引言

2020年，中国积极承诺到2030年实现碳排放峰值，到2060年实现碳中和。作为能源消耗和碳排放的主要来源，建筑业节能减排势在必行。木材作为一种环保和可持续的材料，在加工和建造过程中的碳排放量远低于钢铁或混凝土。此外，树木在生长过程中吸收二氧化碳。因此，木结构越来越被认为是低碳、环保的建筑。然而，计算木结构建筑全生命周期碳足迹的方法仍在开发中，案例研究有限，且缺乏碳减排战略。在追求零碳建筑的过程中，如果要消除运营碳，最大限度地减少隐含碳排放量是至关重要的。

研究背景

目前，建筑物的碳排放计算主要集中在运营阶段，因为其持续时间长且排放量相对较高。例如，英国的住宅建筑能效标准评估程序（SAP）仅考虑采暖、空调和照明的碳排放。近年来，隐含碳的评估引起了各国的关注，例如，BREEAM（建筑研究机构环境评估方法）和LEED（能源与环境设计领导力）等标准都包括隐含碳的计算。隐含碳在短时间内大量释放，特别是在材料生产阶段，然而针对木结构计算体现碳的方法仍然不成熟，因此有了本次研究。

研究方法

为了实现建筑碳减排，本研究将基于生存周期评价（LCA）理论，采用排放因子法，建立木结构碳排放计算模型，以中林&北林大绿色驿站为例，对木结构建筑整个生存周期中的碳排放因子进行识别和计算，并通过本次案例研究提出木结构的轻量化设计策略。

研究对象

在2019年至2023年期间，北京林业大学建造了四座示范木结构建筑，作为其木结构材料与工程综合实践的一部分，中林&北林大绿色驿站是其中之一。作为北林大校园第四座木结构示范建筑，中林&北林大绿色驿站于2023年由中林绿碳（北京）科技有限公司与北京林业大学合作建造而成，现已投入使用。该项目的设计目标是创建一个低碳，接近零能耗的绿色示范建筑，设计参考了寒冷地区接近零的能耗标准，设计规范如表1所示。

表1中林&北林大绿色驿站设计规范

中林&北林大绿色驿站实景图

木结构建筑碳排放量计算依据

目前，我国建筑碳排放量的计算主要依据《建筑碳排放量计算标准》（GB / T 51366-2019）《居住建筑绿色性能计算标准》（JGJ /T449-2018）和《绿色建筑评价标准应用技术指南》（15J904）。这些标准采用生命周期评估（LCA）方法计算材料生产和运输阶段（以及施工和拆除阶段）和建筑运营阶段的碳排放量。

木结构建筑碳排放量计算范围

按照生命周期评价方法，建筑的整个生命周期可分为以下三个主要阶段:建筑材料化、建筑运营和建筑拆除。材料化阶段可进一步分为以下三个主要步骤:材料生产、材料运输和施工。建筑运营包括维护和更换，以及建筑能耗。建筑拆除包括建筑拆除、废物运输、废物处理和回收利用。隐含碳排放的计算涵盖了除建筑运营能耗以外的所有阶段，如表2所示。

表2整个生命周期的碳排放量的累积情况

建筑物碳排放研究范围

木结构建筑中含碳量的计算方法

根据表2所列的生命周期碳排放量，并参考中国《建筑碳排放计算标准》（GB / T 51366-2019），木结构建筑隐含碳排放总量表示为各阶段排放总量之和，计算公式为C = Csc + Cys + Cjz + Ccc + Cly + Ccl + Chs。

注：

·Csc代表材料生产阶段的碳排放量

·Cys代表物质运输阶段的碳排放量

·Cjz代表施工阶段的碳排放量

·Ccc表示拆除阶段的碳排放量

·Cly拆除后垃圾运输碳排放量

·Ccl代表废物处理阶段的碳排放量

·Chs是回收阶段碳排放的减少量

由于木结构建筑物整个生存周期的碳排放因素没有统一的标准，建筑材料、运输、能源、劳动力、垃圾填埋和焚烧的排放因子来自统计文献，排除极值，使用平均值，参考表3。

表3 选定的木结构碳排放系数

案例建筑碳排放量的计算

中林&北林大绿色驿站主要结构体系为重型木结构框架，外壳为轻质隔热板，如下图所示。建筑主要结构框架由格鲁拉姆组件组成，外壳由加拿大SPF制成。外壳包括OSB和实木板，户外木梁和地板由处理过的木材制成。外部走廊的折叠屋顶采用交叉层压木材（CLT），建筑物两侧的格栅采用层压单板木材（LVL）。该建筑耗用6.43立方米的实木和14.41立方米的人工木材，二氧化碳排放量为5931.65kg。

中林&北林大绿色驿站模型和构件

该建筑最大限度地发挥了国内木材供应链的潜力，主要从中国贵州的国有林松资源采购材料。从贵州到北京的物资运输距离总计2296公里，以此为依据计算运输碳排放量总量为4780.30kgCO2。施工从地板安装开始，然后是主体结构框架、墙壁和屋顶安装以及LVL格栅，每个施工阶段的碳排放量是根据施工配额计算的（如表4所示），总建筑施工阶段碳排放为1349.95kgCO2。

表4 中林&北林大绿色驿站建筑碳排放量

拆除的建筑物分为以下四个部分：屋顶、墙体（包括LVL格栅）、结构框架和地板，拆除总排放量为177.76kgCO2；废弃物运输至垃圾填埋场、焚烧厂和回收站的碳排放量合计56.97kgCO2； 拆除后总废物处理碳排放量为8361.48kgCO2，回收的碳减排量为1711.28kgCO2，综上，按照计算公式计算得出，该建筑生命周期的总隐含碳排放量计算为 20 ,658.11kgCO2（如表5所示）。

表5 中林&北林大绿色驿站生命周期体现的碳排放量

案例建筑碳汇值的计算

案例建筑使用的木材总量为20.85m³，相应的碳汇总值为20850kgCO2当量，案例建筑单位面积木材使用量为0.29立方米，单位面积碳汇值为 294.74kgCO2当量。从建筑物的碳排放量中减去碳汇，得到的碳平衡为 -191.89 kgCO2当量，证明木材是负碳材料，与钢铁、混凝土等高碳材料相比，木材对建筑节能减排更有益，更多的木材使用也能产生更大的碳固存量。

中林&北林大绿色驿站

案例碳排放成分分析

根据对案例碳成分的分析（如表6所示）可见，废物处理构成了碳排放的最大部分，占体现碳排放总量的40%。此外，废木材的运输和加工通常涉及大量机械和车辆，这消耗了化石燃料，并导致额外的碳排放。根据“从摇篮到坟墓”的生命周期评估理论，从原材料提取到废物处理和回收的整个过程都应包括在内，因此提高回收率和减少废物管理的碳排放是降低内含碳的关键。

表6 中林&北林大绿色驿站所含碳的组成

第二高的碳排放来自材料生产，占建筑总排放量29%。即使考虑到材料回收的碳减排，材料生产仍然贡献了约五分之一的含碳排放量。因此，减少材料生产过程中的碳排放是关键一步。

碳排放的第三大部分来自物料运输，占建筑总排放23%。卡车的长途运输消耗了大量的化石燃料，这导致了高碳排放。需要从不同工厂运输不同类型的木材部件也增加了排放量。与小型卡车多趟运输相比，大型卡车对散装运输的效率更高，使用新能源汽车可以消除这种排放源。

建设和拆迁阶段所占比例相对较小，总体占比约1%。这是由于木结构建造的优点易于加工和组装，基本依靠人工装配，只有一小部分过程涉及机械。

木结构建筑减少碳排放策略

从上述分析可以看出，木材具有碳固存效应，木材的数量越多，吸收的二氧化碳越多。此外，材料生产、运输和处置占隐含碳排放量的75%以上，这些排放直接受材料使用量的影响。因此，优化建筑形状和结构设计，使用轻质材料，减少装饰是减少隐含碳排放量的关键。

1、设计阶段策略

在设计阶段，优化建筑形式可以减少所需的结构材料以及围护结构和装饰材料的使用量。设计阶段还应考虑结构优化，通过选择和优化结构方案，可以增强结构性能，同时减少材料使用。案例数据分析表明，通过增加间距和跨度、优化构件和缩小截面尺寸，可以进一步实现结构优化。例如，中林&北林大绿色驿站的较大结构跨度创造了较大的空间，从而降低了结构和外壳材料要求。

中林&北林大绿色驿站

2、材料选择策略

此外，使用轻质木材可以减少相关的碳排放，因为轻质木材的碳排放系数较低。在木结构的设计中，可以选择高强度、低密度的材料，以确保结构安全，同时最大限度地减少碳排放。

装饰面板通常具有较高的密度和碳排放量，因此需要尽量减少不必要的装饰材料。此外，工程木材的碳排放系数通常是实木的1.5到2倍。因此，在建筑设计中减少非功能部件可以帮助实现更低的隐含碳排放量。例如，在装饰过程中，预安装装饰面板的固定装置和使用模块化饰面可以提高材料回收率，柔性隔断还可以避免二次装修造成的材料浪费。

3、轻量化可回收策略

最后，采用工业化方法进行标准化设计，减少材料浪费，能够减轻建筑整个生存周期的材料负担，最大限度地减少原材料切削，防止材料损坏，并减少加工机械的碳排放。同时，用再生材料代替新材料也可以减少材料生产量。案例研究数据显示，垃圾填埋和焚烧的碳排放量占体现碳排放量的近一半。因此，加强再生木材的发展，提高木材回收率，实现材料再利用和废物资源化是必不可少的策略。

研究结论

本文基于生命周期评估理论，建立了木结构建筑隐含碳排放的计算模型，全面计算了材料生产、运输、建筑、拆除、废物运输、废物处理和回收等各个阶段的含碳排放量。结果表明，废物管理、材料生产和运输是建筑碳排放的主要来源。同时，利用开发的计算模型，本研究分析了中林&北林大绿色驿站建筑的碳排放量组成。分析表明，单位面积的材料使用量与所体现的碳排放量之间存在着很强的关联性。因此，本文提出了通过轻量化设计减少木结构建筑碳排放的策略。关键策略包括优化建筑形状和结构，使用轻质和可回收材料，尽量减少装饰，优化加工和施工等。不仅如此，通过利用测量的碳排放数据，还可以建立一个更准确和全面的碳排放因子数据库，涵盖常用建筑材料如木材、钢材和混凝土的生产、加工、运输和回收利用，这将为行业内的其他专业人员提供宝贵的数据参考。

研究报告来源：

《Lightweight Strategies for Wooden-Structure Buildings Based on Embodied Carbon Emission Calculations for Carbon Reduction》Submission received: 4 October 2024 / Revised: 21 October 2024 / Accepted: 28 October 2024 / Published: 30 October 2024

参考文献：

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·Meyer, F.; Elliot, T.; Craig, S.; Goldstein, B.P. The carbon footprint of future engineered wood construction in Montreal. Environ. Res. Infrastruct. Sustain. 2024, 4, 015012.

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