钢结构低碳建筑

钢结构与低碳建筑 xxx1，xxx2，xxx2 (1. 东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏省南京市 210096) (2. 东南大学 土木工程学院，江苏省南京市 210096)

摘要:本文综述了低碳建筑的研究现状，并根据低碳建筑的概念和建筑全寿命周期碳排放量计算的理念，阐述了选用钢结构作为低碳建筑结构形式所具有的优势。

关键词:低碳建筑；钢结构；碳排放量；全寿命周期 中图分类号: TU452 文献标识码: A

Steel Structure and Low-carbon Architecture xxx1 xxx2 xxx2 （1. Key laboratory of concrete and pre-stressed concrete structures of the Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096, China；2. School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096, China）

Abstract: This paper summarizes the research conditions of low-carbon architecture. According to the concept of low-carbon architecture and life-circle carbon emission of architecture, steel structure has advantages to be used as structure of low-carbon architecture.

Key words: low-carbon architecture ; steel structure ; carbon emission ; life-circle

0 引言 2009年12月，联合国气候变化大会在达成《哥本哈根协议》后闭幕。会议就应对全球瞩目的气候变暖问题，提出通过全球各个国家共同努力，减少温室气体的排放，将全球气温限制在不超过工业化前水平2℃。同时我国政府也做出承诺，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，在如此短时间内这样大规模降低二氧化碳排放，需要付出艰苦卓绝的努力。 建筑业作为能源消耗巨大的产业之一，每年向大气中排放大量的温室气体。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的研究数据[1]，在发达国家，建筑业占据人类消耗总能源的40%，其中36%的能耗涉及到CO2

的排放，也就是说，建筑业所排放的CO2占

人类总排放量的三分之一。与此同时，作为发展中国家，中国的这一比例约为四分之一，但是随着工业化和城市化进程的加深，这一比例将会不断提高。面对温室气体的排 放和气候变暖，倡导低碳经济已经成为全人 --------------------------------------------- 收稿日期： 作者简介：xxx，(19xx- )，男，汉族，江苏xxx人，……..类的共识，低碳建筑正是低碳经济的重要组成部分，其发展必将成为整个建筑业发展的潮流趋势。 1 低碳建筑 究竟一个建筑物的碳排放量降低到多少，才能称为低碳建筑？对于这个问题，目前学术界还没有给出明确的定义。但是我们可以这样理解低碳建筑，即在建筑的全寿命周期内，以低能耗、低污染、低排放为基础，最大限度地减少温室气体排放，为人们提供具有合理舒适度的使用空间的建筑模式[2]。许多学者对建筑在全寿命周期内各个阶段碳排放量的计算都做了细致的研究[3-14]。在日本，木结构和混凝土结构的建筑，分别从建造、维修、日常使用和最后拆除这几个阶段计算碳排放量，在日常使用阶段，建议使用太阳能技术来减少碳排放量，但是存在的问题是忽略了应用这项技术本身的碳排放代价[3]。在丹麦，通过提出一系列的规范来限制建筑物在使用阶段的能力消耗和相应的碳排放量，例如采用具有较好隔热性能的建筑维护结构，限制窗户的面积等。然而这样做也存在问题，例如，生产隔热性能更好的维护结构必然造成更多的碳排放，规范当然没有考虑这部分额外的碳排放量[4]。在瑞典，通过使用投入-产出分析来估计建筑部门的直接和间接的碳排放。在这种方法中，每个部门的碳排放量需要乘以各自的系数才算作最终的碳排放量[5]。Sathre和Gustavsson提出，应该根据制造建材最终使用的能源的量来收取碳排放税，这样可以提高木质建筑材料的经济竞争力[6]。Yan等学者的研究，从建材的制造和运输、施工设备的能源消耗、加工原料的能源消耗和建筑垃圾的处理等几方面的因素来计算碳排放量，这些因素的选取都是基于之前对于不同背景和系统定义的研究[7]。Hacker等学者研究了建筑材料和建筑运作过程中的碳排放，而忽略了建筑生命周期其他阶段的碳排放。建筑运作过程的研究集中于其运作设备的碳排放量[8]。Jiang和Tovey提出了一系列低碳维持策略，包括有效的能量消耗监控、节约能源的技术措施、再生能源技术、人们意识的提高和行为的改善、在中国建筑适用的方法[9]。另外还有很多文献致力于评估建筑的碳排放量[10-14]。G.Q.Chen等学者将建筑的全寿命周期分为9个阶段：房屋建造、设备、户外设施建造、交通运输、运作、垃圾处理、资产管理、拆除、废物处理这9个方面分别考虑建筑的碳排放量[15]。

2 钢结构低碳建筑 钢结构作为一种新兴发展的建筑结构形式，在节能减排方面有着其独特的优势，必将成为低碳建筑所采用的最重要的结构形式。以下通过在建筑在施工阶段、使用阶段和拆除回收利用阶段的碳排放这三个方面阐述选用钢结构作为低碳建筑结构形式的优势(图1)。

图1 建筑在全寿命周期的碳排放的组成 2.1建筑施工阶段的碳排放 按照建筑的全寿命周期来考虑，建筑在施工阶段的碳排放量在其全寿命周期的总碳排放量中占很大比例。在施工过程中，81.6%-86.7%的碳排放来自建筑材料本身；6.1%-8.4%的碳排放来自建筑材料的运输的能源消耗；6.4%-8.6%的碳排放来自施工设备的能源消耗[16]，其组成如图2所示。以下就这几个方面对钢结构在减少碳排放的优势进行说明：

图2 施工阶段碳排放的组成

建筑在使用阶段的碳排建筑在拆除和回收利用

建筑在施工阶段的碳排

建筑在全寿命周期的碳 (1) 建筑材料本身的碳排放。普通钢筋混凝土结构建筑所需要的材料有：水泥、钢筋、水、沙石、砖块和木材等。其中水泥和沙石是混凝土结构建筑的主要建筑材料，从1985年到现在，我国水泥产量连续二十多年名列世界第一，是同期全世界水泥发展速度最快的国家，并且水泥的生产和消耗已经超过全世界总量的一半。在中国，水泥产业是一种高能耗、高排放的产业，每生产1吨水泥就要向大气中排放1吨CO2。对于钢结构建筑，钢材作为主要的建筑材料，具有轻质、高强的特点，一般情况下钢结构多使用截面尽量开展的构件，且构件都比较细长；而混凝土结构都为实心构件，且结构都比较粗壮。所以对于同一幢建筑，从结构层面来说，使用钢结构建成后的结构重量要比使用混凝土小的多。虽然生产1吨钢材的碳排放量大于生产1吨水泥，但是综合考虑钢结构和混凝土结构的材料用量，钢结构的碳排放量较低。 (2) 运输建筑材料的碳排放。首先，钢结构的重量比混凝土结构轻很多，在同样的运输距离下，运输钢结构构件所需要消耗的能源显然较少，碳排放量也就较低；其次，运输商品混凝土需要专门的运输车辆，而运输钢结构构件只需要普通的卡车即可，所以相对于混凝土结构而言，钢结构施工的运输成本较低，碳排放量也较低。 (3) 施工过程的碳排放。整个施工过程的碳排放主要来自施工设备的消耗、水和木材的消耗，还有施工人员消耗的能源也不可忽略。与混凝土结构的施工过程相比，钢结构施工更加节能环保，不需要消耗水，无需要使用模板，需要更少的施工人员，施工周期更短，钢结构所具有的这些优势都能很大程度的减少碳排放。 (4) 除此以外，钢结构所需要的施工场地更小，这就带来更少的植被破坏，从另一个角度减少了碳排放。 2.2 建筑使用阶段的碳排放 建筑在使用阶段最大的能源消耗来自于建筑内部的制冷和制热。在我国北方地区，建筑的制热平均能量消耗是发达国家相同气候条件地区的1-3倍[17]。这主要是由于我国建筑物维护体系的隔热性能不好所造成的。在广大的中小城镇，砖混结构的房屋仍然被广泛的使用，如果利用实心黏土砖做墙体，在我国夏热冬暖地区，要达到现行的节能设计标准，墙体厚度要达到370mm，在寒冷地区和严寒地区厚度要求就更高，如在哈尔滨墙体厚度要达到1.5米[18]。钢结构中的结构体系与维护体系分离，在各种气候条件地区可以使用各种不同保温隔热性能的维护体系，而不必依靠增加墙体厚度来达到节能减排的目的，因此推广钢结构，特别是钢结构在住宅上的应用就成为节能环保、减少碳排放的很好的选择。。 此外，钢结构在使用阶段的另一个节能减排优势在于其维修加固的方便性。建筑在使用过程中可能会因为地震或者其它罕遇的作用而遭受损坏，或者由于建筑物超过使用年限而需要加固的时候，钢结构就体现出其优势，因为可以对已损坏的构件或节点进行快捷而方便的替换，而对其它构件没有影响，这一点对于混凝土结构来说是无法做到的。

2.3 建筑拆除和回收利用阶段的碳排放 建筑拆除后，如果对建筑垃圾的回收利用率不高，这将造成一种相对的高碳排放量。据有关部门调查，我国建筑的实际平均使用寿命为30年，而英国建筑的平均使用寿命为132年。我国如此短暂的建筑使用寿命远远低于世界平均水平，不仅形成了大量的建筑垃圾，浪费大量自然资源，而且造成了过量的碳排放。我国现阶段正在大量拆除混凝土和砖混结构建筑，所形成的主要建筑垃圾是混凝土和砖块，这些材料的回收利用率很低，只能采取填埋的措施，这样违背了可持续发展的理念，也违背了低碳经济和低碳建筑的理念。 钢材有着可回收利用的特性，钢结构建筑拆除后建材的回收利用率就很高。发达国家在建筑上使用的再回收钢材占总用钢量的比重已经很大。我国也正在逐步形成一条较完整的对于废旧钢材的回收利用的产业体系，所以拆除钢结构建筑后所的到的废旧钢结构构件，可以得到很高的回收利用率，相比于混凝土结构来说，其碳排放更低。此外，钢结构建筑的拆