钢筋混凝土结构内含环境影响负荷及经济性分析.pdf

第 2 7卷第 1 期 2 0 1 0年 3月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f HU S T ( U r b a n S c i e n c e E d i t i o n ) Vo l _ 2 7 No 1 Ma r 2 0 1 O 钢筋 混凝土结构 内含环境 影响负荷及经济性分析 尹秀琴， 李惠强， 薄海涛， 柯华虎 ( 华中科技大学a土木工程与力学学院； b控制结构湖北省重点实验室， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要： 全球变暖是目前全世界最为关注的环境问题， 本文以某工业厂房为实例， 从结构设计的角度， 通过对不 同方案钢筋混凝土结构内含环境影响负荷的研究比较 ， 表明在建设工程中采用高强混凝土、 高强钢筋比采用普 通混凝土及钢筋可以减少温室气体排放； 降低结构内含环境负荷影响； 节约混凝土、 钢材用量和具有更好的经 济性。本文的研究结果可以为建筑工程领域的节碳减排提供参考。 关键词 ： 全球变暖； C O 减排； 钢筋混凝土； 结构设计； 内含环境负荷 中图分类号： T U 0 2 3 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 - 7 0 3 7 ( 2 0 1 0 ) 0 1 - 0 0 1 3 - 0 4 我国正处于经济快速发展阶段 ， 作为大量消 耗资源、 对环境产生重大影响的建筑业 ， 应全面实 施绿色施工， 承担起可持续发展的社会责任， 在保 证工程质量、 安全等基本要求的前提下， 通过科学 管理和技术进步， 最大 限度地节约资源和减少对 环境的负面影 响， 建设 “ 资源节 约， 环境友好 ” 两 型社会。 从全球环境来看 ， 当前最为关注 的环境问题 是全球变 暖 问题 。大气 层 中的 C O ： 、 C H 、 N 0、 C F C 、 0 、 C O等温室效应气体具有吸收太 阳辐射 热 ， 同时又阻止地球 向外层辐射散热， 使得大气低 层具有 自然 温室效应 。当 C O ： 等 温室气体在 大 气 中浓度升高 ， 便会造成吸收太 阳辐射热增加 ， 而 地球向外辐射散热减少 ， 导致全球变 暖。全球 变 暖会使 冰川融化 ， 海平 面上升 ， 陆地面积减少 ， 海 岸后退 ， 引起港 口、 航道的回淤 、 湿地和河 口冲击 平原被淹 没， 将给沿海经济发展带来 巨大影响。 此外全球变暖还会引起温度带 向高纬度移动 ， 使 一 些地带生态发生变化 ， 以及一些传染性疾病增 加和大气臭氧层耗损增加。 根据 联 合 国 政府 间气 候 变 化 专 门委 员 会 ( I P C C) 的研究 ， 自 1 8 5 0至 2 0 0 5年 间， 地球 表面 的平均温度升高了0 6 9 ( 0 2 C) 。中国政府 2 0 0 8年 l 0月 2 9日发布的 中国应对气候变化 的 政策与行动白皮书指 出， 中国近百年来地 表平 均气温升高了 1 1 o C。近 3 O年来 ， 中国沿海海平 面总体上升了9 0 m m。 随着经济的快速发展 ， 未来气候变 暖趋势将 进一步加剧 ， 特别是工业发达地区。如 2 0 0 7年 8 月 2 8日 广东省气象局首次发布的 广东气候变 化评估报告 指出： 近5 0年广东气温升高与全国 平均水平相 当， 0 2 1 C 1 0年 ， 明显高于全球或北 半球 同期平均增温速率 。其 中工业区密布， 经济 发达的珠 三 角是 主要增 温 区域 ， 平 均 0 3 2 1 0 年 ， 而工业区较少 的粤北大部分县市的增温速率 不到 0 1 5 1 0年。预计广东在 2 0 1 1年至 2 0 4 0 年、 2 0 4 1年至 2 0 7 0年和 2 0 7 1年至 2 l 0 o年的三个 3 O年 时段 ， 平 均气 温可 能 分别 升高 约 1 0 、 1 9 c I =和 2 8 C。未来海平面可能上升 3 0 c m( 从 历史最高潮位起算) ， 届时珠江三角洲的可能淹 没面积将达 1 1 5 3平方公里 ， 受威胁最大的有广州 市区、 珠海市和佛山市。受影响地区的直接经济 损失预计将达到 5 6 0 亿元左右。 根据美 国世界 观察研 究所 ( wwI ) 的报告 ， 2 0 0 6 年世界各国温室气体排放所占份额中， 中国 在能源领域 的 C O 排放量 为 5 9亿吨 ， 已经 十分 接近美国的6 1 亿吨， 居世界第二位( 图 1 ) 。 目前建筑能耗约 占全国总能耗的 3 0 左右 ， 建筑业是 C O ： 等温室气体的排放大户， 建筑节能 减排是减缓全球变暖的重要领域之一 。建筑节能 减排工作涉及到建筑规划、 建筑设计、 围护结构、 采 暖系统 、 空调系统设计 、 照明系统等多个专业领 域 。当前工程上 已开展多种 途径 的建筑节 能工 作 ， 包括围护结构保温隔热节能技术 、 太阳能及风 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 9 - 2 8 作者简介 ：尹秀琴( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 河南唐河人 ， 博士研究 生， 研究 方向为工程管理 、 绿 色建筑技术 ， y x q l y x q y a h o o 12 1q 。 基金项 目：高等学校博 士学科点专项科研基金 ( 2 0 0 5 0 4 8 7 0 1 7 ) 。 1 4 华中科技大学学报( 城市科学版) 2 0 1 0年 图 1 2 0 0 6年世界各国温室气体排放所 占份额 ( ) 能利用、 供热供冷节约用能 、 加强节能科学管理等 等 ， 在节能减排方面取得了较好成效。但笔者感 到当前在结构设计和施工领域还有待深入， 如当 前建筑节能减排十分重视的是围护结构保温隔热 技术 ， 考虑 的是建筑在使用期 间降低空调制冷和 供热采 暖的能耗 ， 而对结构 选型、 结构材料 的选 用 、 结构废弃物 的可 回收利用等 的重视程度 远不 如对节能减排的重视。建筑实体的建造需要消耗 大量的建筑材料 ， 建筑材料 的采集 、 加工及运输对 能源的消耗将排放大量 的 C O 等温室气体 ， 而这 些与结构选型、 结 构材料 的选用等有着十分密切 的关系。限于篇幅 ， 本 文主要探讨结构设计 中 昆 凝土强度和钢筋等级选用与环境影响负荷之间的 内在联系， 并通过工程实际进行定量分析 。 1 建筑 材料 内含环境 影响负荷分析 1 1 内含环境影响负荷含义 建筑工程结构实体建造要消耗大量建筑材 料， 而建筑原材料的开采、 运输、 生产到制成建筑 材料产品 ， 整个过程都会排放 C O 、 S O ： 、 N O 等废 气、 固体废弃物和废水等 ， 对环境带来一定 的负面 影响， 称之为 内含环境影响负荷 。 如混凝土的内含环境负荷影响， 包括石灰石、 砂岩、 铁粉、 石膏等原材料 的获取及运输 、 水泥生 产及运输、 天然骨料的生产及运输、 混凝土的制备 过程中产生的环境负荷影响 。又如钢材的内含环 境负荷影 响包括 主要原料和辅助原料从采掘 、 运 输到钢材产品等过程所产生的环境负荷影响。 1 2 环境负荷影响的计算 以混凝土的内含环境负荷影响为例 ， 说 明环 境负荷影响的计算。 ( I ) 根据不 同强度等级 的混凝 土配合 比， 获 取制备每立方米混凝土需要消耗的水泥、 粉煤灰 、 沙石 、 水等材料数量的数据 ； ( 2 ) 搜集 、 计 算 、 分析水泥 、 粉煤灰 、 沙 、 石等 原开采、 生产、 运输过程中各种废气、 废渣、 废水等 环境影响因子的排放量 ； ( 3 ) 根据国际标准化组织( I S O) 、 国际环境毒 理学和化学学会 ( S E T A C) 建立 的环境 负荷影响 评价体系， 对影响全球变暖、 酸雨、 水体富营养化 等各种环境负荷影响进行分类； 分别计算影响全 球变暖、 酸雨、 水体富营养化等环境影响排放物的 数量； 并根据效应当量因子把影响全球变暖、 酸 雨、 水体富营养化等的各种气体折算为 C O 、 S O ： 、 N O 的排放量 ， 最后 汇总计算 出不同混凝 土的内 含环境影响负荷， 详情可参见我们课题组已发表 的文献 卜引。 2 工程实际案例 定量分析 在钢筋混凝土结构中采用高强钢筋和高强混 凝土可以节约钢筋和混凝土材料用量， 这已为行 业 内所共识 ， 但与发达国家相 比， 我国建设行业所 用钢筋和混 凝 土强度 普遍低 12个 等级 J 。 据统计 ， 每年 H R B 4 0 0钢筋用量不到钢筋总用量 的 1 0 ， 高强混凝土 累计使用 量还不到 1 5 0 0万 m ， 不足混凝土年消耗总量 的 1 4 3 。此外 ， 采用 高强钢筋和高强混凝土对环境负荷影响如何， 研 究甚少 ， 本文选取某化工厂厂房框架结构底层柱 实例通过计算进行定量对比分析。 2 1 工程概况 某化工厂厂房 为五层框架结构 ， 底层建筑面 积为 6 6 8 1 6 1 T I ， 层高 5 6 m， 底层柱设计截 面分 别为 3 0 0 mm 3 0 0 m m、 4 0 0 m m 4 0 0 m m、 4 5 0 mm 4 5 0 mm 、 50 0 mm x 5 00 mm 、 5 5 0 mm 5 5 0 mm、 6 0 0 m m 6 0 0 m m， 各种设计截面对应的柱子 数分别为3根、 4根、 4根、 6根、 4根、 3根， 共 2 4 根。 以底层柱中数量较多的截面为 5 0 0 m m 5 0 0 m m的柱子 为代表 ， 进行 比较研究。原设计 采用 C 4 0混凝土、 H R B 3 3 5钢筋 ， 设计柱截面及柱配筋 情况见 图 2 。 图 2 原设计柱截 面 2 2 对比方案 对 比方案将底层柱混凝土 、 钢筋级别提高 ， 采 第 1 期 尹秀琴等： 钢筋混凝土结构内含环境影响负荷及经济性分析 1 5 用 C 5 0混凝土、 HR B 4 0 0钢筋 ， 重新修改后 的设计 柱截面及配筋情况见 图 3 。 I l I l l 图 3 对 比方案 柱截面 研究原设计方案与对比方案的环境负荷影响 差异 ， 环境负荷仅考虑 C O ： 温室气体以及对我国 环境影响较 大的酸雨致 因 S O 、 水体富营养化致 因 N O 的排放量 。此外 ， 在混凝 土施工配 比设计 中考虑掺粉煤灰和不掺粉煤灰二种情况环境负荷 影响的对 比。 2 3 底层柱设计采用 C 4 0与 C 5 0混凝土对比 在满足原抗震等级要求 、 同样的结构荷载、 满 足原设计使用功能的情况下， 底层柱混凝土等级 由 C 4 0 提高到 C 5 0 、 钢筋等级由 H R B 3 3 5提高到 HR B 4 0 0 ， 用 P K P M软件计算表明， 大部分 柱子截 面边长尺寸可减少 5 0 mm， 主筋直径减小一个等 级( 图 2 、 图 3 ) 。 根据 建 筑工 程工 程量 清单计 价规 范 ( G B 5 0 5 0 0 - 2 0 0 3 ) 混凝 土及 钢筋混凝土 工程 的计 算规则 ， 经详 细计 算可得 ， 底 层柱采用 C 4 0混凝 土 ， 总用量为 3 1 0 0 m ； 若采用 C 5 0混凝土 ， 总用 量为 2 5 3 9 m ， 减少 了5 6 1 m ( 占 1 8 0 9 ) 。 在混凝土施工配 比设计中考虑掺与不掺粉煤 灰的环境负荷影响， 不掺粉煤灰的 C 4 0 、 C 5 0混凝 土以及 掺 粉煤 灰 的 F C 4 0 、 F C 5 0混凝 土 内含 的 C O ： 、 S O 、 N O ，环 境 负荷 影 响 经计 算 如 表 1所 示 引。 表 1 不同等级混凝土内含环境负荷影响潜值 内含环境影响 C 4 0 C 5 0 F C 4 0 F C 5 0 C 0 2 e q( k g m ) 9 9 4 1 1 4 2 9 3 2 1 0 5 6 S O 2 e q( k g m ) 1 1 1 3 1 1 I 2 N O 3 e q( k g m ) 1 7 2 1 7 1 8 原设计方案与对 比方 案的混凝土 内含 C O ： 、 S O ： 、 N O 环境影响总量如表 2所示 。 表 2 不 同设计方案混凝土 内含环境 影响 内含环境影响 C A O C 5 0 F C 4 0 F C 5 0 C O 2 e q( k g m )3 0 8 1 4 0 0 2 8 9 9 5 3 8 2 8 8 9 2 0 0 2 6 8 1 1 8 4 S O 2 e q( k g m ) 3 4 1 0 3 3 0 1 3 4 1 0 3 0 4 7 N O e q( k g m ) 5 2 7 0 5 0 7 8 5 2 7 0 4 5 7 0 由表 2分析比较 可知 ： ( 1 ) 采用不掺粉煤 灰的混凝土 ， 原方案底层 柱共需 C 4 0混凝土 3 1 0 0 1T I ， 产生的 C O ： 温室气 体当量 3 0 8 1 4 0 k g ； 对 比方案共 需 C 5 0混凝 土 2 5 3 9 n l ， 产生的 C O 2 温室气体当量为 2 8 9 9 5 3 8 k g ， 则对比方案 比原方案少产生 1 8 1 8 6 2 k g ( 占 5 9 ) 的 C O 温室气体排放量。 ( 2 ) 若采用掺 粉煤灰 的混凝土 ， 对 比方案 比 原方案相 比， 将 减少排放 C O 温室气体 2 0 8 0 1 6 k g ( 占7 2 ) 。可见掺粉煤灰比不掺粉煤灰又进 一 步减少 C O ： 排放量 2 6 1 5 4 k g 。 2 4 底层柱设计采用 I -I R B 3 3 5与 I -I R1 M0 0钢筋 对 比 根据 G B 5 0 5 0 0 - 2 0 0 3凝土及钢筋混凝土工程 的计 算 规 则 ， 经 详 细 计 算 可 得， 底 层 柱 采 用 H R B 3 3 5普通 钢 筋， 用 量 为 5 7 8 8 5 1 k g ； 若 采 用 H R B 4 0 0高强钢筋， 用量为4 7 1 6 8 5 k g ， 钢筋强度 由 HR B 3 3 5提 高 到 H R B 4 0 0后 ， 钢 筋 用 量 减 少 1 0 7 1 6 6 k g ( 占 1 8 5 1 ) 。 表 3为一般钢材 的内含环境影 响数据 ， 该数 据来源于杨 建新_ 6 等的研究。原设计 方案与对 比方案的钢材内含环境影响的计算如表 4 所示。 表 3 钢材 的内含环境 影响潜值 内含环境影响 钢筋内含环境影响负荷 c o 2 e q ( g , k g ) S O 2 e q ( g k g ) N O 3 e q ( g k g ) 6 9 9 8 3 1 6 1 2 5 表 4 不同设计方案钢材内含环境影响对比 由表 4分析 比较可知 ， 对 比方案 比原方 案的 内含 C O ：温室气 体 排放 量减少 7 4 9 9 5 k g(占 l 8 5 1 ) 。需说明的是 ， 因 目前尚未 收集到钢材 不 同强度等级 的内含环境影响的数据 ， 因此 在表 4的计算 中未考虑 由于钢材强度等级 的提高对环 境负荷影响的增 加。 3 经济性对比分析 3 1 C 4 0 、 C 5 0混凝土造价比较分析 在该实例中 ， 高强混凝土与普通混凝土相 比， 用量减少 1 8 0 9 ， 但高强混凝土比普通混凝土 价格高 ， 表 9对采用 C 4 0 、 C 5 0混凝土造价进行 比 较 ， 该表 中的混凝土单价参照 2 0 0 8年武汉市 7 9月份建筑材料信息价中混凝土预算价的算术平 均值 。 l 6 华中科技大学学报( 城市科学版) 2 0 1 0年 表 5 C 4 0 、 C 5 0混凝土造价对 比表 通过上表计算可知 ， 对 比方案 比原方案混凝 土材料费总价减少 8 1 8 8 7元 ， 减少 8 0 8 ， 表明 高强混凝土虽然单价比普通混凝土高， 但采用高 强混凝土使混凝土用量的减少量大于高强混凝土 价格的提高量对总造价 的影响。从降低造价方面 来考虑， 高强混凝土更经济。 3 2 HR B 3 3 5钢筋与 HR B 4 0 0造价比较分析 在该实例 中， 高强钢筋与普通钢筋相 比， 用量 减少 l 8 5 l ， 但高强钢筋比普通钢筋价格高， 表 9对采用普通钢筋 H R B 3 3 5 、 高强钢筋 H R B 4 0 0造 价进行 比较 ， 该表格中的钢材单价参照 2 0 0 8年武 汉市 1 O月份建筑材料信息价中钢材的预算价。 表6 普通钢筋与高强钢筋造价对 匕 表 通过上表计算可知， 对比方案比原方案钢材 材料费总价减少 5 5 4 4 8 9元 ， 节约造价 1 7 3 6 ， 表明高强钢筋虽然单价比普通钢筋高， 但采用高 强钢筋使钢筋用量的减少量大于高强钢筋价格的 提高对总造 价 的影 响。从降低造价 的方 面来考 虑 ， 高强钢筋更经济。 4 结论 ( 1 ) 提高混凝 土和钢筋 的强度等级 ， 混凝 土 施工配比设计掺用粉煤灰等措施可以减少导致全 球变暖的 C O 温室气体排放、 减少酸雨的产生、 降低土壤及水体的富营养化等环境影响负荷。 ( 2 ) 提高混凝土、 钢筋的强度等级可以较大 程度地节约建筑材料总消耗量。 ( 3 ) 采用高强 混凝 土、 高强钢筋 比普通混凝 土、 普通钢筋有更好 的经济效益。 综上所述， 提高混凝土和钢筋的强度等级， 掺 用粉煤灰等是建设“ 资源节约， 环境友好” 两型社 会的有效途径之一。从后京都公约时代 ( 2 0 1 2年 后) 我国将不可避免要承担全球 C O ： 温室气体减 排任务的紧迫形势所需 ， 应 引起建设领域设计和 施工人员高度重视， 切实为节碳减排、 保护环境作 贡献 。 参考文献 1 帅小根建设项 目“ 隐性” 环境影响评价的量化研 究 D 武汉：华中科技大学， 2 0 0 9 2 帅小根， 李惠强 ， 柯华虎工程建设及资源消耗对 环境影响的定量评价 J 华中科技大学学报( 城 市科学版) ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 2 ) ： 3 4 3 9 3 李思 堂建筑项 目减物质化施工评 价模型研究 D 武汉： 华中科技大学， 2 0 0 7 4 王铁宏亟需推广应用高强钢筋和高性能混凝土 J 建设科技， 2 0 0 5 ，( 6 ) ： 2 8 - 2 9 5 裴智 ，张维汇，王润晓，等H R B 5 0 0钢筋的发 展与设计施工要点 J 施工技术， 2 0 0 7 ，3 6 ( 4 ) ： 1 3 1 6 6 杨建新， 徐成 ， 王如松产品生命周期评价方法 及应用 M 北京： 气象出版社 ， 2 0 0 2 Re s e a r c h o n Emb o di e d Env i r o n me nt al Bu r d e n a n d Ec o no my i n Re i n f o r c e d Co n c r e t e St r u c t u r e Y I N Xi u q i n，L IHu i q i a n g，BO Ha i t a o，KE Hu a hu ( a S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d Me c h a n i c s ； b H u b e i K e y L a b o r a t o r y o f C o n t r o l S t r u c t u r e ， HU S T， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Mo r e a n d mo r e a t t e n t i o n s h a v e b e e n p a i d t o g l o b a l w a r mi n g a r o u n d t h e w o r l d T h e p a p e r t a k e s a n i n d u s t r i a l w o r k s h o p o f a c h e mi c a l f a c t o ry a s t h e e x a mp l e t o a n a l y z e a n d c o mp a r e t h e e mb o d i e d e n v i r o n me n t a l l o a d o f t wo d e s i g n s c h e me s o f hi g h s t r e n g t h r e i n f o r c e d c o n c r e t e wi t h o r d i n a r y r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r o m t he s t ruc t u r e d e s i g n o f v i e wT h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e f o r me r s c h e me c a n d e c r e a s e t h e a mo u n t o f g r e e n h o u s e g a s e s e mi s s i o n，t h e e mb o d i e d e n v i r o nme n t a I l o a d a nd the c o n s u mp t i o n o f ma t e ria l s ，a n d i mp r o v e t h e e c o n o mi c p e r f o r ma nc e s Th e p a p e r p r o v i d e s s o me s u g g e s t i o n s t o r e d u c e CO2 e mi s s i o n i n c o n s t ru c t i o n a l e ng i n e e rin g Ke y wo r d s：g l o b a l wa r mi n g；CO2 e mi s s i o n r e d uc t i o n；r e i n f o r c e d c o nc r e t e；s t r u c t u r e d e s i g n；e mb o d i e d e n v i r o n me n t a l l o a d