袁青云，孫旻

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200112）

0 引言

在城市化進程的不斷推進下，我國建筑業(yè)發(fā)展迅猛，導(dǎo)致建筑能耗總量持續(xù)增長。據(jù)《中國建筑能耗研究報告（2020）》[1]統(tǒng)計，2018 年全國建筑全過程能耗和碳排放總量分別占全國總消耗量的46.5%和51.3%。近年來，減少碳排放、積極應(yīng)對全球氣候問題已成了國際共識，“雙碳”背景下，建筑業(yè)亟待實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型。

城市建筑的基坑在開挖中，一般需要設(shè)計并建造基坑內(nèi)支撐以減少開挖卸荷對基坑周邊環(huán)境的影響，從而保護原有城市建（構(gòu)）筑物。基坑內(nèi)支撐為臨時結(jié)構(gòu)物，于基坑開挖前安裝好，在地下室板完工后即進行拆除。相較于建筑主體結(jié)構(gòu)來說，基坑的臨時支撐結(jié)構(gòu)使用壽命短，對其全壽命周期的碳排放進行測算，有助于建筑業(yè)節(jié)能和控制碳排放。

根據(jù)建筑材料的不同，現(xiàn)有的基坑內(nèi)支撐可以分為鋼筋混凝土內(nèi)支撐以及預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)支撐。因混凝土材料優(yōu)秀的抗壓承載能力，鋼筋混凝土內(nèi)支撐體系廣泛應(yīng)用于基坑內(nèi)支撐的施工中，但在基坑施工完畢后，現(xiàn)場澆筑的混凝土支撐構(gòu)件需要進行拆除，而混凝土的回收可再利用率較低，便會產(chǎn)生較多的建筑垃圾。預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)支撐體系利用鋼管或型鋼等鋼構(gòu)件作為基坑的內(nèi)支撐[2]，在基坑施工結(jié)束后可對預(yù)制鋼支撐構(gòu)件進行拆除并回收再利用，過程中產(chǎn)生的建造廢棄物較少，對于控制建筑物總的建造碳排放量更加友好。近年來，國家大力推行綠色施工和低碳減排，基于預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越的可回收性能，越來越多的基坑內(nèi)支撐工程采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)體系替換傳統(tǒng)的鋼筋混凝土體系，但較少有研究對兩種結(jié)構(gòu)體系對環(huán)境的實際影響進行量化計算和分析。因此，對兩種結(jié)構(gòu)體系的全生命周期碳排放量進行量化計算和分析對比具有重要研究意義。

關(guān)于建筑碳排放計算模型的研究大多基于生命周期理論，Leif Gustavsson 等[3]將建筑全生命周期定義為原料生產(chǎn)、建筑施工、建筑運行以及拆除四個階段，同時利用排放因子法對各個階段的CO2排放量進行分部計算。劉娜[4]根據(jù)建筑行業(yè)的特點，將規(guī)劃設(shè)計階段加入到對建筑全生命周期碳排放的研究中。建筑全生命周期碳排放計算方法主要包括實測法、物料平衡法以及碳排放因子法[4]，Jonas Nassen 等[5]對比了物料平衡法和碳排放因子法，發(fā)現(xiàn)碳排放因子法適用于單個建筑碳排放測算，而物料平衡法則偏向于分析建筑社區(qū)碳排放。Ambrose Dodoo[6]、陳文娟[7]、李興福[8]、龔志起[9]等則對不同種類建筑材料在生產(chǎn)運輸階段、使用及回收等階段的碳排放進行了計算。而針對建造施工過程的碳排放，Catarina[10]的研究發(fā)現(xiàn)施工階段的碳排放占據(jù)建筑全壽命周期碳排放量的20%；王建軍[11]建立了基于定額的單位能耗和碳排放因子的建筑建造碳排放計算模型，并以鋼筋分項工程為例，具體說明了模型的計算方法。

為了定量對比單位工程量的鋼筋混凝土支撐與H 型鋼支撐體系的碳排放量，本文基于建筑全壽命周期理論，從規(guī)劃設(shè)計、建材生產(chǎn)與運輸、建造施工、使用以及拆除回收五個階段對兩種支撐的碳排放進行計算。計算模型首先明確了每個階段的時間、生產(chǎn)要素以及場地范圍等計算邊界；然后根據(jù)《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》[12]確認(rèn)各種燃料、建材以及運輸?shù)奶寂欧乓蜃?，針對兩種支撐的施工過程，結(jié)合《全國統(tǒng)一建筑工程基礎(chǔ)定額》[13]、《全國統(tǒng)一施工機械臺班費用定額》[14]以及文獻中的工程數(shù)據(jù)[15]，從材料生產(chǎn)與運輸、施工機械以及施工場內(nèi)運輸?shù)确矫娣謩e對基坑混凝土支撐和H 型鋼支撐的碳排放量進行計算；最后，將對應(yīng)工程量的兩種基坑支撐的碳排放量進行對比，分析全壽命周期內(nèi)的基坑混凝土支撐和H 型鋼支撐的碳排放量，力求為基坑設(shè)計與施工提供更多的碳排放量數(shù)據(jù)，為建筑產(chǎn)業(yè)的綠色減排提供數(shù)據(jù)支撐與優(yōu)化建議。

1 碳排放計算模型及計算邊界

1.1 碳排放因子法

碳排放因子是指生產(chǎn)或消耗單位質(zhì)量物質(zhì)中產(chǎn)生的碳生成及排放數(shù)量，是對二氧化碳?xì)怏w排放量進行表征的重要參數(shù)[6]。

碳排放因子法通過將碳排放因子和生產(chǎn)建造的工程量相結(jié)合，從而對整個項目產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w進行總體測算，是政府間氣候變化專門委員會（IPCC）于1996 年提出的碳排放估算方法[16]。對于常見建筑工程項目來說，可以根據(jù)《全國統(tǒng)一建筑工程基礎(chǔ)定額》 得到單位工程量所需的機械臺班消耗量，并依據(jù)《全國統(tǒng)一施工機械臺班費用定額》得出單位機械臺班能源消耗量，再根據(jù)單位能源消耗量的碳排放因子數(shù)據(jù)得到n 個單項工程的碳排放量，即得出整體工程的碳排放總量[11]。

式中，F(xiàn)i——某種能源的碳排放因子。

因此，在進行工程的碳排放計算時，首先要確認(rèn)計算碳排放所在的時間范圍和計算內(nèi)容，然后根據(jù)生產(chǎn)時間范圍內(nèi)的計算內(nèi)容查得機械臺班數(shù)量及單位機械臺班的能源消耗量，通過單位能源的碳排放因子即可計算出工程總的碳排放量。

1.2 碳排放計算模型的對象及邊界

1.2.1 計算對象

建筑物全生命周期可分為規(guī)劃設(shè)計階段、建材生產(chǎn)及運輸階段、建造施工階段、使用階段以及拆除回收階段等五個階段[4]。因此，針對每個階段的碳排放重點對計算對象進行統(tǒng)計，并單獨計算五個階段中所有單個項目的能源消耗及碳排放量，最后再進行累積，建筑全生命周期的碳排放總量的計算公式可按如下所示[16]：

式中，C——建筑全生命周期碳排放總量（kg）；C1——規(guī)劃設(shè)計階段碳排放總量（kg）；C2——建材生產(chǎn)及運輸階段碳排放總量（kg）；C3——建造施工階段碳排放總量（kg）；C4——使用階段碳排放總量（kg）；C5——拆除回收階段碳排放總量（kg）。

1.2.2 計算邊界

計算模型的系統(tǒng)邊界包括時間邊界、要素邊界以及場地邊界[11]。在利用碳排放公式進行計算時，首先要對計算邊界進行明確。本文針對基坑混凝土支撐和預(yù)制H 型鋼支撐體系的實際使用場景，對兩種支撐全生命周期的碳排放進行計算。如圖1 中對時間邊界的示意，碳排放總量計算模型的時間邊界從規(guī)劃設(shè)計階段開始，到結(jié)構(gòu)的拆除結(jié)束，其中包含了材料的生產(chǎn)運輸、場地內(nèi)施工以及正常使用階段等，而建筑拆除后需要二次加工并進行循環(huán)使用的階段不在本次全壽命周期的考慮范圍內(nèi)。

圖1 碳排放計算模型及其計算邊界

生產(chǎn)要素包括人工、機器、材料三個種類。其中，施工人員產(chǎn)生的碳排放不計入建造過程碳排放[11]，而規(guī)劃設(shè)計階段的碳排放量C1主要來源于人工排放，且總量較小，因此在本文中不作考慮。施工機械包含了以下類型的機械：①建材場外運輸；②場內(nèi)的水平及垂直運輸；③建材場內(nèi)二次加工及現(xiàn)場安裝；④使用階段機械；⑤結(jié)構(gòu)拆除機械等。材料包含了建造過程中使用的所有建筑材料，其中，可拆除并直接進行循環(huán)使用的材料需要考慮其循環(huán)使用的次數(shù)。

1.3 碳排放因子確定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51366—2019）[12]中給出的計算建議值，表1 中給出三類主要燃料、四種建材生產(chǎn)、建材汽車運輸1km 的碳排放因子以及建材的標(biāo)準(zhǔn)回收系數(shù)。

表1 燃料、建材生產(chǎn)以及運輸?shù)奶寂欧乓蜃訁R總表

2 兩種支撐碳排放量計算

對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐和預(yù)制型鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐在全生命周期內(nèi)單位工程量碳排放進行計算，首先要確定兩種支撐在生產(chǎn)、建造以及拆除等工程階段中將產(chǎn)生碳排放的具體計算類目；然后依據(jù)《全國統(tǒng)一建筑工程基礎(chǔ)定額》[13]、《全國統(tǒng)一施工機械臺班費用定額》[14]、《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》[12]和文獻中的調(diào)研數(shù)據(jù)[15]，確定單位工程量的所有類目對應(yīng)的工程量數(shù)值；最后，根據(jù)碳排放的來源，將工程量與對應(yīng)的碳排放因子相乘，其總和即為碳排放總量。

2.1 兩種支撐全生命周期碳排放計算類目

建筑的全生命周期碳排放總量計算主要包括以下五個階段，每個階段混凝土支撐及H 型鋼支撐需要考慮的項目類型匯總于表2。

表2 建筑施工階段碳排放計算類目

（1）規(guī)劃設(shè)計階段碳排放總量

規(guī)劃設(shè)計階段只有人產(chǎn)生的碳排放，因此，在本文計算中，此階段的碳排放量都作0 考慮。

（2）建材生產(chǎn)及運輸階段碳排放總量

建材生產(chǎn)及運輸階段包含生產(chǎn)與運輸兩個過程產(chǎn)生的碳排放。對于鋼筋混凝土支撐，根據(jù)其建造材料需要對混凝土、鋼筋以及模板分別計算；對于H 型鋼支撐，需要考慮H 型鋼構(gòu)件的加工及構(gòu)件運輸。

（3）建造施工階段碳排放總量

建造施工階段主要是將建材通過施工機械建造成為對應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)的過程?；炷林问┕ぶ邪嘶炷凉こ?、鋼筋工程及模板工程的施工機械和場內(nèi)運輸產(chǎn)生的碳排放；對于H 型鋼支撐，其安裝過程中采用螺栓連接，安裝階段產(chǎn)生的碳排放量很少，故忽略，主要考慮H 型鋼構(gòu)件的場內(nèi)運輸。

（4）使用階段碳排放總量

使用階段主要考慮維持結(jié)構(gòu)正常運轉(zhuǎn)所需的機械產(chǎn)生的碳排放量，混凝土支撐使用階段無需特殊儀器進行運維，所以此階段不作考慮；H 型鋼支撐需要利用液壓伺服千斤頂保持支撐軸力水平，需要計入相應(yīng)的機械碳排放。

（5）拆除回收階段碳排放總量

拆除回收階段的碳排放主要包括拆除施工所消耗能源產(chǎn)生的二氧化碳排放及建筑廢棄物運輸過程中產(chǎn)生的二氧化碳排放。在基坑施工完畢后，需要對混凝土支撐進行切割拆除并分類進行回收和填埋，此過程中需要考慮拆除機械以及回收運輸產(chǎn)生的碳排放量；而對于H 型鋼支撐，其拆除過程只涉及場內(nèi)運輸以及回收至中轉(zhuǎn)場地的場外運輸過程。

2.2 各分項工程數(shù)據(jù)來源

在本文所建立的建筑碳排放模型的計算中，需要混凝土支撐和鋼支撐在其生命周期內(nèi)各階段的資源使用量以及運輸、器材的用量數(shù)據(jù)，表3、表4 分別給出了混凝土支撐和H 型鋼支撐各階段的計算數(shù)據(jù)大小以及數(shù)據(jù)來源。另外，根據(jù)資料中對現(xiàn)有H 型鋼支撐項目進行的統(tǒng)計結(jié)果可知，在設(shè)置基坑內(nèi)支撐時，相同情況下，1t H 型鋼支撐可以替換2.2m3的混凝土支撐[15]?；觾?nèi)支撐是基坑開挖過程中的一個臨時結(jié)構(gòu)物，在形成地下室板底閉合時即可拆除，因此，其使用時長一般在3 個月以內(nèi)。

表3 混凝土支撐生命周期各階段數(shù)據(jù)及其來源[12-15]

表4 鋼支撐生命周期各階段數(shù)據(jù)及其來源

2.3 各分項工程碳排放因子計算

基坑的混凝土支撐，現(xiàn)場建造過程根據(jù)材料劃分可以分為混凝土工程、鋼筋工程及模板工程三個分項工程。其中，商業(yè)預(yù)拌混凝土工程的現(xiàn)場施工內(nèi)容主要包括混凝土的攪拌及振搗；鋼筋工程主要是鋼筋的調(diào)直、切割、彎曲以及鋼筋網(wǎng)焊接；模板工程中需要現(xiàn)場對模板進行切割。而在拆除階段，需要使用手持式風(fēng)動鑿巖機對鋼筋混凝土支撐梁進行切割，其動力裝置為電動空氣壓縮機。但混凝土支撐在使用過程中無需其他器械進行變形等控制，因此在使用階段沒有碳排放計算項。

H 型鋼支撐在施工中主要通過螺栓進行連接，因此其安裝和拆除過程沒有大型施工機械的使用，但是在其使用過程中，需要利用液壓伺服千斤頂保持支撐軸力水平，以控制基坑周邊變形。因此，對H 型鋼支撐機械的碳排放計算只需考慮其使用過程中的液壓伺服千斤頂產(chǎn)生的碳排放。

依據(jù)全國統(tǒng)一建筑工程基礎(chǔ)定額和建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)，將單位數(shù)量的兩種支撐在全生命周期中各階段采用的施工機械、臺班數(shù)量以及產(chǎn)生的碳排放量匯總于表5 中。

表5 兩種支撐分項工程機械對應(yīng)碳排放因子

除了施工機械以外，混凝土、鋼筋、模板以及型鋼在運輸?shù)綀龅刂螅鶕?jù)其情況需要在場地內(nèi)進行再加工，并對完工的預(yù)拌混凝土、鋼筋籠以及成型模板進行場內(nèi)運輸和吊裝，四種材料場內(nèi)運輸產(chǎn)生的碳排放量計算如表6 所示。

表6 兩種支撐場內(nèi)運輸碳排放

3 兩種支撐方式全壽命周期碳排放對比與分析

根據(jù)第二節(jié)中對鋼筋混凝土支撐、型鋼支撐的碳排放計算類目的確定以及各分項工程的工程量數(shù)據(jù)，結(jié)合對應(yīng)的碳排放量數(shù)據(jù)，對兩種支撐全生命周期單位材料的碳排放因子進行匯總與計算，具體計算過程見表7。從表中結(jié)果可知，單位體積的混凝土支撐在全生命周期內(nèi)產(chǎn)生的碳排放量是單位重量型鋼支撐的2.22 倍。

表7 兩種支撐全壽命周期碳排放量計算匯總表

根據(jù)鋼支撐體系應(yīng)用于上海汶水路靜安府、南京國際博覽中心和鄭州綜合交通樞紐等項目的統(tǒng)計結(jié)果，在采用鋼支撐部分或全部代替混凝土支撐的基坑工程中，每噸新型H 型鋼支撐可對應(yīng)替換2.2m3的混凝土支撐[15]，因此，考慮到實際工程中兩種支撐的工程總量的對應(yīng)關(guān)系，可以得到型鋼支撐體系總的碳排放量是對應(yīng)混凝土支撐的20%。

按照材料生產(chǎn)、運輸（場外及場內(nèi)運輸）以及施工機械對兩種支撐的碳排放量來源進行分析，可得到圖2。可以看出，材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)是單位材料的混凝土支撐碳排放的主要來源，占比約為70%，而其施工機械僅占排放總量的11%。對于型鋼支撐來說，考慮到型鋼構(gòu)件在施工前后的運輸距離都較遠（500km），所以其碳排放量主要來源于運輸，占比達到了70%。鋼材在生產(chǎn)中產(chǎn)生的碳排放因子較高，但因為型鋼支撐的高回收率和周轉(zhuǎn)性質(zhì)，因此在單個項目中均攤的材料損耗所產(chǎn)生的碳排放量較小。

圖2 兩種支撐單位材料碳排放組成對比

根據(jù)產(chǎn)生碳排放的階段不同，將混凝土支撐與H 型鋼支撐的碳排放總量進行對比，對比結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，建材生產(chǎn)與運輸階段是兩種支撐碳排放量最大的階段。尤其對于混凝土支撐來說，其較差的回收性使得建材生產(chǎn)和運輸階段產(chǎn)生的碳排放量占比非常大，達到了其全生命周期的73%，因此，對混凝土支撐來說，優(yōu)化其回收再利用途徑可有效減少其碳排放量。對于型鋼支撐來說，其建材生產(chǎn)及運輸階段和拆除回收階段的碳排放量都較高，主要是由于其遠距離運輸引起的，因此，優(yōu)化運輸距離或減少運輸車輛的碳排放可有效減少型鋼支撐全生命周期的碳排放量。

圖3 全生命周期兩種支撐各階段碳排放量對比

對比H 型鋼支撐與等價的混凝土支撐在四個階段的碳排放量，型鋼支撐只有使用階段的碳排放量相對較高，說明型鋼支撐相比混凝土支撐來說，在全生命周期上的碳排放優(yōu)勢明顯，是國家雙碳政策下基坑內(nèi)支撐施工的一個更優(yōu)選擇。

4 結(jié)論

（1）依據(jù)全壽命周期碳排放計算模型中的五個階段，根據(jù)碳排放量對其作適當(dāng)簡化，明確了每個階段的碳排放計算邊界。

（2）根據(jù)施工工藝及建造流程對基坑混凝土支撐及預(yù)制H 型鋼支撐的全壽命過程中產(chǎn)生碳排放的類目進行梳理，結(jié)合碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)及基礎(chǔ)定額，給出了每個分項工程碳排放因子的計算過程及結(jié)果。

（3）分別對兩種支撐單位材料碳排放量類目的組成進行分析，原材料生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)過程中的運輸分別是混凝土支撐和鋼支撐碳排放的主要來源，占比都約為70%。

（4）對比H 型鋼支撐與等價混凝土支撐全生命周期所有階段的碳排放量，型鋼支撐只在使用階段的碳排放量更高，其碳排放總量約為混凝土支撐的20%。因此，型鋼支撐在全生命周期上的碳排放優(yōu)勢更大，是基坑內(nèi)支撐綠色減碳的一個更優(yōu)選擇。