概述 本文主要研究结构不同运行情况对碳排放量的影响。 二 结构使用情况碳排放分析 本文将从结构设计工作年限、结构耐久性及结构适变性对碳排放的影响分别进行分析。
概述
结构使用情况碳排放分析
2.1 结构设计工作年限
2.1.1 研究思路及假定
根据《工程结构通用规范》（GB 55001—2021）中第2.2.2条，房屋建筑的工作年限不应低于表1中规定：
表1 房屋建筑工作年限表
由此可知，普通的民用房屋设计工作年限均为50年。因此本文以设计工作年限为50年的常规项目为基础，开展不同设计工作年限对结构碳排放影响分析，并作如下假定：
1）运行期间的年碳排放会随着设计工作年限的提升而降低；
2）按照年运行碳排放等比例增长和恒值两个假定，对结构耐久性年限对碳排放的影响进行分析。
2.1.2 等比例假定下设计工作年限与碳排放分析
（1） 碳排放计算公式
假定建筑运行碳排放逐年等比例增长，则设计工作年限Y年下运行X年的建筑单位面积碳排放量计算公式如下：
CYX=CYD+CYX(1-γYX)/(1-γY)
式中：CYX为设计工作年限Y年运行X年的建筑单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYD为建筑隐含碳排放强度（kgCO2/m2），C50D取640，C100D取50年的1.2倍；运行年数小于50年则取640，50至100年间的按照线性插值；CYX为建筑运行第一年碳排放强度（kgCO2/m2）；γY为建筑当年碳排放强度与上一年度比值，γ50取1.01，γ100取1.005。
（2）碳排放计算分析
根据上述参数，计算等比例假定下不同设计工作年限建筑碳排放情况，计算结果如表2及图1~4所示：
表2 等比例假定下建筑碳排放量计算结果
单位：kgCO2/m2
注：对于设计工作年限为50年的建筑，当运行时间大于50年时，其加固改造的碳排放未计入。
图1 城镇住宅（除北方供暖）不同设计年限碳排放
图2 城镇住宅（北方供暖）不同设计年限碳排放
图3 公共建筑（除北方供暖）不同设计年限碳排放
图4 公共建筑（北方供暖）不同设计年限碳排放
2.1.3 恒值假定下设计工作年限与碳排放分析
（1） 碳排放计算公式
假定建筑运行碳排放为常数，则设计工作年限Y年下运行X年的建筑单位面积碳排放量计算公式如下：
CYX=CYD+CYXX
式中：CYX为设计工作年限Y年运行X年的建筑单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYD为建筑隐含碳排放强度（kgCO2/m2）；CYX为建筑运行第一年碳排放强度（kgCO2/m2）。
CYD=CYα
式中：CY为建筑初始隐含碳排放强度，可取为640kgCO2/m2；α为增大系数，设计工作年限为100年时，取1.2，小于等于50年时取1.0，50~100年间采用插值法。
（2） 碳排放计算分析
根据上述参数，计算等比例假定下不同设计工作年限建筑碳排放情况，计算结果如表3及图5所示：
表3 恒值假定下建筑碳排放量计算结果
单位：kgCO2/m2
注：对于设计工作年限为50年的建筑，当运行时间大于50年时，按照改造加固增加碳排放量500kgCO2/m2计入。
2.1.4 小结
经过上述分析计算可得如下结论：
（1）当建筑运行碳排放逐年等比例增长时：
① 设计工作年限越长，建筑隐含碳排放越高，建筑运行碳排放年增长率越低；
② 设计工作年限100年建筑与50年建筑相比，碳排放情况如图5所示：
图5 设计工作年限100年建筑与50年建筑的碳排放量对比情况
（2）当建筑运行碳排放为恒值时：
建筑寿命小于50年时，按照设计工作年限50年设计碳排放较低；建筑寿命大于50年时，设计工作年限100年的碳排放较低。
2.2 结构耐久性
2.2.1 研究思路及假定
结构耐久性，即在环境作用和正常维护、使用条件下，结构或构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。
1）混凝土结构：耐久性应根据结构的设计工作年限、结构所处的环境类别和环境作用等级进行设计。一般情况下，应按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010）进行耐久性设计，特殊情况下，应按照《混凝土结构耐久性设计标准》（GB/T 50476）进行耐久性设计；
2）钢结构：耐久性包括防腐蚀、累计损伤、磨损问题等。应按照《钢结构设计标准》（GB 50017）和《建筑钢结构防腐蚀技术规程》（JGJ/T 251）进行设计。
混凝土结构的耐久性的重要指标是工作年限，常规项目因设计工作年限为50年，故本文以耐久性年限为50年进行取值对结构碳排放影响分析，并作如下假定：
1）不同的耐久性年限会影响结构的年运行碳排放，随着耐久性年限的提高，年运行碳排放会有所降低；
2）按照年运行碳排放等比例增长和恒值两个假定，对结构耐久性年限对碳排放的影响进行分析。
2.2.2 等比例假定下耐久性年限与碳排放分析
（1）碳排放计算公式
假定建筑运行碳排放逐年等比例增长，则耐久性设计年限Y年运行X年的建筑单位面积碳排放量计算公式如下：
CYX=CYD+CYX(1-γYX)/(1-γY)
式中：CYX为耐久性设计年限Y年运行X年的建筑单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYD为建筑隐含碳排放强度（kgCO2/m2），C50D取640，C100D取50年的1.05倍；运行年数小于50年则取640，50至100年间的按照线性插值；CYX为建筑运行第一年碳排放强度（kgCO2/m2）；γY为建筑当年碳排放强度与上一年度比值，γ50取1.01，γ100取1.008。
（2）碳排放计算分析
根据上述参数，计算等比例假定下不同耐久性工作年限建筑碳排放情况，计算结果如表4及图6-9所示：
表4 等比例假定下建筑碳排放量计算结果
单位：kgCO2/m2
注：对于耐久性设计年限为50年的建筑，当运行时间大于50年时，其加固改造的碳排放未计入。
图6 城镇住宅（除北方供暖）不同耐久性设计年限碳排放
图7 城镇住宅（北方供暖）不同耐久性设计年限碳排放
图8 公共建筑（除北方供暖）不同耐久性设计年限碳排放
图9 公共建筑（北方供暖）不同耐久性设计年限碳排放
2.2.3 恒值假定下耐久性设计年限与碳排放分析
（1）碳排放计算公式
假定建筑运行碳排放为常数，则耐久性设计年限Y年下运行X年的建筑单位面积碳排放量计算公式如下：
CYX=CYD+CYXX
式中：CYX为耐久性设计年限Y年运行X年的建筑单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYD为建筑隐含碳排放强度（kgCO2/m2）；CYX为建筑运行第一年碳排放强度（kgCO2/m2）。
CYD=CYα
式中：CY为建筑初始隐含碳排放强度，可取为640kgCO2/m2；α为结构耐久性增大系数，耐久性设计年限为100年时，取1.05，小于等于50年时取1.0，50~100年间采用插值法。
（2）碳排放计算分析
根据上述参数，计算恒值假定下不同耐久性设计年限建筑碳排放情况，计算结果如表5所示：
表5 恒值假定下建筑碳排放量计算结果
单位：kgCO2/m2
注：对于耐久性设计年限为50年的建筑，当运行时间大于50年时，按照改造加固增加碳排放量500kgCO2/m2计入。
2.2.4 小结
经过上述分析计算可得如下结论：
（1）当建筑运行碳排放逐年等比例增长时：
① 耐久性设计年限越长，建筑隐含碳排放越高，建筑运行碳排放年增长率越低；
② 耐久性年限100年建筑与50年建筑相比，碳排放情况如图10所示：
图10 耐久性设计年限100年建筑与50年建筑的碳排放量对比情况
（2）当建筑运行碳排放为恒值时：
建筑寿命小于50年时，按照耐久性设计年限50年设计碳排放较低；建筑寿命大于50年时，耐久性设计年限100年的碳排放较低。
2.3 结构适变性
2.3.1 研究思路及假定
结构适变性是指结构适应使用功能和空间变化的潜力，也是结构韧性的一个方面。实现结构适变性的手段主要有：
① 结构布置开阔：主要指结构构件（尤其竖向构件）的布置开阔、间距大，后期可通过调整非结构构件布置来适应因使用功能和空间变化而带来的改动，并对结构构件不改动或改动很小。具体应用中，公建可采用大空间结构布置，住宅可采用户内无结构墙或少结构墙的布置。
② 提升局部荷载：建筑在使用中，往往因为部分需求变化（如机电系统提升等）引起个别空间荷载增加，造成结构对相关范围进行改造加固。因此，可以在设计之初，对这部分房间荷载进行预留，以使用该情况调整并不进行结构改造加固。
本节依旧针对等比例假设和恒值假设两种情况进行碳排放分析。
2.3.2 等比例假定下设计工作年限与碳排放分析
（1）碳排放计算公式
假定建筑运行碳排放逐年等比例增长，则采用结构适变性的建筑运行X年单位面积碳排放量计算公式如下：
CC=CYC+C0(1-γCX)/(1-γC)
式中：CC为采用结构适变性的建筑运行X年单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYC为进行结构适变性后的建筑隐含碳排放强度（kgCO2/m2）；C0为建筑运行第一年碳排放强度（kgCO2/m2）；γC建筑当年碳排放强度与上一年度比值，采用结构布置开阔时取1.008，采用提升局部荷载时取1.009。
CYC=CYα
式中：CY为建筑初始隐含碳排放强度，可取为640kgCO2/m2；α为结构适变性增大系数，采用结构布置开阔时取1.02，采用提升局部荷载时取1.01。
（2）碳排放计算分析
根据上述参数，计算等比例假定下是否采用结构适变性措施的建筑碳排放情况，计算结果如表6及图11~14所示：
表6 等比例假定下建筑碳排放量计算结果
单位：kgCO2/m2
图11 城镇住宅（除北方供暖）采用结构适变性前后碳排放对比
图12 城镇住宅（北方供暖）采用结构适变性前后碳排放对比
图13 公共建筑（除北方供暖）采用结构适变性前后碳排放对比
图14 公共建筑（北方供暖）采用结构适变性前后碳排放对比
2.3.3 恒值假定下设计工作年限与碳排放分析
（1）碳排放计算公式
假定建筑运行碳排放为常数，则采用结构适变性的建筑运行X年单位面积碳排放量计算公式如下：
CCX=CYC+C0X
式中：CCX为采用结构适变性的建筑运行X年单位面积碳排放量（kgCO2/m2）；CYC为进行结构适变性后的建筑隐含碳排放强度（kgCO2/m2）；C0为建筑运行第一年碳排放强度（kgCO2/m2）。
CYC=CYα
式中：CY为建筑初始隐含碳排放强度，可取为640kgCO2/m2；α为结构适变性增大系数，采用结构布置开阔时取1.02，采用提升局部荷载时取1.01。
（2）碳排放计算分析
根据上述参数，计算恒值假定下是否采用结构适变性措施的建筑碳排放情况，计算结果如表7所示：
表7 恒值假定下建筑碳排放量计算结果
单位：kgCO2/m2
2.2.4 小结
经过上述计算分析，可得如下结论：
（1）当建筑运行碳排放逐年等比例增长时：
① 采用结构适变性，建筑隐含碳排放高，建筑运行碳排放年增长率低；
② 采用结构适变性与不采用结构适变性相比，碳排放情况如图15所示：
图15 采用结构适变性与不采用结构适变性的碳排放量对比情况
（2）当建筑年运行碳排放为恒值时：
建筑寿命小于50年时，按照不采用结构适变性设计碳排放较低；建筑寿命大于50年时，采用结构适变性的碳排放较低。
总结
3.1 设计工作年限：
1）当建筑运行碳排放逐年等比例增长时，设计工作年限越长，建筑隐含碳排放越高，建筑运行碳排放年增长率越低。在建筑运行30年时，建筑设计工作年限为50年与100年碳排放量基本持平；随着建筑运行时间降低，工作使用年限越长，碳排放越高；随着建筑运行时间增加，工作使用年限越长，碳排放越低。
2）当建筑运行碳排放为恒值时，建筑寿命小于50年时，按照设计工作年限50年设计碳排放较低；建筑寿命大于50年时，设计工作年限100年的碳排放较低。
3.2 结构耐久性：
1）当建筑运行碳排放逐年等比例增长时，采用结构适变性，建筑隐含碳排放高，建筑运行碳排放年增长率低。在建筑运行30年时，建筑耐久性设计年限为50年与100年碳排放量基本持平；随着建筑运行时间降低，耐久性设计年限越长，碳排放越高；随着建筑运行时间增加，耐久性设计年限越长，碳排放越低。
2）当建筑运行碳排放为恒值时，建筑寿命小于50年时，按照耐久性设计年限50年设计碳排放较低；建筑寿命大于50年时，耐久性设计年限100年的碳排放较低。
3.3 结构适变性：
1）采用结构适变性，建筑隐含碳排放高，建筑运行碳排放年增长率低。在建筑运行30年时，采用结构适变性设计的建筑与不采用的建筑碳排放量基本持平；随着建筑运行时间降低，采用建筑适变性设计的建筑碳排放较高；随着建筑运行时间增加，采用适变性设计的建筑碳排放量显著低于不采用适变性设计的建筑。
2）当建筑年运行碳排放为恒值时，建筑寿命小于50年时，按照不采用结构适变性设计碳排放较低；建筑寿命大于50年时，采用结构适变性的碳排放较低。
3.4 结论
汇总以上分析，基于等比例增长假定的各情况下的碳排放情况如图16。并可知，设计工作年限100年的碳排放回报率在使用100年后为1（20%/20%=1），而耐久性年限100年为2（10%/5%=2），结构适变性为5（15%/3%=5）。因此，结构低碳设计时，应优先选用结构适变性，其次为耐久性年限100年，最后为设计工作年限100年。
图16 不同结构使用情况碳排放量对比
致谢建研院专家孙倩协助整理稿件和计算分析工作。
个人介绍
赵彦革，男，出生于1977年10月，毕业于中国建筑科学研究院，硕士研究生，清华大学土木工程系博士生，结构工程专业，现工作单位中国建筑科学研究院有限公司建筑设计院设计一院副院长、副总工程师，建筑检测与评估研究中心主任、建筑工业化中心副主任、绿色建筑中心副主任，教授级高级工程师。为首届建筑结构行业杰出青年、中国建筑学会工程诊治与运维分会理事、中国建筑学会结构分会青年理事、中国岩石力学与工程学会岩土地基工程分会理事、中国工程建设标准化协会绿色建筑与生态城区分会理事、中国绿色建筑与节能委员会委员、中国亚洲经济发展协会绿色建筑建材委员会委员、北京市装配式建筑专家委员会委员、中国工程建设标准专家库特邀专家。
擅长领域为复杂结构设计和研究、装配式建筑设计和研究、绿色建筑设计和研究等。参加中国国家博物馆、成都来福士广场等结构设计类项目30多项，北京贵宾楼饭店、厦门英蓝国际金融中心等咨询类项目50多项；负责了天津周大福金融中心、卧龙大熊猫基地等100多项绿色建筑和装配式建筑相关的设计、咨询项目；在核心期刊发表论文20篇；参加各类课题及标准研究20多项；获得华夏建设科学技术奖二等奖1项，省部级以上奖励30多项。
