重型木结构建筑材料及构件的循环潜力研究.pdf

125JournalofBEENo.7in2023(TotalVol.51.No.389建筑碳中和2023年第7 期（总第51卷第38 9期）建筑节能（中英文）Carbon Neutrality in Buildingsdoi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.07.022重型木结构建筑材料及构件的循环潜力研究孙启明，黄琼，喜葛修琪（天津大学建筑学院，天津300072)摘要：循环潜力代表建筑中的材料形成环状材料流的能力，即材料的利用效率。通过量化材料循环潜力及构件的可拆解性，探讨了重型木材与混凝土、重型木结构构件与混凝土构件的循环潜力差异。以Kajstaden住宅楼为例，利用Revit建模获取建筑准确的材料信息，结合材料循环数据库进行定量计算，并使用eco2soft工具评价环境影响，探究了重型木结构建筑与混凝土建筑的材料及构件在循环潜力、物质消耗、废弃物总量及全球变暖潜能值等方面的差异。结果表明：重型木结构建筑材料及构件的循环潜力高于混凝土建筑，且可拆解性强，物质消耗总量和废弃物总量均不足混凝土建筑的三分之一，能够实现负碳排放，具有良好的生态效益。为重型木结构建筑的材料选择、构件设计和循环潜力优化提供参考，同时从材料循环角度提出实现建筑领域碳中和及零废弃物的新思路关键词：重型木结构建筑；行循环潜力；材料回收再利用；零废弃物；碳中和中图分类号：TU2文献标志码：A文章编号：2096-9422(2023)07-0125-06Recycling Potential of Mass Timber Constructions from theMaterial and Component LevelSUN Qiming,HUANG Qiong,GE Xiuqi(School of Architecture,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:The recycling potential indicates the fraction of the building materials that can form aclosed-loop material flow,that is,material efficiency.By quantifying the cycle data and detachability,thedifferences in recycling potential between mass timber and concrete,wood structure component and concretecomponent are compared.Taking Kajstaden residential building as an example,the exact material/component information was established by Revit,the quantitative calculation was conducted with MaterialCycle Database,the environmental influence was evaluated by eco2soft,to illustrate the difference inrecycling potential,material consumption,construction waste and global warming potential between a masstimber building and a reinforced concrete building.Results show that the recycling potential of mass timberbuilding is higher,and the detachability is better.The material consumption and waste generation are lessthan one-third of that of the concrete building,which can realize negative carbon emissions and gainecological benefits.References for the material selection,component design and recycling potentialoptimization of mass timber buildings are provided and from the perspective of material circulation,newideas for realizing carbon neutrality and zero waste in the construction sector are proposed.Keywords:mass timber construction;recycling potential;material recycling;zero waste;carbonneutrality0引言2020年，全球建筑行业消耗初次资源（Primary收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 7；修回日期：2 0 2 3-0 7-19*基金项目：国家重点研发计划资助项目：目标和效果导向的绿色建筑设计新方法与工具（2 0 16 YFC0700201）Sources）的碳排放占比超过40%，其中钢铁、水泥的碳排放占比在50%以上!，同时各国都面临严峻的建筑废弃物处理问题。基于可持续发展理念，我国“十四五”国家发展战略将“无废城市”持续推进固体废弃物源头减量和资源化作为国家生态环境发展的工作重126孙启明，等：重型木结构建筑材料及构件的循环潜力研究点。在建筑领域形成闭环材料流（Closed-loopMaterialFlow）,提高材料利用效率是实现碳中和及零废弃物目标的有效途径建筑的循环潜力代表建筑中的材料形成环状材料流的能力，即材料的利用效率。材料的循环再利用（R e c y c l i n g）指材料经过回厂、处理、分解、再加工后实现同级再利用或建筑领域内降级再利用的过程，能使建筑中的固化能量得以保存，节约资源，减少碳排放 2 。随着“3R原则、“回收潜力”3、“从摇篮到摇篮”4、“城市矿场”5 等多种循环理念，以及Mada-ster,eco2soft等设计工具的发展，有关建筑循环潜力的研究逐渐增多。但目前相关研究主要涉及钢结构、混凝土结构和轻木结构等，缺乏对重型木结构的材料循环研究，且多为建筑设计后期评价，对建筑设计初期决策的指导性较弱重型木结构是以重型木材（MassTimber）为主要承重构件的建筑结构体系。近30 年，重型木结构建筑逐渐发展成熟，在欧洲、北美等地区涌现大量中高层居住建筑 6 、中低层公共类建筑 7 ，在减少碳排放 8 、节材节能 9、抗震防火(10 、亲自然属性（Bioph-lic)等方面均展现出一定的优势。近十年,重型木结构建筑在我国尚处于发展初期阶段，提高重型木结构建筑资源的利用效率，有利于该建筑类型在我国的进一步发展 。本文对比分析重型木结构建筑与钢筋混凝土建筑在循环潜力上的差异，并探讨建筑设计初期提高建筑循环潜力的方法及策略。1重型木材的循环潜力重型木材属于工程木产品（EngineeredWoodProducts），是由小尺寸规格材、木条或刨片通过指接、胶合、施压等方式生产的建筑结构材料。常见的重型木材包括正交胶合木（CrossLaminatedTimber，CLT）、销接组合木(Dowel Laminated Timber，D LT）、钉接胶合木（NailLaminatedTimber，NLT）、大面积胶合板（MassPlyPanel，M PP）等适用于屋面、楼地板的板式结构材料，也包括胶合木（Glued Laminated Tim-ber，G LU LA M）、单板层积材（Laminated Veneer Lum-ber，LVL）、单板条层积材（ParallelStrandLumber，PSL）、长条刨片层积材（Laminated StrandLumber，LSL)等适用于梁、柱的结构材料【12】（见图1）。其中，CLT由3层及以上小规格锯材或木基材料构成的层板单元，以正交排布的方式施压胶合而成，是最具发展潜力的重型木材之一，其耐火时间长，强重比高，应用广泛，具有一定的代表性 13材料的循环潜力是材料使用前经可持续认证的可再生资源及二次资源占比，与使用后可继续应用于CLTDLTNLTMPPGLULAMLVLPSLLSL图1重型木材示意Fig.1 Species of mass timber建筑领域的资源占比之和，数值大于或等于10 0%时可形成闭环材料流。材料的循环参数主要参考德国研究学者安妮特希勒布兰特（AnnetteHillebrandt）等人2 0 19年统计的材料循环数据 14。以CLT的循环潜力为例（见图2），其含胶量约为2%，使用前约98%的资源为可再生资源，使用后约2 0%的资源可用于生产刨花板、高密度纤维板等建筑材料，属于建筑领域内的降级再利用，其余部分可焚烧发电处理（建筑领域外的降级再利用），故循环潜力为2 0%。由可持续森林制造的CLT，使用前经可持续认证的可再生资源约为98%，故循环潜力为118%，可形成闭环材料流。而混凝土主要由沙石、水泥等不可再生资源组成，使用后约有0 8 0%的混凝土可无差别进行建筑领域内或建筑领域外的降级再利用（如铺路、再生骨料、基础垫层等），本文以中间值40%为例进行循环潜力计算，故循环潜力为40%。钢材使用前约35%的资源为二次资源，使用后约99%的资源可实现同级再利用，故其循环潜力为134%98%98%经可持续认证的使用前一使用前可再生资源使用前使用前可再生资源35%同级再利用资源99%53%78%78%降级再利用资源使用后使用后使用后使用后（用于建筑领域）20%20%降级再利用资源40%（用于其他领域）134%40%20%118%钢材混凝土由传统森林制由可持续森林造的CLT板制造的CLT板图2材料的循环潜力Fig.2 The recycling potential of material从材料层级出发，重型木材的循环潜力优于混凝土，但其使用后的梯级再利用潜力有待发掘。回收成本（拆解、运输等）、残留的化学胶水和连接件是影响重型木材高效再利用的主要原因。其优化策略包括：原材料本土化，降低材料运输的环境影响；使用木质素、麻油等生物质胶水或木销、木钉、样卯等木节点连接板材，降低化学胶水对回收方式及环境的影响；通过相关政策带动高价值木产品的回收行为，提高材料同级再利用比例，高效利用裁切废材。127SUNQiming,etal.ResearchonRecyclingPotentialof Mass Timber Constructions from the Material and ComponentLevel2重型木结构构件的循环潜力构件的循环潜力受构件材料组合及材料分离的难易程度影响。在可拆解的前提下，构件的循环潜力由使用前经可持续认证的可再生资源及二次资源占比与使用后可继续应用于建筑领域的资源占比构成，即各构造层材料循环参数的质量加权，见公式（1）。将单个材料的循环参数与其质量占比的乘积定义为该材料的循环潜力贡献。构件中自攻螺丝、膨胀螺丝等连接件以及防水膜、透气膜等质量占比较低，不计人循环潜力计算。为明确废弃物的质量，将构件使用后无法再利用的资源视为废弃物。R=M,R,(1)i=1M总式中：M，为各构造层材料；R，为各构造层材料的循环参数（经可持续认证的可再生资源占比；二次资源占比；可继续应用于建筑领域的资源占比）。以CLT外墙构件的循环潜力计算为例（见表1），该构件的循环潜力约为8 1%。构件中经可持续认证的可再生资源来自CLT，资源占比约55%；二次资源主要来自矿渣生产的矿物棉，资源占比约10%。构件使用后，建筑领域内的降级再利用资源主要由生物质材料构成，占比约15%，一半以上的资源（约6 2%）可以焚烧发电的方式进行建筑领域外的降级再利用，废弃物占比约为2 2%。将构件的循环潜力通过两个环形图表示（见图3）。对比具有相同导热系数的混凝土外墙构件（见图4），混凝土构件的循环潜力约为35%，混凝土质量占比高（约8 5%），对循环潜力起决定性作用。构件使用后以建筑领域外的降级利用为主（约46%），废弃物占比（约2 0%）略低于重型木结构建筑构件(2 2%）。但总质量大，平均每平方米构件产生的废弃物总量（约6 6 kg/m）为重型木结构建筑构件产生的废弃物总量（约2 6 kg/m）的两倍以上（见表2）。表1CLT外墙构件的循环潜力数据Table 1 Assessed recycling data of the CLT wall component可持续认同级再利建筑领域建筑领域外构件材料质量二次可再生循环潜力证的可再用资源/内降级再降级再利用废奔物名称组成占比/%资源/%资源/%贡献/%生资源/%利用资源/%资源/%15mm防火石膏板10.42540551135 mm CLT54.7982080065220mm矿物棉16.860一一10010CLT50mm220mm木龙骨3.6一100208001外墙15 mm纤维板MDF5.1465020800350mm30mm木龙骨0.5100208000一20mm热处理木板9.0100一208002汇总1001056161156222813外1-15mm防火石膏板9%18%52-135mm正交胶合木563-220mm矿物棉4%4-60/200mm木龙骨17%使用前5-15mmMDF纤维板10%6-60/30mm木龙骨56%7-20mm热处理木板810-自攻螺丝55%411-气钉/自攻螺丝62%使用后10%15%CLT外墙的材料及质量占比循环潜力：8 1%图3CLT外墙构件的循环潜力Fig.3 The recycling potential of the CLT wall表2 CLT外墙构件与混凝土外墙构件参数对比Table 2 The comparison of the CLT wall and the concrete wall parametersCLT外墙构件混凝土外墙构件循环潜力/%8135使用后废弃物/（kg/m）2666面密度/(kg/m)117328构件厚度/mm435447传热系数/W/（mK）】0.150.1521-15mm抹面砂浆3外42-200mm混凝土砌块53-5mm粘接砂浆4-200mmEPS保温板使用前5-7mm饰面砂浆6-塑料膨胀螺丝7-EPS封口85%46%使用后34%混凝土外墙的材料及质量占比循环潜力：35%图4混凝土外墙构件的循环潜力Fig.4 The recycling potential of the concrete wall实现材料循环，需要将具有相同再利用方式的材料从各构造层中选择性分离，构件的可拆解性越强，越易于实现上述循环参数。基于德国研究学者德克施韦德（DirkSchwede）提出的材料回收能力（R e c y c l a b i l i t y）的评价方法 15，探究上述CLT外墙及混凝土外墙的可拆解性。CLT外墙中多使用自攻螺丝、样卯等干连接方式，虽然CLT与相邻的保温材料128孙启明，等：重型木结构建筑材料及构件的循环潜力研究及防火材料间连接关系（C1、C6）的回收兼容度较低，但材料可达性好，拆解对材料产生的影响小，易于实现材料分离，其余连接关系材料兼容度高，可共同回收（见图5）。混凝土外墙多使用粘接砂浆、抹灰等湿连接方式，拆解的破坏性较大，大部分材料回收的兼CLT外墙构件5C1-15mm防火石膏板2-135mm正交胶合木283-220mm矿物棉44-60/200mm木龙骨C6C2C105-15mmMDF纤维板6-60/30mm木龙骨3497-20mm热处理木板3810自攻螺丝C8C3C12I1-气钉/自攻螺丝C6-8C1C132回收方式：C4C14洲填理6C151C2-C5回收金属部分C9-17楚烧发电C161处理后局部回收.其余填理或发电12345处理后用于生产木基复合材料7C17拆解的破坏性图5CLT外墙构件的可拆解性Fig.5 The detachability of the CLT wall3重型木结构建筑的循环潜力分析以位于瑞典由 C.F.Moller Architects 设计建造的重型木结构建筑Kajstaden住宅楼为例，它属于高层木结构建筑，总建筑面积30 0 0 m,所处气候环境与我国寒冷地区相似。该建筑结构为正交胶合木剪力墙结构（Cross Laminated Timber Shear Wall Structure）,标准层的层高为3.2 m,墙体、楼板及屋面构件的节能、防火设计，均符合我国现行的多高层木结构建筑技术标准（GB/T51226一2 0 17），具有一定代表性。为对比不同结构体系在循环潜力上的差异，建立Kajstaden住宅楼的重型木结构Revit模型（见图7）和钢筋混凝土结构Revit模型（见图8），以获得精确的建筑构件面积及初始材料的用量，研究对象为建筑墙容度较低，可能出现拆解成本高，材料混杂等问题，材料分离难度大（见图6）。可见，相同性能参数的CLT外墙构件消耗的物质总量少，所需构件厚度小，易于拆解。此外,重型木结构建筑构件主要由生物质材料组成，在循环潜力及零废弃物方面均具有一定优势。混凝土外墙构件51-15mm抹面砂浆C3,C4,C7,C92-200mm混凝土砌块43-5mm粘接砂浆4-200mmEPS保温板5-7mm饰面砂浆C1,C2,C56-塑料膨胀螺丝37-EPS封口C6-C8,C103C62回收方式：4C7福填理回收金属部分C8C101C8粉碎处理后用于铺路：基础垫层12345处理后局部回收，其余填理或发电597拆解的破坏性图6混凝土外墙构件的可拆解性Fig.6 The detachability of the concrete wall体、楼板、屋顶及楼梯构件（门窗构件无明显差异，不作为主要研究对象。重型木结构模型的墙体、楼板、屋顶等严格按照Kajstaden住宅楼的构造做法设计，钢筋混凝土结构建筑构件在尽量保证与重型木结构建筑构件的传热系数或厚度一致的前提下，参考Bau-book数据库中的常见构造做法设计）。考虑到木结构构件与混凝土构件的耐久性差异，将建筑使用年限设为10 0 年，以获得建筑全生命周期内的物质消耗总量，同时使用eco2soft软件计算建筑全生命周期的碳排放。研究主要考虑固化能量（EmbodiedEnergy），为尽量降低未计算的运营能耗部分的差异，将混凝土建筑墙体及屋面构件的传热系数与重型木结构建筑保持一致，计算结果列于表3。表3钢筋混凝土建筑与重型木结构建筑参数对比Table 3 The comparison of the mass timber building and the reinforced concrete building parameters重型木结构建筑钢筋混凝土建筑循环潜力/%7334物质消耗量_10 0 年/（kg/m）365.91136.7废弃物总量/(kg/m）89.1303.3全球变暖潜能值GWP_100年/（kgCO/m）-174.0221.0以金属连接件、自攻螺丝等干连接方式为以现场浇筑、粘接砂浆、抹灰等湿连接方式构件间的连接关系及可拆解性主，易于拆解为主，需暴力拆解从材料层面分析，重型木结构建筑中CLT、防火石膏板的质量占比高，分别为总质量的52%和2 8%，CLT的循环潜力贡献为6 1%，其次是矿物棉（6%）。建筑生命周期结束后的废弃物主要由使用后的防火石膏板和矿物棉构成，约占物质消耗总量的2 4%。建筑中生物质材料的占比约为6 3%，除羊毛毡外，其余生物质材料均可实现负碳排放，环境效益良好（见表4）。经计算，钢筋混凝土结构建筑中混凝土质量占比最高（7 6%），混凝土的循环潜力贡献为34%，废弃物主要由水泥砂浆和混凝土构成，约为物质消耗总量的2 8%，混凝土与钢筋的碳排放量高。从构件层面分析，重型木结构建筑中大部分构件的循环潜力均在7 0%以上。其中CLT质量占比较高，构造层数较少的W5、F2、R 2、S1循环潜力最高。W3、W4及F1的质量占比约6 7%，循环潜力贡献共计48%。W 1、W 3、W 6 的材料组成较为复杂，防火材料及保温材料的质量占比明显高于其他建筑构件，每平方米产生的废弃物占比高。此外，所有构件均可实现负129SUNQiming,et al.Research on Recycling PotentialofMassTimber Constructions from the MaterialandComponentLevel表4重型木结构建筑材料的循环潜力Table 4 The material recycling potential of the mass timber building物质消耗二物质消耗_质量占比_废弃物_循环潜GWP/材料名称材料寿命循环潜力/%第0 年/kg第10 0 年/kg100年/%100年/kg力贡献/%(kgCO2/m)CLT100565.731565.73152011861-1.100防火石膏板50152.037304.07428167241720.157矿物棉5049.99899.996999 9966061.010木饰面503231164622602011.650高密度纤维板50255695113850663-1.040木龙骨1007369736910200-1.050羊毛毡502380476000000.537正交胶合木5%防火石膏板6%9%矿物棉9%木龙骨使用前6%MDF纤维板28%热处理木板53%羊毛毡52%62%使用后13%重型木结构建筑材料及质量占比73%图7重型木结构建筑的循环潜力Fig.7 The recycling potential of a mass timber building碳排放，生物质材料质量占比越高，构件的环境效益越好（见表5）。经计算，钢筋混凝土结构建筑中构件的循环潜力均在38%45%之间，主要的外墙构件和楼板构件质量占比约7 0%，产生的废弃物占比在26%36%之间。总的来说，高层重型木结构建筑的循环潜力（见图7）优于相同体量的钢筋混凝土建筑的循环潜力（见图8），分别为7 3%和34%，并且其建筑构件的循环潜力普遍优于钢筋混凝土结构。两种类型建筑的结构支撑材料对循环潜力的影响最大，废弃物以饰面、保温材料为主。虽然废弃物占比基本相同，但重型木结构建筑的总物质消耗量（36 5.9kg/m）、建筑生命周期结束后产生的废弃物总量（8 9.1kg/m），均不及混凝土建筑的三分之一。在此基础上，因生物质材料的固碳属性，重型木结构建筑的全球变暖潜能值钢筋混凝土8%混凝土砌块9%水泥流平浆水泥砂浆19%使用前饰面砂浆粘接砂浆木饰面EPS保温板58%40%使用后3%29%钢筋混凝土建筑材料及质量占比循环潜力：34%图：钢筋混凝土建筑的循环潜力Fig.8 The recycling potential of a reinforced concrete building（G W P）为-17 4.0 kgCOz/m，可实现负碳排放。此外，重型木结构建筑的预制装配程度高，构件间的连接关系多为干连接（见图9），拆解对构件、材料的破坏程度小，更有利于高价值材料的循环再利用。可见，重型木结构建筑比混凝土建筑具有更高的材料利用效率，可拆解性更强，能够有效减少资源消耗和废弃物的产生，并具有良好的生态效益。图9墙体楼板连接节点Fig.9The connection between wall and floor表5重型木结构建筑构件的循环潜力Table 5 The component recycling potential of the mass timber building类型构件名称面积/m质量占比/%废弃物占比/%循环潜力_10 0 年/%循环潜力贡献/%GWP/（k g CO,/m）W11层CLT承重外墙213.230722-57W21层CLT承重分隔墙1783.421732-117W328CLT层承重外墙103515.6326911-51W428层CLT承重分隔墙92516.8227112-107墙体W528层CLT室外分隔墙2193.20903-152W6CLT剪力墙2113.151582-30W7室内CLT隔墙14065.828614-70W8室内CLT隔墙23034.925673-91W928层CLT室外短墙771.124721-71F1 CLT楼板171534.3237225-104楼板F2CLT挑出楼板1902.401022134RI CLT屋顶2684.531834-53屋顶R2CLT屋顶挑檐300.301180-118楼梯S1CLT楼梯（不包括扶手）5381.401182-31130孙启明，等：重型木结构建筑材料及构件的循环潜力研究4丝结语重型木结构建筑循环潜力高，产生废弃物少，具有良好的环境效益，是未来实现碳中和、零废弃物目标的有效途径。在建筑设计初期,从材料循环潜力出发，应从原材料来源、材料间连接方式、梯级再利用方式等方面进一步提高重型木材的循环潜力；从构件的循环潜力出发，重型木结构建筑构件设计过程在保障构件性能的同时，应着重考虑使用生物质材料建造，以降低拆解成本并简化回收流程。同时，重型木材其与相邻构造层间的连接应尽量避免胶粘、气钉等连接方式，并注意连接节点的可达性设计。总体来看，虽然相比于混凝土建筑，重型木结构建筑材料及构件的耐久性稍差，涉及全生命周期内的一次或多次材料更新，但重型木结构建筑在物质消耗、建筑生命周期结束后的废弃物总量、循环潜力及环境影响等方面均具有明显优势。目前，大部分材料循环的数据来自德国数据库，适用于德国国情。现呕需建立我国建筑材料循环数据库，以实现更符合我国国情的建筑循环潜力分析，这需要通过国家统计数据、厂家信息收集等途径完善材料回收再利用信息体系。从建筑材料、构件两个层级，引导建筑设计初期决策，提高资源利用效率，以实现建筑环状材料流。参考文献：1HERTWICH 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