从碳排放计算角度简要分析“装配式钢结构 + AAC 板材”体系的优势

摘要：在中国“双碳”目标的指引下，建筑业正在积极探索并应用新技术和新材料，以促进绿色节能建筑的发展。“装配式钢结构+AAC板材”的组合模式已经在多个项目中成功实施，并取得了显著的市场反馈。本文将针对装配式钢结构住宅进行全面分析，采用碳排放量评估方法，深入研究了建筑物在整个生命周期中的碳排放状况，得到了装配式钢结构在各施工阶段的碳排放特性，以及其在实现可持续发展方面的关键作用，并探讨其未来发展前景及应用策略。

关键词：碳排放计算，装配式，钢结构，AAC板材

Abstract： Under the guidance of China's "dual-carbon" goal， the construction industry is actively exploring and applying new technologies and new materials to promote the development of green and energy-saving buildings. The combination mode of "prefabricated steel structure + AAC plate" has been successfully implemented in many projects， and has achieved significant market feedback. This paper will conduct a comprehensive analysis of prefabricated steel structure housing， using carbon emissions assessment method， further studied the building in the whole life cycle of carbon emissions， get the prefabricated steel structure in each construction stage of carbon emission characteristics， and its key role in realizing sustainable development， and discusses its future development prospects and application strategy.

Keyword：Carbon emission calculation， assembly type， steel structure， AAC plate

引言

近几年，由于温室气体过度排放，导致全球变暖，造成海洋酸化、海平面上升等等问题受到世界各地的重视[1]。2016年，中国就已经是全球最大的碳排放量国家，在2023年占全球碳排放量的32%，美国是第二大碳排放量国家，占全球碳排放量的14%，中国比美国多两倍以上，根据中国建筑节能协会2021年发布的《2021中国建筑能耗与碳排放研究报告》显示，2019年全国建筑全过程碳排放总量为49.97亿吨二氧化碳，占全国碳排放量的50.6%[2]，所以进行节能减排刻不容缓，2021年3月十三届全国人大常委会四次会议通过的“十四五”规划中明确提出了2030年碳达峰时行动方案，以降低碳排放为主，控制碳排放总量为辅的方案，“碳达峰”和“碳中和”的愿景是我国对全世界坚定承诺[3]。建筑领域是我国能源消耗的三大领域之一，也是我国主要二氧化碳排放来源，所以传统的建筑体系必须得到改变。

2015年11月，李克强总理主持召开国务院常务工作会议，明确指出“结合棚改和抗震安居工程等，开展钢结构建筑试点，扩大绿色建材等的使用”；2016年3月，李克强总理在《政府工作报告》中提出，“大力发展钢结构和装配式建筑，提高建筑工程标准和质量，推动产业结构的调整升级”。推广应用钢结构，不仅可以提高建设效率、提升建筑品质、低碳节能、减少建筑垃圾的排放，符合可持续发展的要求，还能化解钢铁产能过剩，推动建筑产业化发展，促进建筑部品更新换代和上档升级，具有重大的现实意义[4-6]。

蒸压加气混凝土（Autoclaved Aerated Concrete，简称AAC）板材，是一种新型建筑材料，该材料不仅从生产、施工、服役运营全生命周期低碳，同时其构造方法简单，可以有效减少因室内梁、柱的外凸产生的使用空间变小。而且，AAC板材采用双层夹芯保温外墙系统，保温效果相较于传统技术更好[7]。

“装配式钢结构+ACC板材”作为一种新型的建筑结构体系，在节能减排方面有巨大的潜力，通过碳排放计算，可以量化其优势，从而更好地引导建筑行业向低碳发展转型。

本文的技术路线图如图1所示

首先根据相关概念与理论基础介绍“装配式钢结构+ACC板材”体系、全生命周期碳排放来源和装配式钢结构住宅基本信息三个方面，其次以装配式钢结构建筑碳排放测算为主要研究路径[8]，根据装配式建筑特点构建某实际工程全寿命期碳排放测算模型，用结构设计软件 PKPM、装配式建筑深化设计软件 PKPM-BIM、能耗模拟软件PKPM-GBP绿色低碳系列软件，进行全寿命周期碳排放测算，并将该装配式建筑与现浇式建筑运行阶段碳排放对比，最后探讨碳减排设计策略。

1 “装配式钢结构+ACC板材”体系简介

“装配式钢结构＋AAC板材”体系是一种结合了钢结构和AAC板材的优点形成的新型建筑体系。该体系在前期的规划和设计配合中，根据AAC板材的自重以及使用荷载等计算钢结构的承载能力，再根据钢结构的布置确定AAC板材的规格和尺寸。在前期设计中，可以更好的确定所需材料以及材料的堆放问题，与此同时，利用节能保温技术及光伏技术，在设计方案中建设“光储直柔”建筑，实现自给自足，同时降低碳排放，响应国家相关政策。在施工过程中，“装配式钢结构＋AAC板材”体系与传统建筑体系相比而言，更加方便快捷，该体系所需的材料在预制工厂提前生产完成，运输到现场直接使用，避免了现浇的繁琐步骤以及天气对施工的干扰。装配式钢结构和AAC板材结合后，形成了一种综合性能优越的建筑体系，具有绿色环保、高效节能、体系集成、信息共享、互联互通等理念。新型低导热节能型AAC板材填补了安徽省新基建产业链下建筑墙体自保温、全生命周期绿色低碳领域的空白与短板。在实际应用中，“装配式钢结构+AAC板材”体系适用于住宅、商业、办公等建筑类型，同时，该体系的发展也需要不断完善和创新，以满足不同用户的需求和市场的变化。

2 实际装配式钢结构住宅基本信息

该建筑位于安徽省六安市太安村，建筑面积为188.3平方米，建筑层数3层，建筑高度8.1m，建筑结构为装配式钢框架结构，全屋装配率为93%，达到装配式三星。该建筑可20天完成主体建设，主要预制构件有：光伏屋面瓦、AAC屋面板、AAC外墙板、AAC楼面板、AAC内墙板、钢结构梁、钢结构柱等，采用节能门窗，现浇式混凝土独立基础。

3 实际工程碳排放计算

3.1建筑全生命周期碳排放来源

建筑全生命周期主要可分为材料生产阶段、建筑运输阶段、施工建造阶段、运行维护和拆解回收五个方面，碳排放统计计算是指这几个方面产生的温室气体总和，并以二氧化碳当量形式表达[9]。材料生产阶段包含的碳排放源主要有原材料开采、挖掘机等机械耗能所产生的碳排放、材料运输到工厂的过程中耗能所产生的碳排放和生产耗能所产生的碳排放、生产过程中发生化学反应所产生的碳排放、暖通设备生产所产生的碳排放以及垃圾处理所产生的碳排放。在整个建筑的生命周期里，原材料的加工会产生大量的温室气体，主要原材料有钢铁、水泥、砂石等等。2018年我国中的建材生产与运输用能相关碳排放占比约为65%[10]，建筑运输阶段包含的碳排放源主要有货车在运输过程中所产生的温室气体。施工建造阶段主要是机械设备的运行、施工中所产生的垃圾处理所产生的温室气体。运行维护阶段包含使用阶段和维护更新阶段，其中暖通空调、生活热水、照明、可再生能源、建材碳汇系统在建筑运行期间的碳排放量，占全生命周期的70%左右，是全生命周期里面碳排放源最多的一个阶段，所以如果在这个阶段进行材料升级和布局，以及加上一些节能门窗，太阳能板等等，会大大降低碳排放量。最后是拆除回收阶段，主要是机械设备在拆除过程中所消耗能源和废弃物处理产生的碳排放，建筑可循环材料构件的回收会带来一些减碳排放量。

3.2建材生产及运输阶段碳排放量

3.3运行维护阶段碳排放量分析

建筑能耗、可再生能源利用及建筑碳排放综合汇总

4碳减排设计策略

通过对建筑全生命周期内主要碳排放阶段的深入剖析，本研究发现“装配式钢结构+AAC板材”体系能够显著降低碳排放量，其全屋装配率达到93%，满足装配式建筑三星级标准。AAC板材原料中工业固废占比75%-80%，AAC板材的性能相较于传统混凝土板材，AAC板材导热系数0.10-0.15w/（m·k），保温效率是传统混凝土的10倍，隔热性、吊挂性能、隔声性、轻质性都远超于传统混凝土，除采用AAC板材外，在此设计中，还融入了雨水回收系统、太阳能集热装置、太阳能光伏屋顶、高效率热工性能及气密性围护结构等多项先进技术。本项目不仅旨在减少碳排放总量，更着重于优化全生命周期中碳排放占比最大的运行与维护阶段，以此作为控制碳排放的关键策略。本研究致力于开发接近零能耗的住宅解决方案，确保光伏发电系统的年平均发电量超过建筑物全年累计用电需求，从而促进我国建筑业的转型与升级，并实现可持续发展目标。此方案契合当前国家政策导向，代表了一种高质量的绿色建筑模式，兼具环保特性与多样化的外观设计，同时通过一体化装修工艺规避了二次污染和资源浪费的风险。大力推广钢结构的应用将有助于大幅度降低能源消耗并减少碳排放[11]。作为全球重要经济体之一，中国有责任展现其在全球生态文明建设和美丽世界构建中的领导力，传递出积极的信号。

5结论

根据前述章节中的计算结果，本项目的碳排放强度相较于2016年的节能设计标准下降了81.47%，具体数值为每平方米每年减少24.4kgCO2/（m2.a）。该建筑的运营期间碳排放指标满足《建筑节能与可再生能源利用通用规范》的规定。此外，本文系统地整合了建筑能耗、可再生能源利用以及建筑碳排放这三类关键指标，旨在支持《建筑节能与可再生能源利用通用规范》中“建设项目需提交建筑能耗、可再生能源利用及建筑碳排放分析报告”的规定。通过数据分析表明，“装配式钢结构+ AAC板材”体系相较于传统的建筑方式，在降低碳排放方面展现出明显的优势。特别是在施工周期上，采用钢结构装配式工程项目的建设时间得到了显著压缩。得益于装配式技术的高效性，许多钢结构建筑项目能够在需要构建组件时直接从生产源头获取成品，从而大大减少了施工现场的等待时间。

参考文献：

[1]陈露.住宅建筑全生命周期碳排放测算及减排策略研究[D].沈阳建筑大学，2021.

[2]{中国建筑节能协会.中国建筑能耗研究报告2020［J］.建筑节能，2021，49（2）：1-6.

[3]中国建筑能耗与碳排放研究报告（2022年）[J].建筑，2023（02）：57-69.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.装配式钢结构建筑技术标准：GB/T 512322016[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[5]住房和城乡建设部住宅产业化促进中心.大力推广装配式建筑必读[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[6]文林峰，住房和城乡建设部科技与产业化发展中心（住房和城乡建设部住宅产业化促进中心）.装配式钢结构技术体系和工程案例汇编[M].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.蒸压加气混凝土制品应用技术标准：JGJ/T17-2020[S].北京：中国建筑工业出版社，2020.

[8]徐伟，倪江波，孙德宇，等.我国建筑碳达峰与碳中和目标分解与路径辨析[J].建筑科学，2021，37（10）：1-8+23.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑碳排放计算标：GB/T51366-2019[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[10]胡姗，张洋，燕达，等.中国建筑领域能耗与碳排放的界定与核算[J].建筑科学，2020（8）.

[11]郭奇，孙翠鹏.钢结构节能住宅的设计与实践[J].建筑学报，2006（04）：79-80

基金项目：本文系安徽省大学生创新创业训练计划项目；项目名称《快装式绿色农房——“绿建”美好农村》（项目编号：S202310376014S）