建筑结构设计的减碳措施及木结构的减碳优势分析

张义长 邓 超 江 超 曾昭英

(1.湖南省建筑科学研究院有限责任公司，湖南 长沙 410003；2.建筑工业化技术及安全控制湖南省重点实验室，湖南 长沙 410003）

0 引言

2015年第21届联合国气侯变化大会通过的《巴黎协定》制定了人类社会应对气侯变化的长期目标——相较于前工业化时期的全球平均温升控制在2℃（并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内），2020年9月我国对世界宣布了“2030 年碳达峰，2060 年碳中和”的目标(“双碳”目标)，由此可见全球变暖己成为全人类的共同挑战[1]。建筑业具有高能耗、高碳排放的特点，在保持建筑业正常发展的情况下，逐年降低建筑业碳排放量成为“双碳”目标顺利实现的必然要求。

建筑全生命周期的碳排放基本分为建材生产和运输阶段、建筑建造和拆除阶段、建筑运行阶段。其中建筑运行阶段的碳排放占全生命周期碳排放约42.8%，建材生产和运输阶段的碳排放占比约55.2%，建造和拆除阶段的碳排放占比仅为2%[2]。而建筑材料的种类、建筑材料的用量、建筑节能和可再生能源的利用、建筑设备的选型及运行方式、是否采用装配式建造、碳汇等方面，在建筑的设计阶段己基本确定。因此在建筑业降低碳排量的实践中,建筑设计起到了关键的引领作用，低碳设计的理念应贯穿到建筑设计的各个专业和各个环节。

建筑设计的减碳措施一般包括节能、节地、节水、节材和碳汇等方面，其中建筑结构设计在建筑减碳方面主要体现在结构选型、结构选材、新技术的应用、装配式建筑的应用、延长既有结构使用年限等方面。木材具有天然的固碳特性，应在结构选材中得到重视。本文对建筑结构设计的减碳措施及木结构的减碳优势进行分析。

1 建筑结构设计的主要减碳措施

建筑结构设计的减碳措施有结构选型、结构选材、新技术应用、装配式建筑的应用、延长既有结构使用年限等。

1.1 结构选型

结构设计时，应优先采用规则结构或一般不规则结构。结构规则有利于减少结构整体材料用量，达到节材减碳效果。

在建筑方案阶段应控制建筑的规则性，如高宽比、平面凹凸、层高变化、竖向体型变化和功能布置等方面，并通过合理设置抗震缝调整结构的规则性，减少结构薄弱部位，提高抗震性能。除受建筑功能限制或纪念性、展示性建筑外，应减少“奇奇怪怪”的建筑。

1.2 结构选材

当前混凝土结构建设的单位建筑面积碳排放通常高于钢结构、木结构或砌体结构[3]，随着社会经济的发展，政府应出台更多政策鼓励钢结构的发展。有条件的地方，根据项目的条件适当推广木结构形式。

混凝土结构也可以通过使用高强钢筋、研发低碳材料、新型减量化结构技术等实现减碳目标，保持在低碳设计中的竞争力。如推广使用HRB500钢筋、CRB600H钢筋、预应力大板楼盖等。

1.3 新技术的应用

减隔震技术把建筑抗震的思路，由传统的提高建筑物的抗震承载力，改为减少对建筑物的地震能量输入和减小结构的地震动力响应，给建筑物抗震设计提供了新的方案。

对于高烈度地区和对抗震设防要求较高的新建建筑，可以采用隔震、消能减震技术，以达到节材减碳的效果。将隔震技术和消能减震技术应用到既有结构的加固中也有良好的效果[4-5]，相较传统的加固技术，具有综合造价低、施工周期短、对既有结构影响小的优点，也具有明显的减碳效果。

1.4 装配式建筑的推广

装配式建筑的优势主要体现在能有效改善施工现场环境、提高施工效率、节约资源和减少建筑垃圾的产生[6]。近年来各地区都加大了装配式建筑体系及技术的研究，随着装配式建筑施工工艺和技术越发成熟，装配式建筑将有更大的发展潜力。

采样电路主要是由3个电流采样电路和4个电压采样电路构成。采样方式方面选择信号隔离的采样的方式。电压信号的采样在此选用微型精密电压互感器ZMPT107。电流采样方面选用微型精密电流互感器ZMCT101B。实验装置中电流的最大值不到 1 A,测量电阻选用Ro=500 Ω,输出电压峰峰值为 1.0 V。由于开关管的高频动作,采样信号中存在很大的高频谐波分量,采用一个截止频率fc=10 kHz,阻尼系数ζ=1.45的巴特沃斯滤波器进行滤除。

1.5 延长既有结构使用年限

当前我国建筑结构平均寿命远小于发达地区平均水平[7]和建筑结构设计工作年限（50年），应通过限制大拆大建并发展结构改造和加固技术以延长既有结构的使用年限。

延长既有结构的使用年限，既可以减少建筑拆除阶段的碳排放，又可以有效减少新建建筑的开工量。建筑结构设计应关注提高结构的耐久性，行业管理部门应加强对既有建筑的维护和改造管理。

2 木结构低碳特性

木结构可有效地储碳，被誉为城市的“第二森林”，木结构作为一种可持续发展材料，具有明显的低碳特性。

2.1 木材具有天然的固碳特性

木材作为自然生长的材料，在生长过程中会吸收二氧化碳。有文献[8]指出，合理的种植和采伐有利于促进森林里树木生长，在建筑中适当增加木材的使用能促进森林资源的可持续发展，助力建筑行业的可持续发展。

2.2 木结构有利于绿色建造的发展

木材相较于其它材料，更容易加工。现代木结构的所有结构件和连接件都可在工厂标准加工生产，而且可以组装成具有某一功能或功能组合的模块再运输到现场组装。

木结构质量轻，节点连接安装容易，对现场的人力和器械的要求也低于其他结构形式。木结构房屋施工安装速度远远快于混凝土和砌体结构建筑，大大缩短了工期，节省了人工成本，施工质量得以保证，木结构房屋也易于改造和维修。施工现场没有成堆的砖头、钢筋、水泥和尘土，减少了工地垃圾及清理工作，真正做到环保节能，实现绿色建造。

2.3 木结构节约资源和能源

木结构建筑的主要建材是天然绿色环保的物质材料，与混凝土结构相比，对水、空气的污染程度更低，对能源的消耗更少，产生的温室气体及固体废物更少。

木结构建筑的保温节能功能比较突出，其主要原因是在木材的微观结构中，存在很多微小空腔，空腔的存在能显著改善木材的天然热效率，使得木材有比钢材和混凝土更高的阻挡热量散发的能力。所以，在同等隔热效果下，钢筋混凝土建筑需要使用更多的隔热材料。

3 木结构建筑减碳优势分析

某幼儿园位于湖南长沙，采用木+混凝土组合结构。一层采用钢筋混凝土框架结构，二、三层采用木框架—支撑结构和SPF木楼板，见图1所示。

图1 某幼儿园建筑实景

该工程施工图按木+混凝土组合结构进行设计，同时按全混凝土框架结构进行对比设计。对两种结构体系的主要建筑材料用量进行计算，并进行碳排放计算，以比较两种结构体系的主要材料碳排放量。

主要建筑材料碳排放计算如下列公式[9]：

式中：

Csc——主要建筑材料碳排放量，kgCO2e；

Mi——第i种材料的消耗量；

Fi——第i 种材料的碳排放因子，kgCO2e/单位建材数量。

计算两类结构的主要材料用量和脚用架的工程量，并根据相应碳排放因子计算两类结构的碳排放量，见表1。

表1 木+混凝土组合结构与混凝土框架结构主要建筑材料碳排放对比

由表1可知，相较现浇混凝土框架结构，木+混凝土混合结构的碳排放量减少了26%，有明显的减碳效果。

4 结束语

“双碳”目标给建筑行业发展提供了新的机遇与挑战，建筑设计在建筑行业减碳中起到引领作用，低碳设计的理念应贯穿到建筑设计的各个专业和各个环节。本文提出结构设计的主要减碳措施，建筑结构设计应根据项目的具体特点，采用合适的技术措施减少碳排放。对某木结构幼儿园的结构减碳计算表明，相较现浇混凝土结构，木结构建筑具有明显的低碳特性，可在部分项目中推广使用木结构。