[摘要] 从节约资源和能源, 与环境相容共生并实现建筑业可持续发展的战略高度出发, 提出了混凝土结构的“绿色耐久性”概念。基于结构生命周期成本理论与绿色设计理念, 探讨了“绿色耐久性”的设计与施工方法, 并提出了“绿色耐久性”的实施策略。
[关键词] 混凝土结构; 绿色耐久性; 结构生命周期成本; 绿色设计; 绿色施工
[中图分类号] TU528.01 [文献标志码] A [文章编号] 1002- 3550-( 2006) 12- 0039- 03
0 前言
混凝土结构是基本建设工程中最为常用的建筑形式之一,主要在于混凝土是一种相对于钢材、木材等建筑材料来说, 适用范围广、价格便宜、易于浇筑成型、力学性能稳定、比较耐久、有时还有效利用一些工业固体废料的节能型建筑材料。但是,由于混凝土结构材料自身和使用环境的特点, 混凝土结构存在着严重的耐久性问题[1, 2], 并且随着环境的变迁和功能要求的提高, 耐久性问题愈来愈为突出, 对新世纪建筑业的可持续发展形成了严峻的挑战, 严重威胁着人类的生存与发展。
首先, 混凝土结构因耐久性不足而提前失效极大地打乱了国民经济有序发展的步伐, 造成了巨大的财政负担。1991 年提交美国国会的报告《国家公路和桥梁现状》中指出, 美国现存的全部混凝土工程价值约6 万亿美元, 而每年用于维修的费用高达300 亿美元, 今后混凝土工程维修和重建费用高达3 000 亿美元。英国1980 年的建筑维修费用占建筑总费用的2/3。许多发达国家每年用于建筑维修的费用超过新建的费用。美国联邦政府现在每年拨款50 亿~60 亿美元用于公路和桥梁的维修,但1998 年ACI 估计仅仅更换目前已损坏的公路桥梁的混凝土桥面板就需800 亿美元。我国也将大量的人力、物力和财力用于工程维修与重建, 其中不少是混凝土结构耐久性不足的花费。其次, 混凝土结构提前劣化必然导致对混凝土与钢筋的大量需求与浪费, 从而增大对砂石等资源和煤电等能源的消耗。据统计[1], 目前世界上每年混凝土用量约80 亿t, 平均需水泥约15 亿t, 粗细集料70 亿t 左右。而15 亿t 水泥大约要消耗16 亿t的石灰石。开采、破碎、运输集料以及生产、加工、运输混凝土等过程都要耗能, 在这些过程中80 亿t 混凝土共约需耗电力11×1012kW·h。考虑到钢筋混凝土与预应力混凝土中钢筋的生产,则此数值还将有较大幅度的增加。建筑业所消耗的资源与能源约占全球消耗总额的40%[1], 其中有多少消耗是由混凝土结构耐久性不足引起的不得而知, 但从以上的简单计算可以推测其数量之大。再次, 混凝土结构耐久性不足对生态环境构成极大的威胁。水泥生产每年所需的石灰石与粘土及用作混凝土集料的砂石的开采, 对植被破坏严重。计算表明[1], 每生产1t 水泥熟料, 将释放出0.95t CO2。15 亿t 水泥生产还将排放约300 万tNOx 和大量粉尘。大量CO2 的排放不仅加剧温室效应, 它还和SO2 与NOx 一道通过形成酸雨危害农作物及植被。NOx 和粉尘还使环境恶化, 影响人类健康。同时, 混凝土结构提前劣化必然造成大量建筑垃圾的堆置, 如美国每年大约有6 000 万t 废弃混凝土, 日本约为1 600 万t, 中国约为4 000 万t[1], 而建筑工地噪音占城市噪音约1/3, 这对日趋恶化、不堪重负的环境无疑于雪上加霜。这就是Mehta[2]为什么会用“5 倍定律”来形象地描述混凝土结构耐久性设计的重要性之缘由, 即设计阶段对钢筋防护方面节省1 美元, 那么就意味着: 发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维修费5 美元; 混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费25 美元; 严重破坏时采取措施将追加维修费125 美元。Mehta 指出“如果我们能够生产出更耐久的产品, 就必定能大量地节省材料。例如今天建造的混凝土结构物若不是现在的50 年寿命, 而是250 年寿命, 那么混凝土业的资源利用效率就能提高5 倍。”
可见, 混凝土结构的耐久性问题已成为建筑业可持续发展的瓶颈。而可持续发展是人类社会发展中的重要认识成果, 其本质是努力地应用科学的、技术的、经济的知识, 去消除由于无节制的技术发展所造成的负面影响[4]。可持续发展的主要方面是通过保护和必要的消耗来更有效地利用资源, 控制使用资源, 使其达到良性循环, 或利用消耗材料的数量达到最小限度。实现混凝土结构在其全寿命周期内的成本最优化, 与环境和谐共生, 是解决混凝土结构耐久性瓶颈问题的唯一选择, 更是混凝土结构耐久性研究的发展方向。为此, 作者开展了混凝土结构的绿色耐久性研究, 提出了混凝土结构的“绿色耐久性”概念及“绿色耐久性”的设计与施工方法。
1 混凝土结构的“绿色耐久性”
所谓混凝土结构的“绿色耐久性”是指混凝土结构及其构件在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下, 在与其使用功能相匹配的全生命周期内抵抗大气影响、化学侵蚀和其它劣化过程, 既能保持其安全性和适用性, 又具有可检修性、可维护性、构件可替换性等环境属性, 达到适应环境变化、不增加环境负荷、不污染环境, 保护、治理与改善环境, 在结构报废时可拆卸和可重复利用等环境目标, 以及全生命周期成本最低的经济合理性等一系列的综合功能。
其中的“ 绿色”着眼于环境保护, 包括以下三个层次的内容:( 1) 混凝土结构构件由采用清洁的生产技术, 少用天然资源和能源, 大量使用工农业或城市固体废弃物和农作物秸秆, 生产无毒、无污染、无辐射性, 有利于环境保护与人体健康的“绿色建材”[5]构成。也就是说,“绿色耐久性”从源头上就注意消除污染。( 2) 结构体系在服役期内与环境相容共生, 既不增加环境负荷, 又能适应环境的变化。( 3) 结构体系在服役期满后, 拆除后可重复利用, 不会产生建筑垃圾, 不会污染环境。这表明,“绿色耐久性”在结构与环境之间构建了一种和谐关系——相容共生性, 见图1。混凝土结构“绿色耐久性”最核心的功能是其环境属性功能, 其它功能必须建立在此功能的基础之上。
可见, 混凝土结构“绿色耐久性”, 着眼于最大限度地综合利用自然资源和能源, 尽可能地提高生产效率, 降低能耗与各项消耗, 使混凝土结构的全生命周期成本最低; 竭力保护环境,维护生态平衡, 消除或尽量减少环境污染, 消除或最低限度产生建筑垃圾。其意义不仅仅是对混凝土结构自身的性能要求,不单单只是提高结构的使用生命, 还包括了结构对环境功能的影响、生产过程的资源、能源消耗与环境约束。这就是在现代人类文明意义下, 混凝土结构“绿色耐久性”的深刻内涵之所在,可持续发展为混凝土结构绿色耐久性赋予了更科学、更人性化、更丰富的内容。
2 基于SLCC 理论的混凝土结构绿色设计( GDSLCC)
混凝土结构“绿色耐久性”是混凝土结构具有多项性能的完美属性, 按照传统的设计方法是无法达到其绿色内涵的。作者认为, 基于结构生命周期成本理论( Theory of StructuralLife-Cycle Cost, SLCC) 的绿色设计[6(] Green Design) , 是混凝土结构“绿色耐久性”得以实现的最佳方法。这是因为, 绿色设计要求将降低结构整个生命周期内可能对环境带来的负面效应,从设计初期就加以详细研究与控制, 从根本上杜绝或尽可能减少。显然, 绿色设计贯彻的是一种防患于未然的思想, 即从结构的摇篮阶段—设计与施工就考虑了如何从根本上防治环境污染, 节约资源能源, 力求从源头上解决问题。而SLCC 理论着眼于结构全生命周期的成本最优化设计。因此, 基于SLCC 理论的混凝土结构绿色设计, 能够实现混凝土结构“绿色耐久性”的预定目标。为方便起见, 将此种设计方法命名为GDSLCC。
GDSLCC 的设计思路为: 以SLCC 理论为依据, 以结构的环境属性( 可回收性、可拆卸性、可维护性、可重复利用性等) 为核心,将全生命周期成本最优看作约束条件, 在此基础上保证结构应有的功能、质量、生命等不会因此而降低。其设计表达式如式( 1) 。
式中: V1, V2,……, Vn 分别为结构的可回收性、可拆卸性、可维护性、可重复利用性等环境功能; ! 为结构的可靠性即安全功能;W为结构的适用性功能。
结构生命周期成本由结构在其生命周期内的设计成本C1、建造成本C2、维护成本C3、维修加固成本C4、拆除成本C5 和可重复利用成本C6 等构成。
建造成本C2 包括结构施工成本, 因施工而引起的附加成本, 如环境污染费, 相关行业受施工影响产生的关联损失费等,按式( 2) 计算。
式中: Cj 为施工期第j 年的建造成本; m 为施工年限; i 为社会实际折现率。维护成本C3 指日常维护与保养所发生的费用, 设结构生命周期T 内每年的维护成本为A, 则
维修加固成本C4 需考虑维修的次数nk 与发生的频度fk,按式( 4) 计算。
式中: nk 按式( 5) 计算。
式中: Ck 为第k 次维修的费用; nk, fk 为与第k 次维修的对应次数与频度。
拆除成本C5 和可重复利用成本C6 可按式( 2) 计算, C6 主要包括结构可利用的构件、联结件、材料等的价值。
结构生命周期成本C 为以上成本之和, 即:
C=C1+C2+C3+C4+C5+C6 ( 6)
为了便于比较各方案的优劣, 可采用年值成本AV, 按式( 7) 计算。
AV=C×[i( 1+i) T]/[( 1+i) T- 1] ( 7)
于是, 结构生命周期成本的目标函数为
将式( 8) 作为( 1) 的约束条件, 或将( 1) 作为( 8) 的约束条件, 可得到相同的解, 因为它们是互为耦合的。
从以上的分析中可以看出, 与传统设计相比, GDSLCC 有如下特点:( 1) 拓宽了结构的生命周期。在传统设计方法中, 一个结构的生命周期局限于从设计到报废的众多阶段; 而GDSLCC 将结构生命周期延伸至再回收再利用以及处理。这就使得结构的生命与利用率陡然上升。( 2) 实现了并行闭环设计。传统设计方法中结构废弃后无后续步骤, 而GDSLCC 实现了废弃后的再回收利用。( 3) 维护了地球环境。这也是GDSLCC的最终目的。GDSLCC 将彻底扭转传统设计中排废排污量较大, 对生态环境造成破坏的负面影响, 维护生态系统的平衡, 是一种自然和谐的方案。( 4) GDSLCC 采用的是功能设计方法, 而传统设计采用的是强度设计方法。( 5) 传统设计往往注重于建造投资, 而 GDSLCC 确保结构在全生命周期内的资源、能源消耗总额最低。
GDSLCC 的核心技术主要包括拆卸设计与回收设计, 也就是与环境属性相关的功能设计。
拆卸设计就是在结构设计时, 考虑结构报废时能够从结构上有规律地拆下可用的构件与联结件, 同时保证不因拆卸过程造成构件与联结件的损伤。拆卸的目的大致可分为: 结构构件与联结件的重复利用, 构件的回收、材料的回收三类。有三种拆卸类型: 整体破坏型、部分破坏型和非破坏型。拆卸性主要从两方面来评价: 一是结构构件的拆卸难易程度; 二是拆卸过程耗费的时间、能量与费用。
回收设计指在结构设计时充分考虑结构构件、联结件及材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理工艺等与可回收性有关的一系列问题, 以达到构件、联结件以及材料资源和能源的充分利用, 并在回收过程中对环境污染为最小。这里回收不仅考虑最基本的材料回收, 更要关心在新结构中利用使用过的或废弃结构的构件、联结件及材料, 为广义的回收, 可获得良好的环境、社会以及经济效益。
3 基于GDSLCC 的绿色施工
与GDSLCC 相应的是绿色施工。包括以下几个方面:( 1)提高绿色建材的利用率。根据不同地方的资源配置情况, 使用相应的绿色建材尤其是绿色高性能混凝土GHPC。充分利用GHPC 高强、耐久且能大量利用工业废料、减少维修、改善和保护环境、节省资源等优良性能, 一方面力于混凝土结构构件的绿色化, 另一方面减少对水泥总量的需求, 从而减少向大气排放CO2, 减小对环境的压力。针对目前工程中大部分采用C60以下水泥混凝土的现状, 对C60 以下尤其是C30~C50 这样中等强度等级的混凝土进行绿色高性能化, 通过控制水灰比、含气量、气泡参数等措施开发出更多的高抗冻性, 抑制碱集料反应, 防止钢筋锈蚀, 低温、早强、免振自密实等等类型的GHPC。就钢筋来说, 要提高不锈钢钢筋、塑料钢筋等耐久性高的新型钢筋的使用率。( 2) 改进混凝土与钢筋的生产工艺。在加大对免振自密实混凝土开发力度的同时, 充分挖掘商品混凝土的发展潜力, 利用商品混凝土搅拌集中、价格相对便宜、质量易控制、便于集中消除现场产生的废料、污水、粉尘, 有利于加强废水的循环利用等优点, 把施工过程的各项污染指标控制在合理范围内。( 3) 报废混凝土结构的拆卸、回收与再生利用。美国爱达荷州一家房产公司利用回收的废物建造了一幢330m2 能够利用太阳能的住宅“资源保护屋”, 它不仅利用了垃圾, 而且解决了住房紧张和节省资源、保护环境之间的矛盾, 这种创新值得借鉴。研制先进的混凝土结构的拆卸技术与再生混凝土技术, 实现对废弃混凝土的再加工, 使其恢复原有的性能, 形成新的建材结构, 从而既能使有限的资源得以再利用, 又能解决部分环保问题。这是发展混凝土结构的“绿色耐久性”, 实现建筑业可持续发展的重要举措。
根据以上分析, 可绘出了混凝土结构“绿色耐久性”实施策略图, 见图2。
4 结语
混凝土结构“绿色耐久性”是一个十分复杂的系统工程, 只有真正融入社会日常生活行为的规范, 才能策动真正意义上的“可持续”的发展策略。面对全球范围内绿色思潮的风起云涌,我国混凝土结构耐久性必须领悟“可持续发展”设计的新观念。只有用“绿色耐久性”的全新理念指导混凝土结构的设计、施工与维修等各个环节, 才能合理地延长混凝土结构的使用生命,从根本上缓解修补和重建对资金的巨大需求, 最大限度地减少经济损失, 充分提高资源和能源的利用率, 缓解人类对原本就紧张的资源和能源需求所形成的巨大压力, 从而保护环境, 造福人类。实施混凝土结构“绿色耐久性”战略, 提高混凝土结构的绿色含量, 或加大其绿色度, 节约更多的资源、能源, 将对环境的破坏减到最少, 这不仅是为了混凝土结构工程的继续健康发展, 更是人类的生存和发展所必需, 是大有可为的。
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