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织物增强混凝土与结构混凝土的全面可持续性评估：以屋顶结构为例的生态、经济与社会多维度分析
《Cleaner Environmental Systems》：Holistic Sustainability Assessment of Textile-Reinforced Concrete Compared to Structural Concrete Using the Example of a Roof Construction
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年09月13日 来源：Cleaner Environmental Systems 4.9
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本研究针对混凝土建筑面临的气候变化与劳动力条件挑战，提出了一种集成36项生态、经济和社会指标的可持续性评估模型，应用于五种屋顶构件变体。结果表明，织物增强混凝土（TRC）壳体结构可实现高达90%的材料节约和最低的全球变暖潜能值（GWP），其中预制TRC壳体在自动化精密生产下获得最高综合可持续性评分。该模型为早期设计决策提供了灵活、透明的多标准评估框架，推动了建筑构件级可持续性优化。
随着全球建筑行业面临日益严峻的气候变化挑战和劳动力市场转型，混凝土结构作为主要建筑形式之一，其可持续性发展问题备受关注。特别是屋顶和楼板等承重构件，约占建筑结构碳足迹的44%，同时在建造成本和劳动力投入中占据显著比重。然而，传统的可持续性评估方法如生命周期评估(LCA)主要关注环境指标，缺乏对经济和社会维度的整合；而建筑认证体系（如BREEAM、DGNB）虽涵盖更广范围，却难以适用于具有非标准几何形状、新型材料或特殊制造技术的构件级评估。
为弥补这一空白，法兰克福应用科学大学的Fabian Kufner、Julian Steinhauer、Petra Rucker-Gramm和Michael Horstmann团队在《Cleaner Environmental Systems》发表研究，开发了一种全新的多标准决策(MCDM)评估模型，从生态、经济和社会三个维度系统比较织物增强混凝土(TRC)与传统钢筋混凝土在屋顶结构中的应用潜力。
研究团队采用了多标准决策分析(MCDM)框架，整合了36项量化与定性指标，涵盖材料性能、生产过程、使用阶段和终端处理全过程。通过设定统一的功能单位（1 m2屋顶承重层）和荷载条件，对五种屋顶变体进行对比：现浇钢筋混凝土平板(F-SRC-OC)、预制钢筋混凝土平板(F-SRC-PC)、预制钢筋混凝土壳体(S-SRC-PC)、现场喷射TRC壳体(S-TRC-OS)和预制自动化喷射TRC壳体(S-TRC-PS)。数据来源包括规范数据库?KOBAUDAT、制造商技术参数和文献值，所有输入数据均基于建模假设而未经验证。评估过程包含标准化评分、权重分配和加权聚合三个主要步骤，采用主导矩阵法确定指标权重，并进行了敏感性分析以验证模型稳健性。
在生态维度评估中，预制TRC壳体(S-TRC-PS)表现出显著优势，全球变暖潜能值(GWP A)仅19 kg CO2e/m2，一次能源需求为238 MJ/m2，均达到100%评分。这主要归功于其仅3 cm的薄壁设计、无混凝土保护层要求以及自动化生产带来的极低材料浪费（5%）。相比之下，传统现浇平板(F-SRC-OC)由于28 cm的厚度和大量钢筋需求，GWP A高达84 kg CO2e/m2，资源消耗评分仅10%。值得注意的是，预制钢筋混凝土壳体(S-SRC-PC)虽采用传统钢材，但通过形主动力学优化将材料用量减少60%，证明了结构几何效率对可持续性的重要影响。
经济维度呈现差异化图景。现浇平板(F-SRC-OC)凭借成熟的施工工艺和最低制造成本（60 �/m2）在经济性上领先，但预制TRC壳体(S-TRC-PS)由于机器人喷射和自适应模板的初始投入，制造成本高达290 �/m2。然而，TRC壳体的拆卸成本仅20 �/m2（评分100%），凸显了其模块化设计在全生命周期成本中的优势。预制钢结构壳体(S-SRC-PC)则在材料成本（38 �/m2）和处置成本（10 �/m2）方面表现最佳，体现了传统材料与先进几何结合的经济潜力。
社会维度评估显示，预制构件（包括钢结构和TRC）在工人安全、邻里影响和职业健康方面显著优于现场施工方式。现场喷射TRC壳体(S-TRC-OS)的工作条件评分为0%，主要因喷射过程中的粉尘、噪音和手动操作风险；而预制TRC壳体(S-TRC-PS)通过自动化生产实现100%评分。在热存储能力方面，传统混凝土平板因质量大获得满分，而TRC壳体仅12%，反映了轻量化设计的物理特性限制。所有变体均假设50年使用寿命，符合EN 1990标准要求。
研究结论表明，预制TRC壳体在综合可持续性评估中表现最优，在均衡加权的三支柱模型中获79/120分，在生态优先模型中升至88/120分。其成功得益于四大优势：材料高效利用（较平板节省90%材料）、生产废物最小化、可拆卸性促进循环经济、自动化改善工作条件。预制钢筋混凝土壳体排名第二（70/120分），证明即使使用传统材料，通过几何优化也能显著提升可持续性。
该研究的核心价值在于开发了首个专门针对建筑构件级的全面可持续性评估框架，突破了传统方法在几何复杂性、材料创新和制造工艺评估方面的局限。通过灵活性权重设置，该模型能适应不同决策者偏好（如业主侧重经济性、政策制定者关注生态影响），为早期设计选择提供量化支持。敏感性分析证实，即使简化指标集（保留GWP、一次能源需求等核心指标），评估结果仍保持稳健，增强了在数据有限的设计初期的实用性。
尽管研究基于建模数据且未考虑次级结构（如环梁）的影响，但其方法学框架和结论为行业提供了重要参考。随着材料价格波动、碳定价政策推行和自动化技术普及，TRC等创新材料的经济可行性有望进一步提升。未来研究可扩展至楼板、墙体等构件，并对比空腹板、木-混凝土混合体系等更多预制解决方案，推动建筑行业向资源高效、低碳排放方向转型。
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