基于生命周期评估的钢结构与钢筋混凝土框架体系环境影响对比研究——以伊朗阿瓦士住宅建筑为例

《Scientific Reports》：Comparative Life Cycle Assessment of structural steel and reinforced-concrete frames in residential buildings

　　

摘要

结构材料的选用对于降低建筑施工相关的环境负担至关重要。本研究比较评估了伊朗阿瓦士两栋功能等价的三层住宅楼中结构钢框架体系与钢筋混凝土框架体系的表现，两栋建筑均采用相同的华夫板楼板配置。评估工作使用SimaPro软件，采用ReCiPe 2016终端（人类）方法，界定为从摇篮到大门的评估并补充了生命周期末端的考量。模型涵盖的阶段包括原材料开采、材料生产、运输、施工相关材料流以及生命周期末端的处理和回收利用情景。为了严格分离并基准化结构框架的摇篮到大门及生命周期末端的隐含影响，使其独立于围护结构特性和运行动态，使用阶段（B1至B7模块）被有意排除在系统边界之外。尽管混凝土相对于钢铁的高热惯性可显著影响阿瓦士等极端气候条件下的制冷负荷，但动态运行模拟（B6模块）被界定为超出当前研究范围，并被认定为未来全建筑评估的关键局限性。研究结果揭示了两种方案之间重要的环境权衡。钢结构建筑的总单一评分高于钢筋混凝土框架建筑，分别为53.59千点（kPt）和32.61千点（kPt），两者相差20.99千点。人类健康是两种方案中的主导损害类别。钢框架记录的人体健康损害为50.83千点，钢筋混凝土框架为29.87千点；相对于钢结构方案计算，钢筋混凝土方案在模拟条件下的人体健康损害约降低41%。然而在中点层面，钢筋混凝土建筑的全球变暖影响约为钢结构建筑的两倍，凸显了显著的气候变化权衡。在资源相关终端指标方面，钢筋混凝土方案的评分略高（0.06千点），而钢结构方案为0.03千点，但这一差异仅占总评分的0.06%。至关重要的是，钢结构方案在矿产资源节约方面的表观优势具有高度条件性，依赖于理想化的最佳回收利用情景，该情景预设了高效的回收基础设施。生态系统质量损害方面的差异较为有限。此外，虽然单一评分指标显示钢框架的总体综合负担较高，但此类聚合评分具有固有的加权主观性，不应解读为绝对的优越性。研究结果表明，结构材料的选择涉及多维度的权衡，且强烈依赖于本地供应链、运行动态以及实际回收效率。