中国建筑业目前正面临非常大的减碳压力。以2020年数据为例,全国建筑全过程碳排放总量为50.8亿吨二氧化碳,占全国碳排放总量的50.9%。特别是建材生产阶段、施工阶段、运行阶段的碳排放分别占全国碳排放的28.2%、1%和21.6%,其中在生产阶段钢铁和水泥碳排放分别占全国碳排放的14.7%和12.3%。由此可见,降低建筑领域的碳排放既是实现国家双碳目标的关键,也是落实国家双碳目标的必然要求。
结构材降碳作用明显
结构材生产过程能源消耗量小,碳排放水平低,尤其是与钢材和水泥等传统建筑高耗能材料相比,节能降碳作用明显。当前条件下,生产1吨水泥约排放500—600千克二氧化碳当量,生产1吨钢材约排放1200—2000千克二氧化碳当量,而生产1立方米结构用集成材(基于我国当前生产水平)仅排放200—250千克二氧化碳当量。如果集约化、连续化、标准化、自动化生产,结构用集成材生产的二氧化碳排放量还能再降低45%以上。此外,木材生产过程中产生的边角料、废次品均可以作为生物质燃料使用,替代化石能源同时还可提高木材利用率。因此,通过更大范围使用木制品,使建筑业逐步形成“以木减钢、以木减砼”良好局面,降低我国建材生产阶段的碳排放。
木材是一种高效廉价的碳封存体,而结构材则是一种长期稳定的碳储存体。树木在生长期通过光合作用吸收二氧化碳,将碳固定在木材中。在合理控制采伐量和生长量平衡的条件下,木材可以成为一种永不枯竭的碳封存体。使用木材制造的结构材,在使用过程中又是一种碳储存体,使用寿命(至少30年)结束后有些可以制造成绿色板材继续作为储碳体存在,有些可以作为生物质燃料使用来替代化石能源。经初步测算,每立方米实木类结构材的平均固碳量约800—900千克二氧化碳当量,每立方米结构用人造板的平均固碳量约1000—1200千克二氧化碳当量。使用结构材本身的固碳量,去抵消结构材生产阶段的碳排放,便可知结构材就是一种天然可再生的优质“负碳性”建筑材料。
现代木结构建筑是绿色低碳建筑的首选。以一栋建筑面积为3328平方米木混组合结构办公楼为例,该建筑木材使用量约占建材总量45%,设计使用年限50年。经初步核算,该建筑物化阶段、运行阶段和全生命周期碳排放量分别为856.45吨、2577.85吨和3435.8吨二氧化碳当量;除去木材本身储碳量,该建筑全生命周期碳净排放量为2813.17吨二氧化碳当量;与等效钢混结构建筑相比,该建筑全生命周期减排量约561.42吨二氧化碳当量,降幅达14%。这里没有考虑建筑能效等同条件下钢混结构的建筑材料增加量、室内空间变化对能耗的影响程度以及建筑拆除后再处理的能耗等变量。该建筑废弃拆除后,木材都可以再利用,综合材料规格大小和完好程度等因素,首先选择制作家具,其次是加工成刨花板、木塑复合材等,再者是制备纸浆,最后可制作工艺品或装饰部件等。
现代木结构建筑的减排潜力
现代木结构产业化发展已30多年,质量水平和施工能力都有了很大提升。近5年木结构建筑总施工面积已经接近1500万平方米,其中2023年建造量未达到前5年的平均值。虽然与钢混、轻钢结构建筑施工面积相差很大,但是其应用领域在不断地拓展,亮点频出,有些达到了世界级水平,大有未来木结构看中国之势。比如,在学校建筑方面,有成都青白江小学、都江堰向峨小学等案例;在桥梁方面,有滨州飞虹桥、胥江景观桥等案例;在城市展厅方面,有海口市民游客中心、曹妃甸国际生态城、弘阳都江府建筑艺术馆、云山艺术馆等案例;在寺庙建筑方面,有杭州香积寺、柳州开元寺、上海法华学问寺等案例;在酒店宾馆方面,有天津悦海酒店、宁夏宝丰酒店等案例;在游乐设施方面,有天津欢乐谷、芜湖方特欢乐世界等案例;在社区服务中心方面,有重庆龙湖长滩原麓社区中心、鄢陵建业君邻大院时光馆等案例;在公寓和办公多高层方面,有宝源木业公寓楼、鼎驰办公楼等案例;在交通枢纽方面,有嘉兴银杏天鹅湖第二车站等案例;在大跨度建筑方面,有成都农博园、太原植物园等案例;在体育场馆方面,有上海崇明岛游泳馆、贵州榕江游泳馆等案例;在乡村建设、文旅项目等方面,有稻城亚丁村蓝月山谷、崇州道明竹里、丽江美林水城等案例。
双碳和存量背景下,未来建筑业发展的主要方向将是绿色建筑增量和城市更新。木结构建筑在低层、多高层建筑中应用前景广阔。木结构建筑作为一个碳储存库,在城市中的每一栋木结构建筑就是一棵“树木”,成片木结构的社区就是城市中的一片“树林”,一座木结构之城就是一大片“森林”。建造木结构建筑,不仅可以减少对矿石资源的过度开采,减少对生态环境的破坏,还可以提高建筑业的减排能力,增加木材产品的储碳周期。
以一年建造2000万平方米木结构建筑用于低能耗绿色建筑和城市更新目标为例。按照每平方米建筑0.3—0.5立方米用材量,这个建筑量大约需要600万—1000万立方米木材产品(不足2022年我国木材产量的1/10)。使用同样面积的钢混结构建筑,按多层框架结构计,当前平均耗材量(每平方米建筑用钢量约30千克、水泥量约180千克),2000万平方米钢混建筑用钢量60万吨、水泥量360万吨。相对来说,木结构建筑用金属连接件数量较少,材料运输产生的碳排放较小,都暂不作涵盖。通过使用木结构建筑的建造策略,生产阶段可以节约排放150—200万吨二氧化碳。现代木结构建筑主墙体传热系数一般在0.2—1.0瓦/平方米·度,视墙体构造而异。对于普通钢混结构建筑,假设在同等的窗墙面积比和围护结构厚度情况下,同时在保障结构安全前提下允许尽可能增大保温层厚度,再考虑冷热桥效应,它墙体的传热系数与木结构墙体相比至少相差1—2倍。按照这种方式使用,保守估计在运行阶段(50年)节约排放600—1000吨二氧化碳。全生命周期内2000万平方米木结构建筑将至少减少排放750万—1200万吨二氧化碳,这是实实在在的减排效果。此外,这些木材产品至少可固定600万—1000万吨二氧化碳30年以上。这些减排和固定的二氧化碳量,大致相当于50万亩以上森林生长50年吸收的二氧化碳量。
以木减钢、以木减砼的林业方案
世界各国正努力促进木材在建筑中的应用,引导建筑朝着气候友好、可持续发展和碳中和的方向发展。日本2010年推出了《公共建筑等木材利用促进法》,鼓励国家和地方在公共建筑中使用木结构,截至2020年日本木结构住宅已占住宅存量面积的67%左右;芬兰到2025年之前公共建筑使用木结构建筑的比例达到45%,2020年芬兰木结构市场份额已占28%;法国到2030年之前使用生物来源材料(以木材为主)的重大翻新或新建公共建筑项目比例至少达到25%,后又提议提高至50%;瑞典2023年起要求新建筑需提供整个生命周期隐含碳才可获得建筑规划许可,并将于2027年开始实施建筑隐含碳限值。
我国已经开始重视了这一发展领域,2021年国家林草局和发改委发布了《“十四五”林业草原保护发展规划纲要》,明确指出要培育木竹结构建筑和木竹建材新兴产业。国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案的通知》强调,工业领域碳达峰需要优化产业结构,推动建材行业碳达峰,加强木竹建材等低碳建材产品研发应用。随着我国双碳战略目标的出台,以及在生态文明和绿色发展理念指导下,我国应充分发挥木结构建筑在节能降碳、节约资源、构建绿色生态人居环境等方面的重要作用,为建设低碳社会和人民的安居生活贡献力量,以彰显切实关注人民群众的幸福感和获得感的时代价值。
建议国家层面制订我国结构材2025—2045年发展规划,可按两个阶段分步实施。第一阶段,建立以进口针叶材和国产结构用人造板为主的结构材原料供应体系。进口针叶材要保证600万立方米进口量不降低,主要为俄罗斯樟子松,北美洲花旗松、云杉等,欧洲云杉、赤松等,以及澳洲辐射松,结合国内供应不断优化进口材结构布局,倡导进口来自森林可持续经营的国家或地区。重点提高国产制造胶合结构材的装备和工艺水平,产出质量稳定的结构材产品。目前,国产结构用人造板完全可以自给自足,比如桉木胶合板、杨木胶合板以及定向刨花板。SIP保温板性能和产量也可满足产业需求。第二阶段,建立国产材为主、进口材为辅的结构材原料供应体系。各省对成熟林(包括过熟林)进行区域与整体性评估,针对生长量和覆盖率等关键指标提出不降低森林蓄积量的更新规划。第一期,针对落叶松、杉木制定“4050”采伐政策(即径级40以上、树龄50年以上),采伐强度结合森林经营计划来确定,科学提出采伐指标、空间范围以及补植计划,在此基础上不断优化提出结构材目标树森林经营理念和方法,形成300万—400万立方米的供应量;第二期,逐步调整采伐政策,扩大供应量,同时树种扩增到更大范围,比如马尾松、云杉等,在此过程中还可以逐步探索研究森林结构、采伐等经营方式与森林防火、松材线虫病等林业重大灾害发生的关系难题。
林草领域内,在全国自然保护地特别是森林公园建设中,对于科学观测站、管护房以及游客中心等基础设施,提出木材使用最低限指标要求,最大化使用木材及木结构建筑,减少钢筋、水泥等建筑材料的使用。制定林地资源利用的激励政策,对于不在当年采伐范围的林地,通过人工清理的方式把林下废弃的树枝、草叶等易燃物进行集中收置。在附近村镇进行试点,以枝丫材、间伐材、树叶树皮和秸秆等各类生物质材料为生产原材料,制造生态建材,应用于生态修复、园林道路、景观等领域,实现保护地木材“不出地”的自产自用。生态建材制造装备要偏向小型化、移动化、智能化,适宜村镇推广应用。对于自然保护地内部和周边的村庄,按照合理规划,保存地方传统特色,结合乡村振兴,进行木结构建筑新建、复建或翻建等更新措施,建设可循环利用村庄试点示范。
林草领域外,与住建部门合作,出台木结构建筑专项发展规划,具体到推广领域、范围及面积等,借鉴国际经验制定低层、中小型公共建筑等适合场景和环境木材利用促进法案,推出从林到“林”计划,让从森林来的木材,再一次以建筑形式矗立在城市之中。在城市更新中特别是政府投资设施工程和建筑项目,特别是小建筑、大跨度单层建筑、低层或多层建筑的开放性空间,以及多层建筑的非结构性室内空间,可以优先使用木结构及组合/混合结构建筑,计入地区固碳减排总量。引导当地打造木结构社区、木结构之城。通过上述政策措施,力争在2030年碳达峰前现代木结构建筑年施工面积突破2000万平方米,在2030—2045年年施工面积在此基础上每年增长10%,达到5000万平方米,形成木结构良性生态市场环境。2045年以后至碳中和前应继续保持稳定增长,逐步形成中国特色建筑可持续发展格局。
