赵彦革：基于全寿命期的钢结构与混凝土结构的碳排放分析

【导读】近年来，绿色低碳已成为高质量发展的鲜明底色。中国建筑领域的能源消费与碳排放已成为全社会能源消费与排放的重要组成部分，对中国建筑能耗与碳排放的现状进行全面认识和分析具有重要意义。

一、概述

2020 年 9 月 22 日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出： “ 中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和 ” ，简称 “ 双碳目标 ” 。 2021 年 10 月发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》以及《 2030 年前碳达峰行动方案》，这两个重要文件的相继出台，共同构建了中国碳达峰、碳中和 “1+N” 政策体系的顶层设计，而重点领域和行业的配套政策也将围绕以上意见及方案陆续出台。

建筑行业是我国的 “ 碳排放大户 ” ，根据中国建筑节能协会去年底发布的《中国建筑能耗与碳排放研究报告（ 2021 ）》显示， 2019 年全国建筑全过程碳排放总量为 49.97 亿 t 二氧化碳，占全国碳排放的比重为 50.6% 。因此，建筑行业碳排放控制将是实现 “ 双碳目标 ” 的关键。

图 1 ：碳中和、碳达峰图示

影响建筑碳排放的因子众多，其中建筑结构形式选取是一个重要因素。目前，在建筑中应用较多的结构形式为混凝土结构和钢结构，约占总量的 95% ；其中，混凝土结构占比达 90% ，钢结构为 5% 。关于采用以上两种结构形式的建筑，哪种碳排放量更低，国内相关研究还尚不充分。本文将基于不同建筑形式，并结合《建筑碳排放计算标准》 (GB/T 51366-2019) ，对混凝土结构和钢结构建筑的碳排放情况进行分析，以供同行业进行相关研究参考。

二、碳排放分析

不同的结构形式适用于不同的建筑类型。混凝土结构适用于各类常规建筑形式，而钢结构建筑则多应用在大跨度或高层公共建筑中；近些年因各地装配式建筑的相关要求，钢结构也被应用到多层公建或住宅项目中。建筑地下室部分通常均采用混凝土结构，故本文仅对地上建筑进行分析。结合这两种材料的应用范围，本文将按照多层公建、高层公建和住宅三种建筑形式，对混凝土结构和钢结构的碳排放进行分析。

基于全寿命期的建筑碳排放可划分为：①建材生产及运输、②建筑的建造、③建筑的运行和④建筑的拆除等 4 个阶段。同时，考虑到部分结构材料经拆除后可以转化为可再利用材料或可循环利用材料，从而形成负碳效应，故增加⑤负碳技术。由此，结构材料的碳排放计算公式可为：

C=C JC +C JZ +C M +C CC +C F

式中： C为单位建筑面积的碳排放量； C JC 为①建材生产及运输阶段单位建筑面积的碳排放量； C JZ 为②建筑的建造阶段单位建筑面积的碳排放量； C M 为③建筑的运行阶段单位建筑面积的碳排放量； C CC 为④建筑的拆除阶段单位建筑面积的碳排放量； C F 为⑤负碳技术单位建筑面积的碳排放量。

根据统计分析， C JZ + C CC （建造阶段与拆除阶段碳排放量）在建筑碳排放中占比不到 8% ；同时，结构材料的变化，对于 C M （建筑运行阶段碳排放量）几乎没有影响；故本文将重点针对 C JC 和 C F 进行分析，对 C JZ 、 C M 和 C CC 不做分析。

2.1 参数分析

根据《建筑碳排放计算标准》（ GB/T 51366-2019 ）中第 6.2.1 和 6.3.1 条， C JC 与使用的材料用量和相应材料的碳排放因子有关。结构的材料用量受多种因素影响，为便于分析，本文主要参考北京建设项目。取地震设防烈度为 8 度，场地土类别为 III 类，基本风压为 0.45kN/ ㎡，基本雪压为 0.40kN/ ㎡。结构材料的碳排放因子与材料强度等级密切相关，因此数据略有差异。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 ）统一取值为：混凝土 320 kg CO ₂ e/m3 （按照工程中应用范围最广的 C35 等级取值），钢筋 / 钢材 2350 kg CO ₂ e/t 。

结构材料的负碳技术众多，针对混凝土结构和钢结构的对比需求，本文中的负碳技术主要指结构材料的再利用。混凝土材料的再利用主要为再生混凝土，因再生混凝土和普通混凝土间的碳排放几乎相同，故认为为 0 。再利用的钢筋和钢材则通过电炉炼钢技术实现负碳，根据再利用的难易程度，钢筋的再利用比例取 60% ，钢材的再利用取 90% ，电炉炼钢的碳排放因子为 600 kg CO ₂ e/t 。

2.2 碳排放计算

根据上述参数分析，针对多层公建、高层公建和住宅三种地上建筑形式的混凝土结构和钢结构 C JC 和 C F 的计算如表 1~3 所示：

表 1 ：多层公建混凝土结构和钢结构 C JC 和 C F 的计算

表 2 ：高层公建混凝土结构和钢结构 C JC 和 C F 的计算

表 3 ：住宅建筑混凝土结构和钢结构 C JC 和 C F 的计算

注： 1 ）表中的材料用量来自各地产公司资料并平均； 2 ）混凝土材料的运输距离取 40 公里，钢筋和钢材取 500 公里。

2.3 碳排放分析

根据上面计算结果，混凝土结构和钢结构材料在多层公建、高层公建和住宅的 C JC 分析如表 4所示， C JC +C F 分析如表 5所示。

表 4 ：混凝土结构和钢结构 C JC 的分析

表 5 ：混凝土结构和钢结构 C JC +C F 的分析

由上可知，钢结构在①建材生产及运输阶段的碳排放 C JC 较混凝土结构高 20% 。而考虑负碳技术 C F 后，钢结构的 C JC +C F 碳排放较混凝土低 27% 。

上述计算分析是基于北京地区，并按照多层公建、高层公建和住宅三种地上建筑形式，对钢结构和混凝土建筑进行了 C JC +C F 碳排放分析。对于其他地区、其他建筑形式，因材料用量有一定的相对性，故其规律基本是一致的。同时，因在②建筑的建造阶段和④建筑的拆除阶段，钢结构的碳排放会较混凝土略低，③建筑的运行阶段时两者的碳排放相当。因此，钢结构在 ① + ② + ③ + ④阶段的碳排放高于混凝土结构大约 60 kgCO ₂ / ㎡，但基于全寿命期并考虑负碳 C F 后，钢结构的碳排放低于混凝土大约 50~80 kgCO ₂ / ㎡。

三、总结与展望

根据上述分析，可以得出如下结论：

（1）考虑全寿命期后，钢结构在①建材生产及运输 + ②建筑的建造 + ③建筑的运行 + ④建筑的拆除 + ⑤负碳技术阶段的单位建筑面积碳排放较混凝土结构低约 50~80 kgCO ₂ / ㎡；

（2）结构低碳设计中，应优先考虑低碳的钢结构形式；

（3）钢材生产工艺产生的碳排放较高，改善工艺并降低钢材生产阶段碳排放工作刻不容缓。

同时，针对本文的局限性，后期展望如下：

（1）本文仅对结构主材进行了碳排放分析，后期宜补充其他建筑材料并进行综合碳排放分析；

（2） ③建筑的运行阶段的碳排放分析中，未考虑结构维护及改造带来的碳排放影响，如钢结构的防火防腐、结构的改造加固等，后期宜进一步研究。