紫竹院公園竹框架房屋生命周期分析

陳 國(guó)，肖 巖

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京210037;2.湖南大學(xué) 現(xiàn)代竹木及組合結(jié)構(gòu)研究所，湖南 長(zhǎng)沙410082;3.南加州大學(xué) 土木系，洛杉磯CA90089-25311)

目前我國(guó)能源、土地、水、材料等不可再生資源嚴(yán)重短缺，能源和資源實(shí)際利用率低，環(huán)境污染形式十分嚴(yán)峻。以建筑為例，在其建造和使用過(guò)程中直接消耗的能源占全社會(huì)總能耗的30%，使用的建材的生產(chǎn)能耗占16.7%，用水量、用鋼量、水泥用量分別占全國(guó)總量的47%、30%和25%［1］。另外，我國(guó)一直沿襲粗放型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，而發(fā)達(dá)國(guó)家單位建筑能耗僅為我國(guó)的33%～50%。我國(guó)建筑用鋼量高出發(fā)達(dá)國(guó)家10%～25%，每立方米混凝土多耗水泥80 kg 等。以傳統(tǒng)類(lèi)型的磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)為例，在其建造過(guò)程中需要消耗鋼材、水泥、粘土等大量不可再生資源。我國(guó)擁有極其豐富的竹材資源，竹子在生長(zhǎng)過(guò)程中消耗二氧化碳，釋放出氧氣［2-3］，為竹框架結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展提供了充足的原料來(lái)源。肖巖等［4-5］以3 ～5 a 生毛竹作為主要原材料，經(jīng)截?cái)唷㈤_(kāi)條加工成一定厚度、寬度的竹片，采用高溫蒸煮炭化工藝進(jìn)行防蟲(chóng)防腐處理后，最終再通過(guò)熱壓膠合而成格魯班。格魯班結(jié)構(gòu)材克服了竹子材質(zhì)不均、易干裂、易遭蟲(chóng)蛀等痼疾，是一種理想的工程材料，并成功應(yīng)用房屋和橋梁工程中。為研究不同結(jié)構(gòu)體系建筑物對(duì)環(huán)境負(fù)荷的影響，以1 m2的相同布置的混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)及竹結(jié)構(gòu)建筑(即紫竹院竹茶樓)為研究對(duì)象，采用全生命周期法量化分析了原材料的獲取、建筑材料的運(yùn)輸、建筑構(gòu)件的生產(chǎn)、建筑物的施工等階段的能耗和主要污染物排放。

1 紫竹院公園竹框架房屋示范建筑概況

紫竹院公園位于北京西北近郊，始建于1953 年，是以竹為特色的自然式山水園林。一座具有北美輕型木結(jié)構(gòu)風(fēng)格的竹框架茶樓(圖1)即建于此。竹茶樓的總建筑面積約為110 m2，為2 層平臺(tái)式結(jié)構(gòu)體系(圖2)。屋面采用格魯班和竹連接板制作而成的竹屋架，屋架間距為405 mm。墻體骨架中的墻骨柱采用橫截面為40 mm×140 mm 的規(guī)格竹材，其間距均為405 mm，骨架外再釘接10 mm 厚竹膠板作為其覆面板。墻體骨架頂部采用橫截面28 mm×140 mm 頂梁板互相搭接，中部通過(guò)螺栓或釘子連接，上部墻體通過(guò)M12 螺栓和下層墻體或基礎(chǔ)頂面連接。樓蓋由間距為405 mm、截面尺寸為56 mm×185 mm 的規(guī)格膠合竹梁及12mm 厚的竹膠板組成。房屋主要建造過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［5］。不同結(jié)構(gòu)體系房屋建造所需的主要建筑材料見(jiàn)表1。

圖1 竹框架茶樓的建造過(guò)程Fig.1 Construction process of bamboo frame tea house

圖2 竹框架茶樓平面圖Fig.2 Plan of bamboo frame tea house

表1 不同結(jié)構(gòu)體系所需建筑材料總量Tab.1 Required construction materials of different structural system m3

2 全生命周期分析

建筑物的全生命周期［6-7］包括建筑物所需原材料的開(kāi)采、建筑材料的生產(chǎn)及運(yùn)輸、建筑物的施工、運(yùn)行、維護(hù)以及建筑物生命終結(jié)后的拆除等階段，其中的每個(gè)階段都伴隨著能源消耗、資源的消耗以及廢棄物的排放，可綜合評(píng)估建筑物各階段對(duì)環(huán)境負(fù)荷的影響(圖3)。本文以建造于北京市紫竹院公園的竹框架茶樓為藍(lán)本，評(píng)估1 m2不同結(jié)構(gòu)體系的混凝土框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在各階段過(guò)程中對(duì)環(huán)境的綜合影響，以此證明竹框架住宅具有比其他結(jié)構(gòu)體系更好的環(huán)境協(xié)調(diào)性。由于部分?jǐn)?shù)據(jù)不可得，僅選取4 種結(jié)構(gòu)體系中所需主要建材進(jìn)行清單分析，而忽略建筑物運(yùn)行階段和報(bào)廢階段的環(huán)境影響。

圖3 全生命周期流程圖Fig.3 Flow chart of life cycle analysis

2.1 電煤能耗及排放量

2013 年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)12.5×108kW，其中，火力發(fā)電量所占比例達(dá)70%，而且短期內(nèi)以煤為主的格局難以改變。以2010 年發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)電煤耗量為例，產(chǎn)生1 kWh 的火電，需要消耗317.2 g電煤［8］，1 kg 標(biāo)準(zhǔn)電煤產(chǎn)生的熱量約為11.3 MJ。電煤燃燒過(guò)程中將產(chǎn)生大量的碳氧化物、氮氧化物和硫化物，如SO2、CO 和CO2等。另外，粉塵也是一種重要的燃燒剩余物。只考慮標(biāo)準(zhǔn)電煤產(chǎn)生的主要污染物，煤的主要化學(xué)元素為碳，電煤燃燒后產(chǎn)生的主要污染氣體二氧化碳以煤中碳含量的50%計(jì)算，產(chǎn)生的粉塵以煤總重的20%計(jì)，而其余相對(duì)較少的NO2、SO2生成量則按照對(duì)應(yīng)的平均排放因子所得，如表2 所示。出于簡(jiǎn)化的目的，本文中所耗費(fèi)的電力資源均為火電，將火電折算為標(biāo)準(zhǔn)電煤量從而反算出能源消耗和污染物排放量。

表2 標(biāo)準(zhǔn)燃煤主要污染物排放量Tab.2 Major pollutant of standard coal ㎏

2.2 原料開(kāi)采及運(yùn)輸階段內(nèi)的環(huán)境負(fù)荷

目前，我國(guó)貨物運(yùn)輸仍然主要以卡車(chē)運(yùn)輸?shù)姆绞?，卡?chē)燃料以汽油為主。一般而言，我國(guó)貨物運(yùn)輸?shù)钠骄嚯x為60 km，但長(zhǎng)沙與北京市紫竹院公園直線(xiàn)距離長(zhǎng)達(dá)1 600 km，不難發(fā)現(xiàn)，竹構(gòu)件的運(yùn)輸距離最遠(yuǎn)。這主要是因?yàn)槟z合竹構(gòu)件的加工廠主要集中于我國(guó)南方，從而造成竹構(gòu)件的運(yùn)輸能耗遠(yuǎn)大于其他傳統(tǒng)建筑材料的運(yùn)輸能耗(表3)?？ㄜ?chē)運(yùn)輸1 t 貨物，其運(yùn)輸能耗大約為2.42 MJ/km。貨物運(yùn)輸能耗Et可依下式計(jì)算

式中，mi為第i 種建材的質(zhì)量，li為第i 種建筑材料的運(yùn)輸距離，Eml為運(yùn)輸方式的單位距離、單位質(zhì)量的能耗。

表3 單位建筑面積的建筑材料運(yùn)輸能耗及主要污染物Tab.3 Energy consumption and pollutant of Building material per unit area during transportation

2.3 建材生產(chǎn)階段內(nèi)的環(huán)境負(fù)荷

硅酸鹽水泥和鋼材在其生產(chǎn)過(guò)程中歷來(lái)都是高耗能、高污染和高排放，消耗氧氣和不可再生資源，并釋放出大量的氮氧化物和硫化物［13］。竹膠合材在生產(chǎn)過(guò)程中，1 m3竹膠合材需要消耗2.67 GJ 的能量，固碳261 kg，產(chǎn)生102 kg 的固體廢棄物。紙面石膏板是一種綠色建材，在其生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)直接廢水排放，主要環(huán)境負(fù)荷為石膏板生產(chǎn)過(guò)程的直接排放，包括大氣排放、固體廢棄物、噪聲污染以及二次能源電力使用間接排放［14-15］。

竹框架結(jié)構(gòu)茶樓中采用的竹膠合材以4 ～6 a 生的毛竹為主。毛竹的主要化學(xué)組成成分為碳(C)、氫(H)和氧(O)，其中，碳元素所占比例達(dá)50%，是碳的儲(chǔ)藏庫(kù)。在竹子的生產(chǎn)過(guò)程中，吸收溫室氣體中的CO2以碳元素的形式存儲(chǔ)于竹膠合材中，然后釋放出氧氣。換言之，在竹子生長(zhǎng)及竹膠合構(gòu)件的制造過(guò)程中，其總的碳平衡數(shù)為負(fù)值，更為重要的是，竹子一次造林即可年年發(fā)筍成竹。相反，鋼材、水泥和燒結(jié)粘土磚在原材料獲取及燒制過(guò)程中需要消耗大量的能源和氧氣，釋放出碳氧化物、硫化物和粉塵。其中，混凝土框架結(jié)構(gòu)所需耗費(fèi)的能源最多，約為竹框架結(jié)構(gòu)的3.7 倍，砌體結(jié)構(gòu)次之。毛竹固碳能力較強(qiáng)，1 hm2林地做多可種植4500 株毛竹，能夠固碳106.4 t［16］，即竹材的生長(zhǎng)和生產(chǎn)過(guò)程是負(fù)碳的過(guò)程(表4)。

表4 單位建筑面積的建筑材料生產(chǎn)階段能耗及主要污染物Tab.4 Energy consumption and pollutant of Building material per unit area during production

2.4 項(xiàng)目施工階段內(nèi)的環(huán)境負(fù)荷

竹構(gòu)件密度較小，僅為880 kg/m3。竹框架房屋在施工過(guò)程中無(wú)需大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行吊裝作業(yè)，省去了施工過(guò)程中的能量消耗，即大幅降低了汽油量。另外，竹材梁、柱、屋架及墻體構(gòu)件通常采用工廠預(yù)制的方式，也就是說(shuō)竹材構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)只需按要求扶起拼裝就位即可，既滿(mǎn)足了構(gòu)件的精度要求，又減少了現(xiàn)場(chǎng)施工的時(shí)間。而其他類(lèi)型結(jié)構(gòu)體系，通常需要大型機(jī)械設(shè)備吊裝且工廠預(yù)制程度低。由表5 可知，竹框架房屋在施工階段消耗的能源消耗最低，分別相當(dāng)于混凝土結(jié)構(gòu)的44.5%，砌體結(jié)構(gòu)的57.3%，鋼結(jié)構(gòu)50.0%。

表5 單位建筑面積的建筑材料施工能耗及主要污染物Tab.5 Energy consumption and pollutant of Building material per unit area during construction

2.5 建筑物全生命周期的能耗及主要污染物排放總量

由表6 可知，混凝土結(jié)構(gòu)消耗的能源最多，砌體結(jié)構(gòu)次之，鋼結(jié)構(gòu)的能源消耗量最小。而竹結(jié)構(gòu)的能源消耗量略高于鋼結(jié)構(gòu)，這主要是因?yàn)楸疚闹械闹駱?gòu)件運(yùn)輸距離遠(yuǎn)大于其他結(jié)構(gòu)體系原材料的運(yùn)送距離。但竹框架房屋在整個(gè)生命周期中始終都是負(fù)碳，是碳的存儲(chǔ)庫(kù)。反之，其他3 種類(lèi)型的建筑釋放出大量的碳氧化物、氮氧化物、硫化物和固定廢棄物。建筑物在整個(gè)生命階段對(duì)環(huán)境污染主要體現(xiàn)在電力生產(chǎn)和建材生產(chǎn)階段，主要影響為能耗、排放溫室氣體及固定廢棄物。另外，NOX、SO2等氣體也是對(duì)環(huán)境影響的一個(gè)重要方面，主要源于煤和汽油等化學(xué)燃料的燃燒。在一定范圍內(nèi)，以竹材替代傳統(tǒng)建材可極大降低建筑物對(duì)環(huán)境的負(fù)荷影響。與此同時(shí)，開(kāi)發(fā)新能源和提高化學(xué)燃料的熱效率也是一個(gè)重要手段，應(yīng)改變以火力發(fā)電的格局。

表6 單位建筑面積的生命周期分析Tab.6 Life cycle analysis per unit building area

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)的建筑材料運(yùn)輸階段的排放和能源消耗對(duì)環(huán)境的貢獻(xiàn)相對(duì)很小，運(yùn)輸過(guò)程的CO2、SO2和NOX排放占整個(gè)生命周期排放總量比例僅為5.0%，說(shuō)明建筑材料運(yùn)輸階段的收集半徑并非決定建筑物全生命周期對(duì)環(huán)境負(fù)荷的主要決定因素。但竹材構(gòu)件運(yùn)輸階段的能源消耗占全生命周期中的比例最高，達(dá)59%。建筑材料生產(chǎn)過(guò)程排放的溫室氣體中，二氧化碳在整個(gè)生命周期中所占比例最高，達(dá)90%，具有決定性的影響。因此，減少二氧化碳排放總量的關(guān)鍵在于改進(jìn)生產(chǎn)工藝，淘汰落后產(chǎn)能，同時(shí)提倡清潔生產(chǎn)，如增加除塵設(shè)施，降低建筑產(chǎn)品整個(gè)生命周期中污染物的排放。鋼材、水泥［17］和粘土磚等傳統(tǒng)建材的主要環(huán)境污染在電力生產(chǎn)及產(chǎn)品制造階段，主要影響為高耗能及溫室效應(yīng)。一味減少鋼材、水泥和粘土磚生產(chǎn)階段的煤耗而提高電耗無(wú)法從根本上改善其環(huán)境性能，只是將污染向電力行業(yè)轉(zhuǎn)嫁。

開(kāi)發(fā)清潔能源和可再生能源，降低對(duì)火力發(fā)電的依賴(lài)度，提高熱效率，可有效降低電力消耗量、原材料的使用量以及溫室氣體的排放總量。合理開(kāi)發(fā)利用竹子資源，并作為結(jié)構(gòu)材應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中無(wú)疑有利于節(jié)能減排。

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