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

Original 赵彦革建筑结构 2024-05-19

【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。为此，《建筑结构》杂志社特邀中国建研院建筑设计院赵彦革副总工，针对建筑碳排放，从结构方案设计、材料低碳设计、结构适变性等方面，进行一系列解读，以期为从业人员提供借鉴。

一

概述

接上期（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），本文主要研究结构强度等级对柱构件在生产阶段碳排放量的影响。

二

柱碳排放分析

钢结构柱，属于单一材质材料，可以根据碳强比来进行低碳设计，这里不再分析。

混凝土柱，其生产阶段的碳排放量为：

C_SC=M_砼F_砼+M_钢筋F_钢筋

式中：M_砼、M_钢筋为混凝土、钢筋的用量；F_砼、F_钢筋为混凝土、钢筋的碳排放因子。

2.1 参数分析

本文主要按照两种情况研究结构强度等级对柱碳排放的影响，分别为计算配筋情况和构造配筋情况：构造配筋是指满足《建筑抗震设计规范》和《混凝土结构设计规范》对结构柱构造配筋的要求；计算配筋即按照承担内力进行计算配筋。

混凝土柱计算时，根据内力分为4种工况，分别对应构造配筋、部分构造部分计算配筋、小偏压计算配筋和大偏压计算配筋。

据碳强比分析，纵筋强度在构造配筋时取HRB400，计算配筋时取HRB500；箍筋强度均取HRB400。柱混凝土强度取C30，柱截面为800×800mm，其他强度等级采用等效轴压比及经验截面取值。

碳排放因子，按照《建筑碳排放计算标准》中取值。

2.2 碳排放计算与分析

根据上述参数，计算不同工况下的柱碳排放，并根据计算结果，对不同工况下的柱碳排放进行分析。

2.1 构造配筋工况下，柱碳排放分析

构造配筋工况下，等效截面和经验截面2种情况对应的柱碳排放计算结果如表1和表2所示。

表1：构造配筋工况下，等效截面的柱碳排放计算结果表

表2：构造配筋工况下，经验截面的柱碳排放计算结果表

以混凝土强度等级为横坐标，柱碳排放为纵坐标，2种情况对应的碳排放分析如图1所示。通过分析可知：混凝土强度等级越高，碳排放量越小，原因是截面降低更有效。

图1：构造配筋工况下，柱碳排放分析图

2.2 部分构造部分计算配筋工况下，柱碳排放分析

部分构造部分计算配筋工况下，等效截面和经验截面2种情况对应的柱碳排放计算结果如表3和表4所示。

表3：部分构造部分计算配筋工况下，等效截面的柱碳排放计算结果表

表4：部分构造部分计算配筋工况下，经验截面的柱碳排放计算结果表

以混凝土强度等级为横坐标，柱碳排放为纵坐标，2种柱情况对应的碳排放分析如图2所示。通过分析可知：混凝土强度等级越高，碳排放量越小，原因是截面降低更有效。

图2：部分构造部分计算配筋工况下，柱碳排放分析图

2.3 小偏压计算配筋工况下，柱碳排放分析

小偏压计算配筋工况下，等效截面和经验截面2种情况对应的柱碳排放计算结果如表5和表6所示。

表5：小偏压计算配筋工况下，等效截面的柱碳排放计算结果表

表6：小偏压计算配筋工况下，经验截面的柱碳排放计算结果表

以混凝土强度等级为横坐标，柱碳排放为纵坐标，2种柱情况对应的碳排放分析如图3所示。通过分析可知：等效截面时，强度等级越高，碳排放量先小后大；经验截面时，强度等级越高，碳排放量越小。

图3：小偏压计算配筋工况下，柱碳排放分析图

2.4 大偏压计算配筋工况下，柱碳排放分析

大偏压计算配筋工况下，等效截面和经验截面2种情况对应的柱碳排放计算结果如表7和表8所示。

表7：大偏压计算配筋工况下，等效截面的柱碳排放计算结果表

表8：大偏压计算配筋工况下，经验截面的柱碳排放计算结果表

以混凝土强度等级为横坐标，柱碳排放为纵坐标，2种柱截面对应的碳排放分析如图4所示。通过分析可知：等效截面时，强度等级越高，碳排放量先小后大；经验截面时，强度等级越高，碳排放量越大。

图4：大偏压计算配筋工况下，柱碳排放分析图

三

总结与展望

经过上述分析，在满足结构刚度等的前提下，混凝土柱碳排放有如下规律：

①构造配筋时：通过提高混凝土强度等级减少截面，可以降低柱碳排放；随纵筋强度降低或箍筋强度提高，柱碳排放得以降低。

②小偏心受压计算配筋时：通过提高混凝土强度等级减少截面，可以降低柱碳排放；随着钢筋强度提高，柱碳排放得以降低。

③大偏心受压计算配筋时：通过降低混凝土强度等级增加截面，可以降低柱碳排放；随着钢筋强度提高，柱碳排放得以降低。

④碳排放占比：小偏心受压时混凝土占比45~65%之间，大偏心受压时混凝土占比不足50%，甚至低至30%。

基于以上分析，建议在进行柱低碳设计时，宜采用以下方法：

①混凝土柱小偏心受压时，宜选用高强度等级混凝土并减少截面的方式；

②混凝土柱大偏心受压时，宜选用低强度等级混凝土并增加截面的方式；

③混凝土柱构造配筋时，纵筋宜选用低强度等级钢筋，箍筋宜选用高强度等级钢筋；计算配筋时，宜选用高强度等级钢筋。

④钢结构柱，可以根据碳强比来进行低碳设计，即强度控制时，采用高强钢；刚度控制时，采用低强钢。

致谢建研院专家李翠楦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。

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责任编辑：高洪涛

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