張建坤,王朝陽

(東南大學 建設與房地產(chǎn)系,江蘇 南京 210096)

●實務·方法

基于生態(tài)足跡的建設項目評價與實證分析

張建坤,王朝陽

(東南大學 建設與房地產(chǎn)系,江蘇 南京 210096)

文章基于生態(tài)足跡分析法的概念及計算理論,提出了建設項目生態(tài)足跡概念,構建了建設項目生態(tài)足跡及生態(tài)承載力的計算模型。該模型將建設項目分為三個階段:建設階段、運行階段和拆除階段,其中建設階段分為人工生態(tài)足跡、材料生態(tài)足跡和機械生態(tài)足跡三類。為增強方法的實用性和操作性,定義了單元生態(tài)足跡,并與現(xiàn)行工程預算保持口徑統(tǒng)一。并以北京大學體育館為例進行實證分析,得出該項目生態(tài)足跡約是生態(tài)承載力的 2倍,表明存在少量赤字。對此,結合模型為減少建設項目的生態(tài)足跡提出了針對性的建議。結果表明,該模型具有較好的理論意義和實用價值,為建設項目生態(tài)評價開辟了一條新的探索之路。

建設項目;生態(tài)足跡;生態(tài)承載力

一、問題的提出

建筑業(yè)是國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè),同時也是能源消耗和環(huán)境污染大戶。建筑工程對資源的需求量大,依賴性強,我們從自然界所獲得的 50%以上的資源都用于建造各類建筑及其附屬設施上[1]。要控制和減少建設項目對資源的消耗,首先要準確把握和合理評價建設項目對生態(tài)環(huán)境的壓力和影響,其次才能制定出科學的控制依據(jù)和標準,從而才能在項目規(guī)劃、建設、運營、拆除等整個生命周期的各個環(huán)節(jié)中進行有效管理和控制。

生態(tài)足跡理論的不斷發(fā)展,為建設項目生態(tài)環(huán)境評價提供了技術條件。近幾年,許多學者[2-5]對生態(tài)足跡進行了較為深入的研究,并在已經(jīng)在旅游[6-7]、貿易[8]、交通[9]、電子設備[10]、農(nóng)業(yè)[11]等不同產(chǎn)業(yè)領域得到了廣泛應用。本文將生態(tài)足跡理論與分析方法引入建設項目,利用其構建建設項目生態(tài)足跡和生態(tài)承載力計算模型,用以度量和評價建設項目對自然的利用程度。

二、建設項目的生態(tài)足跡

生態(tài)足跡是由加拿大生態(tài)經(jīng)濟學家W illiam Rees[12]教授及其博士生瓦克納戈爾 Wackernagel于 20世紀 90年代初提出并發(fā)展起來的,它是一種量化測度可持續(xù)發(fā)展、資源效率與生態(tài)效率的一種方法。人類依賴于生物圈,生物圈為人類基本生活提供了穩(wěn)定的供應,既包括人類經(jīng)濟活動和生活所用的大量資源,同化廢棄物所需的生態(tài)沉積能力 ;也包括許多非消費性的生命支持服務。生態(tài)足跡是指支持特定人口或經(jīng)濟體的資源消費和廢棄物吸收所需要的生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積[13]。生態(tài)生產(chǎn)性土地是具有生態(tài)能力的土地和水體,可分為六大類:化石能源地、可耕地、牧草地、森林、建成地和水域。W illiam曾形象地將生態(tài)足跡比喻為“一只負載著人類與人類所創(chuàng)造的城市、工廠……的巨腳踏在地球上留下的腳印”。

生態(tài)足跡的計算需要基于如下兩個前提,第一:人類能夠估計自身消費的大多數(shù)資源、能源及其所產(chǎn)生的廢棄物數(shù)量;第二:這些資源和廢棄物流能折算成生產(chǎn)和吸納這些資源和廢棄物流的生物生產(chǎn)性面積[14]。生態(tài)足跡計算原理就是把研究對象的各種消費和廢棄物排放轉化為生態(tài)生產(chǎn)性土地的占用。

建設項目功能上是為人類提供產(chǎn)品和服務的,需要消耗自然資源和排放廢物。建設項目的生態(tài)足跡,就是項目為發(fā)揮功能而需消耗的資源和消納該項目產(chǎn)生的廢物所需要的生物生產(chǎn)面積[15]。與宏觀區(qū)域生態(tài)足跡計算人類對環(huán)境的影響不同,本文考慮的是項目建設對環(huán)境的影響,所以將項目的基礎構成——建筑 (單項工程)作為研究對象。傳統(tǒng)區(qū)域生態(tài)足跡一般計算一年,建設項目則不同,生命周期通常很長,其生態(tài)足跡可能是幾年。

三、建設項目生態(tài)足跡模型構建

建設項目生態(tài)足跡的計算原理類似于一般的生態(tài)足跡測算,但具有其自身的特點。根據(jù)生態(tài)足跡的原理,建設活動所引起的消費和污染可以被分門別類地歸納為各種資源的消耗,然后再將資源消耗量按照生態(tài)生產(chǎn)能力分別折算成具有生態(tài)能力的生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積。按照項目的建設、運行和拆除 3個階段,建設項目的生態(tài)足跡可分為 3部分,一部分是項目建設階段一次性投入物質所需的生態(tài)生產(chǎn)土地;另一部分為項目運行階段經(jīng)常性的物質和能源消耗所需提供的生態(tài)生產(chǎn)土地;最后一部分為項目拆除階段一次性的投入人力、物質和其排放物吸納所需提供的生態(tài)生產(chǎn)土地。所以,建設項目消耗物品的生態(tài)足跡計算模型為:

其中,Er表示建設階段的生態(tài)足跡;Ec表示運行階段的生態(tài)足跡;El表示拆除階段的生態(tài)足跡。

(一)建設階段生態(tài)足跡模型

項目建設階段消耗的各種物質資源,總的可以歸為人工、材料、機械三大類,各類消耗量可以從我國現(xiàn)行的項目概算和建筑工程預算方法、工程量清單列項中得出。

在傳統(tǒng)區(qū)域生態(tài)足跡計算模型的基礎上,考慮建設項目生態(tài)足跡的上述特點,并與工程預算的口徑保持一致,得到建設項目建設階段消耗物品的生態(tài)足跡計算基本模型為:

其中,Er表示建設項目建設階段占用的生態(tài)足跡,單位為全球公頃;i為建設項目消耗資源的種類,即人、材、機三大類,所以 i=1,2,3;Ei為消耗的第 i大類消耗資源折算成的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積;n表示人工、材料或機械的不同類型。如人工分為施工人員、管理人員和機械操作人員。各類人員參與的活動內容不相同,消費的物品也不相同,如施工工人主要消費是食物、衣服,而管理人員使用的辦公用品比較多,所以需要對其進行分類;Ein為第 i大類資源中,第 n種資源占用的生態(tài)足跡;Qin為第 i大類資源中,第 n種資源的消耗量;ein為第 i大類資源中,第 n種資源的單元生態(tài)足跡。

n=1時,E1表示人工生態(tài)足跡。人工的生態(tài)足跡是指生產(chǎn)工人在建筑生產(chǎn)過程中消耗的各種生活用品占用的生態(tài)生產(chǎn)性面積,其中食物是主要的一部分。單元生態(tài)足跡是一個生產(chǎn)工人一個工日消費的資源占用的生態(tài)足跡,首先計算第 n種人工消耗單位 (個、千克或噸)物品的生態(tài)足跡,例如每千克的食物,每件衣服,用 e1nj表示,則單元生態(tài)足跡e1n為:

其中,c1nj為第 n種人工一個工日第 j種資源的消耗量;e1nj是第 n種人工消耗的第 j種資源的單位生態(tài)足跡。

求解 e1nj可從用品的生產(chǎn)過程出發(fā),分析其制造過程能耗及排放物。如文獻 [16]從造紙和生產(chǎn)過程出發(fā),分析了造紙原料紙漿的耗木量和廢紙回收對紙張生產(chǎn)造成的影響,基于此計算了紙張的生態(tài)足跡;從各種公用餐具的生產(chǎn)原料及洗滌過程的資源消耗出發(fā),分析計算了盤子、碗在其整個周期內的生態(tài)足跡。

食物在人工生態(tài)足跡占很大部分,如果僅考慮食物消費,一種人工,即 n=1。計算單元生態(tài)足跡時,首先計算出各種食物每單位重量的生態(tài)足跡,公式如下:

其中,k為生物生產(chǎn)性土地類型;e11j為消耗第 j種食物的單位重量生態(tài)足跡;r1k為第 k種土地類型的均衡因子,因為各種土地類型的生物生產(chǎn)能力具有一定的差異,必須通過均衡因子 (權重)調整為統(tǒng)一的可比較面積,即 r1k為不同土地類型的生物生產(chǎn)能力等價系數(shù);p11j為第 j種食品的全球平均單元生產(chǎn)能力。c11i為每人工每工日消耗的第 j種食物的數(shù)量。

n=2時,E2表示材料生態(tài)足跡。

材料生態(tài)足跡是指材料原料、開采加工生產(chǎn)消耗資源占用的生態(tài)生產(chǎn)性面積。工程施工中所用的材料按其消耗的不同性質,可分為實體性消耗材料和周轉性消耗材料兩種類型[17]。實體性材料主要有鋼材、木材、水泥、石灰、砂漿、油漆、水等,周轉性材料有模板、腳手架等。材料的單元生態(tài)足跡是指每單位重量 (克、千克或噸)材料所占用的生態(tài)足跡,其計算可以從材料的生產(chǎn)過程出發(fā),分析其制造原料的消耗、能耗。如文獻 [16]從煤炭的消耗分析了每千克鋼鐵的生態(tài)足跡,文獻 [18]從水泥生產(chǎn)過程中排放的煙粉塵以及二氧化碳 (CO2)、二氧化硫 (SO2)、氮氧化物 (NOX)等的生態(tài)足跡,來間接表征水泥的生態(tài)足跡。需要特別指出的是,建筑一次性占用的土地歸為材料生態(tài)足跡;對于周轉性材料,可以根據(jù)周轉次數(shù) (或按使用時間)進行攤銷。

n=3時,E3表示機械生態(tài)足跡。

機械的生態(tài)足跡是指機械在使用過程中消耗的各種物質和能源占用的生態(tài)生產(chǎn)性面積。建設項目的施工機械主要有挖掘機、攪拌機、振動棒、塔吊起重機等。單元生態(tài)足跡是每種機械每臺班消費的資源能源占用的生存足跡,參考文獻[16]等資料,求得第 n種機械消耗的第 j能源每單位重量的能源的生態(tài)足跡 e3nj,則第 n種機械的單元生態(tài)足跡為:

其中,c3nj為每臺班第 j種能源的消耗量;e3nj為第 j種能源的單位生態(tài)足跡。

(二)運行階段生態(tài)足跡模型

建筑是一個存續(xù)的實體,在其運營使用年限中,要進行設備運行、設備維修、產(chǎn)品生產(chǎn)等活動,必然伴隨著大量的生活家具、用品、機械損耗和能源消費。運行階段比起建設階段的物質投入要少很多,但期限相對較長。運行階段的物質消耗內容因項目類型的不同有很大的區(qū)別,工業(yè)項目運行階段的物質消耗有兩個部分:第一,維護項目技術系統(tǒng)正常運轉 (使用)所需消耗;第二,產(chǎn)品制造需要投入的原材料和能源[19]。

建筑項目運行階段的生態(tài)足跡是為指保證項目正常運行必需的人工、機械、材料和能源等占用的生態(tài)生產(chǎn)性面積,運行階段生態(tài)足跡同樣可以歸為人工、機械、材料三大類,計算模型和建設階段一樣。建設項目運行時間不止一年,為便于總體地分析,可將其物質消耗量逐年相加而得到總值。

(三)拆除階段生態(tài)足跡模型

在項目拆除階段,建筑和設備的拆除同樣要消耗物質能源,其生態(tài)足跡可分為四部分,即人工、機械、材料和建筑垃圾。其中,人工、機械和材料的計算模型同建設階段。

拆除建設項目會產(chǎn)生大量的有害氣體、粉塵、渣土、建筑垃圾等副產(chǎn)品。在目前的條件下,由于缺乏全面的綜合管理和有效的循環(huán)利用,這些副產(chǎn)品都被視為占用生態(tài)足跡的廢棄物。由于有害氣體、粉塵、渣土較建筑垃圾難以量化且相對量小,本文主要考慮建筑垃圾的生態(tài)足跡。

建筑垃圾主要是指不可回收利用的建筑廢料。根據(jù)我國當前的實際情況,主要有混凝土、各類磚等。而鋼筋、門窗等可以回收利用,所以不納入計算。

目前,我國大部分建筑垃圾都是在沒有經(jīng)過任何處理的情況下,直接采用露天堆放或填埋的方式進行處理[19],每堆積 1000 kg建筑垃圾約需占用 0.067m2土地[20]。因此,建設項目所產(chǎn)生建筑垃圾的生態(tài)足跡計算模型為:

EW=rWaW,aW=Gn×0.067×10-7(7)

其中,W指建筑垃圾 (waste);aW為堆放垃圾所占用的生態(tài)生產(chǎn)性 (即建成地)的面積;rW為建筑垃圾占用土地的等價因子;Gn為建筑垃圾的重量。

(四)建設項目生態(tài)承載力計算模型

傳統(tǒng)區(qū)域生態(tài)承載力的計算模型為:

其中,c為某一年土地的區(qū)域生態(tài)承載力;aj為第 j類的生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積;rj為等價因子;yj為產(chǎn)量因子。

(8)式計算的是某一年的區(qū)域生態(tài)承載力,以建筑為研究對象的建設項目生態(tài)承載力,無論建設階段還是運行階段,大都在一年以上,所以建設項目的生態(tài)承載力是一段時期。

建設項目生態(tài)承載力僅為由 (8)式計算所得區(qū)域生態(tài)承載力的一部分。因此,可通過適當?shù)恼鬯阆禂?shù)對區(qū)域生態(tài)承載力進行折算,以間接求得建設項目的生態(tài)承載力。由于區(qū)間貿易的存在,建設項目承載力不僅僅由建筑用地承擔,故可將建設項目占地面積與該區(qū)域的建筑用地面積之比作為折算系數(shù)。

所以建設項目的生態(tài)承載力簡化計算模型為:

其中,C為建設項目生態(tài)承載力;c′為建設項目某一年的生態(tài)承載力;T為建設項目的生命期,包括建設期、運行期和拆除期;β為折算系數(shù);S為建設項目用地面積;A為區(qū)域的建筑用地面積。

四、實證分析——以北京大學體育館為例

北京大學體育館是 2008年奧運會的乒乓球比賽場館,該館位于北京大學東南區(qū)。賽時設計按照奧組委與國際乒聯(lián)的要求進行,賽后定位為多功能綜合體育館。該館建筑規(guī)劃用地為 1.71hm2,可容納觀眾 7557人。建設工期為 2005年 9月—2007年 12月 ,設計使用年限為 50年。根據(jù)文獻 [14]的資料,缺少的數(shù)據(jù)根據(jù)有關資料進行估算,對此項目進行生態(tài)足跡分析。

采用WWF在 2006年提出的等價因子[4],如表 1所示。

表1 2006年世界自然基金會提出的土地等價因子

(一)建設階段生態(tài)足跡

(1)人工生態(tài)足跡。為了計算簡便,本文僅考慮施工人員消耗的主要資源——食物。利用公式 (4)計算每千克的生態(tài)足跡,根據(jù)《中國居民膳食指南 (2008)》,列出每人每天的主要營養(yǎng)食品需要量,利用公式 (5)求得單元生態(tài)足跡,工期為 27個月,故共有 810工日,估計平均施工人員300人,由公式 (2)可得人工生態(tài)足跡 423.36hm2,經(jīng)整理后如表 2所示。

表2 北京大學體育館人工生態(tài)足跡

(2)材料生態(tài)足跡。本文僅考慮主要材料的生態(tài)足跡,整理如表 3所示,材料的生態(tài)足跡 1568.90 hm2。

(3)機械生態(tài)足跡?？紤]主要機械的生態(tài)足跡,首先計算機械消耗的每噸能源的生態(tài)足跡,經(jīng)整理如表 4所示[16]。根據(jù)機械設備參數(shù)得出每臺班的消耗量,由公式 (6)得出各種機械設備的單元生態(tài)足跡,利用公式 (2)計算得到機械生態(tài)足跡 34.17hm2,整理如表 5所示。北京大學體育館建設階段生態(tài)足跡為 2026.43 hm2。

表3 北京大學體育館的材料生態(tài)足跡

表4 主要能源每噸生態(tài)足跡[20]

表5 北京大學體育館機械生態(tài)足跡

(二)運行階段生態(tài)足跡

為簡化計算,在運行階段忽略人工和材料,僅考慮主要能源消耗——機械的生態(tài)足跡 550.76 hm2,如表 6所示。

表6北京大學體育館運行階段機械生態(tài)足跡

(三)拆除階段生態(tài)足跡

拆除階段人工、材料、機械生態(tài)足跡比較少,僅考慮主要的垃圾生態(tài)足跡為 0.42 hm2,如表 7所示。北京大學體育館總的生態(tài)足跡為 2577.61 hm2。

表7 北京大學體育館清除階段生態(tài)足跡

(四)生態(tài)承載力

為簡化計算,假設生命周期內北京市的生態(tài)承載力不變。以北京大學體育館的主要建設年份 2006為基準,2006年北京市各類土地的面積與承載力如表 8所示[3]。土地面積為 38.11萬 hm2,總的生態(tài)承載力為 166.83萬 hm2。S=17100×10-4hm2,A=12.54 ×104hm2,β=1363.64×10-8,c=166.83 ×104hm2,c′=22.75hm2,C=52c′=1182.98hm2。

表8 2006年北京市各類土地的面積與承載力[23]

(五)結果分析

根據(jù)計算結果可知,E/C=2.17,即項目的生態(tài)足跡超過生態(tài)承載力的 2倍多,表明該項目存在一定的生態(tài)赤字。但與其它住宅建設項目的 115.83[24]倍相比,已經(jīng)節(jié)約很多,反映該項目的生態(tài)足跡還是有一定的相對優(yōu)勢。另外,建設階段占總生態(tài)足跡的 79%,運行階段只占 21%,這和其節(jié)能設計的是密不可分的。如該體育館的游泳館屋頂安裝了太陽能收集裝置,其熱能用于游泳池循環(huán)水的預熱,節(jié)約能源。而在建設階段生態(tài)足跡中,材料占到 77.4%。各種材料的生態(tài)足跡及比重如圖 1所示。

圖1 材料生態(tài)足跡比重

由圖 1可看出,對于類似的項目,減少材料消耗和提高材料利用率是降低項目生態(tài)足跡的有效途徑。

五、建設項目降低生態(tài)足跡的途徑

從上述分析來看,要減少建設項目的生態(tài)足跡,促進項目的可持續(xù)發(fā)展,必須從整個項目的各個階段分別進行努力,尤其是建設階段。具體措施有:

(1)建設階段。建設階段是項目集中投入的主要階段,占資源總投入的比重很大,降低其資源消耗可以事半功倍,而減少物質化生產(chǎn)是一個有效手段。在滿足特定建筑功能的基礎上,通過優(yōu)化生產(chǎn)和消費活動實現(xiàn)單位產(chǎn)出所需的物質輸入量和廢棄物輸出量的絕對或相對減少,從而減輕生產(chǎn)活動對環(huán)境的破壞和污染。例如采用先進施工技術和管理方法,提高施工效率,避免或減少重耗機械的使用;提高材料利用效率等。

(2)運行階段。降低建筑尤其是工業(yè)建筑在使用過程中能源的消耗,提高能源的利用效率,大力提倡節(jié)能建筑以及綠色建筑是一種非常有效的措施。建筑能耗水平的高低,與項目設計和施工都有著密切的關系。設計理念和水平、施工技術和工藝,都會對建筑日后能耗產(chǎn)生根本的影響。而運行管理也是另一個極其重要的方面。因此,設計、施工和運行三個環(huán)節(jié)一起抓,是根本降低項目運行階段生態(tài)足跡的必然途徑。

(3)拆除階段。建筑物在拆除階段會產(chǎn)生大量的建筑廢料,建筑垃圾處理要資源利用與環(huán)境保護并重。目前我國建筑垃圾的主要處理方法是將其填埋地下,從而占用大量土地。而再生技術可使建筑垃圾有效利用且減少污染。建筑垃圾中的許多廢棄物經(jīng)分揀、剔除或粉碎后,大多可以作為再生資源重新利用。

利用構建建設項目生態(tài)足跡模型,可以評價一個項目的生態(tài)影響。其優(yōu)點是計算口徑與工程預算一致,數(shù)據(jù)方便獲取。通過對建設項目中的各種機械、材料的生態(tài)足跡對比分析,可以為減少物質能源消耗指明努力方向。同時,可以為建設生態(tài)型項目的立項提供一個很好的測評工具,引導建設項目朝著低生態(tài)足跡方向發(fā)展。

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Ecological FootprintM odel of Construction Projects and its Case Analysis

ZHANG Jian-kun,WANG Zhao-yang
(Construction and Real Estate Departm ent,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

In this paper,based on the concept and computational theoryof the ecological footprint analysismethod,conceptsof ecological footprint regarding construction project are proposed,and calculatingmodels are built.In thismodel,construction project is divided into three phases:construction,operation andweeding.Ecological footprint can be divided into three categories:man,material andmachine.To enhance the practicality and operability,the model defines unit ecological footprint,and maintain uniform caliberwith the currentproject budget.PekingUniversity Gymnasium is analyzed as a practical case,and ecological footprintwas about 2 times of its ecological carrying capacity,under a statusof a little deficit.In order to reduce the ecological footprintof construction projects,comments are proposed for thismodel.The results show that the model has good theoretical and practical value,and a new path of exploration for the ecological assess ment of construction projects has been opened up.

construction projects;ecological footprint;ecological carrying capacity

F271

A

1007—5097(2010)12—0146—05

10.3969/j.issn.1007-5097.2010.12.037

2009—12—02

南京市政府項目“歷史文化城市復興理論與實踐研究——以南京為例”;江蘇省建設廳重點科研項目“江蘇房地產(chǎn)市場預警系統(tǒng)研究”

張建坤 (1963—),男,陜西西安人,教授,博士,研究方向:房地產(chǎn)經(jīng)濟,項目管理;

王朝陽 (1983—),男,河南安陽人,碩士研究生,研究方向:房地產(chǎn)經(jīng)濟,項目管理。

[責任編輯:余志虎 ]