土木工程绿色低碳化

发展情况

土木工程建设对经济社会的快速发展起到了巨大作用，但同时也带来了一些环境与生态方面的问题，给社会的可持续发展带来挑战。20世纪60年代，美国建筑师P.索勒瑞[注]首次将生态与建筑合并，提出了“绿色建筑”理念。后随着“可持续发展”思想在世界范围内快速传播，绿色建筑在全球得到更多关注，有了广泛实践应用。国际标准化组织（ISO）于1996年起陆续颁布了《环境管理》（ISO 14000）的系列标准，为环境管理系统的构建提供了框架设计。日本2008年发布了《基于钢筋混凝土建筑物环境考虑的施工指南·同解说》，对环境从资源节约、能源节约、环境污染物削减和长寿命化4个方面进行了考虑。在中国，国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部也已陆续发布了《绿色建筑行动方案》《绿色施工导则》《绿色建筑评价标准》《建筑工程绿色施工评价标准》《预拌混凝土绿色生产及管理技术规程》（JGJ/T 328—2014）等指导性文件及标准规范，用于指导土木工程的绿色化建设。

联合国气候变化框架公约指出，造成温室效应的是大气层中的二氧化碳、甲烷等温室气体，而二氧化碳约占总增温效应的63%。从近年的统计来看，建筑业碳排放仅次于煤电、工业生产及交通运输领域，总体排量较高。2020年，中国基于推动实现可持续发展的内在要求和构建人类命运共同体的责任担当，宣布了“碳达峰”和“碳中和”的目标愿景。为了“双碳”目标的实现，土木工程领域越来越重视从材料、结构设计、运维等方面来加强碳排放的控制。

从土木工程可持续发展的角度出发，土木工程绿色低碳化最有效的手段就是减少其全寿命周期内能源和资源的消耗。由于土木工程消耗了大量的能源，提倡在其全寿命周期内贯穿可持续发展的理念具有十分重要的战略意义。可持续发展的理念需要在全寿命周期内满足安全、适用、耐久、经济、美观、生态等要求。现有的结构设计方法，无论是容许应力法、极限状态法还是可靠性方法，主要针对施工完成后的结构状态，不能完全涵盖可持续发展的需求。为了明确可持续结构工程的目标，美国ISO标准（standard 15686）以“全寿命管理”为出发点，规定了保证工程使用年限，采取技术、经济合理的战略措施。土木工程的绿色低碳化已成为土木工程领域的前瞻性研究主题。

主要内容

土木工程绿色低碳化贯穿于设计规划、施工建设、运营维护直至废弃拆除结构的全寿命周期。

设计规划和施工建设阶段

在设计规划阶段，采用节能设计，并尽可能多采用能耗低和环保型材料，同时合理地使用高性能混凝土材料（如高强混凝土、复合材料），以减少混凝土的使用并提升其性能，达到减少原材料用量的目的。此外，建筑工业化技术也是土木工程绿色低碳化的有效手段之一。通过现代化的建筑业集中、高水平、高效率的工业化生产方式，实现建筑设计标准化、构配件生产工厂化、施工机械化和组织管理科学化，不但提高了建筑建造过程中的生产速度、经济效益和生产质量，也为资源的合理使用和配置提供了保障。

运营阶段

土木工程结构全寿命维护管理的总目标，是实现土木工程结构的可持续发展。延长已有土木工程结构的使用寿命，有助于实现节约能耗的目标。结构通过设计并估计其性能的退化，获得设计性能曲线，在到达性能要求下限时到达使用寿命终点，这便是其设计使用寿命。但结构随着后期的劣化，其性能退化将出现与设计性能不同的发展状态。不同的管理方法会影响结构剩余使用寿命。在充分认知病害演化规律的条件下，依据合理的管理理念制定适宜的维护管理方法，可以维持甚至提升性能状况，达到延长土木工程剩余寿命的目的。为此，需要在运营阶段通过有效的检测和监测手段，在结构出现明显损伤或性能劣化加速之前，在无须耗费大量资金和资源进行维修的情况下，利用合理的维护手段保持结构及其构件的安全性、适用性及外观要求等性能要求，实现该结构使用寿命的延长。

土木工程需要在各类严酷复杂环境下，实现100年乃至几百年的长寿命健康运维。基于土木工程健康和全生命周期低碳化双导向，运用材料-结构高度交叉融合的新思维，研究高性能长寿命土木工程材料-结构的一体化先进设计理论，以健康和低碳的基因赋能土木工程结构，通过提出面向结构的材料性能需求，并为材料量身定做最契合的结构设计，研究系列新型高性能长寿命土木工程材料和结构的基本理论及其设计方法，提升材料利用效率以降低资源消耗，提高结构的健康服役能力，以实现土木工程结构全生命周期的低碳化。

拆除阶段

当结构出现严重破坏进入最终拆除阶段时，需要进行解体和拆除。建材产业面临着高消耗、高排放、产能过剩的问题，合理利用建筑废料实现回收再利用，是推动节能减排走可持续发展之路的有效手段。对所有老旧结构进行拆除重建，显然不是明智之举。重要结构特别是大型土木基础设施，其内部劣化程度不一样，可以通过更替部分结构构件或对结构进行合理的加固改造，从而进一步延长结构的使用寿命。在满足恢复结构安全性和使用性的条件下拆除部分构件进行更新，可以大幅缩减拆除重建的费用，同时减少建筑废料对环境的压力。由于不同土木工程结构形式对应有许多不同的拆除分解方法，因此须考虑场所、生态等因素的影响才能选择合适的结构拆除方法，达到减少垃圾的产生和环境污染、避免破坏当地生态，实现资料再循环和再利用。

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