摘要：為明晰裝配式建筑生命周期碳足跡及其關(guān)鍵來(lái)源，構(gòu)建裝配式建筑生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程案例。在探究裝配式建筑減排潛力的基礎(chǔ)上，從生命周期階段、建設(shè)與使用活動(dòng)兩個(gè)層面分析裝配式建筑生命周期碳足跡分布特征，探討使用壽命對(duì)裝配式建筑生命周期碳足跡的影響。研究結(jié)果表明：由取暖、制冷、照明等活動(dòng)組成的運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段是裝配式建筑生命周期碳足跡的主要來(lái)源；隨著使用壽命的增加，裝配式建筑年碳足跡先降低后增加。該研究結(jié)果可為裝配式建筑生命周期碳足跡評(píng)估及低碳管理提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；生命周期評(píng)價(jià)；碳足跡；分布特征

0"引言

為解決當(dāng)前溫室氣體過(guò)度排放造成的氣候變暖問(wèn)題[1]，我國(guó)力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在此背景下，減少二氧化碳等溫室氣體排放成為各行業(yè)發(fā)展的基本準(zhǔn)則。建筑業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，建造階段碳排放占全國(guó)碳排放總量的29.2%。若考慮到建筑運(yùn)行和其他過(guò)程中的能源消耗，建筑業(yè)全過(guò)程碳排放占比將超過(guò)50%[2]。因此，節(jié)能減排成為建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

裝配式建筑具有節(jié)能、利廢、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，是建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)路徑。在此背景下，研究裝配式建筑生命周期碳足跡并明確其關(guān)鍵來(lái)源，有助于提升裝配式建筑綠色低碳管理水平，對(duì)推動(dòng)建筑業(yè)節(jié)能減排具有重要意義。

相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑，裝配式建筑建造階段分為構(gòu)件工廠生產(chǎn)、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)組裝三個(gè)環(huán)節(jié)[3]，其碳排放問(wèn)題受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。Ding等[4]基于BIM技術(shù)和碳排放系數(shù)法，構(gòu)建了裝配式住宅物化階段碳足跡核算模型。Hao等[5]設(shè)計(jì)了一種基于BIM技術(shù)的方法，用以測(cè)量裝配式建筑項(xiàng)目物化階段碳排放。李萌萌等[6]通過(guò)碳排放系數(shù)法建立了裝配式建筑物化階段碳排放量計(jì)算模型，并利用結(jié)構(gòu)方程模型分析其影響因素。謝婉君等[7]將碳排放系數(shù)法和工程量清單相結(jié)合，計(jì)算裝配式建筑施工階段碳排放量。上述學(xué)者們的研究結(jié)果表明，建筑材料生產(chǎn)階段在整個(gè)物化階段碳排放量占比最高，達(dá)到90%。部分學(xué)者也關(guān)注了裝配式建筑運(yùn)營(yíng)階段碳排放問(wèn)題。鄭曉云等[8]基于能源類型角度，構(gòu)建裝配式建筑建造、使用、廢棄三個(gè)階段的碳排放量計(jì)算模型。Tavares等[9]分析了不同氣候類型下裝配式建筑從建設(shè)到使用階段的綜合環(huán)境影響。Luo等[10]基于生命周期評(píng)估方法，計(jì)算了不同地區(qū)和結(jié)構(gòu)的裝配式建筑生命周期碳排放量。以上研究聚焦于裝配式建筑不同階段，通過(guò)構(gòu)建碳排放計(jì)算模型評(píng)估其環(huán)境影響，但缺乏對(duì)裝配式建筑生命周期中碳足跡分布特征的研究。基于此，本文構(gòu)建裝配式建筑生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型，并結(jié)合實(shí)際工程案例，在探究裝配式建筑減排潛力的基礎(chǔ)上，分析其生命周期碳足跡分布特征和關(guān)鍵來(lái)源，旨在為裝配式建筑參與主體制定節(jié)能降碳策略提供參考。

1"裝配式建筑生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

1.1"明確系統(tǒng)邊界

1.1.1"定義時(shí)間范圍

本文旨在探究裝配式建筑生命周期碳足跡分布特征，故將其時(shí)間范圍定義為從建筑材料生產(chǎn)階段到裝配式建筑物拆除階段。結(jié)合預(yù)制施工技術(shù)特點(diǎn)，裝配式建筑物化階段可分為5個(gè)環(huán)節(jié)，包括建筑材料生產(chǎn)、建筑材料運(yùn)輸、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工。通常，物化階段為1～2年，運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段為30～50年。當(dāng)裝配式建筑失去原有使用功能時(shí)，應(yīng)予以拆除。

1.1.2"定義活動(dòng)范圍

根據(jù)上述時(shí)間范圍，本文將裝配式建筑生命周期碳足跡活動(dòng)范圍定義為與裝配式建筑建造、使用和消耗資源或能源有關(guān)的活動(dòng)。具體包括：生產(chǎn)加工過(guò)程中原材料的使用和機(jī)械設(shè)備的能耗；預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)、養(yǎng)護(hù)等工藝過(guò)程中機(jī)械設(shè)備的電、油、煤消耗；建筑材料和預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸至使用點(diǎn)（預(yù)制構(gòu)件廠、施工現(xiàn)場(chǎng)），運(yùn)輸車(chē)輛使用的汽油、柴油等其他能源；在現(xiàn)場(chǎng)施工階段，起重機(jī)和交流弧焊機(jī)等機(jī)械設(shè)備在預(yù)制構(gòu)件安裝和現(xiàn)澆建筑施工過(guò)程中的能耗；照明、取暖、制冷、電梯和用水等運(yùn)營(yíng)活動(dòng)以及設(shè)施設(shè)備翻新、替換等維護(hù)活動(dòng)的能耗；拆除機(jī)械、拆除物運(yùn)輸與處置產(chǎn)生的汽油、柴油消耗。

綜上所述，明確裝配式建筑生命周期碳足跡評(píng)價(jià)邊界，如圖1所示。

1.2"模型計(jì)算公式

根據(jù)上述系統(tǒng)邊界定義，將裝配式建筑生命周期碳足跡分為6個(gè)階段：建筑材料生產(chǎn)、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、建筑材料與預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和拆除處置。計(jì)算裝配式建筑生命周期碳足跡，公式如下

式中，Ctotal為裝配式建筑生命周期碳足跡；Cmat、Cpcp、Ctrans、Cconst、Cu、Ce分別為建筑材料生產(chǎn)、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、建筑材料與預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和拆除處置的碳足跡。

1.2.1"建筑材料生產(chǎn)階段

預(yù)制工程和現(xiàn)澆工程的建筑材料碳足跡共同構(gòu)成裝配式建筑建筑材料生產(chǎn)階段碳足跡，計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。其中，預(yù)制工程建筑材料碳足跡計(jì)算方法見(jiàn)式（3），現(xiàn)澆工程建筑材料碳足跡計(jì)算方法見(jiàn)式（4）

式中，Cpc為預(yù)制工程建筑材料碳足跡；Con為現(xiàn)澆工程建筑材料碳足跡；Qi-pc為預(yù)制工程第i種建筑材料消耗量；Qi-on為現(xiàn)澆工程第i種建筑材料消耗量；ai-mpc、ai-trans、ai-instl分別為預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝過(guò)程中第i種建筑材料損耗率；ai為第i種建筑材料損耗率；Fi為第i種建筑材料碳足跡因子。

1.2.2"預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段

預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳足跡應(yīng)根據(jù)預(yù)制構(gòu)件加工生產(chǎn)和蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的能源消耗和對(duì)應(yīng)的能源碳足跡因子進(jìn)行計(jì)算，公式如下

式中，Qi-energy為預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中第i種能源用量；Fenergy為相應(yīng)的能源碳足跡因子。

1.2.3"建筑材料和預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸階段

建筑材料和預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸階段碳足跡由運(yùn)輸車(chē)輛能耗產(chǎn)生，其關(guān)鍵參數(shù)為：建筑材料或預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量（體積）、車(chē)輛核定載重、運(yùn)輸距離等。此外，運(yùn)輸車(chē)輛從預(yù)制構(gòu)件廠或施工現(xiàn)場(chǎng)返回時(shí)，一般為空載運(yùn)輸，空載狀態(tài)下環(huán)境負(fù)荷是滿載的0.67倍。在空載情況下，運(yùn)輸階段碳足跡計(jì)算公式如下

式中，Qi為第i種建筑材料或預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量（體積）；Vv-i為第i種建筑材料或預(yù)制構(gòu)件采用v汽車(chē)的核定載重；Fv為v汽車(chē)單位運(yùn)輸距離碳足跡因子；Di為第i種建筑材料或預(yù)制構(gòu)件從原產(chǎn)地運(yùn)輸至使用點(diǎn)的距離；β為空載系數(shù)。

1.2.4"現(xiàn)場(chǎng)施工階段

裝配式建筑現(xiàn)場(chǎng)施工階段碳足跡來(lái)自預(yù)制構(gòu)件安裝和現(xiàn)澆建筑施工過(guò)程中的機(jī)械設(shè)備能耗、生活和辦公用電，計(jì)算公式如下

式中，Qi-mach為第i種施工機(jī)械設(shè)備臺(tái)班；Fi-mach為第i種施工機(jī)械設(shè)備的碳足跡因子；Qe-ofc、Qe-life為工作人員辦公和生活的耗電量；Fe為電力碳足跡因子。

1.2.5"運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段

裝配式建筑運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳足跡分為兩個(gè)部分：一是建筑基礎(chǔ)設(shè)備和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)修繕改造產(chǎn)生的碳足跡；二是建筑電梯、取暖、用水、照明和制冷等運(yùn)營(yíng)活動(dòng)消耗電力、煤炭等能源產(chǎn)生的碳足跡，計(jì)算公式如下

式中，Q1-lighting/cooing為首年照明、制冷系統(tǒng)的耗電量；At－lighting/cooing為第t年照明、制冷活動(dòng)的調(diào)整因子。調(diào)整因子是指設(shè)備功能老化、設(shè)備升級(jí)、環(huán)境污染、居民收入等因素使居民設(shè)備使用時(shí)間、使用強(qiáng)度發(fā)生變化從而造成電力消耗量變化的程度，取值見(jiàn)表1[11]。

1.2.6"拆除處置階段

裝配式建筑拆除處置階段碳足跡與建筑物拆除機(jī)械設(shè)備臺(tái)班、拆除物運(yùn)輸相關(guān)，計(jì)算公式如下

式中，Cdem為裝配式建筑拆除過(guò)程中機(jī)械設(shè)備的碳足跡；Ctrans為建筑拆除物運(yùn)輸?shù)奶甲阚E；Q′i-mach為第i種型號(hào)拆除機(jī)械設(shè)備臺(tái)班；F′i-mach為第i種拆除機(jī)械設(shè)備的碳足跡因子；Qi′為第i′種建筑拆除物的質(zhì)量（體積）；Vv-i′為第i′種建筑拆除物運(yùn)輸時(shí)采用v型號(hào)汽車(chē)的核定載重量；Di′為第i′種建筑拆除物從建筑物使用點(diǎn)運(yùn)輸至廢物處理廠的距離。

綜上所述，裝配式建筑生命周期碳足跡受各階段建設(shè)與使用活動(dòng)的能耗、相應(yīng)的碳足跡因子和使用壽命的影響。其中，碳足跡因子是指消耗單位質(zhì)量物質(zhì)（原材料、能源等）產(chǎn)生的溫室氣體量，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。因此，本研究以明確裝配式建筑碳減排潛力為基礎(chǔ)，重點(diǎn)從生命周期階段、建設(shè)和使用活動(dòng)兩個(gè)層面分析裝配式建筑生命周期碳足跡的分布特征和關(guān)鍵來(lái)源，同時(shí)探討使用壽命對(duì)裝配式建筑碳足跡的影響。

2"實(shí)證分析

2.1"項(xiàng)目概況

《國(guó)家統(tǒng)計(jì)年鑒》相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近兩年，住宅新開(kāi)工面積占全國(guó)房屋新開(kāi)工面積的73%，且隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快和住房需求的提升，住宅建筑由多層建筑向高層建筑發(fā)展。因此，本文選取具有代表性的陜西省某住宅建筑為研究對(duì)象。該建筑總建筑面積為25 237.19m2，地上33層、地下1層；結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)；2層以上采用預(yù)制技術(shù)，預(yù)制構(gòu)件主要為預(yù)制疊合板，預(yù)制部分體積為3800m3。

2.2"碳足跡計(jì)算與分析

首先，通過(guò)BIM技術(shù)計(jì)算該建筑的建筑材料消耗量，結(jié)合工程定額確定施工機(jī)械臺(tái)班；其次，依據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)確定該建筑的建筑材料和預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸方式及路線，采用Dest-h能耗模擬軟件進(jìn)行該建筑照明、制冷系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算；最后，參考高鑫等[12]和劉勝男[13]相關(guān)研究中建筑材料碳足跡因子、施工機(jī)械設(shè)備碳足跡因子、運(yùn)輸工具碳足跡因子和能源碳足跡因子取值，結(jié)合上文公式得到該建筑生命周期碳足跡計(jì)算結(jié)果。

2.2.1"傳統(tǒng)建筑與裝配式建筑建造碳足跡對(duì)比分析

為了探究裝配式建筑減排潛力，本文為該建筑設(shè)計(jì)了兩種施工方案，即傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工（方案1）和基于樓板的半預(yù)制施工（方案2）。兩種施工方案的碳足跡計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，若該建筑采用預(yù)制施工方式，單位面積碳足跡為389.325 2kgCO2eq。與傳統(tǒng)施工方法相比，單位面積碳足跡降低5.83kgCO2eq，減少1.50%，說(shuō)明采用預(yù)制施工技術(shù)進(jìn)行建筑建造可顯著減少碳足跡。

2.2.2"不同階段碳足跡對(duì)比分析

該建筑生命周期碳足跡計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3數(shù)據(jù)可知，該建筑碳足跡總量為62 820.33tCO2eq，年碳足跡為1 208.08tCO2eq。在整個(gè)生命周期碳足跡中，運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳足跡占比最高，為85.03%；其次為建筑材料生產(chǎn)階段的碳足跡，占比為14.17%；隨后依次為拆除處置階段、建筑材料與預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸階段、現(xiàn)場(chǎng)施工階段、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段。基于以往文獻(xiàn)研究結(jié)果可知，運(yùn)營(yíng)階段對(duì)建筑生命周期的環(huán)境影響約占80%～85%[14]，驗(yàn)證了上述計(jì)算結(jié)果的可靠性。然而，本研究結(jié)果與現(xiàn)有研究結(jié)果[15]存在一定差異，主要原因如下：①該建筑的碳足跡評(píng)估考慮了生活用水和公共電梯使用帶來(lái)的碳足跡；②該建筑考慮了設(shè)備老化、設(shè)備升級(jí)、環(huán)境污染等因素對(duì)照明和制冷碳足跡的影響；③門(mén)、窗等常用設(shè)施的設(shè)計(jì)壽命影響運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳足跡。

該建筑運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段年碳足跡總量為1 068.33tCO2eq，低于建筑材料生產(chǎn)階段的年碳足跡8 904.62tCO2eq，說(shuō)明建筑材料生產(chǎn)階段碳排放集中，排放強(qiáng)度高；盡管運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段年碳足跡總量約占建筑材料生產(chǎn)階段的14%，但50年使用壽命使運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳足跡在整個(gè)生命周期中占據(jù)首位。因此，建筑材料生產(chǎn)階段是建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)短期節(jié)能減排目標(biāo)的主要著力點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段是未來(lái)建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的關(guān)鍵對(duì)象。

該建筑拆除處置階段碳足跡總量為186.38tCO2eq，占比為0.30%。這是由于該建筑廢棄物的長(zhǎng)途運(yùn)輸，造成該階段碳足跡相對(duì)較高。拆除處置階段是建筑材料和設(shè)施設(shè)備集中報(bào)廢的時(shí)期，也是裝配式建筑環(huán)境污染最為嚴(yán)重的階段。因此，該階段利用BIM技術(shù)和無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）對(duì)拆除處置方案進(jìn)行優(yōu)化，提高建筑材料的回收及再利用率，能夠有效促進(jìn)建筑業(yè)環(huán)境污染減少。

該建筑現(xiàn)場(chǎng)施工階段碳足跡總量為143.83tCO2eq，占比為0.23%，可見(jiàn)該階段碳足跡并不顯著。相較其他普通住宅建筑0.5%～2%的占比[16]，該建筑現(xiàn)場(chǎng)施工階段碳足跡總量占比較低，主要原因在于：一方面，該建筑采用了預(yù)制技術(shù)，在減少施工機(jī)械設(shè)備臺(tái)班能耗的同時(shí)縮短了施工時(shí)間；另一方面，該建筑采用了鋁模板+全鋼爬架黃金組合，實(shí)現(xiàn)外墻底層涂料飾面及鋁合金外窗與主體工程的同步施工，有效縮短了工期，從而降低了該階段碳足跡總量。

2.2.3"不同活動(dòng)碳足跡對(duì)比分析

為了進(jìn)一步分析裝配式建筑生命周期碳足跡的關(guān)鍵來(lái)源，對(duì)該建筑各階段碳足跡活動(dòng)進(jìn)行細(xì)分和計(jì)算。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：該建筑冬季供暖的煤炭消耗是生命周期碳足跡的首要來(lái)源，占35.05%；空調(diào)制冷、建筑照明分別占30.37%和14.23%。這三項(xiàng)活動(dòng)均發(fā)生在裝配式建筑運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，說(shuō)明運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳足跡較高。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，應(yīng)對(duì)上述三項(xiàng)活動(dòng)采取控制措施，如采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，形成夏季供電、冬季供暖的雙重節(jié)能模式。

綜上所述，繪制該建筑生命周期各活動(dòng)碳足跡，如圖2所示。

2.2.4"不同使用年限碳足跡對(duì)比分析

為探究裝配式建筑使用壽命對(duì)生命周期碳足跡的影響，以5年為間隔，比較30～70年使用壽命的該建筑年碳足跡及增長(zhǎng)率，如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著建筑使用壽命的增加，該建筑年碳足跡先降低后持續(xù)提高。首先，在30～40年壽命期限內(nèi)，年碳足跡下降的主要原因是建筑材料生產(chǎn)、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、建筑材料與預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工和拆除處置階段碳足跡為固定值，該部分的年碳足跡隨使用壽命增加而逐漸減少。在40年壽命期限后，考慮到設(shè)備升級(jí)與老化、建筑材料和設(shè)備損毀的運(yùn)營(yíng)維護(hù)活動(dòng)，年碳足跡逐漸增加，而建筑材料生產(chǎn)、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、建筑材料與預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工和拆除處置階段的年碳足跡降幅趨于固定值，增幅遠(yuǎn)高于降幅，造成裝配式建筑生命周期年碳足跡持續(xù)增加。其次，年碳足跡增長(zhǎng)率整體呈上升趨勢(shì)，在40～45年和60～65年壽命期間，年碳足跡增長(zhǎng)率較高是因?yàn)?0～50年使用壽命期間的門(mén)窗設(shè)備和15～50年使用壽命期間的建筑裝飾材料分別在第40年和第60年進(jìn)行了集中替換。由此可見(jiàn)，為了延長(zhǎng)該建筑的使用壽命，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化，可采取改善建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)，提高居民節(jié)能低碳意識(shí)，加強(qiáng)生物質(zhì)能、地?zé)崮艿瓤稍偕Y源利用等措施控制運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段活動(dòng)能耗。

3"結(jié)語(yǔ)

本文基于裝配式建筑各階段碳足跡活動(dòng)分析，運(yùn)用碳排放系數(shù)法構(gòu)建裝配式建筑全生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型；以陜西省某住宅建筑為例，分析裝配式建筑減排潛力，從生命周期階段和活

動(dòng)兩個(gè)層面探究碳足跡分布特征和關(guān)鍵來(lái)源。同時(shí)，評(píng)估使用壽命對(duì)裝配式建筑生命周期碳足跡的影響，為制定裝配式建筑生命周期節(jié)能降碳策略提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究仍存在一定的局限性，如僅以陜西省某住宅建筑為例，后續(xù)可以增加不同地區(qū)以及不同類型裝配式建筑的對(duì)比分析，更加全面地開(kāi)展裝配式建筑碳足跡研究。

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收稿日期：2023-05-07

作者簡(jiǎn)介：

張艷敏（通信作者）（1998—），女，研究方向：裝配式建筑、低碳管理。

郭曦倩（1996—），女，研究方向：低碳交通。

周佳潔（1994—），女，研究方向：裝配式建筑碳減排。

白禮彪（1986—），男，教授，研究方向：工程項(xiàng)目管理。