作者：Nadine M. Post

去年11月的一个早晨，结构工程师克里斯·杰塞里茨走在上班路上，看到位于西雅图写字楼一侧的数字标牌上显示着纳尔逊·曼德拉的一句名言：“胜利者是永不放弃的梦想者”。他深受鼓舞。

这句话引起了杰塞里茨的共鸣。他的公司PCS Structural Solutions致力于追求雄心勃勃的可持续发展目标，即使杰塞里茨也认为这是一个几乎不可能完成但值得追求的目标。PCS承诺到2050年在其所有项目中消除隐含碳。PCS可持续发展团队负责人杰塞里茨表示：“可持续发展，这个主题非常重要。”

PCS并非唯一一家致力于追求零碳结构的公司。迄今为止，它是签署“结构工程师2050承诺计划”的101家结构工程公司之一，该计划是由美国土木工程师学会结构工程学会发起的。

“结构工程师2050承诺计划”是对碳领导者论坛“2050挑战”的回应，该挑战指出“所有结构工程师都应了解、减少并最终在2050年之前消除其项目中的隐含碳”。

LeMessurier公司总裁、已履职两年的“结构工程师2050承诺计划”项目主席迈克·格里纽克说，“我们知道这是一个疯狂的目标，但我们别无选择。”谈到全球变暖，他断言：“如果我们不从一开始把同行团结起来，追求一个具有挑战性的目标，我们将面临一些严重的社会问题。”

当然也有人认为“2050挑战”是有可能实现的。签署该协议的奥雅纳合伙人乔丹·伍德森认为这是“可以实现的，并且会得到来自结构工程师之外的支持”。

成功取决于许多因素，如电网的“绿化”，以及业主、开发商、建筑师、承包商、材料供应商、加工商和生产商的支持。

结构工程师并没有忽略零碳建筑结构推广的障碍。其中包括建筑业的惯性、对变革的抵制、对冒险的恐惧和分化。标赫公司的可持续发展高级顾问卢克·隆巴迪表示，“我们正在打破传统细分行业的壁垒，围绕可持续发展建立一个根据地。”

MKA公司的总裁唐纳德·W·戴维斯表示，“人们常常对低碳建筑意味着什么有误解。”他补充道：“很多人认为这会更贵，耗时更长。”事实并非总是如此。

“结构工程师2050承诺计划”的中期目标是到2030年将项目中的隐含碳减半。一些签约的公司已经将碳足迹减少10%至20%不等，甚至更多。格里纽克表示，LeMessurier的波士顿大学计算与数据科学中心刚刚实现了个别选定混凝土成分的减少，减少幅度在15%至35%之间，硅酸盐水泥含量减少幅度在40%至70%之间。

然而，LeMessurier的数字是一个例外。根据格里纽克的说法，结构设计界作为一个整体还没有在减少结构系统中的隐含碳取得进展，它们约占建筑物隐含碳总量的40%。

杰塞里茨表示：“我们仍处于‘理解’隐含碳减排的阶段。”

戴维斯补充道：“我们需要教育整个行业的是从未在学校传授过的东西。我们需要创建标准，从而我们在一个共同的平台上运营。”

运营碳，是指在建筑运营期间排放的温室气体，这一直是绿色建筑运动的焦点。结构工程师感到被冷落了。直到最近，这个局面才改观。

许多签署“结构工程师2050承诺计划”的公司相互之间是直接竞争对手，但他们都认为，在可持续结构方面取得领先对行业来说是一个绝妙机会。为此，他们在多个方面共同努力，推动使命“以全面的、公司范围内的、基于项目和数据驱动的方式转变结构工程的实践”。他们志愿在做这件事。

隐含碳被定义为温室气体排放 (GHG)，主要是由建筑材料和产品的开采、制造、运输、安装、维护和处置中产生的二氧化碳，显示为全球变暖潜能值（GWP）。

全球变暖潜能值是一种汇编和分析建筑所有吸收、排放和潜在环境影响的系统方法，它是通过整个建筑生命周期评估确定的。产品或材料生命周期评估（LCA）产生“成分标签”，称为环境产品声明（EPD），就可列出全球变暖潜能值。

数字越高，意味着全球变暖潜能值越大。例如，根据硅酸盐水泥协会的数据，2021年，碳密集型水泥100年全球变暖潜力为922千克二氧化碳当量（CO2e）。2016年，为1040千克二氧化碳当量（CO2e）。

隐含碳减排运动正在势头上

在美国，隐含碳减排运动的势头越来越大。最近美国各级政府出台的法律和政策激励措施都在推动这场运动，如去年12月15日新泽西州立法机关通过的第一个同类法案，为低碳混凝土的使用提供了税收抵免。针对隐含碳排放和支持“环境产品声明”发展的联邦资金大幅增加也是如此。还有一些联邦计划正在进行中。例如，美国能源部“利用建筑结构从大气中捕集二氧化碳计划”（HESTIA）已经资助了18个项目，这些项目正在建筑结构中开发碳封存技术。

现在有新的技术和产品可以减少材料中的隐含碳，特别是混凝土，这是由于在水泥生产过程中释放二氧化碳当量的减少导致的减排成果。混凝土专家表示，一些更清洁的水泥，包括煅烧粘土石灰石水泥和石灰石硅酸盐水泥，在拓展绿色混凝土方面表现出巨大的潜力。

“1550绿地”项目位于休斯敦的中央商务区，它是一幢28层的建筑，这是休斯敦市第一个要求对混凝土混合料进行“环境产品声明”认证的项目。

对于结构工程师来说，除了“结构工程师2050承诺计划”和成立13年的碳领导者论坛（该论坛于2019年发布了“2050挑战”）之外，还有碳减排支持团体。美国混凝土协会碳中和混凝土卓越中心和美国国家结构工程师协会理事会的“可持续发展倡议”可能是最新的同类机构。

大约三年前，美国国家结构工程师协会理事会成立了一个可持续设计委员会，以协助希望成立可持续设计委员会分会的州。Walter P.Moore的负责人、美国国家结构工程师协会理事会创会主席凯利·罗伯茨表示，其理念是“在国家层面上完成所有伟大的工作，并将其落实到地方层面的工程师实践”。

美国国家预拌混凝土协会、美国钢结构协会和其他以材料为主的团体举行网络研讨会进行了指导。美国绿色建筑委员会的LEED认证体系现在为碳减排提供了积分。

一些有影响力的业主和开发商正在推动碳减排。2022年，Hines发布了一份与MKA共同开发的免费的实施隐含碳减排指南。

低碳结构正在改变建筑设计团队。Lendlease Americas可持续性开发部门经理娜塔莉·维汀表示：“我们在概念设计过程中就让结构工程师加入，因为碳减排是一种交互工作。”她补充道：“如果你拉动一根绳子，就会对其他元件产生影响，甚至影响机械系统。”

SGH的高级咨询工程师马克·D·韦伯斯特表示，在项目初期的设计讨论会上讨论不同的结构方案及其造成隐含碳直接和间接的影响，并对其进行排名，是非常有益处的。

SGH建议对项目进行整个建筑生命周期评估，这是一项额外的成本，以验证团队在讨论会中做出的假设。

奥德工程公司采用了一种在精益施工中使用的决策方法，称为优势选择，以审查其碳减排方案。

对于波士顿地区的一栋中层住宅楼，奥德最近开发了四种结构方案，每种方案都包含不同程度的碳减排，分别是：全木结构，结构中带有胶合木柱、横梁以及交叉层压木地板；具有交叉层压木材地板的混合钢框架；钢框架、复合钢和混凝土板；现浇钢筋混凝土结构。

奥德工程公司的负责人戴维·J·奥德表示，“我们必须完整地描述建筑系统，包括对建筑和机电设备系统的影响，以充分抓住每种方案的优势。”

奥德邀请设计团队、施工经理和开发商在概念设计期间召开会议，并进行比选，其中包括比较材料的可施工性、成本和当地材料可用性。

结构工程师普遍认为，要在建筑内部减少碳排放首先是优化结构系统，创建最有效的柱网布局，并尽量减少构件尺寸和材料数量。

“比起材料规范，设计优化同样重要，甚至它更能推动减排运动向前发展。”SOM的负责人本顿·约翰逊说。

MKA的戴维斯建议工程师“简化负载路径，在最有效的地方使用材料，将废物排出系统”。

接下来是材料优化。美国的钢铁生产尽可能地保持可持续发展，因为美国大部分结构型材都是由90%或更多的回收材料使用电弧炉制成的，在钢厂转换为可再生能源。“钢铁是一个比混凝土更简单的问题，”桑顿托马塞蒂结构工程业务联席主管斯科特·施耐德说道。

LERA结构工程咨询公司的合伙人理查德·加洛克表示：“减少项目中隐含碳的最有效方法是减少楼板中的材料体积。”

对于混凝土构件，工程师建议指定混合水泥，要求使用补充胶凝材料，并尽可能增加达到所需强度的时间，如在基础施工时。WPM可持续设计总监德克·凯斯特纳表示，任何减少硅酸盐水泥的举措都是“有益的”，即使你不会试图去量化它。

工程师可以根据各个楼板的混合固化时间和强度进行调整，而不是针对所有楼板采用典型的“一刀切”规格。设计期间的承包商实体模型可有助于验证新产品。工程师认为，低水泥含量混合料可能会导致浇筑、修整和养护问题。

后张预应力空心板节省碳排放

LERA公司一直在研究后张预应力空心板，它结合了一种很少使用的平板桥面技术，这种技术被称为空心双轴板系统，它依靠永久塑料泡沫形式在桥面上产生空隙。LERA的研究表明，对于25英尺（约7.6米）至30英尺（约9.1米）的跨度，后张预应力空心板比传统的平板混凝土结构节省了约30%的碳排放。

LERA还发现，在空心板中引入正交预应力钢筋可节省40%至45%的碳排放。而带空隙的对角线后张拉板可节省55%以上的碳排放。

亚利桑那州立大学罗布和梅拉妮·沃尔顿行星健康中心于2021年竣工，该中心在亚利桑那州首次使用了空心楼板。标赫公司在大约50%的楼板中引入这种空心板。该公司还为麦卡锡建筑公司写了一份性能规范，要求减少40%的硅酸盐水泥用量。麦卡锡建筑公司自行完成混凝土工程，选择使用40%而不是20%的粉煤灰替代物。与最初设计相比，他们双管齐下地减少了1300立方码（约993.9立方米）的混凝土和40%的碳排放。

这些选择伴随着风险和挑战，麦卡锡就遇到了这些风险和挑战。高含量的粉煤灰混合物更粘，这会影响泵送性。当地施工队没有使用空心板的经验，这需要额外的工作步骤。

以性能为导向的材料规范在减少碳排放方面越来越受欢迎。该规范包括减排的目标，有时要求下属单位在项目期间提交“环境产品声明”认证。

工程师们表示，碳减排项目的竞争对手通常基于四个绩效指标来争夺这项工作：质量、成本、进度和碳减排。

事情并不总是那么顺利。MKA为将于2023年开业的芝加哥赛富时大厦编写了一份以性能为导向的规范，并要求提供混凝土的“环境产品声明”认证。戴维斯表示，当时承包商立即提出了反对意见，表示申请“环境产品声明”认证将花费30万美元，也将在时间表上增加六个月。

他补充道，MKA坚持己见并说服了团队。戴维斯说，事实证明，“环境产品声明”认证没有增加成本或时间表，因为这一要求在竞争这一工作的下属单位之间建立了一种良性竞争。

并非所有供应商都有“环境产品声明”认证

另一个障碍是，在西雅图、旧金山、洛杉矶和芝加哥以外的许多城市，并非所有供应商都有“环境产品声明”认证。譬如休斯敦的“1550绿地”项目，直到去年1月实现结构封顶，也才开始有了“环境产品声明”认证。

凯斯特纳表示，“我们要求混凝土混合料要有‘环境产品声明’认证。”他补充道，正因为如此，“1550绿地”项目的预拌混凝土供应商Cemex为其在休斯敦的其他项目上提供了“环境产品声明”认证。

“1550绿地”项目，由斯堪斯卡商业发展公司WPM开发，与承包商斯堪斯卡美国建筑公司密切合作——将形制系统的楼板厚度减少八分之三英寸（约95毫米）。凯斯特纳表示，这使得整个项目节省了大约700立方码（约535立方米）的混凝土，这意味着混凝土荷载大约减少了满载70辆重型货车的重量。

凯斯特纳表示，“1550绿地”项目目前正在跟踪10%的隐含碳减排，这是达到LEED绿色建筑标准的初级门槛。

减少结构系统中的碳排放运动似乎势不可挡。戴维斯给入门者的建议是：“你无法管理不能测量的东西，所以从这里开始学习简单的数学计算公式：数量×全球变暖潜能值/材料＝项目的全球变暖潜能值。”

SGH的韦伯斯特建议入门者到SE 2050网站浏览免费的导览和使用其隐含碳排放计算工具ECOM，显示隐含碳的数量级。工程师需要做的只是估算材料数量并将其输入计算工具中。韦伯斯特说：“这用起来很容易。”

2019年推出的另一个免费的隐含碳排放计算工具是EC3——这是非营利组织Building Transparency开发的隐含碳计算器。

对于仍有疑虑的工程师，凯斯特纳提供了碳减排六个“简单”的步骤：

⑴确定物料清单；⑵将数量输入ECOM；⑶确定隐含碳最高的热点；⑷审查设计以确定减少使用碳排放热点材料的机会；⑸通过与潜在供应商交谈，审查规格和预期的材料供应链，询问他们是否有特定产品的环境产品声明或是否有较低的隐含碳选项；⑹更新设计并迭代。

韦伯斯特补充道，“即使我们不能实现‘2050挑战’，我们也需要尽可能努力，因为每一次减排都会产生影响。”

他说：“即使面对令人生畏的障碍，我们最好还是保持积极乐观。”至于气候变化，“行动是应对绝望的最佳解药。”