楼板系统跨度对环境的影响评估：一种用于可持续建筑的生命周期方法

《Results in Engineering》：Environmental Impact Assessment of Floor System Spans: A Life Cycle Approach for Sustainable Structures

本研究的综合摘要为：针对沙特阿卜杜拉国王大学医院项目，采用全生命周期评估（LCA）方法分析四种平板楼板结构方案的环境影响，发现缩短跨度（Scenario 4）可使碳排放（EC）和能源消耗（EE）分别减少33%，产品阶段（A1-A3）贡献最大（78% EC，67% EE），验证了早期设计优化对可持续性的关键作用。

　　### 中文解读

在面对全球气候变化的严峻挑战时，可持续发展已成为各国发展政策的核心议题。建筑与建设行业在这一过程中扮演着关键角色，其能源消耗占全球总消耗的近40%，并贡献了大约三分之一的温室气体（GHG）排放。因此，提升建筑行业的环境绩效，特别是在结构设计阶段减少材料使用量和碳足迹，是实现可持续发展的关键环节。本研究聚焦于沙特阿拉伯王国的典型医院建筑，采用生命周期评估（LCA）方法，对四种不同的扁平板结构设计方案进行分析，旨在识别出最环保的结构设计策略。研究使用Autodesk? Revit软件进行几何建模和结构分析，并依据沙特建筑规范（SBC）计算每种方案所需混凝土和钢材的数量。研究结果表明，产品阶段（A1–A3）是总环境影响的主要来源，分别占总碳足迹（EC）和总能耗（EE）的78%和67%，这突显了早期设计决策在减少环境影响中的重要性。其中，方案4通过采用较短的板跨度和优化的材料使用，实现了相对于基准案例（方案1）33%的碳足迹和能耗减少，展示了结构优化在可持续建筑中的潜力。

### 结构设计的重要性

在建筑和建设领域，特别是在炎热和干旱地区，如沙特阿拉伯的阿拉伯半岛，建筑物的环境负担通常被高冷却需求所放大，从而增加了运营阶段的能源使用。此外，当地建筑实践往往依赖于高碳排放的材料，如混凝土和钢材，这些材料构成了建筑物结构的基础。这些挑战在沙特阿拉伯尤为突出，因为该国正经历快速的城市化、人口增长和基础设施扩展，这些因素共同推动了国家的经济转型，即沙特愿景2030。这一战略框架强调减少能源强度，并通过提升材料效率和低碳设计解决方案促进可持续发展。因此，可持续的建筑实践必须同时考虑能源效率和结构材料的碳足迹。

在这样的背景下，扁平板结构因其建筑灵活性和施工效率，广泛应用于医院和商业建筑中。然而，这些结构系统也高度依赖于材料，尤其是混凝土和钢材，它们对碳足迹和能耗的贡献尤为显著。混凝土的生产，尤其是水泥制造，是全球二氧化碳排放量超过7%的主要来源。因此，减少混凝土使用量是降低建筑相关排放的关键策略之一。此外，通过优化板厚度、选择高效的跨度以及采用低碳或回收材料，可以显著减少扁平板系统的环境影响，而不会影响其性能。因此，许多地区已经采用规定要求使用低碳混凝土，而其他地区则开始要求对结构材料进行环境产品声明（EPD）和全球变暖潜力（GWP）限制。

### 研究方法与框架

本研究采用了一种全面的方法论框架，包括三个阶段：几何定义、结构设计和环境影响评估（EIA）。该方法旨在量化和比较不同扁平板结构系统配置的环境影响。研究基于实际建筑几何，结合了本地相关的环境影响系数，并通过手动估算和BIM（建筑信息模型）进行验证，以确保评估的准确性。研究中，使用Autodesk? Revit 2022进行建模和材料量计算，同时参考了Ecoinvent v3.8数据库和EN 15804标准，以确保环境影响评估的科学性和一致性。

### 结构材料的量化分析

为了比较和分析每种结构系统的环境表现，研究准备了详尽的结构材料数量（SMQ）估计，涵盖了混凝土体积、钢筋、锚固件和温度钢筋等材料。SMQ估计仅针对最终构件的设计，不考虑施工阶段产生的废物，因为当地企业通常假设施工阶段的废物率为2%。每种方案的SMQ结果如表2所示，其中包括混凝土和钢材的使用量及总成本。这些数据为后续的LCA分析提供了基础。

### 环境影响评估（EIA）

本研究采用了一种从原材料供应到最终处置的全生命周期评估方法，以确定最优的结构系统。该方法包括产品阶段（A1–A3，包括原材料供应、运输和制造）、施工阶段（A4–A5，包括运输和施工活动）、使用阶段（B1–B7，包括建筑使用过程中的排放）以及报废阶段（C1–C4，包括拆除、运输、处理和最终处置）。在缺乏本地数据的情况下，研究采用了Ecoinvent数据库中的默认全球平均值，并通过参考中东地区相关的研究进行验证。

### 研究结果与分析

根据EN 15804标准，研究对四种扁平板结构设计方案进行了分析，包括总碳足迹（EC）和总能耗（EE）。结果显示，基准案例（方案1）的环境影响最大，而方案4在EC和EE方面分别减少了33%。这种显著的减少主要得益于方案4中较短的板跨度和最小化的材料使用。表4和表5分别展示了四种方案的EC和EE分布情况，以及它们在各个LCA阶段的贡献比例。产品阶段（A1–A3）在总碳足迹和总能耗中占主导地位，分别贡献了78%和67%。这表明，材料生产和运输阶段的碳排放和能耗是主要来源，因此优化这些阶段对于降低整体环境影响至关重要。

### 建筑材料的影响比较

研究还比较了混凝土和钢材对EC和EE的具体贡献。结果显示，混凝土在所有方案中都对总碳足迹贡献最大，达到78%。这主要是因为混凝土的使用量较大，且其生产过程中的碳排放较高。相比之下，钢材的贡献比例较低，但其对总能耗的影响也不容忽视。因此，优化结构设计不仅应关注材料种类的选择，还应注重材料的使用量和效率。

### 研究的创新点与局限性

本研究的一个创新点在于其区域针对性和方法论的整合。通过分析沙特阿拉伯典型医院项目中跨度的变化，并采用本地调整的环境数据，研究提供了实际可行的见解，适用于结构工程师和政策制定者。此外，研究还进行了敏感性和不确定性分析，验证了方案4在EC和EE系数变化±10%的情况下，其环境表现仍然稳健。然而，研究也存在一定的局限性，主要在于其仅关注水平结构构件，未包括垂直构件、装饰材料和运营阶段的能耗。未来的研究可以扩展分析范围，考虑完整的建筑组件，并探索低碳材料，如地质聚合物或木材系统。此外，利用人工智能驱动的设计工具进一步优化结构布局也是未来研究的一个方向。

### 结论与展望

本研究的结果强调了结构设计阶段在实现可持续建筑目标中的关键作用。通过优化板跨度和材料使用量，可以显著减少碳足迹和能耗，这为未来建筑实践提供了重要的参考。同时，研究还指出，将LCA和结构优化纳入设计早期阶段，是一种高效且具有深远影响的策略，特别是在快速发展的地区，如沙特阿拉伯。然而，为了全面评估建筑的环境影响，未来的研究应考虑完整的生命周期评估，并结合经济和施工可行性等因素。通过这种综合方法，建筑行业可以更好地应对气候变化带来的挑战，实现可持续发展。