从全生命周期看建筑

  我国慢慢的变成了世界上建筑量最大的国家，随着节能减排和可持续发展的进一步深入，改变传统的高消耗产业，发展绿色建筑成为必然选择。

  对于绿色建筑，我们不仅关注建造过程对环境资源的消耗，还应进一步关注其“全生命周期”的影响——包括原材料开采、运输与加工、建造、使用、维修、改造和拆除等环节。

  作为绿色建筑的主要代表，钢结构住宅已占欧美日市场的40%以上。针对我国人多地少的国情，以杭萧钢构为代表的钢结构企业探索出一整套高层钢结构住宅建设体系，并在国内外多个工程付诸实践。

  从2008年起，我们抽取杭萧钢构两个有代表性的居住小区——武汉世纪家园和安哥拉安居家园，依照国家《绿色建筑评价标准》有关原则，本研究主要针对建设过程中的各种资源、能源消耗以及建筑性能对日常使用的影响，从建筑节地、建筑节材、建筑节能、建筑节水、室内环境五个方面做对比分析。期待社会从全生命周期的看建筑，推动绿色建筑的发展。

  武汉世纪家园居住小区是杭萧钢构钢结构住宅体系的第一个商业项目，它位于武汉市江岸区后湖乡，采用钢＋混凝土的结构及形式。整个校区包括11幢高层住宅，最高24层，建筑高度72.0m，地上部分总建筑面积为220441m2，地下部分30676m2。我们的研究选取了5号楼和7号楼组团作为具体案例做多元化的分析。其中5号楼为24层，7号楼为23层高层，附带一层地下室。5号地上部分总建筑面积20118m2，7号地上部分总建筑面积19326m2，地下部分总建筑面积5361m2。

  安哥拉安居家园住宅项目是杭萧钢构钢结构住宅体系的第一个海外大型商业项目。项目的一期工程已建，为底层架空，上部15层的纯钢结构住宅。研究采用II-A型住宅作为案例做多元化的分析。该型住宅建筑面积15953.43m2（其中架空部分面积：603.17m2），占地1076.64m2，建筑高度45.9m。

  根据对绿色建筑以及钢结构住宅体系的认识，我们第一步建立一个与实施工程完全一样的普通结构及形式住宅作为参考模型。通过一系列分析实施工程与参考模型数据来进行比，考查实际项目与参考模型在节地、节水、节能、节材、室内环境控制五个方面的差别，并分析钢结构住宅体系在绿色建筑性能方面的优缺点。

  对于建筑节地，主要考察在相同建筑面积情况下不同结构体系提供的有效建筑使用面积的多少，并以此作为反应建筑对土地资源消耗的情况。

  建筑节地是在提供较为合理的建筑功能要求的基础上减少对土地资源的占用。采用计算每户可使用面积率（每户可使用面积率=每户套内实际可使用面积/每户建筑面积，即得房率）的方法分析分析不同结构体系的土地资源利用情况。由于可使用面积率概念是实际可以面积与消耗土地面积的比率关系，也能够理解为对于一定量土地资源的建筑可利用率，即可使用面积率越高，对土地的利用率也越高，相对应的节地效果更好。

  经过计算不难发现在相同建筑规划设计方案中钢结构住宅能够比混凝土结构住宅获得更加多的使用面积。结构：钢结构（钢＋混凝土结构）住宅比混凝土结构住宅的得房率有一定的提高；全钢结构住宅中建筑的节地性能较为显著，住宅户型可使用面积提高了3.95%（建筑节地性能比参考模型提高了5.1%）。

  对于建筑节材，主要分析建筑营建过程中主要建筑材料的消耗状况，并通过生命周期评价法（LCA）加入对可回收材料的统计，对建筑全生命周期的材料资源消耗做多元化的分析对比。建筑的全生命周期的含义为从建材制造、建筑建造、运营管理到建筑报废、拆除、回收，建筑整个“生命”过程。

  对比建筑所需的混凝土、水泥、砂石、钢材、砌块等七大类10种材料。钢结构体系住宅耗费的建筑材料少于常规结构体系住宅：钢结构住宅耗费建筑材料56582.2吨，混凝土住宅耗费建筑材料67723.4吨。

  从全生命周期的观点看，建筑材料在整个生命周期过程中是能循环再生利用的。因此在分析中，也一定要考虑建筑材料的循环再生利用。具备可再生性的建筑材料最重要的包含钢筋、型钢、建筑玻璃、铝材、木材等。通过对国内相关这类的产品的调查以及文献检索，型钢回收系数为0.90，钢筋0.50，铝材0.95。其中回收系数的意思为每单位的废旧材料经过回收生产后得到的新的建筑材料的数量。

  在分析中，我们收集对象建筑的所用材料的详细清单，并根据对10种主要建筑材料的资源消耗进行统计，在总体资源使用方面钢结构住宅比混凝土结构住宅少耗用23824.97吨物质资源，其减少量占实际工程（钢结构）总消耗量的30％。钢结构住宅在所用材料的环境影响方面，比相同建筑形式的混凝土结构住宅有着十分明显的优势。

  对于建筑节能，大致上可以分为建筑建设与日常使用两个阶段。建筑建设阶段，分析主要建筑材料生产、运输及施工建造过程中的耗能情况，并引入LCA全生命周期评价法综合评价两种不同建造体系的优劣。对于建筑运行节能性能，分析以建成建筑墙体热工性能现场检验测试的数据为依据，通过标准建筑节能软件的性能计算，分析比较不同结构体系的使用阶段节能性能。

  建筑建设阶段能耗分为三个部分，分别是：建筑材料生产能耗、建筑材料运输能耗、建筑施工能耗。本研究选取标准煤为统计的单位。标准煤是我国常用的统计不同能源消耗的定量标准，其定义为每千克标准煤含热7000千卡）。为便于计算和统计，本研究将建筑能耗统一换算成吨标准煤（tce）。

  主要建材一次生产社会平均生产耗能状况（除CCA板以外的二次建材生产的全部过程耗能不计）在考虑建筑全生命周期建筑材料回收利用修正后主要建材生产能耗：钢结构方案建材生产总能耗4892.5tec，单位面积能耗为0.109tce/m2；混凝土结构方案建材生产总能耗5555.4tec，单位面积能耗为0.124tce/m2。钢结构住宅比混凝土结构住宅减少耗能11.9%。

  武汉世纪家园的钢构件、楼承板及CCA板由杭州运至武汉，公路里程约780公里；混凝土由武汉商品混凝土供应商提供，运输里程以30公里计。我国公路运输耗（柴）油量统计为5公斤/吨百公里，每公斤柴油热值换算成标准煤为1.457kg。其中，钢构件和楼承板为型钢，CCA板为成品板由杭州起运；混凝土为商品混凝土当地采购。经计算，钢结构方案建材运输总能耗790.5tec，混凝土结构方案建材运输总能耗148.0tec。

  钢结构项目的建材运输能耗要高于混凝土结构（参考模型），根本原因是大量的建材为杭州生产，需要长距离运输。如果，能实现本地生产或者就近生产，运输能耗则会显著下降。与生产能耗相比，运送过程中的总体能耗非常少。

  施工用能主要为电能，其他能源的消耗较少，且数据不全，因此在此不予考虑。施工阶段的电耗，依据施工纪录及现场调查（武汉世纪家园现场用水用电统计表）计算得到。由于施工全套工艺流程的用水用电为整个施工现场的统计数据，因此，我们把5#和7#楼的单位用水用电量依据建筑面积在总用水用电中分摊而得。计算结果为5#和7#楼施工用能约为42.04tce。施工阶段的能耗量，比建筑材料生产和运输所产生的能耗小得多。

  根据《采暖居住建筑节能检验标准》和《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，本研究采用热流计法对武汉世纪家园11#楼三层样板房外墙进行外墙传热系数检测。

  我们在2008年7月及2009年1月进行了夏、冬两季工况下的外围护结构现场热工性能测量。其中，2008年7月4日19时20分至7月5日12时30分，进行了连续24个小时十分钟的连续测量，采集频率为10分钟。经检测，外墙主体传热系数为1.14W/m2·k,满足《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》要求。2009年1月9日12：00至2009年1月11日12：00，进行了24小时连续测量采样频率为10分钟。经检测，外墙主体传热系数为1.06W/m2·k,满足《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》要求。

  建筑能耗计算采用中国建筑科学研究院PKPM节能计算软件，根据《湖北省居住建筑节能设计标准》的设定进行建筑节能计算。钢结构住宅的节能率为56.06％，混凝土结构住宅为53.52％，均满足节能50％的国家标准，其中钢结构住宅比传统的混凝土结构住宅节能率高2.54％。

  综合计算建筑材料的生产、运输，钢结构实际建设方案的建筑建造耗能略高于混凝土结构。但是，从建筑的全生命周期角度分析，考虑到建筑材料的回收利用，则钢结构方案比混凝土方案能节省11.9%的建造耗能。考虑建材生产和运输能耗，则两个方案极为接近。

  在实际项目中因为大量建材（型钢和CCA板）的远距离运输增大了运输消耗，若能够在本地获得相应建材，则考虑运输能源消耗，则钢结构比混凝土少耗能12.05%，（建筑现场施工的能耗因为总量较少，且无法对比本研究没有统计。钢结构方案的用材量较少且施工周期较短，相信施工能耗应该少于混凝土方案）

  CCA板灌注聚苯颗粒混凝土优异的热工性能，使得在建筑节能性能计算中获得较好的结果。整体节约能源的效果略优于常用的外墙外保温方案。在现场测试中其热工性能与实验室测量数据的理论计算值极为接近，可以认为是一种施工影响不大的围护结构体系。

  建设项目的节水研究分为建造节水与运营节水，其中运营节水效果依不同项目的详细情况而不同，所以在本研究中不考虑运营阶段的节水情况。建造节水包括建筑材料生产的节水研究和建造过程中的节水研究。因为各种建筑材料的生产水耗情况复杂且尚没有完善的统计口径，故不在本研究的范围内。

  建造过程中的水耗主要有直接施工水耗与建造期生活水耗组成。在本研究中假定建造期实施工程人员生活水耗占总建造过程水耗的5％。假定两种结构及形式施工周期相同，故此部分水耗相同。因此在建筑节水研究中主要分析直接施工水耗的差异。根据杭萧钢构武汉世纪家园项目部的二期工程（全部为钢结构体系）水电统计，从开工到2007年12月25日，总用水量为32631t，去除非直接施工用水（按5%计算），实际直接施工用水量为31000t。5#及7#楼的总面积39444㎡在二期工程总面积中占的比例为：17.9%。按照比例换算，5#及7#楼总用水量为5549t。

  在施工过程中，与水泥相关的工程需要耗水。本研究根据施工全套工艺流程中的水泥消耗量判断施工全套工艺流程中的耗水量。根据武汉世纪家园的混凝土用量换算，同样的项目如用混凝土进行实施工程，则5#及7#楼总用水量应为6280t。

  因此武汉世纪家园5#及7#楼，钢结构工程平均耗水量为0.14t/㎡，混凝土工程平均耗水量为0.16t/㎡，两者相差12.5%，优势较为明显。

  对于建筑室内环境控制，主要是通过现场检测分户墙体的实际隔声性能，对比国家有关标准是不是达到绿色建筑评价标准的要求。

  采用CCA板灌浆体系的分户墙体，实测计权隔声量为40db，满足《民用建筑隔声设计规范》规定的住宅分户墙隔声量的最低要求，尚不满足《绿色建筑评价标准》所规定的住宅分户墙体计权隔声量45db的要求。由于检测现场室内没有一点装修，墙体没有抹灰，考虑到相关因素的影响，最终使用状态下实际墙体计权隔声量可达到在42~44db。要满足《绿色建筑评价标准》的要求，需要采取一定的措施。

  本研究中以武汉世纪家园钢结构住宅及安哥拉安居家园项目为实例，分析了杭萧钢构钢结构住宅体系的绿色建筑性能状况，初步探讨了新型钢结构体系在绿色环保方面的特点并在分析中部分引入了LCA分析法。对比不同结构体系方案的资源、能源消耗量可以很直观的判断两种结构及形式的住宅“四节一环保”性能的优劣。以下的图表综合总结了相关分析和计算的结果，其中图表中以获得一定使用性能前提下的传统混凝土住宅在资源（土地、物质等资源）、能源消耗计为100，相关数值越低说明资源、能源消耗量越少，也越节约。图表中的消耗量减少在1~5%之间可认为基本相同；减少值在5~15%之间可认为优势显著；减少值大于15%可视为有显著优势。（浙江大学城市学院绿色建筑研究所 朱炜）

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