楊 徽 ，龔志起

（1. 青海大學(xué) 土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2. 青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實驗室，青海 西寧 810016，E-mail：gzhq2007@foxmail.com）

建筑業(yè)在改善居住環(huán)境的同時，也帶來了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。世界范圍內(nèi)每年約40%的能源、35%的廢棄物[1]以及 23%的溫室氣體[2]與建設(shè)活動相關(guān)。研究表明，與傳統(tǒng)建造方式相比，裝配式建筑可節(jié)約41%的水資源、減少56%施工廢棄物[3]和49%的碳排放[4]。因此，裝配式建筑被認(rèn)為是一種可持續(xù)的建造方式。近年來，受到產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，國務(wù)院和住建部相繼頒發(fā)了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》《“十三五”裝配式建筑行動方案》等一系列政策文件，裝配式建筑顯示出較好的發(fā)展勢頭，2019年全國新開工的裝配式建筑達(dá)到了4.2億m2。但與推廣較好的地區(qū)相比，青海省裝配式建筑的發(fā)展略顯遲緩，盡管也出臺了相關(guān)政策推進(jìn)文件，但市場響應(yīng)有限，僅有兩家企業(yè)從事裝配式建造相關(guān)活動。而系統(tǒng)的進(jìn)行裝配式建筑綜合影響評價，是制定有效的裝配式建筑發(fā)展政策的關(guān)鍵。作為裝配式建筑體系的重要構(gòu)成，裝配構(gòu)件的環(huán)境經(jīng)濟(jì)性能直接影響裝配式建筑的系統(tǒng)表現(xiàn)。因此，系統(tǒng)分析裝配構(gòu)件的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)影響對有效推進(jìn)裝配式建筑大有裨益。

生命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）是一種量化產(chǎn)品生命周期中環(huán)境問題的方法，廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)[5]、制造業(yè)[6]等領(lǐng)域。但在幫助以盈利為目的的企業(yè)決策時具有一定的局限性，生命周期成本分析（Life Cycle Costing，LCC）作為計算生命周期內(nèi)所有成本的工具[7]，為解決這一問題提供了有效途徑。目前，LCA與LCC集成的方法主要包括：將LCA貨幣化與LCC集成[8]和基于矩陣的LCA與ER-LCC集成[9]，然而上述兩種方法局限于依托單一指標(biāo)，前者主要靠 LCC引導(dǎo)，后者按照 LCA框架進(jìn)行集成。此外，利用 AHP-TOPSIS法的LCA與LCC集成[10]及熵權(quán)多目標(biāo)決策法[11]，均存在專家打分現(xiàn)象，存在一定的主觀性。采用將產(chǎn)品環(huán)境績效與價值進(jìn)行聯(lián)合評估的生態(tài)效率，作為LCA與LCC集成工具。生態(tài)效率早于1990年由德國學(xué)者提出，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于評價混凝土再生[12]、食品制造[13]等技術(shù)，是企業(yè)制定發(fā)展計劃的重要手段。但應(yīng)用于評價裝配構(gòu)件的研究較少，針對裝配構(gòu)件的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)影響，目前尚無系統(tǒng)的評價方法。

本文采用LCA和LCC分別量化裝配構(gòu)件生命周期中環(huán)境經(jīng)濟(jì)影響，并基于生態(tài)效率將 LCA與LCC集成，系統(tǒng)分析裝配構(gòu)件生命周期中施工過程的資源消耗、環(huán)境排放及經(jīng)濟(jì)成本，進(jìn)而綜合評價裝配構(gòu)件效益，為企業(yè)優(yōu)化施工工藝提供理論支撐與數(shù)據(jù)支持，以期采取更環(huán)保、更具成本效益的措施促進(jìn)裝配式建筑發(fā)展。

1 L CA-LCC集成框架

本文采用LCA與LCC方法，基于生態(tài)效率構(gòu)建環(huán)境-經(jīng)濟(jì)評價系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 LCA與LCC集成框架

1.1 目標(biāo)與范圍

本文的目的是量化青藏高原地區(qū)混凝土裝配構(gòu)件生命周期環(huán)境-經(jīng)濟(jì)影響。定義LCA-LCC評價系統(tǒng)邊界為原料開采到建筑拆卸回收。

1.2 清單分析

依據(jù)系統(tǒng)邊界建立生命周期環(huán)境與成本清單。為量化裝配構(gòu)件生命周期中環(huán)境影響，將生命周期進(jìn)行劃分，采用基于過程的LCA進(jìn)行研究。

1.3 生命周期影響評價

1.3.1 生命周期環(huán)境評價

采用“中點(diǎn)法”，按照以下步驟評價環(huán)境影響。

（1）分類。將不同物質(zhì)可能造成的環(huán)境影響加以歸類，基于EDIP2003、CML2001等評價方法，將預(yù)制構(gòu)件環(huán)境影響類型分為8種。

（2）特征化。將不同物質(zhì)引起的同種類型環(huán)境影響進(jìn)行匯總的過程，特征化因子來源于 ISO 14044，如下式：

式中，HP(j)為第j類環(huán)境影響潛值；Q(j)為第j類環(huán)境影響中第i種物質(zhì)排放量；HF(j)為特征化因子。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化。對不同類型環(huán)境影響潛值提供統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)。選擇 1990年人均當(dāng)量為基準(zhǔn)值進(jìn)行環(huán)境影響類型標(biāo)準(zhǔn)化，計算如下式：

式中，HB(j)為第j類環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，HP(j)為第j類環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)人均當(dāng)量；HP(j)為全球或地區(qū)總的環(huán)境影響潛值；POP為全球或地區(qū)對應(yīng)的人口數(shù)量。為了體現(xiàn)區(qū)域性及局域性，文章分別基于全國與青海計算人均當(dāng)量值，得出結(jié)果見表1。

表1 1990 年環(huán)境影響人均當(dāng)量基準(zhǔn)值

（4）加權(quán)。確定不同環(huán)境影響類型的相對大小，如下式：

式中，WB(j)為第j類環(huán)境影響加權(quán)后潛值；W(j)為第j類權(quán)重因子。

1.3.2 生命周期成本分析

依據(jù)構(gòu)件生命周期，生命周期成本被分為四部分?；顒映杀緸檫@四類成本中的變動成本，即施工過程中產(chǎn)生的人工費(fèi)、材料費(fèi)等費(fèi)用。所有成本都需轉(zhuǎn)換為特定的時間點(diǎn)，主要是由于地點(diǎn)、市場和質(zhì)量的影響，勞動力、燃料及材料價格歷年差異性較大。故成本按現(xiàn)值進(jìn)行計算，如式（5）利用通貨膨脹率得到未來成本，再利用式（6）計算其折現(xiàn)值，則可加和得到生命周期總成本如式（7）。

式中，F(xiàn)C為未來成本；PV為現(xiàn)值；f為通貨膨脹率；d為折現(xiàn)率；n為年數(shù)（一般住宅建筑使用壽命為50年，即運(yùn)營期時長取50 a）；LCCpv為裝配構(gòu)件生命周期成本；LCCo為建造成本；DPV為折現(xiàn)現(xiàn)值；DPV1為運(yùn)營折現(xiàn)現(xiàn)值；DPV2為維護(hù)折現(xiàn)現(xiàn)值；DPV3為處置折現(xiàn)現(xiàn)值。

1.4 生態(tài)效率

生態(tài)效率是一種同時兼顧環(huán)境、經(jīng)濟(jì)兩方面的可持續(xù)評估工具，計算模型可表示為產(chǎn)品或服務(wù)的價值與環(huán)境效應(yīng)的比值。因 LCC能核算與環(huán)境影響相關(guān)的所有成本，故學(xué)者們在相關(guān)研究中大量采用LCC作為評估產(chǎn)品或服務(wù)的價值的工具，且ISO 14045提出使用 LCA作為評價產(chǎn)品環(huán)境影響的方法。因此，本文采用LCC表示產(chǎn)品或服務(wù)的價值，LCA表示環(huán)境影響，利用Steen等[15]提出標(biāo)準(zhǔn)化生態(tài)效率如下式：

生態(tài)效率為正值時，數(shù)值越大，則可持續(xù)性越好。相反，生態(tài)效率為負(fù)時，數(shù)值越小，對環(huán)境產(chǎn)生的污染就越大。

2 案例研究

以青海省海東市某裝配式混凝土結(jié)構(gòu)宿舍樓為例，實地調(diào)研并跟蹤監(jiān)測施工現(xiàn)場與構(gòu)件生產(chǎn)車間獲得相關(guān)環(huán)境經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。該宿舍樓建筑面積約10792.63 m2，裝配率達(dá)到了75%。相應(yīng)的構(gòu)件生產(chǎn)廠占地36892.00 m2，月平均產(chǎn)量為736.74 m3。

2.1 目標(biāo)與范圍

為量化預(yù)制構(gòu)件生命周期中環(huán)境影響與經(jīng)濟(jì)成本，對優(yōu)化施工過程提供數(shù)據(jù)支持。定義功能單元為1m3預(yù)制疊合板。環(huán)境與成本均基于1m3預(yù)制疊合板計算。LCA研究邊界從原料研究開始，而LCC研究邊界為設(shè)計決策階段產(chǎn)生，為統(tǒng)一系統(tǒng)邊界，定義范圍為原料獲取到構(gòu)件裝配完成。

2.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對評價裝配構(gòu)件效益至關(guān)重要。環(huán)境數(shù)據(jù)：氣體排放如 CO2、SO2、等數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場監(jiān)測；固體廢棄物、資源及能源如混凝土、柴油消耗數(shù)據(jù)源于實地調(diào)研。原料開采、加工過程中環(huán)境數(shù)據(jù)通過查閱文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)庫獲得。成本數(shù)據(jù)：依照2019青海省城鄉(xiāng)與住房建設(shè)廳發(fā)布的指導(dǎo)價確定。

研究中存在一些不確定因素，涉及多個單元過程與原材料，數(shù)據(jù)多而復(fù)雜。鑒于此假設(shè)：①對原材料簡化處理，僅考慮構(gòu)件生產(chǎn)、裝配階段的主要消耗，即混凝土、鋼筋、PVC和水資源；②對成本簡化處理，只考慮直接費(fèi)；③預(yù)制疊合板生產(chǎn)及裝配階段相比其使用維護(hù)階段時間非常短暫，不考慮折現(xiàn)；④原料獲取階段成本難以獲得，均按當(dāng)前青海省市場原料價格確定，用材料費(fèi)表示。

2.3 生命周期環(huán)境清單

查閱文獻(xiàn)得到鋼材、C30商品混凝土、PVC管、電、自來水、天然氣生產(chǎn)過程及卡車運(yùn)輸過程[5，16]中資源、能源消耗及環(huán)境排放數(shù)據(jù)，建立環(huán)境影響清單如表2所示。

表2 預(yù)制疊合板生命周期中環(huán)境影響清單表

2.4 生命周期成本清單

對PC廠與施工現(xiàn)場調(diào)研，參考2019年青海省市場指導(dǎo)價得到預(yù)制板生命周期成本如表3所示。

表3 預(yù)制疊合板生命周期成本清單表（單位：元）

2.5 生命周期環(huán)境影響評價

考慮預(yù)制疊合板在系統(tǒng)邊界中資源、能源消耗及環(huán)境排放，根據(jù)生命周期環(huán)境清單，選擇8種主要環(huán)境影響類型。在環(huán)境影響評價中，常見的加權(quán)方法有目標(biāo)距離法、WTP和層次分析法等。其中目標(biāo)距離法體現(xiàn)出較強(qiáng)的區(qū)域性及局域性，而社會支付意愿基于環(huán)境稅，將經(jīng)濟(jì)指標(biāo)納入 LCA中。因此，環(huán)境影響評價分別采用目標(biāo)距離法與WTP。

2.5.1 基于目標(biāo)距離法的環(huán)境影響評價

根據(jù)式（1）與式（2），得到1 m3預(yù)制疊合板環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果（見表 4），基于目標(biāo)距離法計算出各類環(huán)境影響潛值，不同環(huán)境影響類型比例如圖2所示。在比較不同過程環(huán)境影響時，由于固體廢棄物主要在原料獲取階段產(chǎn)生，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他環(huán)境影響類型，故在此中不予體現(xiàn)。

表4 基于目標(biāo)距離法的環(huán)境影響潛值

圖2 環(huán)境影響值百分比

由環(huán)境影響結(jié)果可知，固體廢棄物是預(yù)制疊合板生命周期中最主要的環(huán)境影響類型，占總環(huán)境影響的56.54%。其次為礦石資源與化石能源消耗，分別為13.57%和10.60%。酸化、氣候變暖及富營養(yǎng)化影響最小，三者之和僅占6.23%。

如圖3所示，在預(yù)制板研究范圍中，原料獲取過程中環(huán)境影響較大。其中固體廢棄物環(huán)境影響最大，礦石、化石及淡水資源消耗次之。運(yùn)輸過程環(huán)境影響較小，主要來自化石能源消耗。同時化石能源消耗也是構(gòu)件生產(chǎn)與裝配過程的主要環(huán)境影響類型。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是，鋼材在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的固體廢棄物，造成固體廢棄物的環(huán)境影響比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他環(huán)境影響類型。并且鋼材與混凝土生產(chǎn)過程消耗了大量的礦石資源及化石能源，導(dǎo)致礦石資源與化石能源消耗比例增大。同樣在構(gòu)件生產(chǎn)及裝配階段，大量的電力消耗使化石能源消耗上升。另一方面，由于施工工地與預(yù)制廠的距離較近，沒有產(chǎn)生大量的氣體排放，故在運(yùn)輸過程中酸化、全球變暖及富營養(yǎng)化影響比例相對較低。

圖3 預(yù)制疊合板生命周期中環(huán)境影響

因此，建議在生產(chǎn)過程中盡量減少鋼材的浪費(fèi)，提倡選擇清潔生產(chǎn)等措施提高鋼材利用率，同時注重鋼材的回收利用，從而大幅度降低固體廢棄物。此外，也可看出構(gòu)件運(yùn)輸距離對環(huán)境影響的重要性，縮短運(yùn)輸距離是降低氣候變暖、酸化和富營養(yǎng)化的有效手段之一，這表明合理的規(guī)劃預(yù)制廠地對減少環(huán)境影響負(fù)荷起著舉足輕重的作用。

2.5.2 基于WTP的影響評價

社會支付意愿是指為減少環(huán)境影響支付一定金額的意愿，基于環(huán)境稅得到環(huán)境影響權(quán)重值[17]，計算1m3預(yù)制疊合板不同環(huán)境影響潛值如表5所示。

表5 基于社會支付意愿的環(huán)境影響潛值

計算得出生產(chǎn)1 m3預(yù)制疊合板在原料獲取、構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸及裝配過程中總環(huán)境影響潛值為581.5元，全生命周期成本由 LCC及外部性成本、非施工成本和收入組成[7]。外部性成本包括造成環(huán)境影響產(chǎn)生的成本即環(huán)境成本，結(jié)合表 3，得到環(huán)境成本占生命周期成本比例為22%。其主要原因在于，此次案例研究，只考慮了預(yù)制疊合板材料的主要構(gòu)成，并且成本計算中并未將管理費(fèi)、利潤等費(fèi)用納入范疇，這將造成生命周期成本偏低，相應(yīng)的環(huán)境成本比例偏大。另一方面，也證明了環(huán)境成本的重要性，必須認(rèn)真思考。

2.5.3 目標(biāo)距離法與WTP評價結(jié)果對比分析

采用目標(biāo)距離法與 WTP加權(quán)計算環(huán)境影響潛值。在資源消耗方面，均為礦石資源消耗潛值大于淡水資源消耗潛值。在生態(tài)破壞方面，基于目標(biāo)距離法評價中酸化潛值大于氣候變暖潛值，但基于WTP計算結(jié)果相反。造成這種差異的主要原因為目標(biāo)距離法確定權(quán)重時 CO2的指標(biāo)采用的是單位GDP 減排量，而SO2采用總減排量。

2.6 生命周期成本分析評價

基于表2，得出1 m3預(yù)制疊合板，現(xiàn)階段直接成本比例如圖4所示，生命周期成本如圖5所示。

圖4 直接成本百分比

圖5 預(yù)制疊合板生命周期成本

由圖4可知，材料費(fèi)在直接成本中所占比例最大，高達(dá)43.91%。人工費(fèi)、廠房基建攤銷費(fèi)及運(yùn)輸費(fèi)次之，分別為23.88%、8.57%和8.04%。其他費(fèi)用之和僅為15.6%，相對較低。造成這種情況的原因主要是由于在疊合板建造過程中消耗了大量的鋼筋，鋼筋產(chǎn)生的費(fèi)用占據(jù)了材料費(fèi)的一半以上。同時PC廠未形成系統(tǒng)的流水作業(yè)線，機(jī)械化程度低，生產(chǎn)主要依靠人力，導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)量低，這也是人工費(fèi)和廠房基建攤銷費(fèi)比例高的一個重要原因。

如圖5所示，原料獲取過程中成本最大，其次為構(gòu)件生產(chǎn)與裝配過程，運(yùn)輸過程成本最小。主要原因是生產(chǎn)過程中投入大量材料，這將導(dǎo)致材料費(fèi)上升即原料獲取過程成本增大。而人工費(fèi)為其他過程的主要費(fèi)用。因此，企業(yè)提高資源利用率對降低材料費(fèi)有極大幫助。此外，提高裝配構(gòu)件機(jī)械化程度，對提高產(chǎn)量以減少人工費(fèi)與攤銷費(fèi)至關(guān)重要。

2.7 生態(tài)效率

環(huán)境影響潛值無單位，成本以貨幣為單位，環(huán)境與成本屬于不同量綱。為計算生態(tài)效率，引入2019年青海省人均GDP值48981元，使成本標(biāo)準(zhǔn)化，即可通過式（8）得到生態(tài)效率。為驗證結(jié)果的可靠性，同時采用社會支付意愿計算預(yù)制疊合板環(huán)境影響潛值，得到生態(tài)效率如表6所示。

表6 預(yù)制疊合板生命周期生態(tài)效率

通過目標(biāo)距離法和WTP加權(quán)分別計算LCA，與 LCC集成得到生態(tài)效率均為運(yùn)輸過程最大，裝配與構(gòu)件生產(chǎn)過程次之，原料獲取過程最小。即在保證功能的前提下，原料獲取過程環(huán)境負(fù)荷最大。

綜上所述，在量化裝配疊合板綜合效益時，需給予原料獲取過程足夠的重視。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)管理，優(yōu)化鋼筋、混凝土、PVC等原料開采、生產(chǎn)過程中施工工藝，提高資源、能源的使用效率。同時企業(yè)應(yīng)增強(qiáng)裝配構(gòu)件產(chǎn)業(yè)化、機(jī)械化程度，促進(jìn)生態(tài)效率的提高，最終達(dá)到環(huán)境經(jīng)濟(jì)雙贏局面。

3 結(jié)語

本文以1 m3預(yù)制疊合板為研究對象，定義系統(tǒng)邊界為為原料獲取到構(gòu)建裝配完成，采用 LCA與LCC方法得到在不同的生命周期階段，成本結(jié)果的變化趨勢與環(huán)境影響的變化趨勢基本一致。固體廢棄物、礦石資源及化石能源是環(huán)境影響的主要類型，分別占比為56.54%、13.57%和10.60%。環(huán)境成本占活動成本的比值達(dá)到22.91%。并基于生態(tài)效率將LCA與LCC集成，綜合評價裝配構(gòu)件效益。為提高研究的可靠性，分別采用目標(biāo)距離法和社會支付意愿權(quán)重計算環(huán)境影響潛值，結(jié)果顯示生態(tài)效率均為：運(yùn)輸過程最大，構(gòu)件裝配和生產(chǎn)過程次之，原料獲取過程最小。此方法可用于評價青藏高原同類產(chǎn)品。同時案例結(jié)果為企業(yè)優(yōu)化施工工藝提供數(shù)據(jù)支持，為綜合評價裝配式建筑提供依據(jù)。但因預(yù)制廠中多種工藝交叉進(jìn)行，測量得到的噪音存在多種干擾源，未考慮噪音的環(huán)境影響，后續(xù)研究可考慮將這些納入評價裝配構(gòu)件的環(huán)境影響范疇。此外，對生命周期的進(jìn)一步研究可以擴(kuò)展到使用維護(hù)階段與最終處置階段。