摘 要：建筑的碳汇主要指建筑材料与空气中的CO2发生化学反应，吸收CO2并将CO2固定在建筑的表皮材料中的过程。不同类型建筑的混凝土碳汇系数不同。本文通过对沈阳建筑大学研究生公寓进行碳汇量分析，分别从建筑立面、建筑结构构件、建筑的细部处理提出优化方案，从墙体、楼屋面、地面、楼梯等方面进行优化评价。
关键词：建筑混凝土；碳汇量；生命周期；固碳能力
随着地球环境恶化愈演愈烈，全球的碳排放与碳吸收的研究成为当今核心的环境问题之一[1]。建筑是否只可以排放CO2？不同类型建筑的碳汇量有何变化？同种类型的建筑，哪些方面影响着单位面积碳汇量的变化？建筑单体如何实现优化设计？这些问题是本文针对建筑单体碳源与碳汇的研究重点。
1建筑混凝土碳汇
1.1 建筑混凝土碳汇固碳能力
建筑的碳汇主要指建筑材料与空气中的CO2发生化学反应，吸收CO2并将CO2固定在建筑的表皮材料中的过程。研究表明，混凝土作为建筑在某种程度上也不断吸收环境中的CO2[2]。混凝土的多孔性使空气中的CO2也进入到混凝土内部与混凝土中的Ca(OH)2和3CaO·2 SiO2·3H2O发生化学反应，生成CaCO3等物质。
混凝土能够吸收空气中的CO2，具有固碳作用。混凝土中的Ca(OH)2和3CaO·2 SiO2·3H2O发生化学反应，生成CaCO3等物质，从而减少大气中CO2浓度。
1.2 建筑碳汇比较
将沈阳地区的现有建筑按性质主要划分为7类，即：工业建筑、居住建筑、商业建筑、办公建筑、医疗建筑、文化教育建筑及其他类型建筑。为了确保建筑碳汇量计算的精准度，选取不同类型、不同高度的建筑各10栋作为样本进行碳汇量的计算。得出不同类型建筑的混凝土碳汇系数如表1所示。
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0.001425
根据上述混凝土建筑的碳汇量计算得知：不同性质的混凝土建筑的单位面积碳汇量不相同，但碳汇量差别不大。医疗建筑单位面积内的CO2吸收量相对较大，居住建筑单位面积内的CO2吸收量相对较小，不同类型建筑的单位面积碳汇量均值为0.001425 t CO2/m2·a。
不同类型建筑的单位面积碳汇量由大到小的排列顺序为：
A.医疗> B.工业> C.其他类型> D.办公> E.商业> F.文化教育> G.居住
2建筑实例的碳汇分析
2.1 建筑实例概况
（1）建筑概况
沈阳建筑大学研究生公寓位于沈阳市浑南新区浑南中路25号的沈阳建筑大学院内，宿舍的面积为6774.1 m2，建筑的设计使用年限为50年，整体结构类型为框架结构。建筑一共包括6层，建筑的室内外高差为0.6m，宿舍部分各层的层高为3.4m，建筑高度为21m，建筑总高度为21.9m。
（2）材料概况
本工程的建筑材料主要运用了钢筋与混凝土，不同构件的混凝土等级如表2所示：
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2.2 建筑实例的碳汇分析
对沈阳建筑大学研究生公寓进行碳汇量分析，结果如下所示：
通过上表的计算结果得知：
（1）建筑的总水泥用量为2136.55t，总石灰用量为31.89t。建筑的总暴露面积为39631.05 m2，建筑总面积为6774.1 m2。
（2）单位面积内混凝土的体积为0.664 m3/ m2，单位面积内水泥的消费量为0.315t/ m2。
（3）通过表1可知，居住建筑的单位面积碳汇量均值为0.001256 t CO2/ m2·a，通过建筑面积求得建筑的总碳汇量为8.51 t CO2。
3建筑实例的设计优化
3.1 建筑立面
（1）研究生公寓表面材料的优化
研究生公寓的外墙表面采用了混合涂料进行涂抹，局部为面砖彩色阳光板及彩色冲孔铝板幕墙（图1）。混合涂料阻碍了CO2向混凝土内部的进入。根据第四章混凝土表面材料的优化建议，应选取着色混凝土，对外墙混合涂料进行替换，着色混凝土在具有与涂料相同的彩色饰面的功能前提下，还具有吸收更多CO2的能力，增加碳汇量。着色混凝土的单位面积碳汇量为0.004167t CO2/m2·a。
（2）研究生公寓表面形式的优化
由于建筑大学研究生公寓的墙体表面为涂料，无明显的表面肌理。因此采用第四章中表面形式为磨毛式的手法最为适宜，将着色混凝土的表面设计为磨毛式，同原有涂料表面的外观差别不大，磨毛式混凝土墙面的碳汇系数为0.0121 t CO2/m2·a。
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3.2 建筑结构构件
（1）墙体
研究生公寓中墙体的碳汇量约占建筑总碳汇量的40%，可见墙体的单位面积碳汇对整个建筑的碳汇起着至关重要的作用。沈阳建筑大学研究生公寓的墙体材料均采用粉煤灰混凝土砌块。研究生公寓的墙体主要包括一种外墙及两种内墙（图4），采用的混凝土等级采用C30与C40两种，1-2层的墙体采用C40的混凝土，3-6 层的墙体采用C30的混凝土：
A.内墙涂料墙面。砌块墙基层，1:0.3:3的水泥白灰膏砂浆打底（表面扫毛），1:0.3:2.5的水泥白灰膏砂浆抹面压光，最后大白三遍作至地面上50mm或踢脚上口。
B.内墙瓷砖墙面，用于卫生间及盥洗室。砌块墙基层，刷加气混凝土界面处理剂一道，8mm厚1:0.5:4的水泥石灰膏砂浆打底扫毛或划出纹道，8mm厚1:0.1:2.5 的水泥石灰膏砂浆结合层，贴2mm 厚的釉面砖，最后用白水泥擦缝。
C.外墙。砌块墙基层，1:3的水泥砂浆找平层厚度为20mm，KE水泥粘结剂进行粘结，酚醛复合保温板厚60mm，抹KE聚合物水泥砂浆底层5-7mm厚，贴耐碱玻璃纤维涂塑料网格布增强层，20mm厚1:3的水泥砂浆找平层。
图4 沈阳建筑大学研究生公寓涂料内墙、瓷砖内墙现状示意图（图片来源：作者拍摄）
Fig.4 The Coating and Tile Interior Wall of Graduate Ctudent Dormitory inShenyang Jianzhu University
研究生公寓的外墙及隔墙均采用粉煤灰混凝土砌块，是砌体结构。根据第四章的混凝土砌体结构墙体的优化策略，采用齿缝形式对混凝土砌块进行优化。为了增加混凝土结构的接触面积，在满足力学要求及结构性能的前提下，墙体靠近室内一侧的设计成锯齿形的凹凸面。凹槽的设计深度建议为20mm，约为墙厚的1/10，宽度为50mm，凹槽之间的距离为50mm。通过计算，此种方法单位面积会增加0.4 m2，单位面积碳汇量增加至0.001054t CO2/m2·a。
（2）楼屋面
研究生公寓中楼屋面的碳汇量约占建筑总碳汇量的19.43%，可见楼屋面的单位面积碳汇的重要性。楼面主体结构为钢筋混凝土楼板，楼板采用C30的混凝土，该工程的楼面主要分为水泥砂浆楼面及防滑地砖楼面（图5）：
A.水泥砂浆楼面。主要用于除楼梯间、卫生间及盥洗室之外的所有楼面。以钢筋混凝土楼板为基础结构，上抹20mm厚1:2.5的水泥砂浆找平层，涂料防潮层，20mm厚聚苯乙烯泡沫板保温隔热层，40mm厚细石混凝土热辐射地面的地热盘管，上刷水泥浆一道，1:4的干硬性水泥砂浆结合层20mm厚，表面撒水泥粉，最后为8-10mm厚的防滑地面砖，干水泥擦缝。
B. 防滑地砖楼面。主要用于楼梯间、卫生间及盥洗室的楼面。以钢筋混凝土楼板为基础结构，上抹20mm厚1:2.5的水泥砂浆找平层，涂料防潮层，1:3的水泥砂浆找平层兼找坡，上置防水层四周卷起600mm高，焦油基聚氨脂涂层两道，20mm厚厚聚苯乙烯泡沫板保温隔热层，40mm厚细石混凝土热辐射地面的地热盘管，上刷水泥浆一道，1:4的干硬性水泥砂浆结合层20mm厚，表面撒水泥粉，最后为8-10mm厚的防滑地面砖，干水泥进行擦缝。
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图5 沈阳建筑大学研究生公寓楼梯间、卫生间等地面现状示意图（图片来源：作者拍摄）
Fig.5 The Staricase and Washroom Floor of Graduate Ctudent Dormitory inShenyang Jianzhu University
研究生公寓的楼板及屋面均采用C30的混凝土，是钢筋混凝土结构。根据第四章的钢筋混凝土楼板的优化策略，采用齿缝形式对混凝土楼板进行优化。为了增加混凝土结构的接触面积，在满足力学要求及结构性能的前提下，楼板靠近室内空间的一侧设计成锯齿形的凹凸面。凹槽的设计深度建议为10mm，约为楼板厚度的1/10，设计宽度为50mm，凹槽之间的距离为50mm。通过计算，此种方法单位面积会增加0.2 m2。单位面积碳汇量增加至0.00108tCO2/m2·a。
（3）地面
研究生公寓中地面的碳汇量约占建筑总碳汇量的5.17%，地面的单位面积碳汇的优化不及墙体和楼板所占的碳汇比重。公寓的地面采用了C20的混凝土，主要包括细石混凝土地面、防滑地面及防水地面：
A. 细石混凝土地面。素土夯实之上为300mm厚的碎石或碎砖夯实M2.5的水泥砂浆，20mm厚1:2.5的水泥砂浆找平层，30mm厚的挤塑苯板，C20细石混凝土100mm厚，涂料防潮层，20mm厚聚苯乙烯泡沫板保温隔热层，40mm厚细石混凝土热辐射地面的地热盘管，最上为C20的钢筋混凝土垫层。
B. 防滑地面。素土夯实之上为300mm厚的碎石或碎砖夯实M2.5的水泥砂浆，20mm厚1:2.5的水泥砂浆找平层，30mm厚的挤塑苯板，C20细石混凝土100mm厚，涂料防潮层，20mm厚聚苯乙烯泡沫板保温隔热层，40mm厚细石混凝土热辐射地面的地热盘管，刷水泥浆一道，1:4 的干硬性水泥砂浆结合层20mm厚，表面撒水泥粉，最上为防滑地面砖8-10mm厚，干水泥擦缝。
C. 防水地面。素土夯实之上为300mm厚的碎石或碎砖夯实M2.5的水泥砂浆，20mm厚1:2.5的水泥砂浆找平层，30mm厚的挤塑苯板，C20 细石混凝土100mm厚，涂料防潮层，1:3的水泥砂浆找平层兼找坡，防水层四周卷起600mm 高，焦油基聚氨脂涂层两道，20mm厚聚苯乙烯泡沫板保温隔热层，40mm厚细石混凝土热辐射地面的地热盘管，刷水泥浆一道，1:4的干硬性水泥砂浆结合层20mm厚，表面撒水泥粉，最上为防滑地面砖8-10m厚。研究生公寓的室内地面为瓷砖及细石混凝土的实铺地面，地面基层为素土夯实，并含有100mm厚的C20 混凝土。根据第四章的混凝土地面结构的优化策略，采用齿缝形式对地面进行优化。为了增加混凝土结构的接触面积，在满足力学要求及结构性能的前提下，对地面结构应进行适当调整：基层部分为素土夯实；垫层部分插石灌厚度为200mm 的M2.5水泥砂浆；上为80-120mm厚的混凝土，浇筑为凹凸面，凹槽的设计建议深度为10mm，宽度为50mm，距离为50mm。通过计算，此种方法单位面积会增加0.2 m2，单位面积碳汇量增加至0.00229 tCO2/m2。
（4）楼梯及台阶
研究生公寓中楼梯的碳汇量约占建筑总碳汇量的1.27%，所占比例相对较小。研究生公寓的楼梯为钢筋混凝土结构，根据第四章的钢筋混凝土楼梯结构的优化建议，将平台部分进行凹凸变化，在满足使用功能需求及结构力学性能的前提下，对凹槽的尺寸规格进行最佳的设计。为保证平台在使用过程中不受影响，凹凸面在平台下部进行设置。凹槽的设计深度建议为10mm，约为板厚的1/10，宽度为50mm，凹槽之间的距离为50mm。通过计算，此种方法单位面积会增加0.1m2，单位面积碳汇量增加至0.001264tCO2/m2·a。散水的碳汇量增加至0.00463t CO2/m2·a。
3.3 建筑的细部处理
（1）楼、屋、地面
研究生公寓的楼板表面采用了水泥砂浆，并用地砖作为饰面，地砖阻碍了CO2向混凝土内部的进入。根据第四章混凝土表面材料的优化建议，水泥砂浆的碳汇作用要远远大于地砖，水泥砂浆楼面的单位面积碳汇量为0.00349t CO2/m2·a。
A. 盥洗室、楼梯间饰面材料为防滑面砖不变。
B. 除盥洗室、楼梯间的所有楼面的防滑地砖替换为仿石着色混凝土，以增加碳汇量。由于楼板原表面为地砖，无明显的表面肌理。用仿石着色混凝土饰面代替面砖，应表达其平滑的肌理，所以建议采用平滑式的手法最为适宜，其碳汇系数为0.000719 t CO2/m2·a。
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图6 沈阳建筑大学研究生公寓盥洗室、楼梯间及其他地面优化对比示意图（图片来源：网络）
Fig.6 The Comparision of Staricase , Washroom and other Floor of Graduate Ctudent Dormitory
（2）楼梯
研究生公寓的楼梯采用了花岗岩作为饰面，阻碍CO2向混凝土内部的进入。选取细石混凝土，替换花岗岩饰面，能够吸收更多CO2的能力，增加碳汇量。细石混凝土的单位面积碳汇量为0.003493t CO2/m2·a。混凝土楼梯可做成实心式或镂空式，镂空式楼梯节省材料，单位体积的暴露面积也较大，因此碳汇量较实心式混凝土楼梯大。将楼梯的饰面材料优化为细石混凝土后，其表面形式的最为磨毛式的手法最为适宜，磨毛式混凝土楼梯的碳汇系数为0.001241t CO2/m2·a。
（3）室外台阶
室外台阶的细部设计都应该体现出对人的关怀：
A.台阶材料可选择细石混凝土作为饰面，涂抹一层水玻璃，具有装饰、防水的作用，同时提高了混凝土的固碳量。
B.将台阶踏步的高度设置为小于130mm，以便老人及儿童的使用。混凝土台阶材料及形式的改变，在满足使用功能的前提下，提高了视觉美学需求且具有碳汇的作用；
C.楼梯及台阶的扶手直径应满足人体使用舒适性，约为75mm。混凝土台阶与混凝土栏杆扶手一体化的设计在建筑中也有所运用，安全性能及美观性能较好。
（4）散水
散水的碳汇量约占1.3%，这一比重与其他构件碳汇量相比较低。散水一般采用细石混凝土材料，为了提高散水的生态能力及美观性能，散水表面可做成磨毛式以增大接触面积，表面用水玻璃溶液进行涂抹。经计算，优化后散水的碳汇系数分别为0.004546t CO2/m2·a。
4建筑实例的优化评价
4.1 墙体的优化评价
通过上文对沈阳建筑大学研究生公寓墙体的分析可知，墙体的主要结构为钢筋混凝土，混凝土采用的等级为C30及C40，砌筑砂浆的等级为M5，抹灰砂浆的等级为M10。墙体碳汇的计算方法在第三章中已经做过详细介绍，计算结果相关数据如表3所示。
表3 墙体碳汇的相关参数（表格来源：作者自绘）
Table 3 Relevant Parameters of Wall Carbon Sink
混凝土 砌筑砂浆 抹灰砂浆
混凝土体积（m2） 暴露面积（m2） 体积（m3） 体积（m3） 暴露面积（m2）
C30 C40 室内 室外 M5 M10
1185.64 487.50 11021.93 1391.84 384.82 349.06 17452.82
4217.19 821.87
通过上表计算可知，墙体部分所需混凝土为：
A. C30：体积为1185.64 m3，室内暴露面积为11021.93 m2，室外暴露面积为1391.84 m2，换算成水泥用量为474.2568 t。
B. C40：体积为487.50 m3，室内暴露面积为4217.19m2，室外暴露面积为821.87m2，换算成水泥用量为204.2619 t。
C. 砌筑砂浆M5：体积为384.82 m3。
D. 抹灰砂浆M10：体积为349.06 m3。
综上可得：墙体部分水泥的总用量为857.11t，石灰的总用量为28.86t，由于研究生公寓建筑外墙采用组合涂料，内墙为大白三遍，综合墙体的碳汇系数为0.000753 t CO2/m2·a。碳汇量为3.38 t CO2，墙体碳汇量占总碳汇量的39.78%。
通过对研究生公寓墙体结构体系、表面材料、墙体表面形式的优化，针对这三个部分得出墙体部分的优化对比（表4）。
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通过上表数据可知：优化前墙体的单位碳汇量为0.000753 t CO2/m2·a，优化后为0.0020116t CO2/m2·a；墙体总碳汇量达到9.03 t CO2，碳汇量增加了5.65 t CO2。
4.2 楼屋面的优化评价
通过上文对沈阳建筑大学研究生公寓楼屋面的分析可知，楼屋面的主要结构为钢筋混凝土，混凝土采用的等级为C20及C30，抹灰砂浆的等级为M10。楼屋面计算结果相关数据如表5所示。
表5 楼屋面碳汇的相关参数（表格来源：作者自绘）
Table 5 Flooring of Wall Carbon Sink
混凝土 抹灰砂浆
混凝土体积（m3） 暴露面积（m2） 体积（m3） 暴露面积（m2）
C30 室内 室外 M10
848.22 9862.70 931.44 215.88 9881.29
通过上表计算可知，楼屋面部分所需混凝土为：
A. C30：体积为848.22m3，室内暴露面积为9862.70 m2，室外暴露面积为931.44 m2，换算成水泥用量为339.29 t。
B. 抹灰砂浆M10：体积为215.88 m3，暴露面积为9881.29m2，换算成石灰用量为67.14t。
综上可得：楼屋面部分水泥的总用量为41.02 t，石灰的总用量为5.68t，建筑大学研究生公寓楼屋面的碳汇系数为0.0009t CO2/m2·a，楼屋面的总碳汇量为1.65 t CO2，占总碳汇量的19.43%。
通过对研究生公寓墙体结构体系、表面材料、墙体表面形式的优化，针对这三个部分得出墙体部分的优化对比（表6）。
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通过上表数据可知：优化前墙体的单位碳汇量为0.0009 t CO2/m2·a，优化后为0.00182t CO2/m2·a；墙体总碳汇量达到3.34 t CO2，碳汇量增加了1.69 t CO2。
4.3 地面的优化评价
通过上文对沈阳建筑大学研究生公寓楼地面的分析可知，地面的主要材料为混凝土，混凝土采用的等级为C20，抹灰砂浆的等级为M10。地面碳汇的计算结果相关数据如表7所示。
表7 地面碳汇的相关参数（表格来源：作者自绘）
Table 7 Flooring of Wall Carbon Sink
混凝土 抹灰砂浆
混凝土体积（m3） 暴露面积（m2） 体积（m3） 暴露面积（m2）
C20 室内 室外 M10
127.80 912.85 18.26 912.85
通过上表计算可知，地面部分所需混凝土为：
A. C20：体积为127.80 m3，室内暴露面积为912.85 m2，换算成水泥用量为41.02 t。
B. 抹灰砂浆M10：体积为234.14 m3，暴露面积为912.85 m2，换算成石灰用量为5.68t。
综上可得：地面部分水泥的总用量为41.02 t，石灰的总用量为5.68t，建筑大学研究生公寓地面的碳汇系数为0.000719 t CO2/m2·a，地面的总碳汇量为0.44 t CO2，地面碳汇量占总碳汇量的5.17%。
通过对研究生公寓墙体结构体系、表面材料、墙体表面形式的优化，针对这三个部分得出墙体部分的优化对比（表8）。
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通过上表数据可知：优化前地面的单位碳汇量为0.000719 t CO2/m2·a，优化后为0.00169tCO2/m2·a；地面总碳汇量达到1.04t CO2，碳汇量增加了0.6 t CO2。
4.4 楼梯的优化评价
沈阳建筑大学研究生公寓的楼梯为钢筋混凝土结构，采用了C30的混凝土，通过上文对沈阳建筑大学研究生公寓楼楼梯的分析可知，楼梯的主要材料为钢筋混凝土，混凝土的强度等级为C30，抹灰砂浆的等级为M10。楼梯碳汇的计算结果相关数据如表9所示。
表9 楼梯碳汇的相关参数（表格来源：作者自绘）
Table 9 Stairs of Wall Carbon Sink
混凝土 抹灰砂浆
混凝土体积（m3） 暴露面积（m2） 体积（m3） 暴露面积（m2）
C30 室内 室外 M10
35.11 559.37 11.19 559.37
通过上表计算可知，楼梯部分所需混凝土为：
A. C30：体积为35.11 m3，室内暴露面积为559.37 m2，换算成水泥用量为14.04 t。
B. 抹灰砂浆M10：体积为11.19 m3，暴露面积为559.37 m2，换算成石灰用量为3.48t。本工程楼梯的碳汇系数为0.001149 t CO2/m2·a，碳汇量为0.11 t CO2，楼梯碳汇量占总碳汇量的1.27%。通过对研究生公寓楼梯、台阶及散水的结构体系、表面材料、表面形式的优化，针对这三个部分得出的优化对比（表10）。
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通过上表数据可知：优化前楼梯及散水的总碳汇量达到0.31 tCO2，碳汇量增加了0.09 tCO2。
将研究生公寓混凝土墙体、楼屋面、地面、楼梯及散水的优化前后碳汇量数据进行总结，如表11所示。
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综上：总体碳汇量增加8.51 t CO2，研究生公寓的总体碳汇量变为13.72 t CO2，是原碳汇量的1.61 倍；单位面积的碳汇量为0.002025 tCO2/m2·a，单位面积碳汇量增加0.000769 tCO2/m2·a。
5结论
（1）沈阳市的建筑主要分为工业建筑、居住建筑、商业建筑、办公建筑、医疗建筑、文化教育建筑及其他类型建筑几大类，分别选取不同类型、不同高度的建筑作为样本进行碳汇量计算统计，得出不同类型建筑的碳汇系数。
（2）通过建筑碳汇系数的计算分析，得出结论：
A.不同性质的混凝土建筑的单位面积碳汇量不相同，但碳汇量差别不大。医疗建筑的CO2吸收量相对较大，居住建筑单位面积内的CO2吸收量相对较小，不同类型建筑的单位面积碳汇量均值为0.001425tCO2/m2·a。不同类型建筑的单位面积碳汇量由大到小的排列顺序为：医疗、工业、其他类型、办公、商业、文化教育、居住。
B. 等比例规模的同种混凝土建筑，建筑面积越大，单位面积碳汇量略微变小。即同种类型的建筑，若建筑面积增加，则单位面积内的碳汇量几乎不变。
C. 同种类型的建筑，建筑群体单位面积碳汇量较单体建筑略小。建筑单体的平均单位面积碳汇量在建筑群体中同样适用，但存在一定误差。
（3） 选取沈阳建筑大学研究生公寓作为研究对象进行优化设计。针对墙体、楼板、地面、楼梯及散水进行优化，总体碳汇量变为13.72 tCO2，增加8.51 tCO2，是原碳汇量的1.61倍，单位面积的碳汇量变为0.002025 tCO2/m2·a。
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