建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放限值預(yù)設(shè)方法研究

一、前言自工業(yè)革命以來，人類社會超量碳排放導(dǎo)致氣候變化問題日趨嚴峻，減緩氣候變化成為人類命運共同體的首要挑戰(zhàn)。2015年，第21屆聯(lián)合國氣候變化大會（COP21）通過的《巴黎協(xié)定》，將相較于前工業(yè)化時期的全球平均溫升控制在2℃（并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)）以內(nèi)作為人類社會應(yīng)對氣候變化的長期目標。2020年，我國制定了“2030年碳達峰、2060年碳中和”的減碳目標（“雙碳”目標），要求各行業(yè)積極落實碳減排行動。傳統(tǒng)建筑業(yè)具有高能耗、高碳排放的特點，大規(guī)模建設(shè)熱潮使我國建筑全過程碳排放在社會總量中的占比高達50.9%（2020年）。建筑全過程碳排放可分為隱含碳排放、運行碳排放兩個部分：前者包括建材生產(chǎn)、施工、維護、拆除、處置等過程發(fā)生的碳排放；后者指建筑使用過程中因維持建筑內(nèi)部環(huán)境或使用功能所需的設(shè)備運行等造成的碳排放。能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與建筑節(jié)能技術(shù)的推廣可有效降低建筑運行碳排放，使隱含碳排放降低成為建筑業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的主要瓶頸。本文從建筑結(jié)構(gòu)本體出發(fā)，聚焦其隱含碳排放調(diào)控。綠色建造研究方興未艾，低碳建筑材料、減量化結(jié)構(gòu)形式、精益施工模式等的研發(fā)，有望降低建筑結(jié)構(gòu)的碳排放。生命周期評價等碳排放分析方法的應(yīng)用，也可實現(xiàn)面向減碳的多方案比選。但應(yīng)用中，對碳排放量最小化的追求將一定程度制約建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的多樣性，也可能對建筑結(jié)構(gòu)的安全性、使用性能等其他維度屬性造成不利；同時，尚難以確?，F(xiàn)有可選低碳方案可滿足社會低碳可持續(xù)轉(zhuǎn)型需求。因此，有待規(guī)范和提出建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放限值，將社會碳減排路徑的預(yù)期目標需求映射至建筑結(jié)構(gòu)單體設(shè)計，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計減碳水平的衡量與優(yōu)化提供定量依據(jù)。與宏觀減碳目標已得到大量研究關(guān)注不同，建筑結(jié)構(gòu)單體設(shè)計中的碳排放限值研究尚處于起步階段。部分探索性研究提出了基于碳預(yù)算的建筑碳排放目標分解方法，為瑞士、新西蘭等國家的特定類型建筑設(shè)計提供了碳排放限值建議。但由于國家與地區(qū)間的發(fā)展狀況不一，上述限值難以匹配我國“雙碳”目標的減碳路徑；此外，上述研究的調(diào)控對象為隱含碳排放與運行碳排放之和，涉及建筑節(jié)能、機電設(shè)備等環(huán)節(jié)的優(yōu)化與協(xié)調(diào)，難以直接用于常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。而由于建筑結(jié)構(gòu)單體隱含碳排放具有在初始建造、定期維護和拆除階段出現(xiàn)多離散峰值的特點，與社會宏觀減碳目標的連續(xù)路徑存在明顯差異，因而與社會減碳目標相匹配的單體結(jié)構(gòu)設(shè)計碳排放限值亟待進一步研判?；谏鲜霰尘?，本文從社會宏觀年度碳減排目標出發(fā)，依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放占比狀況、以及建筑面積的既往構(gòu)成與未來預(yù)測，提出既有結(jié)構(gòu)維護和新建結(jié)構(gòu)設(shè)計的碳排放限值預(yù)設(shè)方法；以國內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)碳排放現(xiàn)狀為基準，面向“雙碳”目標需求構(gòu)建多類發(fā)展情景，得出我國建筑結(jié)構(gòu)新建與維護的碳排放限值建議。二、建筑結(jié)構(gòu)碳排放限值預(yù)設(shè)方法（一）建筑結(jié)構(gòu)碳排放限值預(yù)設(shè)原則

1.限值來源全球“碳中和”行動使社會宏觀碳排放限值逐步明確，現(xiàn)有研究對從社會宏觀到建筑全壽命期的碳排放限值分解開展了嘗試，這一路徑稱為“自上而下”的目標分解方法。該類研究常從氣候變化減緩目標允許的人類社會剩余碳排放匡算出發(fā)，將其平均配置于“碳中和”前的各年份，進而分攤至建筑行業(yè)，并在所分析建筑單體的服役時間段內(nèi)，依據(jù)使用人數(shù)或建筑面積設(shè)定其全壽命期碳排放限值。“雙碳”目標明確了我國社會碳減排行動的關(guān)鍵時間節(jié)點，當前我國減碳路徑研究不斷完善，預(yù)期以逐年降低的碳排放限值引導(dǎo)“雙碳”目標的實現(xiàn)。此時，若依據(jù)年均碳預(yù)算對結(jié)構(gòu)碳排放進行調(diào)控，難以匹配逐年降低的年度碳減排目標，可能制約未來社會低碳目標的順利達成，同時也將賦予當前設(shè)計過于嚴格的碳排放限值，不利于推動采用當前可行的低碳技術(shù)實現(xiàn)減碳目標。由于碳減排行動下，社會各行業(yè)通常呈現(xiàn)并行的碳排放逐年降低特征，未來能源、交通等行業(yè)的碳排放強度下降有望為建筑結(jié)構(gòu)的隱含碳排放降低提供更優(yōu)路徑。因此，將逐年降低的社會宏觀年度碳排放限值作為建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放限值依據(jù)，是有助于“雙碳”目標達成與結(jié)構(gòu)低碳設(shè)計實現(xiàn)的適配方案。2.分解方法雖然單一建筑結(jié)構(gòu)的隱含碳排放僅在建材生產(chǎn)、施工、維護、拆除處置等離散時間點出現(xiàn)，但在宏觀層面，由于社會正常運轉(zhuǎn)對大量建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)需求，其隱含碳排放總量通常具有逐年連續(xù)特點，而這也正對應(yīng)宏觀層面的社會逐年減碳需求，因此將社會年度宏觀碳排放限值分解至建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放限值具有了可行性?，F(xiàn)有研究中常用的分解依據(jù)有兩類：消費支出占比和碳排放占比。當前我國建筑業(yè)在GDP中占比約為7%，但隱含碳排放總量占比超29%，二者并不處于同一量級，因而依據(jù)消費支出占比分解碳排放限值可能顯著制約建筑業(yè)的正常發(fā)展。另一方面，假設(shè)建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量在社會總碳排放中的占比保持不變也難符合我國發(fā)展現(xiàn)狀：我國正歷經(jīng)城鎮(zhèn)建設(shè)的快速發(fā)展期，建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放占全國總碳排放的比例高于國際平均水平，但這一比例將隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展的轉(zhuǎn)型而逐步降低。因此，本文建議以當前建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量占比為基準，依據(jù)社會低碳轉(zhuǎn)型需求預(yù)設(shè)占比降低情景，實現(xiàn)碳排放限值科學(xué)分解。在下文論述中，建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)包含與建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放相關(guān)的建材生產(chǎn)、施工、維護、拆除、處置等全壽命期，建造階段包含新建結(jié)構(gòu)初始建設(shè)相關(guān)的建材生產(chǎn)、施工及重建所需前端拆除處置過程，維護階段則包含服役期內(nèi)對結(jié)構(gòu)本體的修復(fù)、加固、局部改造等過程，因而在本文的碳排放限值分解中，隱含碳排放總量對應(yīng)于建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)活動總量，可由建造和維護兩類建設(shè)活動分別對應(yīng)的隱含碳排放量疊加構(gòu)成。由于單一年份內(nèi)存在建設(shè)活動的建筑結(jié)構(gòu)繁多，碳排放限值從行業(yè)分解到建筑結(jié)構(gòu)單體仍存在阻礙。依據(jù)所分析建筑可服務(wù)人數(shù)在社會總?cè)丝跀?shù)的占比，將建筑業(yè)年度碳預(yù)算分解至建筑單體，但這一分解方式將使既有結(jié)構(gòu)維護與新建結(jié)構(gòu)建造的碳排放限值平均化，造成后者在結(jié)構(gòu)低碳設(shè)計中難以實現(xiàn)。因此，從結(jié)構(gòu)群體碳排放管理的角度出發(fā)，需在建造和維護兩類建設(shè)活動間平衡碳排放限值，實現(xiàn)從行業(yè)年度限值到建筑結(jié)構(gòu)單體限值的目標分解。（二）建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放年度總量限值為明確社會低碳轉(zhuǎn)型允許的建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量，依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量在社會總碳排放量中的預(yù)計占比，分解碳排放限值：式（1）中，IcrT為分析年的社會宏觀年度碳排放限值，IcrB為其對應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量限值；rB為建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量占社會總碳排放的現(xiàn)狀比例；ηB為建筑結(jié)構(gòu)減碳路徑的偏移因子，可表征行業(yè)碳排放占比變化趨勢，利于調(diào)節(jié)建筑結(jié)構(gòu)減碳與社會總體減碳的同步性。（三）建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)需求研判隨著人口數(shù)量變化與居住品質(zhì)提升，城鎮(zhèn)化推進對建筑面積的需求量將逐年變化。在單一年份建筑總面積需求中，既有建筑結(jié)構(gòu)數(shù)量占比大，但單體維護的碳排放量較小；新建建筑結(jié)構(gòu)（含退役結(jié)構(gòu)的拆除重建）數(shù)量占比小，但單體建造的碳排放量大。為將建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量限值在上述兩者間分配，需先預(yù)測在滿足建筑結(jié)構(gòu)年度需求量中，既有結(jié)構(gòu)與新建結(jié)構(gòu)的占比，思路如圖1所示。圖1分析年建筑結(jié)構(gòu)新建與維護量簡化預(yù)測方法通過調(diào)研統(tǒng)計獲知分析年的上一年度總建筑面積保有量（AL），進而結(jié)合建筑竣工面積歷史記錄與建筑預(yù)期使用壽命狀況，預(yù)估既有結(jié)構(gòu)的建成時間占比，并依據(jù)分析年的建筑使用壽命需求，計算擬于分析年退出服役的既有結(jié)構(gòu)建筑面積（AR）：式（2）中，AHi為距分析年第i年前的建筑竣工面積，NH為可查統(tǒng)計記錄年份數(shù)；TE和TN分別為既有結(jié)構(gòu)使用壽命的調(diào)研統(tǒng)計值與分析年計劃達成值，TN可作為建設(shè)行業(yè)發(fā)展狀況的調(diào)節(jié)參數(shù)，和分別為TE和TN的累積概率函數(shù)。當不考慮建筑結(jié)構(gòu)使用壽命的調(diào)節(jié)或變化時，TE和TN的概率分布相同。此外，社會運轉(zhuǎn)對建筑結(jié)構(gòu)使用需求的變化將造成建筑面積的凈增量AI：式（3）中，AT為分析年的建筑面積需求量。建筑結(jié)構(gòu)新建可同時滿足建筑面積的年度增量需求，并實現(xiàn)對不滿足繼續(xù)服役要求的既有結(jié)構(gòu)的替換：式（4）中，AN為分析年的新建結(jié)構(gòu)建筑面積量；ηN為新建結(jié)構(gòu)實際建造量與預(yù)估新建需求量的比值。因建筑業(yè)企業(yè)房屋建筑竣工面積與建筑結(jié)構(gòu)保有量的統(tǒng)計口徑差異，以及本文構(gòu)建的退出服役結(jié)構(gòu)量簡化預(yù)測模型誤差，導(dǎo)致本文預(yù)測的分析年預(yù)估新建需求量與實際新建量存在偏差，采用系數(shù)ηN近似修正；這一系數(shù)也可反映在城鎮(zhèn)化發(fā)展進程中，因人口遷移或與舊建筑棄用同步出現(xiàn)的額外新建需求。進一步可預(yù)估，在分析年新建結(jié)構(gòu)能夠提供的建筑面積量占社會所需建筑面積總量的比例rN：（四）建筑結(jié)構(gòu)碳排放限值預(yù)設(shè)計算依據(jù)分析年的建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量限值與建筑面積需求量，可計算既有結(jié)構(gòu)維護與新建結(jié)構(gòu)建造并存下，單位建筑面積對應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)平均隱含碳排放限值Icr0：對于結(jié)構(gòu)單體而言，維護作業(yè)的開展具有周期性，并非每年發(fā)生；而在建筑結(jié)構(gòu)群體視角中，每年有一定比例的建筑結(jié)構(gòu)需開展維護，而這一比例可認為與結(jié)構(gòu)單體平均維護頻次一致。由此，可通過對典型建筑結(jié)構(gòu)生命周期評價的抽樣調(diào)查，預(yù)估在建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)建設(shè)行業(yè)，既有結(jié)構(gòu)維護的年均碳排放量與相應(yīng)建筑面積的新建結(jié)構(gòu)建造碳排放量的比值rM（單位：a-1）：式（7）中，INi、IMi、Ti分別為調(diào)研的第i個建筑結(jié)構(gòu)建造階段碳排放、維護階段碳排放及其設(shè)計使用年限（單位：a）；N為調(diào)研的既有建筑結(jié)構(gòu)數(shù)量；rM0為基于調(diào)研樣本得出的建筑結(jié)構(gòu)維護階段年均碳排放量與其建造相關(guān)碳排放量的比值；ηM為反映分析年結(jié)構(gòu)維護與新建建造碳排放水平變化的調(diào)節(jié)因子，可輔助調(diào)節(jié)建筑結(jié)構(gòu)的宏觀建設(shè)策略。例如，相較于混凝土結(jié)構(gòu)而言，鋼結(jié)構(gòu)的初始建設(shè)碳排放量較小，但維護需求將有所增大，當鋼結(jié)構(gòu)占比計劃逐年增大時，ηM>1；而當新建結(jié)構(gòu)的耐久性提升得到推廣時，結(jié)構(gòu)建造階段碳排放占比增加，而后續(xù)維護碳排放占比適當減少，此時ηM<1。由此，可將分析年的建筑結(jié)構(gòu)隱含平均碳排放限值分解至既有結(jié)構(gòu)維護與新建結(jié)構(gòu)建造：式（8）中，IcrE0和IcrN0分別為分析年單位建筑面積對應(yīng)的既有結(jié)構(gòu)維護年均碳排放限值和新建結(jié)構(gòu)建造碳排放限值；“×1”中1指的是1年。依據(jù)式（8）可得：（五）建筑結(jié)構(gòu)單體的碳排放量控制與校驗面向上述隱含碳排放限值的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與管理中，針對在分析年具有維護作業(yè)需求的既有結(jié)構(gòu)單體，其單次維護作業(yè)碳排放設(shè)計值IdE控制為：式（10）中，AE和TM分別為所分析既有結(jié)構(gòu)單體的建筑面積和維護時間間隔（單位：a）。此外，依據(jù)對分析年所設(shè)計新建結(jié)構(gòu)在未來各預(yù)期服役年對應(yīng)的IcrE0預(yù)測結(jié)果，還可設(shè)定其全壽命期內(nèi)結(jié)構(gòu)維護階段的碳排放總量限值IcrM0：式（11）中，[IcrE0]i為新建結(jié)構(gòu)建成后第i年的單位建筑面積既有結(jié)構(gòu)維護年均碳排放限值；Td為新建結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限（單位：a）。由于分析年所設(shè)計新建結(jié)構(gòu)用于滿足分析年的建筑面積需求，因而相應(yīng)地直接采用分析年的IcrN0結(jié)果作為其建造碳排放限值，不考慮新建結(jié)構(gòu)實際建造時長對限值的影響。由于材料選用、結(jié)構(gòu)選型、耐久性提升措施等設(shè)計優(yōu)化也同時影響建筑結(jié)構(gòu)全壽命期不同階段的碳排放，建筑結(jié)構(gòu)減碳設(shè)計的效益需從全壽命期維度綜合評價，因此本研究建議針對新建結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于單體全壽命期隱含碳排放總量開展約束調(diào)控：式（12）中，IcrT0為分析年單位建筑面積對應(yīng)的新建結(jié)構(gòu)全壽命期隱含碳排放限值；IdT0為單位建筑面積對應(yīng)的新建結(jié)構(gòu)全壽命期隱含碳排放設(shè)計值，當認為碳排放計算結(jié)果為確定性量值時，計算為：式（13）中，A0為所設(shè)計新建結(jié)構(gòu)單體的建筑面積，IT為其全壽命期隱含碳排放。當所設(shè)計新建結(jié)構(gòu)涉及前期舊結(jié)構(gòu)拆除重建時，后者相關(guān)碳排放需納入其隱含碳排放；而其自身在未來預(yù)期退役后的拆除處置碳排放，則納入下一個預(yù)期建設(shè)結(jié)構(gòu)的隱含碳排放，即將所設(shè)計結(jié)構(gòu)的拆除處置分析時段前置。三、建筑結(jié)構(gòu)碳排放限值案例試算以中國為分析區(qū)域，筆者調(diào)研統(tǒng)計了截至2021年的相關(guān)輸入計算數(shù)據(jù)，將2022年作為分析年，采用本文建立的方法確定我國建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放限值建議。采用增量方式逐年計算建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)行業(yè)不同發(fā)展情景下，2022—2060年我國建筑結(jié)構(gòu)碳排放限值的變化情況。引入以下假定：上一年度的實際新建結(jié)構(gòu)量取為上一增量步的AN預(yù)測結(jié)果，當前分析年的TE與前一個分析年的TN取值保持一致。（一）背景參數(shù)調(diào)研我國2021年的全年碳排放量約為1.19×1010

t，有望于2027年實現(xiàn)碳達峰，年碳排放峰值約至1.22×1010

t；預(yù)期于2060年實現(xiàn)碳中和，即凈碳排放量為0，而這一目標預(yù)期需要通過組合負碳技術(shù)提供的碳匯實現(xiàn)?；诖?，本文采用線性簡化大致勾勒我國的社會宏觀減碳路徑（見圖2），采用分析年的預(yù)期碳排放量與可用碳匯量疊加結(jié)果作為當年社會宏觀碳排放限值。我國建材相關(guān)碳排放量約占全國碳排放總量的28%，用于建筑結(jié)構(gòu)的部分約占1/2，即估測為14%，此外施工過程碳排放量約占全國碳排放總量的1%。由此，本文認為當前建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量在社會宏觀碳排放量中的占比（rB）約為15%。圖2我國“雙碳”目標預(yù)期碳減排路徑與建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量逐年限值（符號含義見表2）國家統(tǒng)計局記錄了1985—2021年國內(nèi)建筑業(yè)竣工面積的歷史數(shù)據(jù)，本文采用線性插值補充其中缺失年份的數(shù)據(jù)。上述數(shù)據(jù)的統(tǒng)計口徑為建筑業(yè)企業(yè)，即房屋建設(shè)的主要承擔單位，但該統(tǒng)計結(jié)果仍難以完備對應(yīng)建筑建成面積總量，因而需采用公式（2）中歸一化后預(yù)測的方式計算AR。此外，當前我國建筑結(jié)構(gòu)使用壽命近似服從均值為35.2年、標準差為10.6年的正態(tài)分布，即以2022年為分析年時，TE~N(35.2,10.6)。結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)全壽命期碳排放評價結(jié)果調(diào)研（見表1）與公式（7），預(yù)估rM0=0.0025a-1。表1建筑結(jié)構(gòu)全壽命期建造與維護碳排放調(diào)研

注：*當i=1,2時，單位為tCO2e；當i=3時，單位為kgCO2e/m2（二）建設(shè)行業(yè)發(fā)展情景與可調(diào)節(jié)參數(shù)預(yù)設(shè)本文建立的碳排放限值預(yù)設(shè)方法的可調(diào)節(jié)參數(shù)包括ηB、ηN、TN、ηM，該類參數(shù)的取值與建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)行業(yè)的預(yù)期發(fā)展目標相關(guān)。結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)行業(yè)現(xiàn)狀與低碳高質(zhì)量轉(zhuǎn)型需求，構(gòu)建4類可能的預(yù)估發(fā)展情景（見表2），并依據(jù)情景特征分別設(shè)定可節(jié)參數(shù)取值（見表3）。進而，采用公式（2）~（4），可預(yù)估2022—2060年，為滿足我國社會逐年建筑結(jié)構(gòu)使用需求的既有結(jié)構(gòu)保有量與新建結(jié)構(gòu)建設(shè)量，計算結(jié)果如圖3所示。表2建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)行業(yè)發(fā)展的預(yù)估情景

注：a：當前全球建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放約占人類碳排放總量的10%；b：我國碳排放總量約占全球總量的27%，依據(jù)我國和全球建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放在社會碳排放總量中占比分別為15%和10%可估測，除我國外的全球其余地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放占社會總量比例的常規(guī)水平約為8.15%，而7.5%的目標低于這一水平；c：Gong等基于人口數(shù)、城鎮(zhèn)化率、GDP、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、建筑存量等構(gòu)建情景，預(yù)測了不同調(diào)控強度下的未來我國的建筑面積總量變化趨勢；d：依據(jù)上一年度相同狀況預(yù)估的擬退役建筑結(jié)構(gòu)中，約20%在分析年得到保留并繼續(xù)服役（假設(shè)結(jié)構(gòu)使用壽命分布模型與標準差保持不變）；e：以2021年為分析年，依據(jù)Gong等預(yù)測的基準情景下2021年建筑面積需求凈增量，采用式（2）、（3）計算AI和AR，并與2021年實際建筑竣工面積對比，算得ηN的現(xiàn)狀值約為1.34；f：結(jié)構(gòu)延壽有望減少超出采用公式（2）、（3）預(yù)測結(jié)果的結(jié)構(gòu)建設(shè)量。

表3各類情景下的可調(diào)節(jié)參數(shù)取值

注：Y為分析年的年份數(shù)相較于2021年的增量，例如分析年為2022年時，Y=1；*為僅適用于Y≤9（2030年及以前）的情形，當Y

>9（2030年以后），對應(yīng)參數(shù)采用Y=9時的取值；**為僅適用于Y≤29（2050年及以前）的情形，當Y

>29（2050年以后），對應(yīng)參數(shù)采用Y=29時的取值。

圖3不同情景下既有結(jié)構(gòu)保有量與新建結(jié)構(gòu)建設(shè)量由于在本案例分析的年份區(qū)間內(nèi)，預(yù)設(shè)的各類情景中，建筑結(jié)構(gòu)的平均使用壽命均尚未到達其常規(guī)設(shè)計使用年限（50年），因而認為無需額外提高既有結(jié)構(gòu)維護工作量及碳排放水平；同時，假定各類型建筑結(jié)構(gòu)的占比在分析的年份區(qū)間內(nèi)不發(fā)生明顯變化，即在各類情景下均取ηM=1。（三）碳排放限值結(jié)果與減碳路徑依托上述輸入?yún)?shù)，采用本文建立的建筑結(jié)構(gòu)碳排放限值預(yù)設(shè)方法，可算得各情景下單位建筑面積對應(yīng)的新建建筑結(jié)構(gòu)建造碳排放限值IcrN0，對應(yīng)于圖4左側(cè)縱軸。由于本案例中rM不隨分析年變化，單位建筑面積對應(yīng)的既有結(jié)構(gòu)維護年均碳排放限值IcrE0與IcrN0成正比，IcrE0取值對應(yīng)圖4右側(cè)縱軸。結(jié)果表明：（1）當大規(guī)模建設(shè)熱潮持續(xù)、建筑結(jié)構(gòu)總量保持快速上升時（BAU），“雙碳”目標對社會碳排放總量的控制將使得建筑結(jié)構(gòu)允許的隱含碳排放限值持續(xù)降低，尤其在碳達峰目標達成后呈現(xiàn)快速下降態(tài)勢，為結(jié)構(gòu)減碳目標的實現(xiàn)帶來巨大挑戰(zhàn)。（2）隨著城鎮(zhèn)化持續(xù)推進，城鎮(zhèn)建筑量日趨飽和，有望使建筑總量增速放緩，并在約2040年后出現(xiàn)總量降低，這為我國建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量在社會碳排放中的占比降至合理水平提供了機遇（S1）。在2027年前的碳達峰階段，上述占比降低不改變建筑結(jié)構(gòu)碳排放限值可逐年略微放寬的趨勢。（3）當前我國建筑結(jié)構(gòu)平均壽命遠小于發(fā)達地區(qū)平均水平與常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，通過加強拆除限制可提升結(jié)構(gòu)平均壽命。此時，既有結(jié)構(gòu)的充分利用可有效減小結(jié)構(gòu)新建需求量（S2）（見圖3），從而賦予單位面積結(jié)構(gòu)建造與維護更充裕的碳排放限值（見圖4），這同時也可為結(jié)構(gòu)耐久性提升與再利用設(shè)計提供更大的設(shè)計空間，推動結(jié)構(gòu)長壽命的良性循環(huán)。圖4新建結(jié)構(gòu)建造與既有結(jié)構(gòu)維護碳排放限值（4）當更加嚴格地調(diào)控建筑結(jié)構(gòu)總量時，每年建筑結(jié)構(gòu)需求量的進一步降低（S3）可使結(jié)構(gòu)新建量顯著減少（見圖3），從而有效放寬結(jié)構(gòu)建設(shè)相關(guān)碳排放限值。在建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放總量占社會碳排放比例降至低于當前發(fā)達地區(qū)常規(guī)水平的路徑中（2030年以前），建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放限值均可保持在較寬松水平，在維持建筑結(jié)構(gòu)減碳目標實現(xiàn)較好可行性的同時，降低了建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)行業(yè)的碳排放占比，具備更好的社會效益。但由于上述占比的降低，在2030年后，S3情景的碳排放限值相較于S2情景更為嚴格，而建設(shè)總量的嚴格約束仍可使S3情景對應(yīng)限值比S1情景更為寬松。采用公式（11）可計算在各分析年設(shè)計的預(yù)期使用年限為50年的新建建筑結(jié)構(gòu)維護階段碳排放限值IcrM0（見圖5）。在所分析年份區(qū)間內(nèi)，S2、S3、S1、BAU情景對應(yīng)的IcrM0依次更為嚴格，這也進一步表明對既有結(jié)構(gòu)拆除的管控還可為未來結(jié)構(gòu)維護期提供更寬松的碳排放限值，有望輔助更靈活的結(jié)構(gòu)維護計劃制定與更豐富的維護技術(shù)應(yīng)用，促進未來結(jié)構(gòu)延壽優(yōu)化。

圖5新建結(jié)構(gòu)未來維護階段碳排放限值依據(jù)公式（12）可算得在各分析年設(shè)計服役年限為50年的新建結(jié)構(gòu)全壽命期隱含碳排放限值IcrT0（見圖6）。以2022年為分析年時，各情景下IcrT0結(jié)果變化區(qū)間為442.6~616.0kgCO2e·m-2，對于2023年而言，IcrT0變化區(qū)間為439.2~616.5kgCO2e·m-2；而基于當前建造技術(shù)水平的建筑結(jié)構(gòu)生命期評價表明，設(shè)計服役年限為50年的建筑結(jié)構(gòu)全壽命期隱含碳排放量級約為179.4~1050kgCO2e·m-2。因此，文中提出的建筑結(jié)構(gòu)碳排放限值預(yù)設(shè)方法與建議限值，能夠合理促進當前可行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案低碳優(yōu)化。圖6新建結(jié)構(gòu)全壽命期隱含碳排放總量限值受“雙碳”目標驅(qū)動，若建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)行業(yè)仍維持現(xiàn)狀（BAU），在2060年新建結(jié)構(gòu)全壽命期隱含碳排放限值將低至72.8kgCO2e·m-2，可能嚴重制約新建結(jié)構(gòu)建設(shè)的開展，也將阻礙滿足結(jié)構(gòu)安全性需求的設(shè)計實現(xiàn)；而其余3類情景的相應(yīng)限值為153.1~245.0kgCO2e·m-2，超過BAU情景對應(yīng)限值的2倍，在碳中和所需減碳目標達成的同時仍可為建筑結(jié)構(gòu)提供較充足的設(shè)計空間。因此，通過調(diào)控建筑結(jié)構(gòu)總量減小空置率、倡導(dǎo)結(jié)構(gòu)安全前提下的使用壽命延長、制約大拆大建等行業(yè)管理措施，可有效提升建筑結(jié)構(gòu)減碳目標實現(xiàn)的科學(xué)性和可行性。四、討論與建議（一）碳排放量的不確定性與實現(xiàn)概率控制在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的碳排放核算中，結(jié)構(gòu)材料用量、施工過程和特征化因子的不確定性均使得結(jié)構(gòu)隱含碳排放量化結(jié)果具有較為顯著的隨機性；上述量值受多隨機變量疊加影響，可近似認為服從正態(tài)分布。在新建結(jié)構(gòu)單體設(shè)計中，當考慮建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放的隨機性時，建議采用碳排放均值進行校核：式（14）中，為IT的均值。此時，可保障減碳目標的實現(xiàn)概率不低于50%。由于結(jié)構(gòu)單體建設(shè)碳排放略超限值的后果較小，調(diào)控重點為將建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)行業(yè)的平均碳排放水平控制在目標限值以下，因而采用均值校核可實現(xiàn)這一目的。當需更嚴格（或更寬松）的措施保障減碳目標實現(xiàn)時，可結(jié)合對建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放隨機特征的更充分認知（仍假定碳排放量服從正態(tài)分布），采用以下方式計算建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放設(shè)計值：式（15）中，為IT的標準差；Φ-1(·)為標準正態(tài)分布函數(shù)的反函數(shù)；plim為碳排放超限概率限值。以上給出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，隱含碳排放定值化驗算的基本思路；當考慮公式（10）中既有結(jié)構(gòu)維護碳排放的隨機性時，也可采用類似方法計算維護碳排放設(shè)計值。此外，本文預(yù)設(shè)的碳排放限值也可應(yīng)用于更精細的概率化可持續(xù)性驗算。（二）碳排放限值的區(qū)域性差異上述案例設(shè)定了我國建筑結(jié)構(gòu)碳排放平均限值，然而不同地區(qū)人口規(guī)模、用地狀況、經(jīng)濟發(fā)展、調(diào)控政策、技術(shù)水平等方面的差別，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)行業(yè)碳排放呈現(xiàn)較為顯著的區(qū)域性差異。為公平調(diào)控各地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)的碳排放量級，建議采用平等碳排放權(quán)原則，依據(jù)地區(qū)人口和建設(shè)規(guī)模，調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)碳排放限值，即將既有結(jié)構(gòu)單次維護作業(yè)碳排放驗算（公式（10））與新建結(jié)構(gòu)設(shè)計隱含碳排放驗算（公式（12））分別調(diào)整為：式（16）、（17）中，ηD為碳排放限值的地區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)。建議采用如下方式計算：式（18）中，ATD為分析年的分析地區(qū)建筑面積需求量；PT和PD分別為分析年的中國總?cè)丝跀?shù)和所分析地區(qū)人口數(shù)；mT和mD分別為分析年的中國人均建筑面積和所分析地區(qū)人均建筑面積。以上海地區(qū)為例，至2021年年底人均建筑面積達37.4m2/人；2021年全國人口數(shù)為14.13億，對應(yīng)于表2中S1和S2情景采用的全國建筑面積總量可預(yù)估2021年全國人均建筑面積約為49.6m2/人。由此，2021年的ηD取值約為1.33，即大型城市建筑結(jié)構(gòu)的集約化與減量化可賦予結(jié)構(gòu)建設(shè)更寬裕的碳排放限值。當分析年變更時，ηD取值可依據(jù)相應(yīng)分析年的城市規(guī)劃與建設(shè)計劃適當調(diào)整。（三）設(shè)計使用年限對碳排放限值的影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限對其所允許碳排放限值的影響體現(xiàn)在兩個方面：設(shè)計使用年限決定預(yù)期需開展維護作業(yè)量，設(shè)計使用年限的變化影響未來建造活動的碳排放需求。為此，對設(shè)計使用年限有異于常規(guī)取值的新建結(jié)構(gòu)，提出以下碳排放限值修正：式（19）中，Tdb為新建結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限的常規(guī)取值；Td為所分析新建結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限；[IcrN0]x為新建結(jié)構(gòu)建成后第x年的單位建筑面積新建結(jié)構(gòu)建造碳排放限值。以本文前述案例為例，假定IcrN0取值在2060年后保持穩(wěn)定、Tdb取值為50年時，不同行業(yè)預(yù)估發(fā)展情景下，2022年新建結(jié)構(gòu)隱含碳排放限值隨結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限的變化如圖7所示。由此可見，上述的碳排放限值修正處理可賦予長壽命結(jié)構(gòu)更寬松的碳排放限值，表征其預(yù)期削減結(jié)構(gòu)新建量的效益，促進長壽命結(jié)構(gòu)的建設(shè)。但應(yīng)用中，與不同行業(yè)發(fā)展預(yù)估情景下，與建筑結(jié)構(gòu)平均使用壽命預(yù)期變化相對應(yīng)的Tdb取值還有待進一步研究確定。圖7新建結(jié)構(gòu)隱含碳排放限值隨設(shè)計使用年限變化（四）碳排放限值實現(xiàn)可行性由于當前混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)的單位建筑面積碳排放通常高于鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)或砌體結(jié)構(gòu)，上述評估方式將對混凝土結(jié)構(gòu)方案的低碳優(yōu)化提出更高的要求。此外，對中國典型混凝土建筑結(jié)構(gòu)建造階段的碳排放核算結(jié)果表明，當前常規(guī)混凝土框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)建造的碳排放水平約為400~531kgCO2e·m-2，因而混凝土結(jié)構(gòu)也可通過常規(guī)設(shè)計優(yōu)化實現(xiàn)本文預(yù)設(shè)的2022年結(jié)構(gòu)減碳目標；同時得益于碳排放限值校核強調(diào)碳排放量值的約束而非最小化優(yōu)化，混凝土結(jié)構(gòu)不至于在低碳設(shè)計中喪失競爭力，且有望加快資源化循環(huán)利用、低碳材料研發(fā)、新型減量化結(jié)構(gòu)體系等低碳理論與技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。在既有結(jié)構(gòu)低碳維護中，維護方案的決策參量包括：結(jié)構(gòu)維護時間間隔，單次維護對應(yīng)的碳排放。結(jié)構(gòu)耐久性提升技術(shù)與便捷高效的修復(fù)加固技術(shù)可分別通過降低上述兩類參數(shù)，促進既有結(jié)構(gòu)維護的減碳目標實現(xiàn)。此外，在“雙碳”目標驅(qū)動下，其他行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型成果還可進一步推動建筑結(jié)構(gòu)減碳。建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放主要來源于能源消耗與建材生產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)排碳。因此，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與低碳轉(zhuǎn)型、低碳/負碳建材研發(fā)、建材生產(chǎn)工藝優(yōu)化與碳捕捉等都有望為未來建筑結(jié)構(gòu)隱含碳排放的顯著降低與減碳目標達成提供良好的可行性。（五）研究展望由于不同類型建筑（例如公共建筑、住宅建筑）的可容納人數(shù)和人均使用時長均存在很大差異，難以基于可服役人數(shù)統(tǒng)一設(shè)定碳排放限值；且結(jié)構(gòu)設(shè)計中，服役人數(shù)取值的準確界定困難。因此，本文建議采用單位建筑面積碳排放限值的形式約束建筑結(jié)構(gòu)碳排放。相應(yīng)地，未來研究需進一步探索通過設(shè)定建筑容積率、建筑密度、使用年限等配套規(guī)劃管理手段，限制大面積超標建筑的建設(shè)，促進碳排放權(quán)公平。公式（4）中，采用系數(shù)ηN抵償結(jié)構(gòu)新建量的預(yù)測偏差，但由于這一偏差形成復(fù)雜，不同分析年的準確取值存在困難，將影響結(jié)構(gòu)碳排放限值計算結(jié)果的準確性。為進一步優(yōu)化采用本文方法預(yù)設(shè)限值結(jié)果的準確性，仍有待不同社會發(fā)展情景下建筑結(jié)構(gòu)需求相關(guān)參數(shù)及建筑結(jié)構(gòu)保有量與組成等數(shù)據(jù)的完善，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動分析開展進一步研判。在未來鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等多類型結(jié)構(gòu)推廣背景下，建筑結(jié)構(gòu)類型占比的變化及其對ηM取值的影響也有待進一步研究。由于未來建設(shè)涉及超高層、大型建筑結(jié)構(gòu)的拆除，巨大拆除體量預(yù)期將造成與結(jié)構(gòu)新建相當?shù)奶寂欧帕考?，為促進拆除工程的低碳化演進，建議在未來建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)的低碳設(shè)計中，進一步剖析拆除工程的碳排放特點，將拆除過程作為獨立的校核對象開展分析與優(yōu)化。本文提出的預(yù)設(shè)方法填補了建筑結(jié)構(gòu)基于碳排放設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)缺失，有望為今后相關(guān)建筑碳排放計算、分析與校核相關(guān)的技術(shù)標準提供科學(xué)依據(jù)。五、