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摘 要：云南梁河（8度，0.20g）某高层剪力墙结构住宅，在分别采用基础隔震结构和传统抗震结构并基本满足相关现行规范设计要求的情况下，定量对比上部结构的钢材及混凝土消耗量，进而分析基础隔震技术能给项目建筑结构带来的原料消耗和废物（粉尘、SO2、NOx、HF、CO2等）排放量的减少量。分析表明在本项目中，基础隔震技术可以使建筑结构的单方钢材和混凝土用量分别减少18.86kg和0.1m3，节能减排效果明显，可显著改善建筑结构的绿色度。
关键词：基础隔震；建筑材料能耗；废物排放量；节能减排
中图分类号：TU318 文献标识码：B
Embodied Energy Analysis of A base-isolated high-rise residential building
Chen Tao1， Qin Yun1，2， Liu Hong1
（1.Yunnan university， Kunming 650091 China；2.Kunming Architectural Design And Research Institute Co ，Ltd， Kunming650011 ）
Abstract：A high-rise shear wall residential building is located in Lianghe（8 degree，0.2g） in Yunnan Province. Through the comparison for the consumption of steel and concrete from superstructure under the conditions of using base isolation design and traditional seismic design respectively for its superstructure which match the standard requirement mostly， point out the reduction of the materials used and waste emissions quantitatively ，and work out the reduction in raw materials and waste（dust，SO2，NOx，HF，CO2and so on ）because of base isolation technique used in this project .The analysis shows that ： the steel and concrete consumption of solar square fell 18.86kg/m2 and 0.1m3/m2； energy - saving and emission reduction is evident， and the green degree of the construction has been significantly improved .
keywords：base isolation； the energy consumption of building materials； Waste emissions；energy-saving and emission reduction
0.引言
我国人口众多，人均资源量相对匾乏，总体上讲，一方面，我国是个资源相对缺乏的国家，另一方面，由于生产力发展水平等因素限制，与发达国家相比，我国产品的能耗水平较高，例如钢材高出10%--25%、每立方米混凝土需多用水泥80公斤、污水回用率仅为25%等。近年来，我国每年新建房屋面积高达17～18亿平方米，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和[1]。目前，我们的新建建筑结构以钢筋混凝土结构为主，结构中所用主要建筑材料——混凝土和钢筋，在生产过程中都面对高能耗、严重的资源消耗和环境污染等问题。据统计[2][3]，我国每吨钢材原料消耗量和主要废物排放量如表1所示，每立方米混凝土所需主要原材料如表2所示。
建筑材料消耗因建筑结构、功能、用途等不同而有所不同。选择合适的建筑结构体系、抗震措施等对建筑结构的材料消耗量可以起到较好的控制作用。作为绿色建筑结构技术，基础隔震技术是建设部重点推广的新技术之一，隔震体系能够减小结构的水平地震作用，已被理论分析和国内外强震记录所证实。
在高烈度地区，采用基础隔震技术后，随着结构所需承担的水平地震作用的降低，钢筋混凝土上部结构的抗侧力构件数量、构件截面和钢筋用量均会减小；当减震系数合适时，抗震措施也可适当降低。本文结合云南梁河某高层剪力墙住宅工程实例，以具有可对比性的基础隔震结构和传统抗震结构为研究对象，定量分析和比较两者上部结构的主要建筑材料消耗量差异，为工程实践提供参考。
1.工程概况
云南梁河某工程，地上19层，建筑结构高度57.1m，宽23.7m，高宽比2.41，建筑平和剖面如图1和2所示。抗震设防烈度8度（0.20g），标准设防类（丙类），设计地震分组第三组，Ⅲ类建筑场地，场地特征周期0.65s。使用活荷载严格按《建筑结构荷载规范》[7]GB 50009-2001执行；基本风压0.35kN/m2，地面粗糙度类别按C类设计。设计计算考虑偶然偏心和双向地震作用。
2.结构模型
本文所用传统抗震结构和基础隔震结构模型，均为基本满足现行相关规范要求的，基本消除了人为干扰因素所致的偏差，具体情况如下：
2.1标准层剪力墙对比
两种结构模型结构平面布置见图1。隔震设计时，将隔震垫设置于一层楼板（±0.000m）以下2.1m处，并设置相应的转换层，本工程共使用了50个支座；上部结构共设7个标准层，剪力墙厚度除第一标准层局部为250mm厚外，其余均为200mm厚；传统抗震设计中，上部结构的剪力墙全部落地；上部结构同样设7个标准层，1～3标准层剪力墙以300mm、250mm为主，局部达到400mm，第4标准层以上剪力墙厚度均为200mm。主要标准层的剪力墙厚度及墙体面积与楼层面积比详如表3所示； 两种结构模型中，隔震结构设置的转换层（层高2.1m）与传统抗震设计结构模型底层（层高4.8m）略有差异外，其余楼层的标高与层高均相同。层高对比详表4。
两种情况下的混凝土强度等级如表5所示。结合建筑功能需求，采用全剪力墙结构，基础隔震分析所得最大水平向减震系数为0.397<0.40，由此确定，基础隔震设计后上部结构的水平地震作用影响系数最大值为0.397X0.16/0.8=0.079，实际取用0.08，除与抵抗竖向地震作用相关的抗震措施（主要为轴压比）外，其它抗震措施按7度（0.10g）确定，剪力墙抗震等级三级（传统抗震结构时为二级）。由表3可知，采用基础隔震技术后，剪力墙体的面积约减少为传统抗震设计时的一半。
2.2结构分析基本信息比较
实际工程设计中，当采用ETABS完成隔震分析后，均采用SETWE软件（2010年8月版）进行后续分析和设计，两种模型的结构分析基本信息如表6和表7所示。
2.3楼层剪力对比
传统抗震设计时，计算所得的各楼层地震剪力系数均大于3.2%，满足《建筑抗震设计规范》[8]GB50011—2010，第5.2.5条对最小地震剪力系数的要求； 隔震设计时，上部结构第1～3楼层的地震剪力系数不满足5.2.5条的要求，具体应用于设计时，需进行全楼放大调整，X向和Y向的调整系数分别为1.071和1.098。
在符合规范要求的反应谱和7条地震波（中震）作用下，有、无隔震装置建筑结构的X向层间剪力沿楼层的分布如图3所示（Y向地震剪力分布情况与X向一致），从图中可见，有隔震装置时，质量均匀的本项目结构的层间剪力分布为直线，表明各楼层质量产生的地震力系数可认为是常数；传统结构的地震剪力分布为曲线，且上部楼层质量产生的地震力系数相对较大些。数据也表明，两种结构质量相对比较均匀，平面及竖向比较规则。
3.建材消耗及环境影响评价
3.1建材消耗对比
结构计算分析所得上部结构各楼层和总的钢筋及混凝土用量分别如图4和表7所示。
由于结构做法差异，隔震结构需在隔震装置上增加一层楼板，导致隔震结构的自然层较传统结构多一层，而传统结构的
底层层高较隔震结构的高1.8m。为方便比较，本文将隔震结构底部转换层梁及柱的混凝土和钢材用量分别并入上一楼层的梁及剪力墙的用量中，从而可使两种结构中的楼层数均按20层计。
由图4可见，剪力墙所用混凝土和钢材的差异在建筑结构的中下部反映较为明显。梁所用混凝土及钢材，除在底层隔震结构较传统结构的多以外，两者在其余楼层均较为接近，总体上，隔震结构梁所用混凝土和钢材较传统结构的略多，其原因在于对于隔震结构：1）底部需增加一层梁板，而且作为转换梁，其截面尺寸及配筋均较大；2）剪力墙数量减少，导致梁的数量增多、跨度增大。传统结构楼板的钢材及混凝土用量略多，但其差别可以忽略不计，微小差别的原因在于：1）传统结构的混凝土标号一般会更高些，导致构造配筋量略有增加：2）传统结构楼面洞口周边楼板局部加厚的可能性更大，可能导致构造配筋增加。
两种结构形式总的钢材和混凝土用量统计如表8所示，采用隔震技术可以降低上部结构所需的建筑材料，本项目共可节约混凝土856.3m3、钢筋173.6吨，单方钢材和混凝土量分别减少18.86kg和0.1m3，较传统结构分别减少31%和25%，效果明显。
3.2环境影响评价
节约的建筑材料的资源消耗及废物排放量见表9和表10。
4.结论及讨论
两个基本满足规范设计要求的基础隔震结构和传统抗震结构的原材料、能耗及污染物排放量对比分析表明：
（1）对于8度（0.20g）、Ⅲ类场地土上的本项目，采用基础隔震技术，分别可以减少钢材和混凝土单方用量18.86kg、0.1m3，较传统结构分别减少31%和25%，节能减排效果明显，显著改善了建筑结构的绿色度。
（2）与传统抗震结构相比，钢材及混凝土用量的减少主要表现在钢筋混凝土剪力墙上，采用基础隔震结构技术后，钢筋混凝土剪力墙体的面积约可减少为传统结构的一半；两者梁、板的钢材和混凝土用量则基本持平。
（3）文中所依据的混凝土和钢材的物化能耗数据是全国的平均值。按照我国的经济特征，云南属于大西南综合经济区，是中国钢铁产业和水泥产业能耗强度最高的地区之一，原材料及能耗水平均较高，由此可以推论，在云南地区采用基础隔震技术将具有更大的节能、减排和环境效益；
（4）这里，仅对上部结构的建筑材料消耗以及其对应的物化能耗进行了对比分析和评价，事实上，由于结构自重和刚度的减小，基础隔震技术无疑会降低对隔震层以下结构、基础的要求，减少这些部位结构的材料需求。对隔震层以下结构及
基础、材料运输过程中的能耗差异的对比尚未定量涉及，有待在今后的研究中探讨。
参考文献
[1] 百度百科.建筑节能[EB/OL]
[2] 周锡铃、杨加、张胜.以生态混凝土推进低碳城市建设[J].混凝土，2011（10）：98-100.
[3] 未保仁、八木田浩史.中国水泥业能源需求和CO2排放量情景分析[J].中国水泥，2007.6.
[4] 刘维维、栾景丽、何艳明等.水泥工业节能减排措施及节能量分析[J].环境科学导刊，2012.31（3）72-74.
[5] 汪澜.再论中国水泥工业CO2的减排[J].中国水泥，2008.2.36-38.
[6] 帅小根、李慧强、郑砚国等.混凝土物化能耗及资源消耗影响[J].武汉理工大学学报，2010.32（7）144-146
[7] 建筑结构荷载规范（GB 50009-2001）[s].中国建筑工业出版社，2001.
[8] 建筑抗震设计规范（GB500-2010）[S].中国建筑工业出版社，2010.
关键词：基础隔震；建筑材料能耗；废物排放量；节能减排
中图分类号：TU318 文献标识码：B
Embodied Energy Analysis of A base-isolated high-rise residential building
Chen Tao1， Qin Yun1，2， Liu Hong1
（1.Yunnan university， Kunming 650091 China；2.Kunming Architectural Design And Research Institute Co ，Ltd， Kunming650011 ）
Abstract：A high-rise shear wall residential building is located in Lianghe（8 degree，0.2g） in Yunnan Province. Through the comparison for the consumption of steel and concrete from superstructure under the conditions of using base isolation design and traditional seismic design respectively for its superstructure which match the standard requirement mostly， point out the reduction of the materials used and waste emissions quantitatively ，and work out the reduction in raw materials and waste（dust，SO2，NOx，HF，CO2and so on ）because of base isolation technique used in this project .The analysis shows that ： the steel and concrete consumption of solar square fell 18.86kg/m2 and 0.1m3/m2； energy - saving and emission reduction is evident， and the green degree of the construction has been significantly improved .
keywords：base isolation； the energy consumption of building materials； Waste emissions；energy-saving and emission reduction
0.引言
我国人口众多，人均资源量相对匾乏，总体上讲，一方面，我国是个资源相对缺乏的国家，另一方面，由于生产力发展水平等因素限制，与发达国家相比，我国产品的能耗水平较高，例如钢材高出10%--25%、每立方米混凝土需多用水泥80公斤、污水回用率仅为25%等。近年来，我国每年新建房屋面积高达17～18亿平方米，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和[1]。目前，我们的新建建筑结构以钢筋混凝土结构为主，结构中所用主要建筑材料——混凝土和钢筋，在生产过程中都面对高能耗、严重的资源消耗和环境污染等问题。据统计[2][3]，我国每吨钢材原料消耗量和主要废物排放量如表1所示，每立方米混凝土所需主要原材料如表2所示。
建筑材料消耗因建筑结构、功能、用途等不同而有所不同。选择合适的建筑结构体系、抗震措施等对建筑结构的材料消耗量可以起到较好的控制作用。作为绿色建筑结构技术，基础隔震技术是建设部重点推广的新技术之一，隔震体系能够减小结构的水平地震作用，已被理论分析和国内外强震记录所证实。
在高烈度地区，采用基础隔震技术后，随着结构所需承担的水平地震作用的降低，钢筋混凝土上部结构的抗侧力构件数量、构件截面和钢筋用量均会减小；当减震系数合适时，抗震措施也可适当降低。本文结合云南梁河某高层剪力墙住宅工程实例，以具有可对比性的基础隔震结构和传统抗震结构为研究对象，定量分析和比较两者上部结构的主要建筑材料消耗量差异，为工程实践提供参考。
1.工程概况
云南梁河某工程，地上19层，建筑结构高度57.1m，宽23.7m，高宽比2.41，建筑平和剖面如图1和2所示。抗震设防烈度8度（0.20g），标准设防类（丙类），设计地震分组第三组，Ⅲ类建筑场地，场地特征周期0.65s。使用活荷载严格按《建筑结构荷载规范》[7]GB 50009-2001执行；基本风压0.35kN/m2，地面粗糙度类别按C类设计。设计计算考虑偶然偏心和双向地震作用。
2.结构模型
本文所用传统抗震结构和基础隔震结构模型，均为基本满足现行相关规范要求的，基本消除了人为干扰因素所致的偏差，具体情况如下：
2.1标准层剪力墙对比
两种结构模型结构平面布置见图1。隔震设计时，将隔震垫设置于一层楼板（±0.000m）以下2.1m处，并设置相应的转换层，本工程共使用了50个支座；上部结构共设7个标准层，剪力墙厚度除第一标准层局部为250mm厚外，其余均为200mm厚；传统抗震设计中，上部结构的剪力墙全部落地；上部结构同样设7个标准层，1～3标准层剪力墙以300mm、250mm为主，局部达到400mm，第4标准层以上剪力墙厚度均为200mm。主要标准层的剪力墙厚度及墙体面积与楼层面积比详如表3所示； 两种结构模型中，隔震结构设置的转换层（层高2.1m）与传统抗震设计结构模型底层（层高4.8m）略有差异外，其余楼层的标高与层高均相同。层高对比详表4。
两种情况下的混凝土强度等级如表5所示。结合建筑功能需求，采用全剪力墙结构，基础隔震分析所得最大水平向减震系数为0.397<0.40，由此确定，基础隔震设计后上部结构的水平地震作用影响系数最大值为0.397X0.16/0.8=0.079，实际取用0.08，除与抵抗竖向地震作用相关的抗震措施（主要为轴压比）外，其它抗震措施按7度（0.10g）确定，剪力墙抗震等级三级（传统抗震结构时为二级）。由表3可知，采用基础隔震技术后，剪力墙体的面积约减少为传统抗震设计时的一半。
2.2结构分析基本信息比较
实际工程设计中，当采用ETABS完成隔震分析后，均采用SETWE软件（2010年8月版）进行后续分析和设计，两种模型的结构分析基本信息如表6和表7所示。
2.3楼层剪力对比
传统抗震设计时，计算所得的各楼层地震剪力系数均大于3.2%，满足《建筑抗震设计规范》[8]GB50011—2010，第5.2.5条对最小地震剪力系数的要求； 隔震设计时，上部结构第1～3楼层的地震剪力系数不满足5.2.5条的要求，具体应用于设计时，需进行全楼放大调整，X向和Y向的调整系数分别为1.071和1.098。
在符合规范要求的反应谱和7条地震波（中震）作用下，有、无隔震装置建筑结构的X向层间剪力沿楼层的分布如图3所示（Y向地震剪力分布情况与X向一致），从图中可见，有隔震装置时，质量均匀的本项目结构的层间剪力分布为直线，表明各楼层质量产生的地震力系数可认为是常数；传统结构的地震剪力分布为曲线，且上部楼层质量产生的地震力系数相对较大些。数据也表明，两种结构质量相对比较均匀，平面及竖向比较规则。
3.建材消耗及环境影响评价
3.1建材消耗对比
结构计算分析所得上部结构各楼层和总的钢筋及混凝土用量分别如图4和表7所示。
由于结构做法差异，隔震结构需在隔震装置上增加一层楼板，导致隔震结构的自然层较传统结构多一层，而传统结构的
底层层高较隔震结构的高1.8m。为方便比较，本文将隔震结构底部转换层梁及柱的混凝土和钢材用量分别并入上一楼层的梁及剪力墙的用量中，从而可使两种结构中的楼层数均按20层计。
由图4可见，剪力墙所用混凝土和钢材的差异在建筑结构的中下部反映较为明显。梁所用混凝土及钢材，除在底层隔震结构较传统结构的多以外，两者在其余楼层均较为接近，总体上，隔震结构梁所用混凝土和钢材较传统结构的略多，其原因在于对于隔震结构：1）底部需增加一层梁板，而且作为转换梁，其截面尺寸及配筋均较大；2）剪力墙数量减少，导致梁的数量增多、跨度增大。传统结构楼板的钢材及混凝土用量略多，但其差别可以忽略不计，微小差别的原因在于：1）传统结构的混凝土标号一般会更高些，导致构造配筋量略有增加：2）传统结构楼面洞口周边楼板局部加厚的可能性更大，可能导致构造配筋增加。
两种结构形式总的钢材和混凝土用量统计如表8所示，采用隔震技术可以降低上部结构所需的建筑材料，本项目共可节约混凝土856.3m3、钢筋173.6吨，单方钢材和混凝土量分别减少18.86kg和0.1m3，较传统结构分别减少31%和25%，效果明显。
3.2环境影响评价
节约的建筑材料的资源消耗及废物排放量见表9和表10。
4.结论及讨论
两个基本满足规范设计要求的基础隔震结构和传统抗震结构的原材料、能耗及污染物排放量对比分析表明：
（1）对于8度（0.20g）、Ⅲ类场地土上的本项目，采用基础隔震技术，分别可以减少钢材和混凝土单方用量18.86kg、0.1m3，较传统结构分别减少31%和25%，节能减排效果明显，显著改善了建筑结构的绿色度。
（2）与传统抗震结构相比，钢材及混凝土用量的减少主要表现在钢筋混凝土剪力墙上，采用基础隔震结构技术后，钢筋混凝土剪力墙体的面积约可减少为传统结构的一半；两者梁、板的钢材和混凝土用量则基本持平。
（3）文中所依据的混凝土和钢材的物化能耗数据是全国的平均值。按照我国的经济特征，云南属于大西南综合经济区，是中国钢铁产业和水泥产业能耗强度最高的地区之一，原材料及能耗水平均较高，由此可以推论，在云南地区采用基础隔震技术将具有更大的节能、减排和环境效益；
（4）这里，仅对上部结构的建筑材料消耗以及其对应的物化能耗进行了对比分析和评价，事实上，由于结构自重和刚度的减小，基础隔震技术无疑会降低对隔震层以下结构、基础的要求，减少这些部位结构的材料需求。对隔震层以下结构及
基础、材料运输过程中的能耗差异的对比尚未定量涉及，有待在今后的研究中探讨。
参考文献
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[8] 建筑抗震设计规范（GB500-2010）[S].中国建筑工业出版社，2010.