赵彦革：结构方案低碳设计

一

概述

本文主要结构方案对建筑物碳排放量的影响，主要从建筑形体低碳设计、结构体系低碳设计以及结构低碳优化设计三个方面论述。

二

建筑形体低碳设计

结构设计应根据抗震概念设计的要求，优先选用规则或不规则的建筑形体。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（2016年版），将建筑形体的规则性分为：规则、不规则、特别不规则、严重不规则。特别不规则的建筑应进行专门研究和论证，不应采用严重不规则的建筑。建筑形体及其构件布置的平面、竖向不规则性详见表1及表2。

另外，近些年超限高层建筑工程越来越多，超限高层建筑工程抗震设防专项审查分为形体复杂超限和高度超限。据统计，因形体复杂超限项目的数量多于因高度超限的。因此，应重视建筑形体的选择，尽可能避免形成超限结构。

表1：平面不规则的主要类型

表2：竖向不规则的主要类型

2.2 建筑形体低碳设计

建筑形体是结构布置规则性的重要方面，是影响结构低碳性能的第一因素。但因建筑形体的复杂性，定量分析不具有可能性。因此，本文根据以往工程经验给出定性分析。具体如下：

（1）严重或特别不规则建筑形体结构材料用量增加5%~15%，直接增加生产、运输和拆除阶段的碳排放5%~15%；

（2）严重或特别不规则建筑形体增加施工作业难度，间接增加建造、拆除阶段的碳排放5%左右；

（3）严重或特别不规则建筑形体增加运行期间的维护维修难度，间接增加运行阶段的碳排放5%左右。

因此，严重或特别不规则的建筑形体一般会增加结构碳排放10%~25%，极端的会增加50%以上。基于以上数据，建筑形体的低碳设计应优选规则形体，其次不规则形体，避免采用特别不规则形体，严禁采用严重不规则形体。

三

结构体系低碳设计

结构体系选型是影响结构碳排放的第二因素。现有结构体系众多，且每一建筑均可通过几种结构体系来实现，因此选择低碳结构体系是低碳结构设计的重要方面。

结构体系的低碳分析与具体的建筑形式有关，且相互差别较大，无法进行定量分析。本文将根据经验的方式，给出结构体系低碳设计的原则如下：

（1）常规混凝土建筑，可以按照表3进行结构体系比选，从而给出低碳的结构体系；

（2）特殊类型的建筑，可以通过设置关键构件，形成特殊结构体系，从而达到低碳效果。

结构体系的低碳选型，可以有效降低结构碳排放，一般在5%以上。

表3：常规结构体系低碳优化设计

对于特殊结构体系（如减隔震体系），将基于以下两个实际工程案例来进行分析。

3.2 特殊结构体系-隔震体系（案例一：隔震体系V.S.非隔震体系）

某地铁上盖项目，通过设置隔震支座，形成隔震结构体系。现对该项目采用隔震体系和不采用隔震体系的碳排放进行分析：

3.2.1 工程概况：

本工程为部分框支剪力墙结构，结构总高41.2m，标准层高3m，首层4.3m，车库层4.8m，运用库层11.0m。车辆段以普通钢筋混凝土主梁+大板楼盖为主，首层板厚250mm，二层板厚300mm。住宅楼标准层采用普通梁板式楼盖，楼板按双向板定义，以120mm厚为主；住宅楼屋面采用普通梁板式楼盖，板厚120mm并双层双向加强配筋。

地震抗震设防烈度按照8度（0.20 g ）地震设计分组为第二组，场地土类别均为Ⅱ类，特征周期值为0.4s，属抗震一般地段。

3.2.2 隔震设计：

设置隔震支座18个，其中有铅芯橡胶隔震支座14套，无铅芯橡胶隔震支座4套，详见图1隔震支座布置图。通过计算设防地震作用下减震系数为0.395<0.4，按《抗震规范》12.2.5条，隔震后上部计算时水平地震影响系数最大值可按下式计算：

α _max1 = βα _max / ψ

对于8度多遇地震， α _max =0.16。 ψ 为调整系数，对于一般橡胶支座取0.8，则 α _max1 = βα _max / ψ =0.395×0.16/0.8=0.079<0.08。而7度0.1 g 的水平影响系数最大值为0.080，所以结构能满足降一度的目标。对于隔震层上部结构计算，可按水平地震力降低一度设计，竖向地震及相关构造不降低。

图1 隔震支座布置图

3.2.3碳排放分析对比：

隔震体系与非隔震体系碳排放对比详见表4及图2：

表4：隔震体系与非隔震体系碳排放对比

图2 隔震体系碳排放对比

3.2.4小结

隔震体系通过降低上部地震烈度从而降低混凝土及钢筋材料总用量；隔震支座自身的碳排放量较小。因此，隔震体系碳排放低于非隔震体系，一般可降低5%以上碳排放。

3.3 特殊结构体系-减震体系（案例二：减震体系V.S.框剪体系）

某办公项目，采用BRB防屈曲支撑的框架结构，与混凝土框-剪结构对比如下：

3.3.1工程概况：

结构体系为设防屈曲支撑的框架结构，结构总高35.7m，标准层高4.2m。

地震作用：地震抗震设防烈度按照 8 度（0.20 g ）地震设计分组为第一组，场地土类别均为Ⅲ类，特征周期值为 0.45s。

3.3.2减震设计：

地上设置十字防屈曲支撑，箱型120×120截面。结构布置详见图3减震模型。

图3 减震模型

3.3.3碳排放分析对比：

减震体系与非隔震体系碳排放对比详见表5及图4。

表5：减震体系与非减震体系碳排放对比

图4  减震体系碳排放对比

3.3.4小结

减震体系通过设置阻尼减少地震作用，降低混凝土及钢筋材料总用量；BRB支撑自身的碳排放量较小。减震体系碳排放低于非隔震体系，一般可降低5%以上碳排放。

四

结构低碳优化设计

（1）根据计算结果进行底限设计，不考虑工程实际情况，造成结构安全隐患；

（2）不恰当的过多预留配筋，既可能带来结构安全隐患（如梁钢筋预留过多，形成强梁弱柱），又增加碳排放。

结构低碳优化设计的主要措施如下：

（1）合理的计算输入，包括计算参数、荷载取值等；

（2）合理的结构设计，包括结构统一措施、结构配筋量取值等；

（3）合理预留富裕量，建议常规构件预留富裕量10%左右（特殊构件或特殊部位另行考虑）；

一般来讲，进行结构低碳优化设计后，可以降低3%~5%以上的碳排放量。

五

结论

（1）规则的建筑形体较严重或特别不规则的建筑形体，一般会降低结构碳排放10%~25%；合理的结构体系选择会减少5%碳排放；结构低碳优化设计后会降低3%~5%的碳排放。

（2）通过合理设置关键构件或阻尼的方式，形成有效抗侧力体系后，能够较低碳排放；合理设置的减隔震体系，可降低5%碳排放。

（3）结构低碳优化设计主要取决于设计人的主管因素，设计工程师应具有结构低碳优化设计理念，合理低碳设计，并保障结构安全可靠。

致谢建研院专家 韦婉 协助整理稿件和计算分析工作。

   

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。