建筑結構設計的減碳措施及木結構的減碳優勢分析

張義長 鄧 超 江 超 曾昭英

(1.湖南省建筑科學研究院有限責任公司，湖南 長沙 410003；2.建筑工業化技術及安全控制湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410003）

0 引言

2015年第21屆聯合國氣侯變化大會通過的《巴黎協定》制定了人類社會應對氣侯變化的長期目標——相較于前工業化時期的全球平均溫升控制在2℃（并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內），2020年9月我國對世界宣布了“2030 年碳達峰，2060 年碳中和”的目標(“雙碳”目標)，由此可見全球變暖己成為全人類的共同挑戰[1]。建筑業具有高能耗、高碳排放的特點，在保持建筑業正常發展的情況下，逐年降低建筑業碳排放量成為“雙碳”目標順利實現的必然要求。

建筑全生命周期的碳排放基本分為建材生產和運輸階段、建筑建造和拆除階段、建筑運行階段。其中建筑運行階段的碳排放占全生命周期碳排放約42.8%，建材生產和運輸階段的碳排放占比約55.2%，建造和拆除階段的碳排放占比僅為2%[2]。而建筑材料的種類、建筑材料的用量、建筑節能和可再生能源的利用、建筑設備的選型及運行方式、是否采用裝配式建造、碳匯等方面，在建筑的設計階段己基本確定。因此在建筑業降低碳排量的實踐中,建筑設計起到了關鍵的引領作用，低碳設計的理念應貫穿到建筑設計的各個專業和各個環節。

建筑設計的減碳措施一般包括節能、節地、節水、節材和碳匯等方面，其中建筑結構設計在建筑減碳方面主要體現在結構選型、結構選材、新技術的應用、裝配式建筑的應用、延長既有結構使用年限等方面。木材具有天然的固碳特性，應在結構選材中得到重視。本文對建筑結構設計的減碳措施及木結構的減碳優勢進行分析。

1 建筑結構設計的主要減碳措施

建筑結構設計的減碳措施有結構選型、結構選材、新技術應用、裝配式建筑的應用、延長既有結構使用年限等。

1.1 結構選型

結構設計時，應優先采用規則結構或一般不規則結構。結構規則有利于減少結構整體材料用量，達到節材減碳效果。

在建筑方案階段應控制建筑的規則性，如高寬比、平面凹凸、層高變化、豎向體型變化和功能布置等方面，并通過合理設置抗震縫調整結構的規則性，減少結構薄弱部位，提高抗震性能。除受建筑功能限制或紀念性、展示性建筑外，應減少“奇奇怪怪”的建筑。

1.2 結構選材

當前混凝土結構建設的單位建筑面積碳排放通常高于鋼結構、木結構或砌體結構[3]，隨著社會經濟的發展，政府應出臺更多政策鼓勵鋼結構的發展。有條件的地方，根據項目的條件適當推廣木結構形式。

混凝土結構也可以通過使用高強鋼筋、研發低碳材料、新型減量化結構技術等實現減碳目標，保持在低碳設計中的競爭力。如推廣使用HRB500鋼筋、CRB600H鋼筋、預應力大板樓蓋等。

1.3 新技術的應用

減隔震技術把建筑抗震的思路，由傳統的提高建筑物的抗震承載力，改為減少對建筑物的地震能量輸入和減小結構的地震動力響應，給建筑物抗震設計提供了新的方案。

對于高烈度地區和對抗震設防要求較高的新建建筑，可以采用隔震、消能減震技術，以達到節材減碳的效果。將隔震技術和消能減震技術應用到既有結構的加固中也有良好的效果[4-5]，相較傳統的加固技術，具有綜合造價低、施工周期短、對既有結構影響小的優點，也具有明顯的減碳效果。

1.4 裝配式建筑的推廣

裝配式建筑的優勢主要體現在能有效改善施工現場環境、提高施工效率、節約資源和減少建筑垃圾的產生[6]。近年來各地區都加大了裝配式建筑體系及技術的研究，隨著裝配式建筑施工工藝和技術越發成熟，裝配式建筑將有更大的發展潛力。

采樣電路主要是由3個電流采樣電路和4個電壓采樣電路構成。采樣方式方面選擇信號隔離的采樣的方式。電壓信號的采樣在此選用微型精密電壓互感器ZMPT107。電流采樣方面選用微型精密電流互感器ZMCT101B。實驗裝置中電流的最大值不到 1 A,測量電阻選用Ro=500 Ω,輸出電壓峰峰值為 1.0 V。由于開關管的高頻動作,采樣信號中存在很大的高頻諧波分量,采用一個截止頻率fc=10 kHz,阻尼系數ζ=1.45的巴特沃斯濾波器進行濾除。

1.5 延長既有結構使用年限

當前我國建筑結構平均壽命遠小于發達地區平均水平[7]和建筑結構設計工作年限（50年），應通過限制大拆大建并發展結構改造和加固技術以延長既有結構的使用年限。

延長既有結構的使用年限，既可以減少建筑拆除階段的碳排放，又可以有效減少新建建筑的開工量。建筑結構設計應關注提高結構的耐久性，行業管理部門應加強對既有建筑的維護和改造管理。

2 木結構低碳特性

木結構可有效地儲碳，被譽為城市的“第二森林”，木結構作為一種可持續發展材料，具有明顯的低碳特性。

2.1 木材具有天然的固碳特性

木材作為自然生長的材料，在生長過程中會吸收二氧化碳。有文獻[8]指出，合理的種植和采伐有利于促進森林里樹木生長，在建筑中適當增加木材的使用能促進森林資源的可持續發展，助力建筑行業的可持續發展。

2.2 木結構有利于綠色建造的發展

木材相較于其它材料，更容易加工?，F代木結構的所有結構件和連接件都可在工廠標準加工生產，而且可以組裝成具有某一功能或功能組合的模塊再運輸到現場組裝。

木結構質量輕，節點連接安裝容易，對現場的人力和器械的要求也低于其他結構形式。木結構房屋施工安裝速度遠遠快于混凝土和砌體結構建筑，大大縮短了工期，節省了人工成本，施工質量得以保證，木結構房屋也易于改造和維修。施工現場沒有成堆的磚頭、鋼筋、水泥和塵土，減少了工地垃圾及清理工作，真正做到環保節能，實現綠色建造。

2.3 木結構節約資源和能源

木結構建筑的主要建材是天然綠色環保的物質材料，與混凝土結構相比，對水、空氣的污染程度更低，對能源的消耗更少，產生的溫室氣體及固體廢物更少。

木結構建筑的保溫節能功能比較突出，其主要原因是在木材的微觀結構中，存在很多微小空腔，空腔的存在能顯著改善木材的天然熱效率，使得木材有比鋼材和混凝土更高的阻擋熱量散發的能力。所以，在同等隔熱效果下，鋼筋混凝土建筑需要使用更多的隔熱材料。

3 木結構建筑減碳優勢分析

某幼兒園位于湖南長沙，采用木+混凝土組合結構。一層采用鋼筋混凝土框架結構，二、三層采用木框架—支撐結構和SPF木樓板，見圖1所示。

圖1 某幼兒園建筑實景

該工程施工圖按木+混凝土組合結構進行設計，同時按全混凝土框架結構進行對比設計。對兩種結構體系的主要建筑材料用量進行計算，并進行碳排放計算，以比較兩種結構體系的主要材料碳排放量。

主要建筑材料碳排放計算如下列公式[9]：

式中：

Csc——主要建筑材料碳排放量，kgCO2e；

Mi——第i種材料的消耗量；

Fi——第i 種材料的碳排放因子，kgCO2e/單位建材數量。

計算兩類結構的主要材料用量和腳用架的工程量，并根據相應碳排放因子計算兩類結構的碳排放量，見表1。

表1 木+混凝土組合結構與混凝土框架結構主要建筑材料碳排放對比

由表1可知，相較現澆混凝土框架結構，木+混凝土混合結構的碳排放量減少了26%，有明顯的減碳效果。

4 結束語

“雙碳”目標給建筑行業發展提供了新的機遇與挑戰，建筑設計在建筑行業減碳中起到引領作用，低碳設計的理念應貫穿到建筑設計的各個專業和各個環節。本文提出結構設計的主要減碳措施，建筑結構設計應根據項目的具體特點，采用合適的技術措施減少碳排放。對某木結構幼兒園的結構減碳計算表明，相較現澆混凝土結構，木結構建筑具有明顯的低碳特性，可在部分項目中推廣使用木結構。