洪旭艷，朱有初，范 鑫，陳昭武，楊仕彬，陳石瑋

（1.廈門經濟特區(qū)房地產開發(fā)集團有限公司，福建 廈門 361000；2.福建鵬偉建設集團有限公司，福建 龍巖 364000；3.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250000；4.福建理工大學 管理學院，福建 福州 350001，E-mail：184000947@qq.com）

混凝土是建筑業(yè)的主要材料，我國建筑業(yè)的龐大體量帶來的是混凝土的巨大消耗量[1]。根據國家統(tǒng)計局數(shù)據，我國每年混凝土的消耗量達14 億m3。由于我國商品混凝土主要采用傳統(tǒng)波特蘭水泥混凝土，生產過程具有較大的負面環(huán)境影響，因此我國建筑業(yè)產生了大量的環(huán)境負擔[2]。為降低混凝土的負面環(huán)境影響，輔助膠凝材料混凝土應運而生[2]。輔助膠凝材料混凝土的原理是用粉煤灰和礦渣等工業(yè)廢料等輔助膠凝材料代替水泥，從而減少了水泥的消耗。而又由于輔助膠凝材料在生產過程的環(huán)境負擔遠遠小于水泥，使得輔助膠凝材料混凝土的環(huán)境影響較低[3]。

已有一些研究分析了輔助膠凝材料混凝土在建筑施工中的應用。Yang 等[4]采用生命周期評價方法分析了輔助膠凝材料混凝土在現(xiàn)澆建筑中的應用表現(xiàn)，計量了二氧化碳排放量。林澤羿等[5]采用模擬技術構建了輔助膠凝材料混凝土應用于現(xiàn)澆建筑中的環(huán)境-經濟表現(xiàn)綜合計量模型，分析了輔助膠凝材料混凝土應用于現(xiàn)澆建筑施工的碳排放和成本。然而，在裝配式建筑領域，還鮮有研究對輔助膠凝材料混凝土應用的可行性和表現(xiàn)進行探索。這導致裝配式建筑相關企業(yè)難以判斷是否應當在裝配式構件中使用輔助膠凝材料混凝土，以及使用哪種輔助膠凝材料混凝土，從而使得輔助膠凝材料混凝土在我國裝配式建筑領域的應用不足。隨著我國政府大力推進裝配式建筑，裝配式建筑逐漸成為潮流。而輔助膠凝材料混凝土在裝配式建筑中的應用缺失會顯著阻礙輔助膠凝材料混凝土的推廣，不能充分利用輔助膠凝材料混凝土以降低建筑業(yè)負面環(huán)境影響，不利于我國建筑業(yè)的綠色轉型。

為此，本文結合混凝土材料特性數(shù)據（Concrete Material Characteristics Data，CMCD）和生命周期評價方法（Life Cycle Assessment，LCA），建立能夠對輔助膠凝材料混凝土裝配式構件從搖籃到拆除的環(huán)境影響進行計量和決策的方法。依據計量的結果，為施工決策者提供決策輔助。本文還將該方法應用于某裝配式混凝土建筑工程案例，有效地計量輔助膠凝材料混凝土裝配式構件的環(huán)境影響，并為裝配式建筑相關企業(yè)應用輔助膠凝材料混凝土提供決策輔助。本文構建的方法為以后的相關研究提供了理論基礎和方法上的參考。

1 CMCD-LCA 方法

1.1 方法框架

為了對輔助膠凝材料混凝土裝配式構件的環(huán)境影響進行計量，本文提出了CMCD-LCA 方法，方法的框架如圖1 所示。

圖1 CMCD -LCA 方法框架

（1）通過咨詢工程項目相關的裝配式構件生產單位和施工單位的一線技術人員和管理人員，獲得備選輔助膠凝材料混凝土裝配構件方案，包括材料選型、構件設計方案和配套裝配施工方案。由于本文僅作環(huán)境影響計量方面的分析，并不涉及材料、結構性能方面的分析，因此默認選擇的輔助膠凝材料混凝土裝配式構件符合生產施工相關規(guī)范和要求。

（2）通過CMCD 獲得備選輔助膠凝材料混凝土的相關數(shù)據（強度發(fā)展階段的完整連續(xù)數(shù)據），并將數(shù)據傳輸給LCA?；贑MCD 的輔助膠凝材料混凝土數(shù)據，對供應鏈過程和施工過程進行分析，得到環(huán)境影響清單數(shù)據?；诜治鼋Y果，采用LCA 對供應鏈過程（A1~A4）、施工過程（A5）、建筑運維過程（A6）和拆除過程（A7）的環(huán)境影響進行計量，獲得備選輔助膠凝材料混凝土裝配式構件方案從搖籃到拆除的環(huán)境影響。

（3）基于計量得到的環(huán)境影響，對備選輔助膠凝材料混凝土裝配式構件方案進行篩選，選擇方案，為施工決策者提供決策輔助。

1.2 基于CMCD 的輔助膠凝材料混凝土數(shù)據獲取和分析

CMCD-LCA 方法的第一步是獲取和分析輔助膠凝材料混凝土數(shù)據，主要包括混凝土澆筑后強度發(fā)展期間的溫度-時間數(shù)據和強度-成熟度數(shù)據。這些輔助膠凝材料混凝土數(shù)據可以從實驗室、標準規(guī)范、文獻和已有數(shù)據庫中獲得。由于大部分數(shù)據來源沒有提供完整的連續(xù)數(shù)據，而是提供離散數(shù)據點，因此需要進一步對數(shù)據進行分析，通過數(shù)學方法擬合而成完整的連續(xù)數(shù)據。本文采用Matlab 平臺的曲線擬合工具，采用S 型曲線模型進行擬合。為便于數(shù)據儲存和調用，主要采用數(shù)據庫的形式儲存收集和擬合后的輔助膠凝材料混凝土數(shù)據（本文采用的數(shù)據庫平臺為My SQL 數(shù)據庫）。

1.3 基于LCA 的環(huán)境影響計量

1.3.1 計量邊界與計量指標

該方法計量的邊界如圖2 所示，為從搖籃到拆除階段，主要包括原材料開采加工（A1）、原材料運輸（A2）、裝配式構件生產（A3）、裝配式構件運輸（A4）、現(xiàn)場裝配施工（A5）、建筑運維（A6）和拆除（A7）等7 個階段。波特蘭水泥、水、砂、石、輔助膠凝材料等經過供應鏈和施工活動形成建筑，再經歷建筑運維活動，最后拆除和生態(tài)復原，并在這些過程中產生環(huán)境影響。由于混凝土的主要負面環(huán)境影響之一是二氧化碳排放，而且利用輔助膠凝材料代替波特蘭水泥使得混凝土的二氧化碳排放有顯著減少[4]，因此本文采用二氧化碳排放作為主要環(huán)境影響指標進行計量。

圖2 環(huán)境影響計量邊界

1.3.2 計量公式

按照輔助膠凝材料混凝土裝配式構件方案，帶入各種材料的配比，對圖2 中的各個階段產生的碳排放進行計量，采用下式對總碳排放進行計算。

式中，G為輔助膠凝材料混凝土裝配式構件從搖籃到拆除的總碳排放量（kg CO2-eq）；G1~G7分別為輔助膠凝材料混凝土裝配式構件A1~A7 階段的碳排放量（kg CO2-eq）。

（1）原材料開采加工階段G1。原材料開采加工階段的碳排放主要是輔助膠凝材料混凝土各種原材料的開采加工活動所消耗能源和材料產生的碳排放。

式中，Qi代表輔助膠凝材料混凝土第i種材料的消耗量（kg）；GWP1i為第i種材料在開采加工階段的活動所消耗能源和材料的溫室效應潛力（kg CO2-eq/kg）；n為材料的種類數(shù)。

（2）原材料運輸階段G2。原材料運輸階段的碳排放主要是輔助膠凝材料混凝土各種原材料的運輸活動所消耗燃料產生的碳排放。

式中，Ci代表第i種材料的運輸車次；GWP2i為第i種材料在運輸階段所消耗燃料的溫室效應潛力（kg CO2-eq/km）；2Distancei代表第i種材料從開采加工場地運輸?shù)窖b配式構件廠的往返距離（km）。

（3）裝配式構件生產階段G3。裝配式構件生產階段的碳排放主要是裝配式構件廠中生產裝配式構件的機械消耗能源所產生的碳排放。

式中，E1為構件生產開始時的電表值（kWh）；E2為構件生產完成后的電表值（kWh）；GWP3為生產裝配式構件的機械所消耗能源（主要為電能）的溫室效應潛力（kg CO2-eq/kWh）；TM為所要計量的構件生產期間內裝配式構件廠總共生產的構件量（kg）；Tm為所要計量的裝配式構件量（kg）。

（4）裝配式構件運輸階段G4。裝配式構件運輸階段的碳排放主要是輔助膠凝材料混凝土裝配式構件的運輸活動所消耗燃料產生的碳排放。

式中，K代表裝配式構件運輸總車次；GWP4為構件在運輸階段所消耗燃料的溫室效應潛力（kg CO2-eq/km）；2DistanceK代表從裝配式構件廠運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的往返距離。

（5）現(xiàn)場裝配施工階段G5。現(xiàn)場裝配施工階段的碳排放需要對現(xiàn)場施工過程進行分析，計算出輔助膠凝材料混凝土裝配式構件在施工現(xiàn)場的吊裝次數(shù)、裝配施工活動持續(xù)時間等數(shù)據，進而算出裝配式施工耗能，再結合LCA 計量這些能耗的碳排放。

式中，H代表裝配式構件的總吊裝次數(shù)；P代表垂直運輸機械的額定功率（kW）；GWP5為構件在吊裝過程所消耗電能的溫室效應潛力（kg CO2-eq/(kWh)）；time代表單次吊裝所需的平均時間（h）。

（6）建筑運維階段G6。在建筑運維階段，通常有大量的電力使用消耗。但是從裝配式構件視角，這一階段并未因相關活動而產生碳排放，故不應當把建筑運維的電力使用歸入裝配式混凝土構件的碳排放中，即這一階段的碳排放G6=0。

（7）拆除階段G7。在拆除階段，裝配式構件相關的活動包括建筑拆除和生態(tài)復原，拆除消耗的電能與拆除所需運輸活動消耗的燃油等會產生碳排放，而生態(tài)復原則會將部分拆除后的材料用于工業(yè)生產，節(jié)省部分碳排放。但由于生態(tài)復原節(jié)省的碳排放已經計入下一產品的材料開采中，故不在此計算。

式中，G7a為現(xiàn)場拆除活動產生的碳排放（kg CO2-eq），G7b為拆除所需運輸活動產生的碳排放（kg CO2-eq）。

1.4 決策

在計量完所有備選輔助膠凝材料混凝土裝配式構件方案的環(huán)境影響后，可以依據環(huán)境影響直接對方案進行選擇。由于施工決策者在選擇裝配式構件方案時不僅僅考慮環(huán)境影響，可以進一步結合成本等指標（如輔助膠凝材料混凝土裝配式構件的購買價格）對備選方案進一步篩選后再選擇。

2 案例分析

2.1 案例基礎信息

為驗證本文提出方法的有效性，將其應用于深圳某裝配式混凝土建筑工程項目。從裝配式構件廠和施工現(xiàn)場調研咨詢相關管理和技術人員，查閱構件生產記錄和施工文件，提取相關信息。該項目包括5 棟29 層的建筑，地上總建筑面積93123.6m2。該工程的裝配式混凝土構件包括內、外墻板和樓梯：內墻板總計1999 件，總體積2684.713m3；外墻板總計2932 件，總體積4314.632m3；樓梯總計534 件，總體積565.48 m3。裝配式內外墻每吊次吊裝時間為18min，樓梯為20min。

各種混凝土原材料從開采加工場地到裝配式構件廠的運輸距離如表1 所示。裝配式構件廠到施工現(xiàn)場的運輸距離為79km，采用東風啟航載重汽車運輸（最大載重量4t），最大運輸構件數(shù)量為12件。

表1 混凝土原材料從開采加工場地到裝配式構件廠的運輸距離（km）

2.2 獲取混凝土數(shù)據，構建CMCD 數(shù)據庫

通過咨詢設計單位和施工單位，獲得本案例中的備選混凝土類型如表2 所示，主要包括：1 種基準方案，即傳統(tǒng)波特蘭水泥混凝土（PC30），以及2 種輔助膠凝材料混凝土方案，包括含粉煤灰的混凝土（PFA30）、含高爐礦渣的混凝土（GGBS30）。

表2 3 種備選混凝土類型材料配合比（kg/m3）

本工程裝配式混凝土構件要求達到15MPa 才可以拆模，蒸汽養(yǎng)護溫度在50℃~60℃之間。依據CMCD 和裝配式構件廠的數(shù)據，PC30、PFA30 和GGBS30 的養(yǎng)護時間分別在10 小時、8.5 小時和16小時。

2.3 收集碳排放因子，進行LCA 環(huán)境影響計量

環(huán)境影響計量涉及的碳排放因子表3 所示。其中，水的運輸耗能包含在A1 階段生產耗能的數(shù)據中，在A2 階段不再重復計算?；贑MCD 的數(shù)據，結合式（1）~式（6）進行環(huán)境影響計量。

表3 環(huán)境影響計量的碳排放因子

根據蔡笑天[8]的研究，拆除活動的能耗按照施工和運輸階段（即A4 和A5）的90%進行。

2.4 結果分析

依據案例信息，采用本文構建的CMCD-LCA 方法進行環(huán)境影響計量，得到的計量結果如表4 所示。

表4 環(huán)境影響計量結果（單位：kg CO2-eq/m3）

根據表4 中的結果，統(tǒng)計不同輔助膠凝材料混凝土裝配式構件A1~A7 各階段碳排放量（見圖3）和A1~A7 總碳排放量（見表5）。

表5 不同輔助膠凝材料混凝土裝配式構件A1~A7 的總碳排放量（單位：kg CO2-eq/m3）

圖3 不同輔助膠凝材料混凝土裝配式構件A1~A7各階段碳排放量

從圖4 可以看出，在各類型混凝土中，原材料開采加工階段產生的碳排放最高，其次是原材料運輸階段、裝配式構件生產階段和拆除階段，碳排放最低的是裝配式構件運輸階段和裝配施工階段，建筑運維階段由于不計入裝配式構件的碳排放而不參與比較。而采用輔助膠凝材料，能夠顯著降低混凝土各階段的碳排放量。以裝配式外墻為例，對比基準方案PC30，PFA30 可以降低（316.77-273.25）/316.77=13.7%的碳排放量，而GGBS30 更是可以降低（316.77-211.83）/316.77 =33.1%的碳排放量。

從表5 可以看出，如果僅考慮碳排放量，則GGBS30 環(huán)境影響最好，建議選擇GGBS30 作為裝配式構件所用的混凝土。如果考慮更多的因素，如環(huán)境因素，建筑垃圾的產生，資源消耗等，或者考慮環(huán)境因素如成本或者工期等，可以進行更加全面的決策。此類更進一步的決策可以基于本文的研究成果進行。

3 結語

本文結合混凝土材料特性數(shù)據和生命周期評價方法，建立面向輔助膠凝材料混凝土裝配式構件的CMCD-LCA 方法，并將該方法應用于工程案例。結果發(fā)現(xiàn)，采用輔助膠凝材料能夠顯著減少混凝土各階段的碳排放量。通過案例分析，說明本文提出的方法對輔助膠凝材料混凝土裝配式構件進行環(huán)境影響計量和方案對比，進而為施工決策者對裝配式構件選擇不同的混凝土類型提供了決策支持，驗證了方法的有效性。本文的研究成果為在裝配式建筑中應用輔助膠凝材料混凝土的相關研究提供了理論基礎和參考。

然而，本文也存在一定的不足：一是構建的計量方法僅僅考慮了環(huán)境影響，未將環(huán)境影響和工程項目其他目標（如工期成本等）相結合，評價不夠全面；二是僅僅分析了混凝土類型相關方案，未充分探索混凝土類型和其他施工參數(shù)之間的相互影響。這些缺陷將在未來的研究中進行補充。