• 作者：王立军，郭玉莹　　
• 出处：《建筑结构》，2022，52 (18) 　　
• 主题：全生命周期碳排放、轻量化设计、绿色建材、减碳技术

• 在碳达峰、碳中和战略全面落地的行业背景下，建筑领域减碳工作成为绿色转型核心环节，钢结构建筑兼具可循环、装配化、轻量化天然优势，是实现建筑行业控碳减排的重要载体。本文以建筑全生命周期碳排放核算体系为基础，系统拆解钢结构从原材料冶炼、结构设计、工厂加工、现场装配、建筑运营直至拆除回收全流程的碳排放分布特征，识别物化阶段钢材生产、冗余用钢、高能耗加工工艺为主要碳排来源。围绕轻量化结构优化、低碳绿色建材应用、工业化装配式建造、全周期循环回收四大核心维度，梳理成套可落地减碳技术路径；针对现阶段行业普遍存在的碳排放核算标准不统一、高强低碳钢材推广受限、废旧钢材回收复用机制不完善、低碳设计落地动力不足等现实难题展开剖析；结合工业厂房、高层住宅、大跨度公共建筑等不同业态钢结构项目给出差异化低碳实施方案，量化各类技术的碳减排潜力。研究成果可为结构设计师开展低碳钢结构方案优化、行业制定钢结构减碳标准、企业推进绿色建造转型提供清晰技术框架与实操参考。

二、研究背景与研究意义

国家 “双碳” 战略明确建筑领域需持续降低建造与运营阶段碳排放，建筑隐含碳（建材生产阶段碳排放）占建筑总碳排比重超六成，钢材冶炼作为高耗能工序，直接决定钢结构项目碳总量水平。

相较于钢筋混凝土结构，钢结构自重更低、构件可拆解回收、现场湿作业少，理论减碳潜力突出，但当前国内钢结构行业普遍存在保守设计造成用钢量过剩、普通碳素钢材占比高、加工涂装工艺能耗污染大、拆除后钢材简单回炉、极少实现异地复用等问题，未能充分释放低碳优势。

现有研究多聚焦单一环节减排手段，缺少覆盖全生命周期、分阶段系统化的技术路径梳理，难以指导工程全流程低碳落地。基于该行业缺口，文章以全生命周期评价（LCA）理论为工具，分段量化钢结构各阶段碳排放占比，分类整理从源头到末端的成套降碳技术，同步梳理行业现存发展阻碍，形成完整、可落地的钢结构低碳技术体系。

三、钢结构全生命周期碳排放分布特征

文章将钢结构建筑划分为五大阶段，逐一测算各阶段碳排放贡献占比：

1. 建材物化阶段（占总碳排 60%~72%）：高炉转炉钢材冶炼、构件原材料运输为核心碳源，是减碳攻坚重点；
2. 设计加工阶段（占 8%~12%）：过度保守设计增加用钢总量、传统焊接高能耗、溶剂型防腐涂料释放碳与污染物；
3. 现场施工装配阶段（占 5%~9%）：重型吊装设备燃油消耗、临时支撑耗材一次性使用、现场动火作业产生附加碳排；
4. 建筑运营使用阶段（占 7%~15%）：围护热桥造成空调能耗偏高、防腐维护翻新重复涂装产生二次碳排放；
5. 拆除回收阶段（占 2%~5%）：废旧钢材分拣损耗、低回收率回炉重炼，构件直接废弃丧失循环减碳收益。测算结果表明，物化与设计环节具备最大减碳空间，优先优化结构设计、选用低碳钢材可实现最显著减排效果。

四、四大类核心钢结构低碳技术路径

（一）结构轻量化优化设计技术（源头减碳核心路径）

从方案设计阶段控制钢材总用量，直接降低物化阶段碳排放，是性价比最高的减碳手段。

1. 高强钢减量设计：推广 Q460、Q690 等高强度结构钢材，同等受力条件下构件截面尺寸、钢材用量可减少 20%~35%；配套优化梁柱、支撑截面形式，采用窄翼薄壁高效型材，杜绝传统保守加厚截面的冗余设计。
2. BIM 数字化协同优化：通过三维精细化模型开展多方案内力对比，优化柱网布局、支撑体系、伸臂桁架布置，削减多余受力构件；建立 “碳 - 承载力” 双控设计指标，在满足安全前提下优选低用钢量方案。
3. 高效结构体系选型：大跨度建筑采用张弦梁、空间桁架等受力高效体系；住宅推广钢管混凝土组合钢结构，借助混凝土承压减少钢构件截面；高烈度区合理搭配消能减震构件，降低主体钢材配置标准。
4. 节点轻量化干式连接：推广高强螺栓插接、端板简化连接等免现场焊接节点，减少连接板、加劲肋耗材，同时降低现场焊接能耗。

（二）低碳绿色建材应用路径

针对钢材、围护、防护材料进行低碳替代，降低原材料生产碳排放。

1. 再生废钢电弧炉钢材替代：采用高比例废钢冶炼再生钢材，相较高炉原生钢材碳排放降低 30% 以上；规范再生钢材杂质控制标准，保障力学性能满足建筑结构要求。
2. 耐候钢、低合金低碳钢材：减少后期防腐涂装频次，大幅降低建筑运营阶段翻新带来的附加碳排，适配户外厂房、景观钢结构。
3. 低碳围护配套建材：搭配 ALC 蒸压轻质墙板、保温一体化夹芯板材，消除围护热桥，降低建筑空调运行能耗；采用水性防腐防火涂料，替代高 VOC 溶剂型涂料，减少加工阶段碳排放与污染物。
4. 钢 - 竹、钢 - 木复合构件：低层建筑采用可再生生物质材料与钢组合，进一步降低整体隐含碳。

（三）工业化装配式低碳建造技术

依托工厂预制、现场干式装配，压缩施工阶段能耗与资源消耗。

1. 全预制构件智能制造：工厂数控自动化下料、机器人焊接，材料损耗率控制在 3% 以内，远低于现场散制损耗；工厂集中处理粉尘、废水、焊渣，污染治理能效更高。
2. 全干式无湿作业施工：取消现场混凝土支模、浇筑工序，减少水泥砂石消耗与施工用水、用电；缩短 40% 以上施工工期，降低工程机械燃油碳排放。
3. 模块化集成建造：标准化箱体模块批量生产，可整体吊装、异地搬迁复用，大幅延长钢材使用寿命，减少重复冶炼碳排。
4. 施工现场低碳管控：可周转式临时支撑、脚手架重复利用，光伏临时供电系统替代柴油发电机，进一步压缩施工碳足迹。

（四）全周期循环回收利用技术（末端碳补偿路径）

通过钢材重复使用实现碳封存补偿，抵消新建阶段碳排放。

1. 可拆卸标准化构造：全部采用螺栓干式节点，建筑到达使用年限后可无损拆解钢构件，分类分拣后直接用于新项目二次装配，避免回炉冶炼高额碳消耗。
2. 完善废钢分级回收体系：区分结构完好构件、轻度损伤型材、报废钢材，分级复用；建立钢结构构件共享、翻新流转机制，打造 “城市矿产” 循环模式。
3. 碳补偿核算机制：量化钢材二次复用产生的碳减排额度，纳入建筑绿色评价体系，提升项目低碳收益。

五、当前钢结构低碳转型现存行业痛点

1. 碳排放核算体系不统一：国内缺少钢结构专用全生命周期碳排放计算标准，不同项目碳排测算口径差异大，难以量化对比减碳成效；
2. 高强、再生低碳钢材市场推广不足：再生钢材认可度偏低，高强钢采购成本溢价高，设计院倾向选用传统普通钢材；
3. 低碳设计激励机制缺失：现行结构设计规范以安全为唯一核心指标，未设置碳排放约束要求，设计师缺少轻量化优化动力；
4. 构件循环复用产业链不完善：国内废旧钢结构多直接回炉，缺少专业构件检测、翻新、流转企业，二次复用成本高于新购钢材；
5. 低碳加工工艺普及率低：中小钢构加工厂仍大量使用高能耗焊接、溶剂型涂料，绿色改造资金投入压力大。

六、分业态钢结构低碳落地实施建议

1. 工业厂房、大跨度场馆：优先采用高强钢轻量化桁架门式刚架，搭配模块化预制，屋面加装光伏系统实现运营阶段碳中和；
2. 装配式钢结构住宅：推广钢管混凝土隐藏式干式节点，轻量化钢框架 + 保温一体化墙板，配套可拆解构造便于后期改造复用；
3. 超高层钢结构综合体：结合伸臂桁架、阻尼减震体系优化整体刚度，严控竖向用钢总量，高比例使用再生钢材降低隐含碳。

七、论文核心研究结论与工程应用价值

1. 钢结构建筑减碳需覆盖设计、材料、加工、施工、运营、回收完整生命周期，物化阶段钢材生产与保守设计过量用钢是最主要碳排放来源，轻量化优化与低碳钢材替代减排效益最为突出；
2. 轻量化结构优化、低碳绿色建材、装配式干式建造、构件循环复用四类技术可形成互补成套减碳路径，不同建筑业态可按需组合适配；
3. 现阶段行业受核算标准、材料成本、产业链配套限制，低碳钢结构规模化推广存在阻碍，需完善规范标准、出台绿色激励政策、搭建钢材循环流转体系；
4. 文中梳理的全流程低碳技术框架、分类型项目实施策略，可为结构工程师低碳方案设计、钢结构企业绿色生产改造、绿色建筑评审碳核算提供完整技术依据，助力建筑行业落实双碳减排目标。