绿色建筑结构设计中的低碳材料选择与性能优化研究

引言

建筑行业属于温室气体排放的主要源头之一，推进绿色建筑的发展，对于应对气候变化、达成碳中和目标来讲意义重大。建筑材料在建筑的整个生命周期，也就是生产、运输、施工、使用、维护以及拆除这些阶段，均会产生碳排放。所以，在绿色建筑设计过程中，应当优先选用低碳、可重复再生、能够循环利用的建筑材料，并且对材料性能予以优化，以此来降低建筑物的碳排放量。本文将会以绿色建筑结构设计里的低碳材料选择与性能优化为核心展开研究。

一、绿色建筑结构设计中常用低碳材料的特性分析

绿色建筑结构设计中常用的低碳材料种类丰富，各具特点。竹材密度小、强度高、韧性好，与钢材相比，竹材只有钢材重量的 1/8，但抗拉强度可达到钢材的 1/10-1/5。秸秆、石膏等材料作为混凝土轻集料或掺合料，可减少水泥等高碳材料用量。以稻壳灰为例，每吨稻壳灰可减少 0.86 吨水泥使用量，从而减少二氧化碳排放。此外，粉煤灰、矿渣等工业废渣用作混凝土掺合料，在提高混凝土性能的同时，可减少废渣处置带来的环境负荷。新型低碳金属材料也是绿色建筑的优选材料，高强钢强度高、延性好，用于建筑结构可减少钢材用量。

二、绿色建筑结构设计中低碳材料的选择原则与方法

（一）选择原则

1.耐久性原则

耐久性是衡量建筑材料可持续性的一项关键指标，在选择材料时，要考虑材料的物理特性，例如抗压、抗拉强度；化学特性，比如抗老化、耐腐蚀性能；生物特性，诸如耐虫蛀、耐霉菌性能等等。室外使用的材料要挑选耐候性佳的，室内则应选择对人体无害、无污染的材料，要依据建筑物所处的使用环境状况，选择与建筑使用寿命相契合的材料，以降低因材料损坏而需更换所导致的资源浪费。

2.可再生原则

可再生材料指的是在一定时间段内，通过自然生长或人工培育能够实现再生的材料，比如竹材、木材、秸秆、蔗渣等，这些材料生长周期不长，再生产能力较强，可实现持续性利用[1]。应当优先选用可再生材料，减少对不可再生材料的消耗。在评估可再生材料的可持续性时，要综合考量其再生产周期、资源消耗程度等要素，选择再生产周期短、种植过程碳排放量低的可再生材料。

3.循环利用准则

优先选用能够回收、可以重复使用以及材料利用率较高的建筑材料产品。金属材料、玻璃等能够回收再利用，部分废旧混凝土经过处理之后可以作为再生骨料。要提高材料的使用效率，比如采用钢-混凝土组合结构能够减少钢材和混凝土的使用量。积极使用再生建筑材料，像是再生混凝土砌块、再生塑料制品等。选用工业废渣作为混凝土掺合料，这样不仅能够减少对天然原料的开采，还可以消纳工业固体废弃物。

（二）选择方法

1.全生命周期评估法

该方法对建筑材料从摇篮到坟墓各阶段资源消耗、环境排放等进行定量分析，最终得出材料全生命周期内的环境影响如碳足迹、水足迹、能源消耗等指标。评估过程中要收集材料生产数据，建立生命周期清单，选择合适的评估软件进行数据处理计算。材料的环境影响应结合建筑物的功能单位进行计算，如每平米建筑面积材料的碳排放量等，通过不同材料方案的环境影响对比，选出环境负荷最小的材料。

2.多目标决策法

低碳材料选择是一个多目标决策的过程，要综合材料性能、经济成本、环境影响、美观度等因素。采用层次分析法，建立材料选择指标体系，将目标分解成若干层次的指标，通过两两比较确定指标重要性权重。采用定

量与定性相结合的方式赋值，如材料力学性能、造价可定量赋值，而材料的环保性、美观性等可定性赋值，然后用加权求和法计算各材料方案的综合得分，优中选优。

三、绿色建筑结构设计中低碳材料的性能优化途径

（一）材料改性优化

材料改性是指在不改变材料主体成分的基础上，通过添加改性剂、调整配比等方式，优化材料性能，以满足绿色建筑对材料的特殊要求[2]。在低碳材料改性时，要遵循绿色环保理念，采用低毒无害、无污染的改性技术和添加剂，就拿植物纤维复合材料来说，通过添加偶联剂，可改善纤维与基体的界面粘结性能，提高复合材料力学性能。

竹材易吸水、易开裂、易虫蛀等缺点制约了其在建筑领域的广泛应用，可采用物理改性法，如热处理、表面涂层等，降低竹材吸水性，提高尺寸稳定性。此外，对竹材进行防腐防虫处理，可延长其使用寿命。在混凝土改性方面，通过掺加活性矿物外加剂如粉煤灰、矿渣等，可改善混凝土工作性能，提高抗渗性、抗冻性等耐久性指标。

（二）结构形式优化

绿色建筑要最大限度节约材料，减少高碳材料使用。在建筑结构设计时，优化结构布置形式，简化结构构件，才能在确保安全、适用、耐久的前提下，实现材料用量最小化。混凝土结构方面，可以采用结构自保温技术，剪力墙、柱、梁等承重构件设置保温层，可减少保温材料使用量，或是通过预制装配式结构设计，提高混凝土构件的标准化生产以及施工效率[3]。钢结构方面，可以合理选择钢材强度等级，高强钢材可减少钢材用量，积极采用钢-混凝土组合结构，发挥两种材料的各自优势。

（三）连接技术优化

建筑构件连接方式对材料用量、施工便捷性、构件可拆卸性等有显著影响。钢结构连接方面，应最大限度采用焊接连接替代螺栓连接，减少钢板、螺栓等附件用量[4]。合理选择焊接方式，采用耗能低的焊接工艺，对于现场施工困难的节点，宜采用高强螺栓连接。积极采用新型连接技术，如摩擦型高强螺栓连接、焊-栓组合连接等，减少螺栓等金属件使用量。

就混凝土结构的连接部分而言，要积极采用如直螺纹连接、灌浆套筒连接这样的新型钢筋连接技术。通过应用这些技术，能够有效削减钢筋的使用量，同时降低连接过程中钢材的耗费。对于木结构连接工作，应当首先考虑选用卡榫连接、胶合连接等传统的木工工艺方法，从而减少金属连接件的应用。当采用木-钢组合连接方式时，要合理地对连接构造加以设置，以此提升节点的受力性能，进一步减少金属件的使用数量。

结束语

绿色建筑想要达成低碳目标，建筑材料的选择与优化是关键工作。设计者需要科学地对材料性能进行评估，严格遵循低碳材料的选择原则，结合不同地区的实际情况，选用具备低碳、耐用、可重复再生以及可循环利用特性的材料。只有从设计、材料、施工到运维等各个环节都进行系统的优化工作，才能够切实实现绿色建筑的低碳目标，进而为建筑业的可持续发展尽到应有的责任。

参考文献：

[1] 刘 福 通 . 低 碳 材 料 在 建 筑 工 程 中 的 应 用 研 究 [J]. 佛 山 陶瓷,2025,35(05)：161-163.

[2]刘诗雨,吴佩利.低碳材料在建筑施工中的新型技术应用研究[J].新城建科技,2025,34(03)：104-106.

[3]任月敬. 新型绿色建筑材料的应用现状及发展趋势[J]. 佛山陶瓷,2023,33(11)：105-107.

[4]李红军.论低碳理念下绿色建筑的发展现状与方向[J].中国建筑金属结构,2022,(05)：96-98.