钢结构建筑减碳潜力测算

王市均 张光明

摘要：钢结构建筑抗震性好，在推进新型建筑工业化进程、提高装配式建筑水平及落实低碳绿色发展目标的作用十分明显。本文按低层、中层高层住宅分类，通过相关文献梳理及实地调研，采用建材生产、建材运输、建筑运行、建筑拆除及回收全生命周期理论分析对比了钢结构与钢筋混凝土建筑碳排放量。结果表明，钢结构和钢筋混凝土建筑运行阶段时期碳排放水平相当，在建造阶段和建筑拆除回收阶段，无论是城市常见的高层住宅还是农村的低层住宅，钢结构的碳排放量明显低于混凝土建筑，碳减排效果明显。

关键词：钢结构；碳排放；钢筋混凝土建筑；潜力测算

0 引言

温室气体的超负荷排放使全球气候问题日益严峻，碳减排是减缓气候变化的首要任务。据国际能源署（IEA）、世界绿色建筑委员会等机构测算，建筑行业碳排放量约占全球碳排放量的35-40%，是全球排碳量最高的行业。通过钢铁代替混凝土、或者低碳排放钢材代替高排放钢材，对低成本地实现降低建筑隐含碳排放有显著的效果和重要作用。

当前中国建筑规模体量大，且主要类型为排放量较高的钢筋混凝土结构，通过扩大钢结构消费比重，从全生命周期角度降低建筑碳排放量，是低成本、高效益减碳钢铁和建筑行业碳排放的重要途径。本文通过钢结构建筑与传统钢筋混凝土建筑全生命周期碳排放水平进行了对比测算，为推广绿色低碳钢结构建筑提供理论支撑。

1 中高层建筑钢结构与钢混建筑碳排放分析

根据GB/T 51366—2019 《建筑碳排放计算标准》，建筑全生命周期可分为建材生产、建材运输、建筑运行、建筑拆除及回收等不同阶段。国内很多学者［1-7］以不同地区、不同类型的住宅建筑为研究对象，采用全生命周期法，分析计算钢结构及传统混凝土建筑全生命期碳排放总量和碳排放强度，不同建筑全生命周期的建筑信息和碳排放信息如表1和表2所示。

由表1和表2可知，不同楼层、不同建筑面积、不同地区的建筑碳排放强度会因建材、电力排放因子不同等多种因素而产生差异。钢结构住宅建筑的单位面积碳排放强度为1759.43-1936.90 kgCO2/m2。传统混凝土结构建筑碳排放强度为971.22-2793.87 kgCO2/m2。

王从章［7］等对阜阳市某钢结构建筑和传统混凝土建筑的研究结果表明，50周年的寿命期内，28层钢结构住宅的碳排放强度为1767.05 kgCO2/m2，21层传统混凝土住宅的碳排放强度为2354.23 kgCO2/m2。从全生命周期计算，钢结构住宅的碳排放强度较传统混凝土住宅低24.94%。

对比蒋友娣［2］对钢结构住宅（8层）和周晓对传统混凝土建筑（6层）的研究结果可知，钢结构住宅的碳排放强度较传统混凝土住宅低21.97%。对比周观根［1］对钢结构住宅（29层）和周晓［4］对传统混凝土建筑（21层）的碳排放强度，钢结构住宅较传统混凝土住宅低30.67%。

通过查阅资料和现场调研，相较于传统混凝土住宅建筑，目前中国钢结构住宅建筑的成本高约20-30%，开发商和建筑公司在建设钢结构住宅建筑时，一般会增加楼层，建筑楼层达到20层以上。

分析钢结构住宅和传统混凝土住宅各阶段碳排放占全生命周期的比例如表3可示，由表3可知，钢结构住宅和传统混凝土住宅的运营阶段占全生命周期碳排放比例最高，其次是建材生产阶段，建材运输、施工及拆除阶段占比较小。此外，钢结构住宅的建材回收率高于传统混凝土住宅。

宋志茜［8］等以内蒙古地区层数相近的钢结构装配式住宅和现浇钢筋混凝土住宅为研究对象，不考虑建筑运行阶段碳排放，分析了建材生产、建材运输、施工建造及建材回收阶段的碳排放情况。参考GB/T 51366—2019 《建筑碳排放计算标准》，计算出两种建筑的碳排放结果如表4所示。由表4可知，在不计算材料回收时，相比于混凝土建筑，钢结构建筑的减碳率为16.32%，计算材料回收时，钢结构建筑的减碳率为34.30%。钢结构装配式住宅建筑中，钢材以钢构件和型钢为主，而传统住宅以钢筋为主。在回收率上，型钢、钢构件回收率高于钢筋，型钢、钢构件回收率可达0.9，钢筋仅有0.4～0.5。在建材生产、建材回收、建材运输、施工建造碳排放上，钢结构装配式住宅均有明显的减碳效果。

2 低层建筑钢结构与钢混建筑碳排放分析

对于低层钢结构住宅的减碳效果，张爱阳［9］研究了农村常见住房在全生命周期情况下的碳排放情况，对比轻钢农房与钢混、砖混及砖木农房的单位面积碳排放量，分析轻钢农房相较于钢混、砖混及砖木农房的碳减排量及碳减排率，结果表明：农房的全生命周期碳排放量排序为钢混结构＞砖混结构＞砖木结构＞轻钢结构，轻钢农房相比其他形式农村住房的碳减排比例在-1%—34%之间。轻钢与钢混农房的碳减排率为17-34%，碳排放计算结果如表5所示。由表5可知，低层的轻钢住宅相较于钢混住宅减碳率为17-34%，由此可见，无论是城市常见的高层钢结构住宅还是农村的地层钢结构住宅，其减碳效率最高达34%，钢铁与建筑协同减碳具有较大潜力。

3 现场调研与验证

武汉蔡甸区奓山五期项目6号、9号楼装配式钢结构住宅建筑，采用钢框架支撑结构，地下1层（结构性地下室）、地上30层（1-27层为住宅，层高2.8 m，28-30层为工程层），建筑总高83.1 m，总户数432户，总建筑面积约4.91万m2。建筑结构类型为钢框架结构，整体装配率为68%，主要预制构件包括：钢柱、钢梁、钢筋桁架楼承板、预制PC楼梯、预制外挂墙板、轻质ALC条板、装配式装修等。

采用GB51366-2019标准并参考赵彦革《基于全寿命周期的钢结构与混凝土结构的碳排放分析》中的分析方法，对该项目的钢结构建筑与混凝土建筑的碳排放进行分析。为便于比较分析，本文的结构材料碳排放因子根据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）取值为：混凝土320 kgCO2/m3（按照工程中应用范围最广的C35等级取值），钢筋/钢板2310 kgCO2/t。混凝土材料的再利用碳排放为0，钢筋的再利用比例取60%，钢材的再利用取90%。

根据对武汉奓山钢结构建筑现场调研，钢结构建筑与混凝土建筑地下基础部分均采用混凝土结构，钢材、混凝土种类和用量基本相同。钢结构建筑地上主体结构采用钢板焊接为需要的尺寸，并采用焊接、螺丝等连接方式构建。因此，分析钢结构建筑和混凝土建筑地上建筑碳排放情况，同时考虑钢材、混凝土的回收带来的减排情况，对钢结构建筑的减排潜力进行分析，结果如表6和表7所示，由表6和表7可知，钢结构住宅在建材生产及运输阶段的碳排放较混凝土结构高19.79%，而考虑材料回收利用后，钢结构住宅的碳排放较混凝土低54.01%。同时，因在建筑的建造阶段和建筑的拆除阶段，钢结构的碳排放会较混凝土略低，建筑的运行阶段时两者的碳排放相当。因此，钢结构在不考虑回收的全生命周期阶段的碳排放高于混凝土结构大约64kgCO2/m2，考虑材料回收后，钢结构的碳排放低于混凝土大约123 kgCO2/m2，减碳率约54.01%。

4 结论

（1）无论是城市常见的高层住宅还是农村的低层住宅，采用钢结构形式较钢筋混凝土均有较大的碳减排效果，从全生命周期考虑，中高层的钢结构住宅相较于钢混住宅减碳21.97%-34.3%，低层的轻钢住宅相较于钢混住宅减碳率为17-34%。

（2）建筑的建造阶段和建筑的拆除阶段，钢结构的碳排放会较混凝土略低，建筑的运行阶段时两者的碳排放相当。因此，钢结构在不考虑回收的全生命周期阶段的碳排放高于混凝土结构大约64 kgCO2/m2，考虑材料回收后，钢结构的碳排放低于混凝土大约123 kgCO2/m2。

参考文献

［1］ 周观根，周雄亮. 基于生命周期评价的钢结构建筑能耗与碳排放分析［C］//中国建筑金属结构协会钢结构专家委员会.钢结构与绿色建筑技术应用.中国建筑工业出版社，2019：7.

［2］ 蒋友娣， 王任媛， 郑建敏. 装配式钢结构住宅建筑全生命期碳排放计算［J］. 上海节能， 2022（09）：1105-1111.

［3］ 熊宝玉. 住宅建筑全生命周期碳排放量测算研究［D］. 深圳大学， 2015.

［4］ 周晓. 浙江省城市住宅生命周期CO_2排放评价研究［D］. 浙江大学， 2012.

［5］ 李岳岩， 张凯， 李金潞. 居住建筑全生命周期碳排放对比分析与减碳策略［J］. 西安建筑科技大学学报（自然科学版）， 2021，53（05）：737-745.

［6］ 王上. 典型住宅建筑全生命周期碳排放计算模型及案例研究［D］. 西南交通大学， 2014.

［7］ 王从章， 李兵. 从碳排放计算角度简要分析”装配式钢结构+ALC板材”体系的优势［J］. 建材发展导向， 2023，11（21）：12-14.

［8］ 宋志茜，罗晓予，葛坚.钢结构装配式住宅物化阶段碳排放研究［J］.建筑技术，2023，54（02）：158-162.

［9］ 张爱阳. 低碳视角下轻钢农房的减排效果及减排成本研究［D］.重庆大学，2021.