性控制）

c）碳排放統計

碳排放根據上述假設、數據和方法進行計算，范圍僅涵蓋材料相關的碳排放，數據單位是kg／m2。

4）結 論

總之，第1種結構單元花費是第2種的近一半，但碳排放量多出近60%。考慮到費用計算方法中忽略了施工、維護及運輸等費用，這種簡化方法使花費的差距顯得不如碳排放的差距那么重要和難以修正。當然，碳排放評估方法中存在不確定性，這需要在后續的方法優化中進行關注。隨著煉鋼產業的技術進步和對鋼材回收利用程度的提高，兩種方案的經濟性差距會縮小。從墻體重量來看，第2方案很有優勢，無疑會減少下部承載構件的尺寸或數量，進而對經濟性和低碳性都有所貢獻。總之，從環境角度來看，選擇第2種結構方案。

表4 兩種結構單元方案的比較

圖15 生命周期內的材料相關碳足跡排放

要在第1種方案的基礎上進行更多的細節優化，具體參照上述方法。在確定初始方案以后，要開始新一輪的優化以進一步控制材料用量并優化相關的生產過程，采集更為詳細的數據并建立更為精確的模型。在后續設計中，要堅持對不同方案的比較方法以最大程度減小碳排放。

3 結 語

有必要在大陸建立關于不同建筑材料及不同結構體系計算模型的基準數據庫并及時更新。需要考慮到對碳排放出現高估（考慮到新技術的采用）或低估（考慮到社會成本）的情況，數據精確度受制于數值采集的規模與分布范圍，這在結構工程師的控制范圍之外，要與其他專業的人員緊密合作。隨著全球對環境變化的關注度日益上升，結構層面的碳排放評估要與建筑、暖通等專業在方法及細節設計等層面上進行有效結合，共同發展。

需要建立等價受力單元的碳排放數據庫。現在很多評估和軟件都是建立在材料或是構件層面上的，對于超高層建筑的計算往往顯得臃腫繁雜。要注意不同材料的荷載承受能力不一樣，以往這是在結構設計領域人們更為關注的。在未來，整合碳排放評估和結構分析，將整體結構按結構體系或是樓層根據不同的碳排放等級進行分類歸并與計算碳排放，這就為超高層建筑的碳排放計算提供了快速方便的方法。在分析中最重要的就是分類和比較的思想。

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