文章亮点：
1．本文结合设计实例，对索穹顶、网壳和悬索三种典型大跨度钢结构的全生命周期碳排放进行了对比分析。针对存在排放因子的过程，提出了基于过程的生命周期评价和不存在排放因子的过程基于投入产出的生命周期评价的分层混合评价方法。对三种结构的碳排放进行比较，发现索穹顶结构是三种结构中最好的，钢材消耗最低，碳排放最低。
2．进一步分析表明，大跨度钢结构的碳排放与钢材消耗量并不是简单的线性关系，需要作为单独的设计目标来考虑。本研究为大跨度钢结构全寿命周期碳排放评估和低碳设计提供了有益的参考。
01
背景
由碳排放引起的全球变暖已经成为人类关注的主要问题。建筑业和建筑行业在环境负担中占很大比例，例如，2018年中国建筑业占碳排放总量的51.3%。运行阶段是建筑碳排放的主要来源，该阶段的节能减排措施备受关注。
随着光伏系统、可再生能源系统等节能减排技术的应用，运行阶段的碳排放可以显著降低，零能耗建筑不再是难以实现的目标。例如，2022年北京冬奥会场馆通过大规模使用二氧化碳跨临界直接冷却系统和清洁能源，实现了接近零的碳排放。在这种情况下，建筑运行阶段以外的碳排放，即隐含碳排放，所占的比例越来越大。根据EN 15978，大部分隐含碳排放是在建筑物的运营阶段之前产生的。如果建筑施工在短时间内产生大量的排放，将对环境产生不可逆转的影响。因此，建筑隐含碳排放是当前解决建筑行业碳排放问题的关键。
02
研究方法
建筑的生命周期涉及从原材料提取到回收利用的各种过程。根据EN 15978，建筑物的生命周期分为产品阶段、施工过程阶段、使用阶段和生命终止阶段。建筑材料拆除后的回收再利用不在生命周期边界内，如图1所示。建筑结构全生命周期碳排放是建筑全生命周期隐含碳排放的主要组成部分，其全生命周期范围包括A1-C4，不包括B6- B7。考虑到大跨度钢结构构件预制率高，加工技术成熟，本研究将大跨度钢结构构件的碳排放分为构件生产阶段、施工阶段、维护阶段和拆除阶段。部件生产阶段(对应A1-A3)包括钢材生产、钢材从钢厂到加工设施的运输以及部件加工制造。施工阶段(对应A4-A5)包括部件从加工设施运输至施工现场，现场焊接、安装、吊装。维修阶段(对应B1-B5)只包括对结构进行油漆修理。拆卸阶段(对应C1-C4)包括部件拆卸和废料处理的过程。
图1：建筑生命周期符合EN 15978
三大大跨度结构体系由钢管、张拉索、索夹、焊接球面接头、支架等基本构件组成。在构件生产阶段，钢材首先从钢厂运到加工设施，然后加工成各种构件，如图2所示。基于Ecoinvent 3.7.1数据库和CLCD数据库提供的生命周期清单，采用P-LCA计算该阶段的碳排放量。各过程的碳排放因子采用《IPCC国家温室气体清单指南》计算。除锈碳排放系数根据Yuan[48]给出的除锈机能耗计算，铸件碳排放系数根据Yang[49]给出的消失模铸造法计算。根据结构的加工图计算各工序的活度数据。在运输过程中，假定构件采用卡车运输，假定钢厂与加工设施、加工设施与施工现场的距离为150km。此外，空载货车返港时所排放的废气被认为是满载货车的三分之二。
图2：部件生产阶段的工艺
03
研究总结
本文对三种典型大跨度钢结构的全生命周期碳排放进行了综合分析和比较。例如，电缆穹顶，网壳和悬挂穹顶。大跨度钢结构的生命周期分为构件生产、施工、维护、拆除四个阶段。采用TH方法对生命周期碳排放进行评估。结果表明，索穹顶结构的碳排放量最小，网壳结构的碳排放量最大。组件生产阶段是碳排放的主要贡献者，占生命周期碳排放的60%至73%。施工阶段占全生命周期碳排放量的21% ~ 35%，其余两个阶段占全生命周期碳排放量的4% ~ 5%。网壳在构件生产阶段的排放较大，而索穹顶和悬架在施工阶段的排放较大。
在此基础上，索穹顶结构是本案例中最低碳的结构体系。但值得注意的是，电缆穹顶也是最难设计和建造的，这意味着它需要更高的技术。这反映出技术进步有助于减少碳排放。对于本研究所比较的三种结构，钢材消耗量最大的结构也具有最大的生命周期碳排放。然而，电缆穹顶与网壳结构的碳排放差异远远小于两者的钢耗差异。这表明，生命周期的碳排放不是简单地与钢材消耗成线性关系，需要在设计过程中作为一个单独的目标来考虑。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423004745或直接点击“阅读原文”跳转到原文网站。
论文引用：
You,J.,Xu,X.,Wang,Y.,Xiang,X.,Luo,Y.Life cycle carbon emission assessment of large-span steel structures: A case study[J]Structures, 2023,doi:org/10.1016/ j.istruc.2023.04.001
图文 王倩蓉
责编 毕春玉
制作 杨东青 许秦豫
审核 田文娟 黎梦平 马新媛
双碳研究室
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