基于生命周期法建筑上部结构碳排放分析研究

程小春

联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）发布的第五次气候变化评估指出，40%的能源消耗来源于建筑业，建筑业能源使用产生的碳排放占全球碳排放的36%。我国每年新建建筑总量接近世界年建筑总量的1/2，当前形势和背景表明，建筑行业的低碳转型迫在眉睫。装配式建筑是绿色建筑的典型代表之一，深入了解预制装配式建筑物的碳排放情况具有重要意义[1]。

我国的学者更多倾向于研究装配式建筑的综合效益。焦英爱等以天津某保障房为例，从经济、环境、社会3个方面构建装配式保障性住房全生命周期综合评价指标体系，研究表明该项目经济效益最差，环境效益最好；冯璐瑶等从“四节”层面研究装配式建筑的环境效益；孙艳丽、王广明、齐宝库等采用模糊层次综合评价法，并结合实例，对比传统建筑与装配式建筑的经济效益和环境效益，同时从理论上探讨其他效益。本文结合实际工程，基于生命周期法，对比分析了现浇式建筑与装配式建筑上部结构在每个阶段的碳排放量，并提出相应的优化措施[2]。

1 确定生命周期法计算边界

应用生命周期法测算碳排放先要确定计算边界。基于生命周期法的定义与框架划分现浇建筑及装配式建筑的全生命周期碳排放计算边界，如图1所示。

由图1可知，现浇建筑与装配式建筑在全生命周期内的碳排放主要区别在以下两个阶段。第一，在装配式建筑材料准备阶段中，除常规建材的生产及运输外，还要对混凝土预制件（Precast Concrete，PC）构件进行预制与运输。第二，在现场施工阶段，装配式建筑增加了预制构件的吊装，减少了现浇部分的施工[3]。此外，在拆除与废弃物处理阶段，装配式建筑可回收再利用的建材比现浇建筑多，可抵消一部分能耗。但装配式建筑的拆除与回收阶段碳排放量研究比较少，且缺少此部分的实际参考数据，因此本文研究边界主要在建筑材料准备阶段与现场施工阶段。

图1 现浇建筑及装配式建筑全生命周期碳排放计算边界（来源：作者自绘）

2 选择碳排放因子

碳排放因子是指消耗单位质量物质产生的温室气体数量与CO2对应系数，是量化建筑在不同阶段里碳排放量应用最广泛的方法[4]。总结已有资料及研究成果，列举本文所需碳排放因子清单如表1所示。

表1 建材及运输碳排放因子清单

3 构建碳排放计算模型

根据阶段研究及现有资料构建碳排放计算模型，具体如下。

3.1 建材（构件）生产阶段

建材（构件）生产阶段的碳排放量计算公式为：

式中，Csc代表建材及预制构件生产阶段的碳排放量，kgCO2e；Mi代表第i种建材的消耗量,t；Fi代表第i种建材的碳排放因子，kgCO2e/单位建材数量。

3.2 建材（构件）运输阶段

建材（构件）运输阶段的碳排放量计算公式为：

式中，Cys代表建材运输过程的碳排放量，kgCO2e；Mi代表第i种建材的消耗量,t；Di代表第i种建材的运输距离，km；Ti代表运输单位重量单位距离的碳排放因子，kgCO2e/（t·km）。

3.3 建筑施工阶段

建筑施工阶段的碳排放量计算公式：

式中，Cjz代表建造施工的碳排放量，kgCO2e；Mi代表第i种建材的消耗量,t；Ed代表第i种分项工程单位体积重量分担的机械碳排放量，kgCO2e/单位建材数量。

4 案例分析

4.1 工程概况

本文以浙江省东阳市的一个住宅项目为例，该项目1、2号楼为装配式建筑，3～7号楼为现浇式建筑，两种建筑的户型一样，建筑面积均为14 126.24 m2。现浇式建筑的外围护墙和内隔墙采用AAC砌块，其他构件为混凝土现场浇筑；1、2号楼的预制构件有叠合梁、叠合板、预制楼梯、预制飘窗板、预制剪力墙，外围护墙和内隔墙材料为AAC板。

以下计算忽略两种建筑相同工序所产生的碳排放量，如都需要现浇的部分、同样的装饰工程等，仅针对有预制构件部分的工程量进行碳排放计算。

4.2 建材（构件）生产阶段碳排放计算

根据东阳市某预制构件厂提供的数据，单位立方预制构件生产阶段产生的碳排放量为751.93 kg。具体工程量清单及结合公式（1）计算所得生产阶段的碳排放量，如表2所示。

表2 生产阶段的碳排放量

4.3 运输阶段的碳排放计算

在运输阶段，要结合空车返回系数进行计算，即假设运输时货车为满载，返回时为空车。根据已有研究可知空载系数K=1.67。装配式建筑构件单位重量单位距离运输的碳排放因子=单位换算系数×柴油碳排放因子×每公里耗油量÷构件满载运量，装配式构件用30 t重型牵引柴油车，耗油0.4 L/km，单位换算系数为0.85 kg/L。假设每次运输同种类型构件，通过公式可以计算出预制构件单位体积单位运距的碳排放因子，结果如表3所示。

表3 单位体积单位运距碳排放因子

现浇建筑中建材所用运输工具主要为10 t柴油货车，混凝土搅拌运输车方量为12 m³，耗油量为0.35 L/km。先将现浇建筑分项工程量转化为重量，再结合公式（2）可计算出现浇建筑建材运输阶段的碳排放量，结果如表4所示。

表4 建材运输阶段碳排放量

4.4 施工阶段碳排放量

建筑施工阶段碳排放量可先算出单位体积或重量分担的机械碳排放量，再根据公式（3）计算出现浇建筑及装配式建筑施工阶段碳排放量，结果如表5所示。

表5 建筑施工阶段碳排放量

4.5 结果分析

基于前文对两种建造方式的碳排放量计算结果，可以对比出装配式建筑与现浇建筑在生产、运输、施工阶段的单位面积碳排放量，对比如表6所示。

由对比表可知，在建材（构件）生产、运输阶段，装配式建筑的碳排放量略高于现浇式建筑；在建造施工阶段，装配式建筑比现浇式建筑的碳排放量明显减少，具体原因有以下几点。

第一，在建材生产阶段，装配式建筑需要进行预制构件的生产，增加了碳排放量；预制构件生产时要增加较多的预埋件，钢材部分使用量有所增加，节碳效果不明显。第二，在建材（构件）运输阶段，预制构件外形复杂增加了车辆运输次数，降低了运输效率，导致碳排放量增加。第三，在建造施工阶段，装配式施工所需振捣器、电焊机等机械使用量减少，现场施工人员减少，施工工期缩短；同时，装配化施工可以大幅度减少施工用水量及污水排放量，还能减少夜间施工[5]。

5 减碳措施建议

5.1 建材（构件）生产阶段

装配式建筑建材（构件）生产阶段要重点控制预制构件生产时的排碳量。第一，在建筑设计阶段，尽量使预制构件标准化，符合一定模数，有利于预制构件厂模具的共用与周转，提高自动化生产效率；第二，建筑设计阶段，要选择绿色可回收建材；第三，预制构件厂要改进预制部件生产工艺，提高预制部件的优良率，减少部件生产时产生的废料；第四，预制构件厂要建立部件生产流水线，提高生产效率[6]。

5.2 运输阶段

运输阶段的碳排放主要与材料运输运距、运输工具、运输负荷有关。首先，原材料就近采购可以减少运输距离与运输数量；其次，就近选择预制工厂，同时优化预制构件的运输方案，如根据构件大小、形状选择合适的运输工具，可以提高运输效率；再次，运输工具选择环保性高的清洁型能源车有利于减少碳排放量；最后，建筑设计阶段选择轻质材料能够减少运输负荷[7]。

5.3 建造施工阶段

建造施工阶段的碳排放管理可以从施工技术、施工管理以及施工机械使用等方面考虑。

首先，编制合理的施工方案，合理调配现场施工人员，减少夜间施工。其次，建立完善的管理制度，提高现场人员的环保意识，降低材料的施工损耗，尽量避免材料及设备的二次调运，减少施工时的废水排放。最后，根据施工需要选择合适的低能耗施工机械[8]。

6 结语

本文以实际项目为例，对现浇建筑和装配建筑进行排碳计算分析，主要结论如下：装配式施工与现浇式施工在建材准备阶段与运输阶段节碳效益不明显，需要通过改善预制部件的生产工艺及构件与运输工具的契合度提高节碳能力；建造施工阶段是节碳减排最明显的阶段，可以通过现场施工的合理安排达到更好的节能减排效果；运营维护阶段与拆除回收阶段有待进一步研究。