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裝配式混凝土墻板體系碳排放研究

【導(dǎo)讀】

近年來，綠色低碳已成為高質(zhì)量發(fā)展的鮮明底色。中國建筑領(lǐng)域的能源消費與碳排放已成為全社會能源消費與排放的重要組成部分，對中國建筑能耗與碳排放的現(xiàn)狀進(jìn)行全面認(rèn)識和分析具有重要意義。為此，《建筑結(jié)構(gòu)》雜志社特邀中國建研院建筑設(shè)計院趙彥革副總工，針對建筑碳排放，從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、材料低碳設(shè)計、結(jié)構(gòu)適變性等方面，進(jìn)行一系列解讀，以期為從業(yè)人員提供借鑒。

一、概述

本文選取我國目前常用的三種裝配式混凝土墻板體系：預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板、預(yù)制混凝土外墻板以及疊合類墻板為研究對象，基于碳排放因子理論，圍繞鋼筋、混凝土、灌漿料、保溫體系、連接件等影響因素，以嚴(yán)寒地區(qū)為例對這三種裝配式混凝土墻板體系展開碳排放研究。

二、裝配式混凝土墻板體系碳排放研究計算模型

2.1 三類墻板概述

2.1.1 預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板

預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板國外稱為“三明治板”。由鋼筋混凝土外葉板、保溫層和鋼筋混凝土內(nèi)葉板組成。是建筑、結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾一體化墻板，夾芯保溫構(gòu)件的外葉板最小厚度50mm，用可靠的拉結(jié)件與內(nèi)葉構(gòu)件連接，不會像薄層灰漿那樣裂縫脫落，保溫層也不會脫落，防火性能也大大提高。但拉結(jié)件的選擇、錨固和埋入工藝必須可靠。外葉板可以直接做成裝飾層或作為裝飾面層的基層。夾芯保溫構(gòu)件比粘貼保溫層抹薄灰漿的方式增加了外葉板重量和成本，也增加了無使用效能的建筑面積。

2.1.2 預(yù)制混凝土外墻板

預(yù)制混凝土外墻板在邊緣處通過現(xiàn)澆連接，需要外架以供模板施工。在外墻施工完成后粘貼保溫材料，具有整體性，提高保溫效果。預(yù)制外墻表面需做粗糙面或進(jìn)行拉毛處理，以方便粘貼保溫材料。

2.1.3 疊合類墻板

本文研究的疊合類墻板以雙面疊合剪力墻為例，其預(yù)制墻板由兩葉50mm厚鋼筋混凝土板通過桁架筋連接而成，空腔凈距不小于100mm。現(xiàn)場安裝后，在空腔內(nèi)敷設(shè)、搭接鋼筋，澆筑混凝土，形成剪力墻實心板。雙面疊合剪力墻實際上就是永久性的混凝土模板。

2.2 墻板計算模型

本文根據(jù)《預(yù)制混凝土剪力墻外墻板》15G365-1第P44~57頁WQ-2730~WQ-4530為例，以此作為墻板混凝土及鋼筋量計算基礎(chǔ)。其中預(yù)制混凝土夾芯保溫墻板考慮鋼筋、混凝土、保溫板、灌漿量、灌漿套筒及預(yù)埋件量；預(yù)制混凝土外墻板考慮鋼筋、混凝土、保溫體系、灌漿量，灌漿套筒及預(yù)埋件量；疊合類墻板考慮鋼筋、混凝土及保溫體系，相關(guān)計算例圖見圖1。

圖1：預(yù)制墻板模型配筋及模板圖

2.3 保溫體系

在計算預(yù)制混凝土外墻板及疊合類墻板時，考慮施工現(xiàn)場后粘保溫板，根據(jù)《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》JGJ144-2019保溫板年限為25年，以50年設(shè)計工作年限為計算周期，周期內(nèi)保溫板及其保溫體系按替換一次考慮。

基于當(dāng)前建筑工程實際，選取其中應(yīng)用較廣泛的“粘貼保溫板+薄抹灰+涂料飾面”外墻外保溫系統(tǒng)。保溫系統(tǒng)中所涉其他輔助件（如錨固件、防水界面劑、發(fā)泡膠、密封條、墻角托架、包角條）不作考慮。鑒于粘接砂漿、抹面砂漿、抗裂砂漿成分差異較小，研究中將抹面砂漿、抗裂砂漿均近似等同于粘接砂漿。松散密度均取1300kg/m3。后粘保溫體系的做法如圖2所示。

圖2：保溫體系模型

2.4 碳排放因子

本文研究的涉及的建筑材料碳排放因子參數(shù)如表1所示，參數(shù)來源《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51366-2019的附錄D。

三、三類常用裝配式墻板體系碳排放對比分析

根據(jù)以上計算模型，保溫體系及碳排放因子選取，對預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板、預(yù)制混凝土外墻板及疊合類外墻板分別進(jìn)行碳排放計算，并分析各材料碳排放占比情況，并計算不同類型墻板碳排放總量情況。同時，以保溫厚度為變量、碳排放量為衡量指標(biāo)，得出三類墻板體系優(yōu)選方案。

3.1 各類材料在不同類型預(yù)制墻板碳排放占比分析

根據(jù)對預(yù)制墻板組成可知，墻板材料組成可分為混凝土、鋼筋、灌漿料、灌漿套筒、連接件以及保溫材料。對于不同地區(qū)對保溫板的厚度要求不一樣，現(xiàn)以嚴(yán)寒地區(qū)為例，對保溫板厚度選取為120mm。

通過對材料用量碳排放計算可知，預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板占比較大為混凝土和鋼筋，以寒冷地區(qū)為例，分別為占比53%及31%，詳見圖3。

圖3：預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板各類材料碳排放占比

對于預(yù)制混凝土外墻板碳排放分析可知，在寒冷地區(qū)混凝土、保溫板、鋼筋的材料用量最多，分別占比33%、25%、24%，如果考慮整個保溫體系（粘貼保溫板+薄抹灰+涂料飾面）的占比將達(dá)到41%，詳見圖4。

圖4：預(yù)制混凝土外墻板各類材料碳排放占比

對于疊合類墻板碳排放占比較大的為混凝土為34%,其次是保溫板和鋼筋占比為25%，整個保溫體系占比為40.3%，詳見圖5。

圖5：疊合類墻板各類材料碳排放占比

在保溫板厚度一定的前提下（厚度為120mm），預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板相對于其他墻板體系在碳排放量上有一定的優(yōu)勢，詳見圖6。通過對各類材料占比分析可知，各墻板之間差異主要在鋼筋，混凝土與保溫材料上。鋼筋和混凝土的差值在于預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板的外葉板產(chǎn)生的碳排放量。保溫體系的差值在于預(yù)制混凝土外墻板保溫體系及使用周期替換所產(chǎn)生的材料碳排放量，疊合類墻板沒有灌漿料及相關(guān)的灌漿套管，因此，疊合類墻板的碳排放略優(yōu)于預(yù)制混凝土外墻板，詳見圖7。

圖6：120厚保溫板WQ-2730~WQ-4530型號三種墻板碳排放總量對比

圖7：120厚保溫板三種墻板碳排放差值分析

3.2 不同保溫板厚度各類墻板碳排放對比分析

由于不同地區(qū)保溫板厚度的取值不同，保溫體系的碳排放占比會有所不同，因此通過對保溫板厚度的變化進(jìn)行各墻板體系碳排放總量分析可知：對于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，由于保溫厚度相對較厚（保溫板厚度：40mm~120mm），碳排放量占比較大，所以預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板因其保溫一體化措施，使其碳排放量較優(yōu)。對于夏熱冬冷地區(qū)，保溫板厚度較薄（保溫板厚度40mm以內(nèi)），碳排放占比較小，因此預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板由于其鋼筋混凝土用量偏多，使其碳排放量優(yōu)勢降低，在保溫低于25mm左右后，疊合類墻板的碳排放量更優(yōu)，詳見圖8。

圖8：不同保溫厚度三種墻板碳排放對比分析

四、結(jié)論

本文基于碳排放因子理論，圍繞鋼筋、混凝土、灌漿料、保溫體系、連接件等影響因素，對預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板、預(yù)制混凝土外墻板以及疊合類墻板的碳排放情況進(jìn)行研究分析，得出結(jié)論如下：

(1)以嚴(yán)寒地區(qū)為例，預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板的碳排放以混凝土和鋼筋為主，預(yù)制混凝土外墻板和疊合類墻板的碳排放以混凝土、保溫板和鋼筋為主。

(2)同等做法情況下，疊合類墻板較預(yù)制混凝土外墻板碳排放稍低；

(3)基于保溫板在50年設(shè)計工作年限內(nèi)需更新一次的假定，對于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，在厚保溫板（厚度在40mm以上）情況下，按照碳排放由低到高的順序依次為：預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板、疊合類墻板、預(yù)制混凝土外墻板；對于夏熱冬冷地區(qū)，在薄保溫板（厚度在25mm以下）情況下，按照碳排放由低到高的順序依次為：疊合類墻板、預(yù)制混凝土外墻板、預(yù)制混凝土夾芯保溫外墻板。

致謝建研院專家韋婉、魏婷婷協(xié)助整理稿件和計算分析工作。

個人介紹

趙彥革，男，出生于1977年10月，畢業(yè)于中國建筑科學(xué)研究院，碩士研究生，清華大學(xué)土木工程系博士生，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，現(xiàn)工作單位中國建筑科學(xué)研究院有限公司建筑設(shè)計院設(shè)計一院副院長、副總工程師，建筑檢測與評估研究中心主任、建筑工業(yè)化中心副主任、綠色建筑中心副主任，教授級高級工程師。為首屆建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)杰出青年、中國建筑學(xué)會工程診治與運維分會理事、中國建筑學(xué)會結(jié)構(gòu)分會青年理事、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會巖土地基工程分會理事、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會綠色建筑與生態(tài)城區(qū)分會理事、中國綠色建筑與節(jié)能委員會委員、中國亞洲經(jīng)濟發(fā)展協(xié)會綠色建筑建材委員會委員、北京市裝配式建筑專家委員會委員、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)專家?guī)焯匮麑＜摇?/p>

擅長領(lǐng)域為復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究、裝配式建筑設(shè)計和研究、綠色建筑設(shè)計和研究等。參加中國國家博物館、成都來福士廣場等結(jié)構(gòu)設(shè)計類項目30多項，北京貴賓樓飯店、廈門英藍(lán)國際金融中心等咨詢類項目50多項；負(fù)責(zé)了天津周大福金融中心、臥龍大熊貓基地等100多項綠色建筑和裝配式建筑相關(guān)的設(shè)計、咨詢項目；在核心期刊發(fā)表論文20篇；參加各類課題及標(biāo)準(zhǔn)研究20多項；獲得華夏建設(shè)科學(xué)技術(shù)獎二等獎1項，省部級以上獎勵30多項。

（責(zé)任編輯：何雯麗）