建筑墙体需要承受荷载、抵抗地震,也会在材料生产与建造过程中产生碳排放。如果改变墙体的材料组合,能否把结构性能与材料用量放到同一张设计图上?这篇研究选择钢丝网混凝土夹芯墙,尝试连接这两类目标。

把一面墙拆开看看

这种夹芯墙由两侧混凝土面层、中间 EPS 芯层,以及钢丝网和斜向连接件等组成。面层与连接构造共同承担结构作用,芯层则形成较轻的夹芯组合。原图展示了各层如何排列、相互连接。

为了认识地震中的表现,研究采用增量动力分析,跟踪不同地震强度下的位移与剪力需求,并结合分位数回归描述响应分布。分位数可以理解为在一组可能结果中,选择不同位置的代表值,从而表达设计所关注的不同把握程度。

“立即使用、生命安全、防止倒塌”可以理解为从功能保持到严重损伤控制的不同要求。对应同一场地条件,不同目标会允许不同的变形水平,也会影响墙体所需尺寸。论文将这些性能目标与动力分析结果衔接,目的在于让材料用量的确定有明确的结构依据:先说明需要达到什么表现,再求相应的受力与变形需求,最后形成可以计算材料数量的设计方案。

钢丝网混凝土夹芯墙的分层与连接构造。两侧面层、芯层和斜向连接件共同组成墙体体系。
图 1|钢丝网混凝土夹芯墙的分层与连接构造。两侧面层、芯层和斜向连接件共同组成墙体体系。 来源:原论文图。

从地震需求,一步步走到材料用量

论文把立即使用、生命安全和防止倒塌等性能目标,与墙体响应及几何尺寸联系起来。给定设计目标后,可以由地震需求确定所需墙体配置,再计算相应材料带来的隐含碳排放。

原图中的强度—剪力关系及分位数曲线,是这条路径中的动力分析环节。它把输入地震强度和墙体受力需求连在一起;后续的尺寸设计,则进一步把受力需求转化为混凝土和钢材等材料用量。

分位数曲线描述的也不是一条唯一结果。同一地震强度下,不同输入会得到一组响应;处在较高分位的曲线,对应这组响应中较高的需求水平。设计者因此能够结合目标,比较不同需求水平下所需的墙体配置。图中的曲线越往上,进入后续尺寸设计的受力需求也相应变化,这把地震响应的离散性保留到了材料用量与碳排放计算中。

地震强度与墙体剪力需求的关系及分位数曲线。它们将动力分析结果转化为不同设计把握程度下的受力需求。
图 2|地震强度与墙体剪力需求的关系及分位数曲线。它们将动力分析结果转化为不同设计把握程度下的受力需求。 来源:原论文图。

抗震要求与低碳目标一起进入设计

在论文采用的对比条件与算例中,夹芯墙的隐含碳排放比钢筋混凝土墙低 41.19%。同时,抗震需求提高会推动材料用量增加,相应碳排放也随之变化。

这项研究提供的是一条可追踪的设计链:地震强度影响响应,性能目标约束尺寸,尺寸决定材料用量,材料再对应碳排放。沿着这条链比较方案,可以更清楚地讨论墙体在安全、功能和材料效率之间的配合。

隐含碳排放关注材料生产和建造相关环节,与建筑使用期间的能源消耗属于不同的账目。墙体配置确定后,可以按各类材料数量和相应排放因子汇总。这样,若设计目标提高导致材料增加,碳排放的变化来源就能够被追踪;若换用夹芯体系降低了某些材料需求,其贡献也可以明确比较。性能评价与材料核算共用一套设计条件,是这条方法链的重要价值。