劉 瑩

（煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264003）

在全球氣候變化的背景下，世界各國(guó)先后發(fā)表了《能源政策法》《低碳經(jīng)濟(jì)法案》《國(guó)家可再生能源政策》《中國(guó)二氧化碳減排方案》等政策為國(guó)家節(jié)能減排提供規(guī)范依據(jù)。中國(guó)作為化石能源消耗大國(guó)，承諾將在2030 年實(shí)現(xiàn)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放比2005 年降低60%～65%。建筑業(yè)每年碳排放量占我國(guó)社會(huì)總碳排放量的30%[1]，建筑業(yè)成為我國(guó)二氧化碳排放重點(diǎn)管控行業(yè)之一。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《綠色建筑行動(dòng)方案》中明確提出要積極推動(dòng)綠色建筑及建筑工業(yè)化發(fā)展，裝配式建筑的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了建造方式從粗放、低效、高能耗形式向集約、高效、節(jié)能模式的改變。既滿足建筑領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的需求，又加快建筑工業(yè)化轉(zhuǎn)型的速度。因此，研究裝配式建筑的減排潛力并進(jìn)行量化分析具有重要意義。

建筑碳排放的量化方式具有多樣性，鄭曉云利用生命周期評(píng)價(jià)法（LCA）進(jìn)行了裝配式建筑全生命周期的碳排計(jì)算，結(jié)果表明重視廢棄階段的回收利用率對(duì)于降低環(huán)境影響具有重要意義[2]。華虹利用BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建了公共建筑碳排放計(jì)量清單，并分階段測(cè)算碳排放貢獻(xiàn)比[3]。孫艷麗根據(jù)層次模糊綜合評(píng)價(jià)法制定了裝配式建筑碳排放評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[4]。劉菁以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，設(shè)置不同情景進(jìn)行建筑業(yè)碳排放趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析[5]。其中，生命周期評(píng)價(jià)法在研究建筑碳排放中具有廣泛的應(yīng)用[6-8]。高宇建立了裝配式建筑的生命周期評(píng)價(jià)模型，核算結(jié)果表明生產(chǎn)階段是預(yù)制構(gòu)件減排的重點(diǎn)階段[9]。劉燕從國(guó)內(nèi)外綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)置入手，分析我國(guó)低碳建筑評(píng)價(jià)體系的合理性與完整性[10]。黃志甲著重分析住宅建筑的碳排放核算方式，提出活動(dòng)因子結(jié)合排放系數(shù)的計(jì)算方式使得核算結(jié)果更加精確[11]。

本文在梳理裝配式建筑碳排放源的基礎(chǔ)上，以生命周期評(píng)價(jià)法為理論依據(jù)，提出完整的裝配式建筑物化階段碳排放計(jì)量模型。

1 裝配式建筑碳排放模型

1.1 碳排放路徑及碳源分析

裝配式建筑是指將構(gòu)件在工廠預(yù)制生產(chǎn)后，再到施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)吊裝、連接、現(xiàn)澆等方式裝配而成的建筑。對(duì)比傳統(tǒng)建筑，裝配式施工能夠有效縮短工期、降低作業(yè)量、減少現(xiàn)澆濕作業(yè)產(chǎn)生的碳排放量。為了定性分析裝配式建筑的節(jié)能減排效果，本文提出了裝配式建筑碳排放計(jì)量模型，計(jì)量模型如圖1 所示?？紤]到數(shù)據(jù)的可得性及碳排放的集中性，本文主要研究裝配式建筑的物化階段、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工階段、物流運(yùn)輸階段及現(xiàn)場(chǎng)施工安裝階段的碳排放效果，其碳排放路徑如圖2 所示。

裝配式建筑物化階段的碳排放主要來(lái)自構(gòu)件生產(chǎn)階段的建材消耗、機(jī)械設(shè)備的能源消耗、構(gòu)件運(yùn)輸階段的機(jī)械能耗、裝配施工階段的能源消耗及整個(gè)過(guò)程中的人工消耗，碳排放影響因素及碳排放源見(jiàn)表1。物化階段影響因素多，量化難度大，表中主要考慮對(duì)建筑碳排放量化有直接影響的因素。

1.2 碳排放計(jì)量公式

表1 物化階段碳排放源

分階段進(jìn)行物化時(shí)的碳排放量計(jì)算，預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段主要包括預(yù)拌混凝土、綁扎鋼筋、放置預(yù)埋件、澆筑振搗、蒸汽養(yǎng)護(hù)、構(gòu)件脫模等工作。依據(jù)構(gòu)件生產(chǎn)流程，生產(chǎn)階段的碳排放計(jì)量分為建材的使用耗損、機(jī)械運(yùn)行的化石燃料能耗及工人的人員碳排放。計(jì)算公式為式（1）～式（3）。

式（1）中：Qm1為建筑材料碳排放量，kg；i 為建筑材料種類(lèi)；pi 為第i 種建材使用量；ei 為第i 種建材碳排放系數(shù)；ai 為第i 種建材回收系數(shù)。考慮到部分建材不是一次性生產(chǎn)所得，在進(jìn)行建材碳排放計(jì)算時(shí)結(jié)合回收利用系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)折減，系數(shù)值見(jiàn)表2。

式（2）中：Qm2為預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)加工時(shí)機(jī)械產(chǎn)生的碳排放量，kg；t 代表預(yù)制構(gòu)件種類(lèi)；Ftd，F(xiàn)tx，F(xiàn)tg，F(xiàn)tw分別為構(gòu)件 t 生產(chǎn)時(shí)的柴油（kg）、汽油（kg）、電力（kW·h）、水（m3）的消耗量；Md，Mx，Mg，Mw分別為柴油（kg－CO2/kg）、汽油（kgCO2/kg）、電力（kgCO2/kW·h）、水（kgCO2/m3）對(duì)應(yīng)的碳排放因子。

表2 建材回收利用系數(shù)

式（3）中：Qm3為預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段人工碳排放量，kg；E 為人工碳排放影響因子，kgCO2/人·工日；N 為人工工日數(shù)，工日。

運(yùn)輸階段分為進(jìn)行裝、卸的垂直運(yùn)輸與水平運(yùn)輸，碳排放計(jì)算既要考慮不同運(yùn)距、重量及工具的化石燃料消耗，又要考慮構(gòu)件裝、卸過(guò)程中使用的吊車(chē)、叉車(chē)等機(jī)械設(shè)備電力消耗，計(jì)算公式為式（4）。

式（4）中：Qc為物流運(yùn)輸階段排出二氧化碳量，kg；Gt為第t 種預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸重量，t；Tt為運(yùn)輸距離，km；Eh為第 h 種運(yùn)輸方式的碳排放因子，kgCO2/t·km；Fcg是構(gòu)件裝、卸過(guò)程中的電力消耗量，kW·h；Mg為電力碳排放因子，kgCO2/kW·h。

施工階段的考慮范圍為吊裝連接和現(xiàn)澆施工過(guò)程中產(chǎn)生的人、材、機(jī)消耗，計(jì)算公式為式（5）。

式（5）中：Fj為施工安裝機(jī)械臺(tái)班消耗量，臺(tái)班；Mj為機(jī)械碳排放因子，kgCO2/臺(tái)班。

裝配式建筑物化階段碳排放總量為：

1.3 碳排放因子確定

碳排放因子是指每消耗單位碳源所產(chǎn)生的二氧化碳，由于國(guó)內(nèi)暫未形成權(quán)威且統(tǒng)一的碳排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)，本文研究并整理了《IPCC 國(guó)家溫室氣體清單編制指南》、中國(guó)生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)工程院等權(quán)威數(shù)據(jù)庫(kù)碳排放因子，利用式（7）將單位轉(zhuǎn)換為國(guó)內(nèi)常用單位，得到因子轉(zhuǎn)換結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 主要碳排放因子匯總表

表4 碳排放量對(duì)比

2 案例分析

山東省某高層剪力墻結(jié)構(gòu)建筑，其中2#，3#為預(yù)制率為19%的裝配式建筑，5#，6#，7#為傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑，面積均為13 886.78m2，地上31 層?，F(xiàn)選取2#與5#建筑碳排放量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

結(jié)果表明，裝配式建筑相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑碳排放量節(jié)約27%，減排效果顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合本文提出的裝配式建筑物化階段碳排放計(jì)算模型及建造過(guò)程獲取的數(shù)據(jù)，能夠得到準(zhǔn)確的碳排放強(qiáng)度值。既能對(duì)比分析裝配式建筑較傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑在生態(tài)環(huán)境效益中的優(yōu)異性，又能了解裝配式建筑的碳排放分布特性，針對(duì)性提出減排措施。根據(jù)裝配式建筑物化階段碳排放計(jì)量公式，提出以下減排建議。

1）減少建材用量

在裝配式建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，建筑結(jié)構(gòu)合理化是有效減少建材用量及碳排放量的方法。合理且經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)能夠在預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段減少模塊種類(lèi)、減少異型構(gòu)件數(shù)量、增加重復(fù)利用率，從而達(dá)到節(jié)材效果。另外，增加綠色建材和3R（Recycle，Reuse，Reduce）建材的投入使用量，對(duì)于大幅減少建材在全生命期的碳排放有重要意義。

2）優(yōu)化運(yùn)輸方案

運(yùn)輸過(guò)程包含2 次垂直運(yùn)輸和1 次水平運(yùn)輸。水平運(yùn)輸應(yīng)綜合考慮運(yùn)輸方式、運(yùn)輸線路、運(yùn)輸時(shí)間等因素，合理設(shè)計(jì)方案，避免不必要的二次運(yùn)輸。垂直運(yùn)輸應(yīng)該合理安排運(yùn)輸機(jī)械、縮短吊裝時(shí)間、優(yōu)化吊具安排。

3）低碳施工

施工階段碳排放影響因素種類(lèi)多、管理難度大，低碳施工可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：①采取封閉施工形式，有效管控施工揚(yáng)塵帶來(lái)的污染問(wèn)題，最大程度降低對(duì)周邊居民的影響；②改善施工工藝，簡(jiǎn)化施工工序，提高模板周轉(zhuǎn)次數(shù)，減少建材損耗量；③加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)管理，完善監(jiān)管制度，提高管理人員和施工人員的節(jié)能環(huán)保意識(shí)；④引進(jìn)BIM技術(shù)，集成施工現(xiàn)場(chǎng)信息管理。BIM 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)施工方案模擬及碰撞點(diǎn)檢查，有效實(shí)現(xiàn)事前控制，減少返工事件造成的材料、人員、時(shí)間損失。同時(shí)，BIM 技術(shù)根據(jù)施工進(jìn)度實(shí)施更新材料進(jìn)場(chǎng)計(jì)劃，優(yōu)化施工機(jī)械配置，避免預(yù)制構(gòu)件堆積，減少資源浪費(fèi)及二氧化碳排放。