钢筋混凝土结构内含环境影响负荷及经济性分析

尹秀琴， 李惠强， 薄海涛， 柯华虎

(华中科技大学 a 土木工程与力学学院； b 控制结构湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074)

我国正处于经济快速发展阶段，作为大量消耗资源、对环境产生重大影响的建筑业，应全面实施绿色施工，承担起可持续发展的社会责任，在保证工程质量、安全等基本要求的前提下，通过科学管理和技术进步，最大限度地节约资源和减少对环境的负面影响，建设“资源节约，环境友好”两型社会。

从全球环境来看，当前最为关注的环境问题是全球变暖问题。大气层中的CO2、CH4、N2O、CFC、O3、CO等温室效应气体具有吸收太阳辐射热，同时又阻止地球向外层辐射散热，使得大气低层具有自然温室效应。当CO2等温室气体在大气中浓度升高，便会造成吸收太阳辐射热增加，而地球向外辐射散热减少，导致全球变暖。全球变暖会使冰川融化，海平面上升，陆地面积减少，海岸后退，引起港口、航道的回淤、湿地和河口冲击平原被淹没，将给沿海经济发展带来巨大影响。此外全球变暖还会引起温度带向高纬度移动，使一些地带生态发生变化，以及一些传染性疾病增加和大气臭氧层耗损增加。

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的研究，自1850至2005年间，地球表面的平均温度升高了0.69℃(±0.2℃)。中国政府2008年10月29日发布的《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书指出，中国近百年来地表平均气温升高了1.1℃。近30年来，中国沿海海平面总体上升了90 mm。

随着经济的快速发展，未来气候变暖趋势将进一步加剧，特别是工业发达地区。如2007年8月28日广东省气象局首次发布的《广东气候变化评估报告》指出：近50年广东气温升高与全国平均水平相当，0.21℃/10年，明显高于全球或北半球同期平均增温速率。其中工业区密布，经济发达的珠三角是主要增温区域，平均0.3℃/10年，而工业区较少的粤北大部分县市的增温速率不到0.15℃/10年。预计广东在2011年至2040年、2041年至2070年和2071年至2100年的三个30年时段，平均气温可能分别升高约1.0 ℃、1.9℃ 和2.8℃ 。未来海平面可能上升30 cm(从历史最高潮位起算)，届时珠江三角洲的可能淹没面积将达1153平方公里，受威胁最大的有广州市区、珠海市和佛山市。受影响地区的直接经济损失预计将达到560亿元左右。

根据美国世界观察研究所(WWI)的报告，2006年世界各国温室气体排放所占份额中，中国在能源领域的CO2排放量为59亿吨，已经十分接近美国的61亿吨，居世界第二位(图1)。

图1 2006年世界各国温室气体排放所占份额(%)

目前建筑能耗约占全国总能耗的30%左右，建筑业是CO2等温室气体的排放大户，建筑节能减排是减缓全球变暖的重要领域之一。建筑节能减排工作涉及到建筑规划、建筑设计、围护结构、采暖系统、空调系统设计、照明系统等多个专业领域。当前工程上已开展多种途径的建筑节能工作，包括围护结构保温隔热节能技术、太阳能及风能利用、供热供冷节约用能、加强节能科学管理等等，在节能减排方面取得了较好成效。但笔者感到当前在结构设计和施工领域还有待深入，如当前建筑节能减排十分重视的是围护结构保温隔热技术，考虑的是建筑在使用期间降低空调制冷和供热采暖的能耗，而对结构选型、结构材料的选用、结构废弃物的可回收利用等的重视程度远不如对节能减排的重视。建筑实体的建造需要消耗大量的建筑材料，建筑材料的采集、加工及运输对能源的消耗将排放大量的CO2等温室气体，而这些与结构选型、结构材料的选用等有着十分密切的关系。限于篇幅，本文主要探讨结构设计中混凝土强度和钢筋等级选用与环境影响负荷之间的内在联系，并通过工程实际进行定量分析。

1 建筑材料内含环境影响负荷分析

1.1 内含环境影响负荷含义

建筑工程结构实体建造要消耗大量建筑材料，而建筑原材料的开采、运输、生产到制成建筑材料产品，整个过程都会排放CO2、SO2、NO3等废气、固体废弃物和废水等，对环境带来一定的负面影响，称之为内含环境影响负荷。

如混凝土的内含环境负荷影响，包括石灰石、砂岩、铁粉、石膏等原材料的获取及运输、水泥生产及运输、天然骨料的生产及运输、混凝土的制备过程中产生的环境负荷影响。又如钢材的内含环境负荷影响包括主要原料和辅助原料从采掘、运输到钢材产品等过程所产生的环境负荷影响。

1.2 环境负荷影响的计算

以混凝土的内含环境负荷影响为例，说明环境负荷影响的计算。

(1)根据不同强度等级的混凝土配合比，获取制备每立方米混凝土需要消耗的水泥、粉煤灰、沙石、水等材料数量的数据；

(2)搜集、计算、分析水泥、粉煤灰、沙、石等原开采、生产、运输过程中各种废气、废渣、废水等环境影响因子的排放量；

(3)根据国际标准化组织(ISO)、国际环境毒理学和化学学会(SETAC)建立的环境负荷影响评价体系，对影响全球变暖、酸雨、水体富营养化等各种环境负荷影响进行分类；分别计算影响全球变暖、酸雨、水体富营养化等环境影响排放物的数量；并根据效应当量因子把影响全球变暖、酸雨、水体富营养化等的各种气体折算为CO2、SO2、NO3的排放量，最后汇总计算出不同混凝土的内含环境影响负荷，详情可参见我们课题组已发表的文献[1～3]。

2 工程实际案例定量分析

在钢筋混凝土结构中采用高强钢筋和高强混凝土可以节约钢筋和混凝土材料用量，这已为行业内所共识，但与发达国家相比，我国建设行业所用钢筋和混凝土强度普遍低1～2个等级[4，5]。据统计，每年HRB400钢筋用量不到钢筋总用量的10%，高强混凝土累计使用量还不到1500万m3，不足混凝土年消耗总量的1%[4]。此外，采用高强钢筋和高强混凝土对环境负荷影响如何，研究甚少，本文选取某化工厂厂房框架结构底层柱实例通过计算进行定量对比分析。

2.1 工程概况

某化工厂厂房为五层框架结构，底层建筑面积为668.16 m2，层高5.6 m，底层柱设计截面分别为300 mm×300 mm、400 mm×400 mm、450 mm×450 mm、500 mm×500 mm、550 mm×550 mm、600 mm×600 mm，各种设计截面对应的柱子数分别为3根、4根、4根、6根、4根、3根，共24根。

以底层柱中数量较多的截面为500 mm×500 mm的柱子为代表，进行比较研究。原设计采用C40混凝土、HRB335钢筋，设计柱截面及柱配筋情况见图2。

图2 原设计柱截面

2.2 对比方案

对比方案将底层柱混凝土、钢筋级别提高，采用C50混凝土、HRB400钢筋，重新修改后的设计柱截面及配筋情况见图3。

图3 对比方案柱截面

研究原设计方案与对比方案的环境负荷影响差异，环境负荷仅考虑CO2温室气体以及对我国环境影响较大的酸雨致因SO2、水体富营养化致因NO3的排放量。此外，在混凝土施工配比设计中考虑掺粉煤灰和不掺粉煤灰二种情况环境负荷影响的对比。

2.3 底层柱设计采用C40与C50混凝土对比

在满足原抗震等级要求、同样的结构荷载、满足原设计使用功能的情况下，底层柱混凝土等级由C40提高到C50、钢筋等级由HRB335提高到HRB400，用PKPM软件计算表明，大部分柱子截面边长尺寸可减少50 mm，主筋直径减小一个等级(图2、图3)。

根据《建筑工程工程量清单计价规范》(GB50500-2003)混凝土及钢筋混凝土工程的计算规则，经详细计算可得，底层柱采用C40混凝土，总用量为31.00 m3；若采用C50混凝土，总用量为25.39 m3，减少了5.61 m3(占18.09%)。

在混凝土施工配比设计中考虑掺与不掺粉煤灰的环境负荷影响，不掺粉煤灰的C40、C50混凝土以及掺粉煤灰的FC40、FC50混凝土内含的CO2、SO2、NO3环境负荷影响经计算如表1所示[3]。

表1 不同等级混凝土内含环境负荷影响潜值

原设计方案与对比方案的混凝土内含CO2、SO2、NO3环境影响总量如表2所示。

表2 不同设计方案混凝土内含环境影响

由表2分析比较可知：

(1)采用不掺粉煤灰的混凝土，原方案底层柱共需C40混凝土31.00 m3，产生的CO2温室气体当量30814.0 kg；对比方案共需C50混凝土25.39 m3，产生的CO2温室气体当量为28995.38 kg，则对比方案比原方案少产生1818.62 kg(占5.9%)的CO2温室气体排放量。

(2)若采用掺粉煤灰的混凝土，对比方案比原方案相比，将减少排放CO2温室气体2080.16 kg(占7.2%)。可见掺粉煤灰比不掺粉煤灰又进一步减少CO2排放量261.54 kg。

2.4 底层柱设计采用HRB335与HRB400钢筋对比

根据GB 50500-2003凝土及钢筋混凝土工程的计算规则，经详细计算可得，底层柱采用HRB335普通钢筋，用量为5788.51kg；若采用HRB400高强钢筋，用量为4716.85 kg，钢筋强度由HRB335提高到HRB400后，钢筋用量减少1071.66 kg(占18.51%)。

表3为一般钢材的内含环境影响数据，该数据来源于杨建新[6]等的研究。原设计方案与对比方案的钢材内含环境影响的计算如表4所示。

表3 钢材的内含环境影响潜值

表4 不同设计方案钢材内含环境影响对比

由表4分析比较可知，对比方案比原方案的内含CO2温室气体排放量减少749.95 kg (占18.51%)。需说明的是，因目前尚未收集到钢材不同强度等级的内含环境影响的数据，因此在表4的计算中未考虑由于钢材强度等级的提高对环境负荷影响的增加。

3 经济性对比分析

3.1 C40、C50混凝土造价比较分析

在该实例中，高强混凝土与普通混凝土相比，用量减少18.09%，但高强混凝土比普通混凝土价格高，表9对采用C40、C50混凝土造价进行比较，该表中的混凝土单价参照2008年武汉市7～9月份建筑材料信息价中混凝土预算价的算术平均值。

表5 C40、C50混凝土造价对比表

通过上表计算可知，对比方案比原方案混凝土材料费总价减少818.87元，减少8.08%，表明高强混凝土虽然单价比普通混凝土高，但采用高强混凝土使混凝土用量的减少量大于高强混凝土价格的提高量对总造价的影响。从降低造价方面来考虑，高强混凝土更经济。

3.2 HRB335钢筋与HRB400造价比较分析

在该实例中，高强钢筋与普通钢筋相比，用量减少18.51%，但高强钢筋比普通钢筋价格高，表9对采用普通钢筋HRB335、高强钢筋HRB400造价进行比较，该表格中的钢材单价参照2008年武汉市10月份建筑材料信息价中钢材的预算价。

表6 普通钢筋与高强钢筋造价对比表

通过上表计算可知，对比方案比原方案钢材材料费总价减少5544.89元，节约造价17.36%，表明高强钢筋虽然单价比普通钢筋高，但采用高强钢筋使钢筋用量的减少量大于高强钢筋价格的提高对总造价的影响。从降低造价的方面来考虑，高强钢筋更经济。

4 结 论

(1)提高混凝土和钢筋的强度等级，混凝土施工配比设计掺用粉煤灰等措施可以减少导致全球变暖的CO2温室气体排放、减少酸雨的产生、降低土壤及水体的富营养化等环境影响负荷。

(2)提高混凝土、钢筋的强度等级可以较大程度地节约建筑材料总消耗量。

(3)采用高强混凝土、高强钢筋比普通混凝土、普通钢筋有更好的经济效益。

综上所述，提高混凝土和钢筋的强度等级，掺用粉煤灰等是建设“资源节约，环境友好”两型社会的有效途径之一。从后京都公约时代(2012年后)我国将不可避免要承担全球CO2温室气体减排任务的紧迫形势所需，应引起建设领域设计和施工人员高度重视，切实为节碳减排、保护环境作贡献。

[1] 帅小根. 建设项目“隐性”环境影响评价的量化研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2009.

[2] 帅小根, 李惠强, 柯华虎. 工程建设及资源消耗对环境影响的定量评价[J]. 华中科技大学学报(城市科学版), 2009, 26(2): 34-39.

[3] 李思堂. 建筑项目减物质化施工评价模型研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007.

[4] 王铁宏. 亟需推广应用高强钢筋和高性能混凝土[J]. 建设科技, 2005, (6): 28-29.

[5] 裴 智, 张维汇, 王润晓, 等. HRB500钢筋的发展与设计施工要点[J]. 施工技术, 2007, 36(4): 13-16.

[6] 杨建新, 徐 成, 王如松. 产品生命周期评价方法及应用[M]. 北京: 气象出版社, 2002.