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

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

接前期（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），本文主要研究结构材料强度等级对墙构件在生产阶段碳排放量的影响。

二

墙碳排放分析

混凝土墙根据所处环境和受力形式，可分为地下室外墙和混凝土剪力墙，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 地下室外墙

2.1.1 参数分析

根据地下室外墙常见层高及受力条件，本节按照一层地下室外墙和两层地下室外墙两种情形进行计算分析：

1）一层地下室外墙时：层高设定为6m；室外地坪标高同地下室标高，均为±0.000m；地下水位标高为±0.000m；外墙支承条件为下侧固定，上侧简支，边侧自由。荷载取恒载50.0kN/m、活载20.0kN/m，不考虑人防荷载。主要计算工况如下：

① 250mm厚外墙；

② 300mm厚外墙；

③ 350mm厚外墙；

④ 400mm厚外墙；

2）两层地下室外墙时：层高均为3.6m；室外地坪标高同地下室标高，均为±0.000m；地下水位标高为-3.600m；外墙支承条件为下侧固定，上侧简支，边侧自由。荷载取恒载50.0kN/m、活载20.0kN/m，不考虑人防荷载。主要计算工况如下：

① 300mm厚外墙；

② 350mm厚外墙；

③ 400mm厚外墙；

注：碳排放因子依据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）中相关规定进行取值，下同。

2.1.2 一层地下室外墙碳排放分析

（1）碳排放计算

根据上述参数，计算不同工况下的混凝土一层地下室外墙碳排放情况，计算结果如表1、2所示

表1 一层地下室外墙碳排放量计算结果

表2 一层地下室外墙结构材料碳排放占比情况

（2）碳排放分析

根据以上计算结果，对一层地下室外墙碳排放情况进行分析。

以墙厚及钢筋等级为横坐标，碳排放量为纵坐标，不同墙厚的一层地下室外墙碳排放情况如图1~7所示。通过分析可知：

1）一层地下室外墙碳排放量随着墙厚及混凝土强度等级的增加而不断提高。

2）碳排放量随着钢筋强度的提高及混凝土强度等级的降低而不断减少。

3）相对于钢筋等级的变化，墙厚的增加对碳排放的影响更大。

图1 HPB300钢筋一层地下室外墙碳排放情况

图2 HRB400钢筋一层地下室外墙碳排放情况

图3 HRB500钢筋一层地下室外墙碳排放情况

图4 250厚一层地下室外墙碳排放情况

图5 300厚一层地下室外墙碳排放情况

图6 350厚一层地下室外墙碳排放情况

图7 400厚一层地下室外墙碳排放情况

2.1.3 两层地下室外墙碳排放分析

（1）碳排放计算

根据上述参数，计算不同工况下的混凝土两层地下室外墙碳排放情况，计算结果如表3、4所示。

表3 两层地下室外墙碳排放量计算结果

表4 两层地下室外墙结构材料碳排放占比情况

（2）碳排放分析

根据以上计算结果，对两层地下室外墙碳排放情况进行分析。

以墙厚及钢筋等级为横坐标，碳排放量为纵坐标，不同墙厚的两层地下室外墙碳排放情况如图8~13所示。通过分析可知：

1）两层地下室外墙碳排放量随着墙厚及混凝土强度等级的增加而不断提高。

2）碳排放量随着墙厚减少、混凝土强度降低、钢筋强度提高而降低。

3）墙厚的变化对碳排放的影响最大。

图8 HPB300钢筋两层地下室外墙碳排放情况

图9 HRB400钢筋两层地下室外墙碳排放情况

图10 HRB500钢筋两层地下室外墙碳排放情况

图11 300厚两层地下室外墙碳排放情况

图12 350厚两层地下室外墙碳排放情况

图13 400厚两层地下室外墙碳排放情况

2.2 剪力墙

2.2.1 参数分析

根据剪力墙常见受力形式，本节按照构造配筋和计算配筋两种情形进行计算分析：

1）构造配筋：构造配筋是指墙体承受较小的内力，配筋满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）和《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）的构造要求，取墙长分别为4m、4.5m、5m，墙厚200mm。主要计算工况如下：

① N<0.3时，ρ=0.25%、0.30%、0.35%；

② N>0.3时，ρ=0.25%、0.30%、0.35%；

2）计算配筋：即按照承担内力进行计算配筋。计算分析取墙长分别为4m、4.5m、5m，墙厚200mm，墙体抗震等级取二级，边缘构件根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）相关要求为200mm×400mm（500mm）主要计算工况如下：

① N<0.3时，ρ=0.25%、0.30%、0.35%；

② N>0.3时，ρ=0.25%、0.30%、0.35%；

③ N>0.3时，ρ=0.25%、0.30%、0.35%。

注：其中N为轴压比，N<0.3对应墙混凝土等级为C30时应力水平；N>0.3对应墙混凝土等级为C50时应力水平。N>0.3对应墙混凝土等级为C40时应力水平。ρ为配筋率。

2.2.2 构造配筋碳排放分析

（1）碳排放计算

根据上述参数，计算不同工况下的混凝土剪力墙碳排放情况，计算结果如表5~7所示。

表5 4m剪力墙构造配筋工况下碳排放量计算结果

表6 4.5m剪力墙构造配筋工况下碳排放量计算结果

表7 5m剪力墙构造配筋工况下碳排放量计算结果

（2）碳排放分析

根据以上计算结果，对构造配筋下钢筋碳排放情况进行分析。

以混凝土等级为横坐标，碳排放量为纵坐标，不同受力及配筋率情况的混凝土剪力墙碳排放情况如图14~19所示。通过分析可知：

1）剪力墙的碳排放随着混凝土强度、纵筋钢筋强度或竖向分布筋配筋率的提高，碳排放呈现增加趋势；

2）当约束边缘构件采用低强度混凝土且箍筋采用HRB500时，可以降低碳排放。

图14 4m剪力墙N<0.3时碳排放情况

图15 4m剪力墙N>0.3时碳排放情况

图16 4.5m剪力墙N<0.3时碳排放情况

图17 4.5m剪力墙N>0.3时碳排放情况

图18 5m剪力墙N<0.3时碳排放情况

图19 5m剪力墙N>0.3时碳排放情况

2.2.3 计算配筋碳排放分析

（1）碳排放计算

根据上述参数，计算不同工况下的计算配筋剪力墙碳排放情况，计算结果如表8~10所示。

表8 4m剪力墙计算配筋工况下碳排放量计算结果

表9 4.5m剪力墙计算配筋工况下碳排放量计算结果

表10 5m剪力墙计算配筋工况下碳排放量计算结果

注：N=0.3指C40强度等级对应的轴压比是0.3。

（2）碳排放分析

根据以上计算结果，对计算配筋情况下混凝土剪力墙碳排放情况进行分析。

以混凝土等级为横坐标，碳排放量为纵坐标，不同受力情况及不同配筋率情况下混凝土剪力墙碳排放情况如图20~28所示。通过分析可知：

1）设置构造边缘构件的剪力墙，其碳排放随着混凝土强度提高、纵筋钢筋强度降低，碳排放呈现增加趋势；

2）设置约束边缘构件的剪力墙，其碳排放随着混凝土强度等级的提高，先下降再上升；当轴压比接近但小于配箍特征值变化点时，碳排放为最小。碳排放随着钢筋强度等级提高而降低。

图20 4m剪力墙N<0.3时碳排放情况

图21 4m剪力墙N>0.3时碳排放情况

图22 4m剪力墙N=0.3时碳排放情况

图23 4.5m剪力墙N<0.3时碳排放情况

图24 4.5m剪力墙N>0.3时碳排放情况

图25 4.5m剪力墙N=0.3时碳排放情况

图26 5m剪力墙N<0.3时碳排放情况

图27 5m剪力墙N>0.3时碳排放情况

图28 45m剪力墙N=0.3时碳排放情况

三

总结

经过上述分析，混凝土墙的碳排放量呈现以下规律：

1、混凝土外墙：

碳排放量受板厚、混凝土强度等级、钢筋强度等级三个因素的影响，随着墙厚减少、混凝土强度降低、钢筋强度提高而降低。其中，墙厚对于碳排放的影响最大。
碳排放占比：混凝土占比50%~70%之间。

2、混凝土剪力墙：

1）构造配筋

剪力墙的碳排放随着混凝土强度、纵筋钢筋强度或竖向分布筋配筋率的降低，碳排放呈现减少趋势；
当约束边缘构件采用低强度混凝土或箍筋采用HRB500时，可以降低碳排放。

2）计算配筋

设置构造边缘构件的剪力墙，其碳排放随着混凝土强度降低、纵筋钢筋强度提高，碳排放呈现减少趋势；
设置约束边缘构件的剪力墙，其碳排放随着混凝土强度等级的提高，先下降再上升；当轴压比接近但小于配箍特征值变化点时，碳排放为最小。碳排放随着钢筋强度等级提高而降低。

3）碳排放占比：构造配筋时混凝土占比60%~70%之间，计算配筋时混凝土占比50%~70%之间。

基于以上分析，建议在进行混凝土墙低碳设计时，可采用以下方法：

地下室外墙，应选用小墙厚，并采用低混凝土强度和高钢筋强度；
剪力墙构造配筋时，应选用低强度和低配筋率，以降低碳排放；
剪力墙计算配筋时，应选用高强度钢筋；设置构造边缘构件的，应选用低强度等级混凝土；设置约束边缘构件的，应选用轴压比接近但小于配箍特征值变化点时的混凝土强度等级。

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。

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责任编辑：高洪涛

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