赵彦革:建筑碳排放误区Ⅲ——将结构材料用量降低等同结构低碳

近期，随着“双碳目标”的提出，各行各业均开始大力发展低碳战略。作为碳排放大户，建筑领域的节能减碳措施也备受关注。经过研究发现，降低建筑领域碳排放措施主要集中在能耗（包括可再生能源等）和材料方面，建筑结构专业低碳措施则以材料低碳（包括选材和用材）为主。也不难发现，降低结构材料用量能够有效降低建筑结构碳排放。而这一现行，也很容易被误解为降低结构材料用量就是结构低碳的，甚至认为两者是等同。下面，本文将就这两方面进行分析，给出其相互关系，供行业参考。

结构专业作为建筑领域的重要专业之一，在其漫长的发展过程中，其设计原则已由单一的结构安全，逐步形成“安全、适用、经济”的顶层设计三原则，并长期影响着结构设计领域。而随着本世纪初绿色建筑被逐步重视，绿色设计也逐步成为结构设计的第四个原则。而在2020年我国提出双碳目标后，结构低碳化设计势必会成为第五个设计原则。

由上面的演变图可以看出，前四个原则各有侧重点并已基本成熟，可以有效指引结构设计。而第五个设计原则“低碳”，则还在研究初期，并容易与“经济”和“绿色”设计原则相混淆。关于“低碳”和“绿色”设计原则的区别，笔者已在“建筑结构·低碳专题十一丨赵彦革:建筑碳排放误区Ⅱ——将绿色设计等同低碳设计”中给出解读。而“经济”和“低碳”这两个设计原则，均可以通过材料用量的降低而实现。那么，“经济”和“低碳”是什么关系呢，即结构材料用量降低与低碳设计的关系如何？下面将进行相关分析。

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；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。

基于上述公式，不难看出每个部分的碳排放均与材料用量成正比，即结构材料用量越多，对应结构的碳排放越多，反之则越小。由此，可以看出结构材料用量降低是结构低碳设计的重要手段。

基于公式2.1可知，材料用量降低会减少对应建筑结构碳排放。但我们却不能笼统认为材料用量降低一定会减少结构碳排放，慎重认为两者步调相一致。下面，笔者按照材料的组成进行相关分析。

3.1 单一材料结构形式

单一材料结构形式是指组成整体结构的各构件材料均为一种材料，如砌体结构、素混凝土结构、钢结构、木结构、竹结构、金属结构等构件。其中，根据采用的强度或材质不同，又可分为单一材料单一强度结构形式和单一材料多强度结构形式。

1）单一材料单一强度结构形式

该类型是指结构构件采用相同强度的同种材料，如采用Q355钢材的钢结构。该类型分析相对简单，并遵循着两条规律：一是材料用量与碳排放量同比例增减，二是强度控制时采用碳强比低的材料更低碳。第一条规律根据公式2.1可以很容易得出，并使经济性和低碳性具有一致性；第二条规律见“建筑结构·低碳专题二丨赵彦革：基于结构强度等级分析的结构板低碳设计”，即通过采用碳强比低的材料能更有效降低材料用量，从而减少碳排放量。一般来讲，材料强度越高对应碳排放因子越低；因此，在强度控制时，采用高强度材料可以低碳。但采用高强度材料却不一定能比低强度材料更经济，这主要取决于各地产能及市场供求。下面以钢结构为例进行说明，详见表1：

由表1和图2可以，按照等应力比的方法计算的各牌号钢材对应的碳排放随着强度等级升高而降低，但造价则先低后高，其经济性和低碳性没有表现出一致性。

2）单一材料多强度结构形式

该类型是指结构构件采用了多种强度的同一种材料，如同时采用Q235和Q355钢材的钢结构。就该形式的每一种强度材料，其规律与单一材料单一强度结构形式是一致的。但对整体结构进行多强度汇总时，将出现三个工作目标：一是材料用量最少，二是碳排放量最低，三是造价最低。

根据相关标准要求，不难得出“材料用量最少”的工况是强度控制的构件采用高强材料，刚度控制的采用低强材料，此时，高强材料和低强材料用量无耦合关系，相互独立。根据“建筑结构·低碳专题二丨赵彦革：基于结构强度等级分析的结构板低碳设计”，便很容易得出“材料用量最少”的情况也是“碳排放量最低”的。

关于造价方面，则与“单一材料单一强度结构形式”中分析结论相同，“碳排放量最低”不一定“造价最低”，两者无一致性。

3.2 混合材料结构形式

混合材料结构形式是指所组成的各结构构件中，部分或全部采用混合结构材料，如钢筋混凝土结构、型钢（钢管）混凝土构件等。这样的混合结构构件是由两种或两种以上的结构材料组成的，在共同受力作用下，其不同材料间具有耦合关系。对于该类型结构，由于其不同材料间衡量单位不统一，且因耦合关系而存在此消彼长情况，故笼统谈整体结构材料用量的意义不大。这种形式比较适用于进行经济性和低碳性评价，影响因子为材料强度和各材料用量。下面，笔者将针对工程造价以及碳排放情况进行分析。

首先，针对材料强度的影响情况，笔者已在之前的研究中（详见建筑结构·低碳专题二丨赵彦革：基于结构强度等级分析的结构板低碳设计、建筑结构·低碳专题三丨赵彦革：基于结构强度等级分析的梁构件低碳设计、建筑结构·低碳专题四丨赵彦革：基于结构强度等级分析的结构柱低碳设计、建筑结构·低碳专题五丨赵彦革：基于结构强度等级分析的墙构件低碳设计）给出常用结构构件（包括板、梁、柱和墙）与材料强度的碳排放对应关系，这里不再赘述。

而对于材料用量影响情况，为了研究方便，假定材料强度为不变量，并以单筋混凝土结构梁为研究对象。根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）（2015年版），对于非预应力的矩形截面单筋梁，其正截面受弯承载力公式可简化为：

上面对单筋钢筋混凝土梁的分析过程，对于其他混合结构构件也类似，这里不再一一给出。由此我们可以得出结论，对于混合材料的结构，其经济性和低碳性不能保持一致。

3.3 负碳技术影响

负碳技术是实现“双碳目标”的重要手段，需要特别重视。在建筑结构领域，常采用的负碳技术主要为固态技术和可循环材料再利用技术。其中，固碳技术是指增加除大气之外的结构材料碳库碳含量的措施，如采用氧化镁水泥；可循环再利用负碳技术指结构材料的能够有效可循环利用或可再利用，从而降低选购新材料带来的碳排放量。因各结构材料的可回收性能不同，其负碳性能也有很大差异。

一般来讲负碳技术对于结构的低碳性影响较大，而对于材料用量和经济性则影响较小。比如钢材属于可循环材料，具有很好的低碳性能，但其经济性需要合理设计。同时，对于钢筋混凝土结构，合理提高钢材用量并降低混凝土用量，是有利于低碳的，但却不能节省材料，也是不经济的做法。此外，采用钢结构较钢筋混凝土要低碳（详见建筑结构 · 低碳专题一丨赵彦革：基于全寿命期的钢结构与混凝土结构的碳排放分析），但其经济性在目前的条件下正好相反。此外，采用木结构和竹结构是结构低碳的典型材料，但却是非常不经济的。

综上所述，可以得到如下结论：

（1）结构材料用量降低是减少工程造价和减低结构碳排放的重要手段。

（2）对于单一材料结构形式，材料用量增减与碳排放增减保持步调一致，具有一致性；但经济性与低碳性步调不能完全一致。

（3）对于混合材料形式，在一定边界条件下，其组成材料的用量是相互耦合关系，即某一材料用量降低则另外一种材料用量则需要提高。同时，通过理论分析，可以找到其最低造价和碳排放量的极值点。因此，该形式的材料用量与碳排放间无单一规律，材料用量、经济性和低碳性，三者无一致性，更不能将其中两者等同。