哈尔滨17层住宅结构方案对比与碳排放分析

王凤来，朱 飞，张孝存，王海云

(1.哈尔滨工业大学土木工程学院，150090 哈尔滨;2.黑龙江省建设集团有限公司，150046 哈尔滨)

哈尔滨17层住宅结构方案对比与碳排放分析

王凤来1，朱 飞1，张孝存1，王海云2

(1.哈尔滨工业大学土木工程学院，150090 哈尔滨;2.黑龙江省建设集团有限公司，150046 哈尔滨)

为了对比配筋砌块砌体结构与钢筋混凝土剪力墙结构在碳排放量方面的优劣，对同一栋住宅建筑分别采用两种结构体系进行结构设计.通过对结构性能、工程造价的对比，以及原材料生产、运输和建筑施工过程中碳排放量的详细计算分析，结果表明，采用配筋砌块砌体结构进行中高层住宅设计，可保证与混凝土剪力墙结构相当的结构性能，同时降低工程造价10.9%，并降低碳排放量47.76 kg/m2，约合10.0%.相比于混凝土剪力墙结构，配筋砌块砌体结构建设高层住宅具有明显的低碳节能优势，是“资源节约型、环境友好型”绿色建筑结构形式.

配筋砌块砌体结构;混凝土剪力墙结构;工程造价;碳排放量;对比分析

基于我国现阶段生产力水平，建筑行业仍以人工作业为主，生产效率低下，浪费了大量的劳动力资源，同时带来了严峻的环境问题.据统计，建筑行业所消耗的能源约占全社会总能耗的40%［1］;城市里碳排放 60%［2］来源于建筑行业.所以对传统的技术进行改造升级，寻求节能环保型的结构构造形式，发展低碳建筑，减少建筑能耗，无疑是日后建筑行业发展的新方向.

建筑碳排放主要来源于建筑材料的碳排放;建筑施工的碳排放;建筑正常使用与维护的碳排放;建筑拆除及回收利用的碳排放.

为对比配筋砌块砌体结构与传统混凝土剪力墙结构应用于中高层住宅建筑建设时的碳排放水平，本文对哈尔滨市某17层住宅采用两种结构方案进行了设计，并对其结构性能、工程造价及碳排放量进行对比分析.由于建筑使用及拆除阶段的碳排放与结构形式的相关性很小，故本文主要对该建筑建造阶段的碳排放进行分析，以突出对比结构形式对建筑碳排放的影响，其碳排放清单如图1.

图1 建筑碳排放清单分析框图

1 结构方案简介

1.1 主要建筑信息与结构设计资料

本工程为哈尔滨市住宅建筑，建设于2009年，总建筑面积17 558.72 m2，地上16层，地下1层，标准层平面每层 3个单元，建筑总高度49.200 m，建筑的设计使用年限为50年.

哈尔滨地区按6度(0.05 g)进行抗震设防，设计地震分组为第一组，场地类别为II类.50年一遇基本风压值为0.55 kN/m2，地面粗糙度类别为b类，建筑的风载体型系数取1.3.此外两结构设计方案中，钢筋均采用HPB235级与HRB335级.

1.2 钢筋混凝土剪力墙结构方案

混凝土剪力墙的抗震等级为四级，墙身采用C30混凝土，混凝土墙上有洞口而建筑无洞口处，采用陶粒混凝土砌块填充.基础采用直径为400 mm的预应力混凝土管桩，混凝土强度等级为C30.该结构方案的设计图纸由哈尔滨工业大学建筑设计研究院提供.

1.3 配筋砌块砌体结构方案

在该工程设计中，混凝土砌块、砂浆和灌芯混凝土强度等级，1～3 层分别为MU20、Mb20、Cb40，4～9 层分别为 MU20、MU15、Cb30，10～13层分别为 MU15、Mb15、Cb30，14～ 16 层 MU10、Mb10、Cb20.圈梁混凝土强度1～9层为C30，10～16 层为C25.该结构方案的设计图纸由哈尔滨工业大学混凝土与砌体结构研究中心提供.

1.4 两种方案的结构性能对比

风荷载作用下，配筋砌块砌体结构的最大楼层位移角为1/3 980，剪力墙结构为1/1 868.地震作用下，配筋砌块砌体结构与剪力墙结构的第一阶自振周期分别为1.22、1.43 s，最大楼层位移分别为1/5 463、1/3 237，底层抗剪承载力分别为22 500、18 610 kN.配筋砌块砌体结构的抗倾覆承载力与倾覆力矩的比值为18.9，刚重比为11.6，剪力墙结构分别为15.9、8.3.整体来看两种方案的结构性能相似，而配筋砌块砌体结构的抗侧承载力、结构水平刚度、抗倾覆承载力、结构整体稳定性都要略高于剪力墙结构.

2 工程造价对比

该工程两种结构方案的工程造价资料均由黑龙江省建筑设计研究院提供，工程造价对比结果见表1.

表1 两种结构方案工程造价对比［2］

由表1可知，配筋砌块砌体结构在钢筋、混凝土用量，总用工量，模板使用量和间接费方面均具有较大的节省优势，总工程造价节省10.9%.此外由于墙体无需支模养护，提高了施工周转速度，工期可以缩短20%～25%.

在上述预算分析中，墙体抹灰厚度均按20 mm考虑.而实际上砌块采用标准模具进行生产，表面平整度较好，因而仅需8～10 mm的抹灰厚度就可满足墙面平整度的要求;而现浇混凝土结构由于模板变形等原因，即使20 mm的抹灰厚度也较难达到要求.故若考虑抹灰厚度影响，配筋砌块砌体结构的造价将更低.此外，抹灰变薄可使使用面积增加3%～5%.

3 碳排放量计算方法综述

3.1 碳排放因子的取值

由于国内和国外在技术水平和生产工艺方面存在差异，碳排放计算优先采用国家相关部门、国内研究机构、以及国内文献资料中给出的排放因子.本文引用的材料碳排放因子及数据来源见表2.表中“废弃比例”，是指建筑材料，在二次加工及施工过程中的损耗及废弃率;其取值主要依据是黑龙江省的相关定额数据.

表2 常用建筑材料的碳排放因子及施工废弃比例

对于混凝土、砂浆等复合型材料，应考虑组成材料的碳排放量及所采用生产工艺的碳排放量两部分.例如对于预拌商品混凝土，可按其配合比分解成水泥、沙子、石子(水不考虑碳排放)，考虑每种材料的碳排放量，并在施工过程中考虑生产成品混凝土拌合物所用搅拌和振捣设备的碳排放量.按照上述方式计算C30混凝土以及M5、M10砂浆的碳排放因子见表3.值得注意的是，表中碳排放值仅考虑了原材料生产的碳排放量，并未考虑生产工艺的碳排放量，其相关值在施工阶段中进行计算.

表3 单位体积(1 m3)混合材料的碳排放量计算

3.2.1 原材料碳排放计算

建筑材料生产的碳排放占建筑整个生命周期碳排放量的 8%～12%［6］，其碳排放量较大.建筑材料生产阶段碳排放量可按下式［3，6］计算:

式中:n为建筑物所使用建筑材料的种类，wi为建筑材料在施工过程中的废弃比例，mi为所使用建筑材料的用量，EFi，m为生产单位建筑材料的CO2排放量.

3.2.2 材料运输碳排放量计算

建筑原材料运输碳排放量可按下式［3，7］计算:

式中:di为建筑材料从生产地到施工现场的运输距离;EFi，trans为单位建筑材料运输单位距离的碳排放量;ai为不同能源单位能耗的CO2排放系数，煤为103 281 g·GJ-1，柴油为76 026 g·GJ-1;Tc为单位建材运输单位距离的能耗，见表4.

表4 常见运输方式的单位能耗T

表4 常见运输方式的单位能耗T

运输方式 单位能耗/(MJ·(t·km)－1公路(距离≤50 km) 8.31)公路(距离＞50 km) 3.10铁路运输 3.05

3.2.3 施工过程碳排放量计算

建筑施工过程碳排放量可按下式［6，9］计算:

式中:m为施工过程中不同施工类型的数目;si为每种施工类型施工总量;Pi为每种施工类型的单位能耗(或单位燃油消耗量)，EFi不同能源的CO2排放因子，燃油为 3.186 3 kg/kg［10］，电为0.881 1 kg/kWh［11］(工程建设于 2009 年，电力碳排放因子值参考当年东北区域电网的数据).

4 碳排放量对比分析

4.1 原材料碳排放计算

本文主要考虑了结构材料的碳排放量(见表5)，以明确对比结构方案对碳排放量的影响.剪力墙结构与配筋砌块砌体结构墙面抹灰厚度分别按20、10 mm考虑.此外模板可多次周转使用，本文根据周转次数考虑其在每次使用过程中的均摊碳排放量(见表6).

表5 两种结构方案原材料碳排放量

表6 两种结构方案模板均摊碳排放量 t

4.2 运输阶段碳排放计算

钢材由鞍钢运送至哈市，火车运输650 km，卡车转运60 km;其余材料采用卡车运输.砂浆、砌块、混凝土、模板由生产厂或存放处至工地的距离为60 km，水泥、砂石由开采地至生产厂的距离为100 km.运输阶段碳排放量见表7.

表7 两种结构方案材料运输碳排放量

4.3 施工阶段碳排放计算

施工碳排放计算根据工程预算书进行.按照施工定额，确定各施工类型所需施工机械的台班数及单位台班的能耗数据，从而获得总的能耗量;而对于一些临时性措施，比如施工场地的临时供电与照明，按施工组织情况，估算其每天的耗能量.由此可根据能源碳排放因子确定碳排放量.施工阶段碳排放量对比见表8.

表8 两种结构方案施工阶段碳排放量

4.4 碳排放量对比

两种结构方案的建筑建设阶段碳排放量对比见表9.相比于剪力墙结构，配筋砌块砌体结构可降低碳排放量47.76 kg/m2，约合10%.

表9 原材料生产及施工过程中碳排放量对比

通过参阅相关文献资料得到的国内部分研究人员计算的中高层建筑原材料生产及施工阶段碳排放量见表10.表中原材料生产阶段碳排放，由于本文只考虑了主要的结构材料，故相对较低;而运输阶段碳排放由于材料供应商远近、运输条件的不同，可比性不是很大.案例1施工阶段碳排放量计算值偏低，可能是其在工程量的统计方面存在偏差;案例2的施工阶段碳排放量是按单位面积施工耗能量估算的，其取值偏高;案例3的施工阶段碳排放根据台湾学者对台湾建筑碳排放统计调查，用线性回归的方法推演的简化计算公式计算，应用于大陆地区可能存在一定的偏差;案例4施工阶段碳排放量的计算方法与本文相似，但案例4的数值较低，其原因是本文取机械施工定额外，还考虑了工地临时性措施(如临时供暖供电)所产生的碳排放量.综合上述4个案例得到的平均值，与本文的计算结果吻合较好，说明本文计算值有可信度.

表10 国内部分研究人员计算得到的建筑原材料生产及施工阶段的碳排放量

5 结 语

通过对哈尔滨市1栋17层住宅，分别采用剪力墙结构方案与配筋砌块砌体结构方案进行设计，对其材料生产，运输及施工阶段的碳排放量进行计算分析.结果表明，配筋砌块砌体结构在保证结构的承载能力与变形性能，降低工程造价的同时，碳排放亦降低.

由于配筋砌块砌体结构节约了大量的钢材与混凝土，故其在降低原材料的碳排放方面具有较大优势;同时节约了大量模板，辅助建筑材料的碳排放量降低;并且降低了混凝土用量，降低了泵送混凝土的能耗量.此外，工期上根据工程实践可以获得提高20%～25%的施工速度优势，可以节约在场地照明、临时采暖等方面的碳排放量.

通过本文的对比分析可以发现，较剪力墙结构，配筋砌块砌体结构在原材料生产、运输及施工过程中可降低碳排放量47.76 kg/m2，约合10%，具有相当大的低碳优势.配筋砌块砌体结构与我国倡导发展绿色建筑的方针相一致，是“资源节约型、环境友好型”绿色建筑结构形式.

［1］NASSEN J，HOLMBERG J，WADESKOG A，et al.Direct and indirect energy use and carbon emissions in the production phase of buildings:an input—output analysis［J］.Energy，2007，32:1593－1602.

［2］于彩峰，付忠林，王凤来.哈尔滨地区17层住宅结构方案对比与造价分析［M］//新型砌体结构体系与墙体材料(上册).北京:中国建筑工业出版社，2010:120－123.

［3］王松庆.严寒地区居住建筑能耗的生命周期评价［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.

［4］尚建选，王立杰，甘建平.电石法和煤基乙烯法PVC碳排放分析［J］.煤炭转化，2011，34(1):74－77.

［5］张涛，姜裕华，黄有亮，等.建筑中常用的能源与材料的碳排放因子［J］.中国建设信息，2010，23:58－59.

［6］GIELEN D.BuildingmaterialsandCO2-Western European emissionsreduction strategies［R］.The Netherlands:Energy Research Centre of the Netherlands(ECN)，1997.

［7］IPCC National Greenhouse Gas Inventories Programme Technical Support Unit.2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories［R］.Japan:IGES，2006.

［8］蔡向荣，王敏权，傅柏权.住宅建筑的碳排放量分析与节能减排措施［J］.防灾减灾工程学报，2010，30(S1):428－431.

［9］ADALBERTH K.Enegry use during the life cycle of building:a method［J］.Building and Environment，1997，32:317－320.

［10］IPCC NGGIP.Emission Factor Database［DB/OL］.［2013－ 10－ 12］.http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/EFDB/main.php.

［11］中国国家发展和改革委员会应对气候变化司.关于公布2009年中国低碳技术化石燃料并网发电项目区域电网基准线排放因子的公告［EB/OL］.［2012－11－01］.http://www.chinapower.com.cn/newsarticle/1102/new1102172.asp.

［12］郑雪晶，王霞，张欢.天津节能住宅建筑生命周期碳排放核算［J］.中南大学学报，2012，43(S1):262－267.

［13］黄志甲，赵玲玲，张婷，等.住宅建筑生命周期CO2排放的核算方法［J］.土木建筑与环境工程，2011，33(S2):103－105.

［14］王霞.住宅建筑生命周期碳排放研究［D］.天津:天津大学，2011.

Comparison and analysis of structure design and carbon emissions of a 17-storey residential building in Harbin

WANG Fenglai1，ZHU Fei1，ZHANG Xiaocun1，WANG Haiyun2
(1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China;2.Heilongjiang Construction Group Co.，LTD，150046 Harbin，China)

To compare the pros and cons of reinforced concrete block masonry shear wall structure(R.M.system)with reinforced concrete short-limb shear wall structure(R.C.system)in the area of carbon emissions，both structural systems were used for the structure design of a 17-storey residential building，and the detailed analysis of the structure performance，project cost and carbon emissions in the process of material production，transportation and construction was carried out.The results show that using the R.M.system for the construction of Multi-storey residential buildings can gain similar structure performance to the R.C.system，and at the same time reducing the project cost by 10.9%，reducing the emissions of Carbon Dioxide by 47.76 kg/m2(10.0%).Comparing with the R.C.system，the R.M.system has the advantage of less carbon emissions and energy consumption for the construction of high-rise residential building，and it’s a kind of green building system with the property of‘resource-saving，environment-friendly’.

reinforced concrete block masonry shear wall structure;reinforced concrete shear wall structure;project cost;carbon emissions;comparison and Analysis.

TU365

A

0367－6234(2014)02－0011－05

2012－11－01.

国家科技支撑计划项目(2013BAJ12B03);住房和城乡建设部研究开发项目(2010－k2－1);黑龙江省建设集团有限公司联合科研项目(MH20100436).

王凤来(1971—)，男，教授，博士生导师.

王凤来 ，wflai@sina.com.

(编辑 赵丽莹)