揭示新型预制复合围护结构的最佳预制厚度：一种可持续性效率评估方法

《Journal of Building Engineering》：Unveiling optimal prefabricated thickness for novel precast composite enclosure structures: A sustainability efficiency assessment approach

PCES结构通过整合预制与现浇技术实现快速建造和高效结构，本研究构建碳-力学与成本-力学协同评估模型，揭示预制厚度比50%时实现结构性能提升1.47%与碳排放和成本仅增加1.1%和0.67%的最优方案，并证实高性能混凝土可将碳排放系数降低至10%以下逆转趋势。

　　

何秋峰|邱同|陈向生|陈坤阳|李爱东|卢林海

深圳大学土木与交通工程学院，中国深圳

摘要：

在高密度城市区域进行建设时，需要快速施工并提高结构完整性，这推动了预制复合围护结构（PCES）的创新，该结构结合了预制技术和现场浇筑技术的优势。然而，量化PCES的可持续性效益并确定其最佳预制厚度仍然具有挑战性，这往往会导致结构过度冗余或在减排努力中牺牲安全性。本研究提出了一个结合碳力学和成本力学的可持续性效率评估模型，研究了在不同预制厚度下PCES的性能，特别是单位抗弯能力方面的可持续性。主要发现包括：（1）最小预制厚度的PCES在使用阶段的抗弯能力（1217.98 kN·m）与传统现场浇筑围护结构（1216.19 kN·m）相当；（2）PCES减少了12.89%的温室气体排放和12.41%的成本。有趣的是，随着预制厚度的增加，排放和成本都会上升，因为预制生产和运输的需求增加了；（3）对于使用普通混凝土的PCES，预制部分占总厚度的50%可以在抗弯能力和可持续性之间达到最佳平衡，与最低排放成本方案相比，排放和成本仅分别增加了1.10%和0.67%，而抗弯能力提高了1.47%。这证明了可持续性效率模型在减轻单一指标决策偏见方面的有效性；（4）使用减排系数≥10%的高性能混凝土可以逆转排放趋势，在最大允许的预制厚度下实现最佳的可持续性效率。本研究为PCES提供了一个创新的可持续性效率评估框架，为高性能、低碳和成本效益的结构设计提供了理论指导。

引言

全球城市化[1]、[2]加剧了人口增长与土地稀缺[3]、[4]之间的矛盾，再加上城市产业集聚的“虹吸效应”[5]、[6]，导致了高密度城市的广泛出现。气候变化增加了自然灾害的频率[7]、[8]，要求这些城市的建筑围护结构不仅具有足够的结构安全冗余来承受外部荷载，还能够实现快速施工以最小化环境影响[9]、[10]。传统的现场浇筑围护结构（CISES）存在钢筋暴露[11]、工期延长[12]、材料浪费[13]和现场劳动力需求大[14]等问题。虽然存在完全预制的替代方案[15]、[16]、[17]，但它们带来了新的问题，如结构接头薄弱[18]、[19]、运输需求大[20]以及组件现场放置所需的大量土地[21]。因此，进一步优化围护结构施工技术对于满足当代高密度城市的高质量建设需求至关重要。

在这种背景下，预制复合围护结构（PCES）作为一种变革性技术应运而生，并已在中国济南成功试点[22]、[23]。如图1所示，这种半预制系统将现场浇筑（CIS）隔墙与预制复合墙（PCW）[24]结合在一起。PCW在现场组装，混凝土浇筑在两者之间和CIS隔墙上，形成一个整体的围护系统。研究通过对其机械性能[25]、变形模式[26]、失效机制[26]、[27]以及复合界面对PCES承载能力的影响[29]的调查，证实了PCES的结构可行性。此外，研究还强调了其出色的防水性能、快速施工效率[30]和高结构完整性[31]、[32]。因此，PCES被认为是适用于高密度城市建设的有前景的技术，可用于建筑地下室[33]、停车场[34]和地铁站[35]。

然而，与PCES机械性能相关的温室气体（GHG）排放需要进行全面分析。鉴于可持续性在结构设计中的日益融合以及严格的环境法规[36]、[37]、[38]，高排放的PCES将面临严厉的处罚，从而增加项目成本。然而，仅基于GHG排放或成本指标来设计PCES可能会因材料过度减少而影响结构完整性[39]；相反，过分强调安全冗余将大幅增加施工成本和碳排放。因此，对复杂自然环境中PCES的可持续性评估必须结合结构机械性能。

尽管现有研究已经调查了PCES的机械行为及其在成本和减排方面的优势[40]、[41]，但仍然缺乏将可持续性与机械性能相结合的全面评估。尽管作者团队已经研究了完全预制隔墙的单位机械性能的GHG排放效率[42]，但PCES是一个混合系统，其系统边界和机械特性与完全预制解决方案有根本不同。因此，迫切需要创建一个协调的评估框架，将可持续性与结构性能联系起来。该框架对于确定预制层和现场浇筑层之间的最佳厚度比、协调两种施工供应链以及实现高强度、低成本的PCES设计至关重要。因此，本研究通过以下方式做出贡献：

(1)

建立PCES的碳力学和成本力学评估模型，以揭示其单位机械性能的可持续性效率。

(2)

阐明预制厚度与可持续性性能/效率之间的关系，从而为在复杂自然条件下设计高强度、低碳和低成本的结构提供科学依据。

(3)

量化预制混凝土的碳排放系数对可持续性效率的影响，从而为未来在PCES中应用高性能混凝土提供理论支持。

本研究的结构如下。第2节回顾了现有的预制构件可持续性评估方法，并概述了PCES的生命周期过程，为理论模型开发提供了基础。第3节构建了可持续性效率评估框架。第4节评估了一个采用PCES的示范项目，考察了其机械性能、GHG排放、成本和可持续性效率，并进行了敏感性分析。第5节讨论了主要发现，最后一部分总结了本研究。该研究为复杂自然环境中PCES的高强度、低碳和低成本建设提供了宝贵的见解。

部分摘录

预制构件的可持续性评估

现有的预制构件可持续性评估框架主要采用四种方法：清单分析[41]、[43]、[44]、[45]、[46]、大数据预测[47]、[48]、以成本效益为导向的碳强度评估[49]、[50]和挣值评估[51]。这些方法要么关注单一的碳指标，要么整合经济指标，一致认为减排依赖于材料的最小化或低碳材料的替代。

方法论

根据对PCES施工程序的分析，首先使用部分生命周期方法构建了GHG排放和施工成本的可持续性评估模型。随后，基于之前的机械测试，构建了PCES的抗弯性能评估模型。然后将这些可持续性和机械模型结合起来，建立碳力学和成本力学模型。

结果

本节对比分析了不同预制厚度的CISES和PCES的机械性能、可持续性效益和可持续性效率。

讨论

本节进一步从多个维度对PCES和CISES进行了全面比较，包括机械性能、可持续性效益和可持续性效率，关键发现总结在图14中。在此基础上，进一步讨论了PCES技术的未来发展前景。

PCES和CISES都采用了双层结构，其中隔墙在施工过程中承受荷载，而结构外墙则承担...

结论

对于这种结合了现场浇筑（CIS）和预制施工技术的新颖预制复合围护系统（PCES），本研究提出了一个结合碳力学和成本力学指标的可持续性效率评估框架。该评估框架解决了单一指标评估的局限性，为PCES在复杂自然环境中的应用提供了更可靠的可持续性评估。基于这一框架，本研究...

作者贡献声明

卢林海：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。陈坤阳：撰写 – 审稿与编辑、方法论。李爱东：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、方法论。邱同：资源管理、资金筹集、数据整理、概念构思。陈向生：监督、项目管理、资金筹集。何秋峰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资金筹集、概念构思

资助

本研究得到了国家自然科学基金 [资助编号 524B2123, 51938008, 52090084, 52308410, 52478405]和深圳市科技创新委员会项目[资助编号 20220811111306001]的支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢编辑和匿名审稿人提出的宝贵且建设性的建议，这些建议有助于改进本文。