鋼結構建筑減碳潛力測算

王市均 張光明

摘要：鋼結構建筑抗震性好，在推進新型建筑工業化進程、提高裝配式建筑水平及落實低碳綠色發展目標的作用十分明顯。本文按低層、中層高層住宅分類，通過相關文獻梳理及實地調研，采用建材生產、建材運輸、建筑運行、建筑拆除及回收全生命周期理論分析對比了鋼結構與鋼筋混凝土建筑碳排放量。結果表明，鋼結構和鋼筋混凝土建筑運行階段時期碳排放水平相當，在建造階段和建筑拆除回收階段，無論是城市常見的高層住宅還是農村的低層住宅，鋼結構的碳排放量明顯低于混凝土建筑，碳減排效果明顯。

關鍵詞：鋼結構；碳排放；鋼筋混凝土建筑；潛力測算

0 引言

溫室氣體的超負荷排放使全球氣候問題日益嚴峻，碳減排是減緩氣候變化的首要任務。據國際能源署（IEA）、世界綠色建筑委員會等機構測算，建筑行業碳排放量約占全球碳排放量的35-40%，是全球排碳量最高的行業。通過鋼鐵代替混凝土、或者低碳排放鋼材代替高排放鋼材，對低成本地實現降低建筑隱含碳排放有顯著的效果和重要作用。

當前中國建筑規模體量大，且主要類型為排放量較高的鋼筋混凝土結構，通過擴大鋼結構消費比重，從全生命周期角度降低建筑碳排放量，是低成本、高效益減碳鋼鐵和建筑行業碳排放的重要途徑。本文通過鋼結構建筑與傳統鋼筋混凝土建筑全生命周期碳排放水平進行了對比測算，為推廣綠色低碳鋼結構建筑提供理論支撐。

1 中高層建筑鋼結構與鋼混建筑碳排放分析

根據GB/T 51366—2019 《建筑碳排放計算標準》，建筑全生命周期可分為建材生產、建材運輸、建筑運行、建筑拆除及回收等不同階段。國內很多學者［1-7］以不同地區、不同類型的住宅建筑為研究對象，采用全生命周期法，分析計算鋼結構及傳統混凝土建筑全生命期碳排放總量和碳排放強度，不同建筑全生命周期的建筑信息和碳排放信息如表1和表2所示。

由表1和表2可知，不同樓層、不同建筑面積、不同地區的建筑碳排放強度會因建材、電力排放因子不同等多種因素而產生差異。鋼結構住宅建筑的單位面積碳排放強度為1759.43-1936.90 kgCO2/m2。傳統混凝土結構建筑碳排放強度為971.22-2793.87 kgCO2/m2。

王從章［7］等對阜陽市某鋼結構建筑和傳統混凝土建筑的研究結果表明，50周年的壽命期內，28層鋼結構住宅的碳排放強度為1767.05 kgCO2/m2，21層傳統混凝土住宅的碳排放強度為2354.23 kgCO2/m2。從全生命周期計算，鋼結構住宅的碳排放強度較傳統混凝土住宅低24.94%。

對比蔣友娣［2］對鋼結構住宅（8層）和周曉對傳統混凝土建筑（6層）的研究結果可知，鋼結構住宅的碳排放強度較傳統混凝土住宅低21.97%。對比周觀根［1］對鋼結構住宅（29層）和周曉［4］對傳統混凝土建筑（21層）的碳排放強度，鋼結構住宅較傳統混凝土住宅低30.67%。

通過查閱資料和現場調研，相較于傳統混凝土住宅建筑，目前中國鋼結構住宅建筑的成本高約20-30%，開發商和建筑公司在建設鋼結構住宅建筑時，一般會增加樓層，建筑樓層達到20層以上。

分析鋼結構住宅和傳統混凝土住宅各階段碳排放占全生命周期的比例如表3可示，由表3可知，鋼結構住宅和傳統混凝土住宅的運營階段占全生命周期碳排放比例最高，其次是建材生產階段，建材運輸、施工及拆除階段占比較小。此外，鋼結構住宅的建材回收率高于傳統混凝土住宅。

宋志茜［8］等以內蒙古地區層數相近的鋼結構裝配式住宅和現澆鋼筋混凝土住宅為研究對象，不考慮建筑運行階段碳排放，分析了建材生產、建材運輸、施工建造及建材回收階段的碳排放情況。參考GB/T 51366—2019 《建筑碳排放計算標準》，計算出兩種建筑的碳排放結果如表4所示。由表4可知，在不計算材料回收時，相比于混凝土建筑，鋼結構建筑的減碳率為16.32%，計算材料回收時，鋼結構建筑的減碳率為34.30%。鋼結構裝配式住宅建筑中，鋼材以鋼構件和型鋼為主，而傳統住宅以鋼筋為主。在回收率上，型鋼、鋼構件回收率高于鋼筋，型鋼、鋼構件回收率可達0.9，鋼筋僅有0.4～0.5。在建材生產、建材回收、建材運輸、施工建造碳排放上，鋼結構裝配式住宅均有明顯的減碳效果。

2 低層建筑鋼結構與鋼混建筑碳排放分析

對于低層鋼結構住宅的減碳效果，張愛陽［9］研究了農村常見住房在全生命周期情況下的碳排放情況，對比輕鋼農房與鋼混、磚混及磚木農房的單位面積碳排放量，分析輕鋼農房相較于鋼混、磚混及磚木農房的碳減排量及碳減排率，結果表明：農房的全生命周期碳排放量排序為鋼混結構＞磚混結構＞磚木結構＞輕鋼結構，輕鋼農房相比其他形式農村住房的碳減排比例在-1%—34%之間。輕鋼與鋼混農房的碳減排率為17-34%，碳排放計算結果如表5所示。由表5可知，低層的輕鋼住宅相較于鋼混住宅減碳率為17-34%，由此可見，無論是城市常見的高層鋼結構住宅還是農村的地層鋼結構住宅，其減碳效率最高達34%，鋼鐵與建筑協同減碳具有較大潛力。

3 現場調研與驗證

武漢蔡甸區奓山五期項目6號、9號樓裝配式鋼結構住宅建筑，采用鋼框架支撐結構，地下1層（結構性地下室）、地上30層（1-27層為住宅，層高2.8 m，28-30層為工程層），建筑總高83.1 m，總戶數432戶，總建筑面積約4.91萬m2。建筑結構類型為鋼框架結構，整體裝配率為68%，主要預制構件包括：鋼柱、鋼梁、鋼筋桁架樓承板、預制PC樓梯、預制外掛墻板、輕質ALC條板、裝配式裝修等。

采用GB51366-2019標準并參考趙彥革《基于全壽命周期的鋼結構與混凝土結構的碳排放分析》中的分析方法，對該項目的鋼結構建筑與混凝土建筑的碳排放進行分析。為便于比較分析，本文的結構材料碳排放因子根據《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366-2019）取值為：混凝土320 kgCO2/m3（按照工程中應用范圍最廣的C35等級取值），鋼筋/鋼板2310 kgCO2/t。混凝土材料的再利用碳排放為0，鋼筋的再利用比例取60%，鋼材的再利用取90%。

根據對武漢奓山鋼結構建筑現場調研，鋼結構建筑與混凝土建筑地下基礎部分均采用混凝土結構，鋼材、混凝土種類和用量基本相同。鋼結構建筑地上主體結構采用鋼板焊接為需要的尺寸，并采用焊接、螺絲等連接方式構建。因此，分析鋼結構建筑和混凝土建筑地上建筑碳排放情況，同時考慮鋼材、混凝土的回收帶來的減排情況，對鋼結構建筑的減排潛力進行分析，結果如表6和表7所示，由表6和表7可知，鋼結構住宅在建材生產及運輸階段的碳排放較混凝土結構高19.79%，而考慮材料回收利用后，鋼結構住宅的碳排放較混凝土低54.01%。同時，因在建筑的建造階段和建筑的拆除階段，鋼結構的碳排放會較混凝土略低，建筑的運行階段時兩者的碳排放相當。因此，鋼結構在不考慮回收的全生命周期階段的碳排放高于混凝土結構大約64kgCO2/m2，考慮材料回收后，鋼結構的碳排放低于混凝土大約123 kgCO2/m2，減碳率約54.01%。

4 結論

（1）無論是城市常見的高層住宅還是農村的低層住宅，采用鋼結構形式較鋼筋混凝土均有較大的碳減排效果，從全生命周期考慮，中高層的鋼結構住宅相較于鋼混住宅減碳21.97%-34.3%，低層的輕鋼住宅相較于鋼混住宅減碳率為17-34%。

（2）建筑的建造階段和建筑的拆除階段，鋼結構的碳排放會較混凝土略低，建筑的運行階段時兩者的碳排放相當。因此，鋼結構在不考慮回收的全生命周期階段的碳排放高于混凝土結構大約64 kgCO2/m2，考慮材料回收后，鋼結構的碳排放低于混凝土大約123 kgCO2/m2。

參考文獻

［1］ 周觀根，周雄亮. 基于生命周期評價的鋼結構建筑能耗與碳排放分析［C］//中國建筑金屬結構協會鋼結構專家委員會.鋼結構與綠色建筑技術應用.中國建筑工業出版社，2019：7.

［2］ 蔣友娣， 王任媛， 鄭建敏. 裝配式鋼結構住宅建筑全生命期碳排放計算［J］. 上海節能， 2022（09）：1105-1111.

［3］ 熊寶玉. 住宅建筑全生命周期碳排放量測算研究［D］. 深圳大學， 2015.

［4］ 周曉. 浙江省城市住宅生命周期CO_2排放評價研究［D］. 浙江大學， 2012.

［5］ 李岳巖， 張凱， 李金潞. 居住建筑全生命周期碳排放對比分析與減碳策略［J］. 西安建筑科技大學學報（自然科學版）， 2021，53（05）：737-745.

［6］ 王上. 典型住宅建筑全生命周期碳排放計算模型及案例研究［D］. 西南交通大學， 2014.

［7］ 王從章， 李兵. 從碳排放計算角度簡要分析”裝配式鋼結構+ALC板材”體系的優勢［J］. 建材發展導向， 2023，11（21）：12-14.

［8］ 宋志茜，羅曉予，葛堅.鋼結構裝配式住宅物化階段碳排放研究［J］.建筑技術，2023，54（02）：158-162.

［9］ 張愛陽. 低碳視角下輕鋼農房的減排效果及減排成本研究［D］.重慶大學，2021.