综述：地震韧性建设的环境影响：隐含碳与抗震设计的定量综述

《Journal of Building Engineering》：The environmental impact of earthquake resilience: A quantitative review of embodied carbon and seismic design

　　

从环境角度看，定义一个单一节点来证明增强地震韧性的合理性是不切实际的。
尽管已有大量研究探讨结构配置和抗震设计标准与环境影响之间的关系，但不同研究的结果存在分歧，这可归因于方法论缺乏一致性。
环境评价指标和生命周期评估（LCA）范围的差异，包括所考虑的生命周期阶段和建筑组件，被认为是导致矛盾结果的显著驱动因素，可能导致结果差异达60%至77%。
关于“更坚固-更刚性”设计如何影响建筑全生命周期环境影响，目前尚无共识。

**引言**
降低建筑部门的环境影响对全球脱碳和气候变化缓解至关重要。尽管许多减排政策聚焦于提高建筑的运营效率，但多个国家已实施或计划引入针对新建建筑隐含排放的限制[1], [2], [3]。然而，建筑的环境影响不仅包括这些限制所涵盖的建造、运营和寿命终期处理阶段。自然灾害事件造成的破坏会导致环境影响骤增，而传统的生命周期评估（LCA）研究往往无法涵盖这些影响。特别是，近期研究强调了地震对建筑造成的隐含碳排放（以二氧化碳当量计量）的影响。例如，对2010-2011年新西兰坎特伯雷地震序列影响的一项评估发现，仅拆除142栋建筑就产生了约1.4万吨二氧化碳当量[4]。用原建筑结构的复制品替换被拆除的建筑将额外产生近15.7万吨二氧化碳当量。尽管拆除和重建这些建筑仅占新西兰2011年总排放量的0.3%，但该研究仅考察了基督城的一个郊区，仅代表了此次地震序列造成总损失的一小部分[5]。类似地，Pan等人[6]发现，2011年日本东北地震和海啸后的住房重建可能通过废物管理、土地转换和重建产生超过2600万吨二氧化碳当量。其他研究超越隐含碳排放范畴，指出地震破坏释放的其他温室气体（如卤代烃）会导致全球变暖和臭氧层破坏[7]。Saito等人[8]进行的大气模型分析表明，2011年东北灾害导致卤代烃排放激增，并将其归因于非结构组件的地震破坏。《蒙特利尔议定书》已禁用某些卤代烃（氯氟烃），其他种类正根据《基加利修正案》逐步淘汰。因此，这些化合物并非本文讨论的新建建筑的主要考量因素，但现有建筑存量中仍含有这些强效温室气体。在新建建筑背景下，尽管某些排放限制考虑了隐含和运营环境影响，但据作者所知，尚无任何限制明确量化地震后因维修、拆除和更换增加而导致建筑生命周期内排放骤增的情况。

本文研究了过去十年中关于新建钢结构和钢筋混凝土（RC）建筑在易震地区的隐含环境影响与其设计和性能关系的研究。采用定量方法识别共识与矛盾领域。当研究间存在矛盾时，分析方法论以探究潜在原因，包括抗震设计、损失估算和环境影响评估程序。尽管自2018年以来该领域已有九篇综述出版物，但这些研究或为定性分析或范围有限。多位研究者对文献中使用的LCA和地震损失评估方法论进行了深入分析，但未对研究结果进行定量讨论或比较[9], [10], [11]。Zhang[12]对2011至2024年间31篇关于建筑和桥梁抗震设计、环境可持续性及韧性的论文进行了定性综述。Dong等人[13]研究了最小化隐含环境影响的优化方法，但仅聚焦于RC框架。Aghdam & Dixit[14]对将多种灾害韧性评估整合入LCA的框架进行了详尽综述，提供了灾害韧性与环境可持续性关联的全景式定性概述。然而，该研究并未量化结构配置、抗震设计标准与前期、震后及全生命周期环境影响之间的复杂相互作用。Passoni等人[15], [16]和Menna等人[17]对将LCA纳入地震损失评估的工具和方法论进行了详细综述，但其研究聚焦于抗震升级和能源与抗震联合改造，而非新建建筑。最后，Saade等人[18]对建筑LCA研究结果的分布进行了定量分析，但未考虑地震韧性如何影响结果。

本综述的创新之处在于对文献中环境影响与抗震设计标准及建筑性能关系的研究结果进行汇总和定量比较，包括对矛盾发现潜在原因的探究。所识别的趋势和知识缺口将为未来研究提供起点，促进跨研究的比较改进，并帮助研究人员有效量化隐含环境影响与地震韧性之间的权衡关系。

文献综述方法和文献分布情况分别在第2节“综述方法”和第3节“文献概览”中讨论。第4节描述建筑LCA的先进方法和标准。结果与讨论部分根据原始文献的关注领域对先前研究结果进行定量评估：结构配置（第5节）、抗震设计标准（第6节）和抗震性能（第7节）。部分文献涵盖多个领域，因此被多次讨论。第8节基于LCA方法论讨论文献趋势。第9.1节总结了方法论建议，以减少文献中的矛盾并支持跨研究比较和基准测试的改进。第9.2节列出未来研究主题，第10节总结主要发现。

**综述方法**
系统文献综述被用于研究抗震韧性结构设计如何与建筑的隐含环境影响相关。在本综述中，抗震韧性被定义为建筑比传统规范最低标准设计更能抵抗地震、灾损更小、灾后恢复更快的能力，尽管该定义在所考察的每项研究中可能略有差异。初步确定的107篇出版物清单根据……

**文献概览**
比较环境影响与抗震设计并将LCA纳入地震损失评估的文献日益增多。本综述所纳入的52篇相关文献按年度发表数量绘制于图1。早期研究提出了多种框架，采用不同方法量化前期和震后环境影响。数据可用性和软件工具的限制迫使研究人员依赖假设以减少计算……

**生命周期评估背景**
建筑LCA领域正快速发展，新方法不断涌现，现有方法也在持续优化。此外，材料和工艺的环境影响数据具有时效性并持续更新[11]。本节旨在为本综述的发现提供背景，而非全面概述现有文献中用于建筑LCA的方法论，后者已由他人充分覆盖[10], [20]。此外，……

**结构材料的影响**
比较材料的研究报告了对钢结构和RC结构相对影响的矛盾结论（表2）。Gan等人[53]比较了一栋60层建筑，其中一栋采用预应力RC墙核心，另一栋采用重型H型钢和伸臂构成的钢“核心”，发现钢体系的“摇篮到工地”排放高出41%。另一项研究发现，理论上的60层钢MF体系的“摇篮到实用完成”隐含碳排放比RC框架高10%，略降至9%……

**抗震设计标准与环境影响的关联**
结构的侧向刚度、延性、基底剪力承载力和设计地震危险水平之间存在固有的相互依赖关系。例如，在保持设计其他方面不变的情况下提高设计地震危险水平，通常会导致结构更刚、基底剪力承载力更高。尽管这些相互依赖关系在文献中已得到充分确立，但本综述发现的大多数研究均孤立地考察每个参数。此外，……

**抗震性能与环境影响的关联**
第7.1至7.3节定性审查了环境损失与预期抗震性能关系的研究结果。这些比较基于概率性的地震损失评估，通常不产生确定性结果。

**生命周期评估方法的影响**
图8比较了RC墙框架和MF结构类似案例的“摇篮到大门”隐含碳强度（以隐含碳当量计量并归一化至总建筑面积）。这些案例表明，“摇篮到大门”LCA范围的研究结果量级可能存在显著差异。尽管研究均针对7层建筑，但Zhang & Zheng[74]报告的RC框架隐含碳结果比Bohorquez等人[73]高出60%和77%……

**方法论建议**
图10总结了基于先前研究常见局限性和全球公认的LCA ISO 14040框架[29]定义阶段，对未来研究LCA的建议。此外，在使用前瞻性和动态LCA等新兴方法为未来研究引入更多复杂性和不确定性之前，改进LCA范围局限性、量化数据不确定性并解决文献中的矛盾至关重要。本文……

**结论**
本综述的创新之处在于对现有文献中环境影响与易震地区抗震设计关系的研究结果进行汇总和定量比较，并提出方法论一致性建议。尽管过去十年中关联结构配置和抗震设计标准与环境影响（如隐含碳）的研究数量有所增加，但所呈现的结果缺乏共识。这在一定程度上可归因于……

**CRediT作者贡献声明**
Geoffery W. Rodgers：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念构思。
Samantha Krieg：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念构思。
Charlotte Toma：撰写——审阅与编辑，监督。
Santiago Pujol：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。

**利益冲突声明**
? 作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在利益冲突：Samantha Krieg报告获得QuakeCoRE的财务支持。若存在其他作者，声明无已知可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

**致谢**
本项目由Te Hiranga Rū QuakeCoRE支持，该中心由新西兰奥塔哥高等教育委员会资助。此为QuakeCoRE出版物编号1154。

Samantha Krieg | Geoffrey W. Rodgers | Santiago Pujol | Charlotte Toma