高原地區(qū)混凝土裝配疊合板生命周期生態(tài)效率分析

楊 徽 ，龔志起

（1. 青海大學(xué) 土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2. 青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016，E-mail：gzhq2007@foxmail.com）

建筑業(yè)在改善居住環(huán)境的同時(shí)，也帶來(lái)了日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。世界范圍內(nèi)每年約40%的能源、35%的廢棄物[1]以及 23%的溫室氣體[2]與建設(shè)活動(dòng)相關(guān)。研究表明，與傳統(tǒng)建造方式相比，裝配式建筑可節(jié)約41%的水資源、減少56%施工廢棄物[3]和49%的碳排放[4]。因此，裝配式建筑被認(rèn)為是一種可持續(xù)的建造方式。近年來(lái)，受到產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，國(guó)務(wù)院和住建部相繼頒發(fā)了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》等一系列政策文件，裝配式建筑顯示出較好的發(fā)展勢(shì)頭，2019年全國(guó)新開(kāi)工的裝配式建筑達(dá)到了4.2億m2。但與推廣較好的地區(qū)相比，青海省裝配式建筑的發(fā)展略顯遲緩，盡管也出臺(tái)了相關(guān)政策推進(jìn)文件，但市場(chǎng)響應(yīng)有限，僅有兩家企業(yè)從事裝配式建造相關(guān)活動(dòng)。而系統(tǒng)的進(jìn)行裝配式建筑綜合影響評(píng)價(jià)，是制定有效的裝配式建筑發(fā)展政策的關(guān)鍵。作為裝配式建筑體系的重要構(gòu)成，裝配構(gòu)件的環(huán)境經(jīng)濟(jì)性能直接影響裝配式建筑的系統(tǒng)表現(xiàn)。因此，系統(tǒng)分析裝配構(gòu)件的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)影響對(duì)有效推進(jìn)裝配式建筑大有裨益。

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）是一種量化產(chǎn)品生命周期中環(huán)境問(wèn)題的方法，廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)[5]、制造業(yè)[6]等領(lǐng)域。但在幫助以盈利為目的的企業(yè)決策時(shí)具有一定的局限性，生命周期成本分析（Life Cycle Costing，LCC）作為計(jì)算生命周期內(nèi)所有成本的工具[7]，為解決這一問(wèn)題提供了有效途徑。目前，LCA與LCC集成的方法主要包括：將LCA貨幣化與LCC集成[8]和基于矩陣的LCA與ER-LCC集成[9]，然而上述兩種方法局限于依托單一指標(biāo)，前者主要靠 LCC引導(dǎo)，后者按照 LCA框架進(jìn)行集成。此外，利用 AHP-TOPSIS法的LCA與LCC集成[10]及熵權(quán)多目標(biāo)決策法[11]，均存在專家打分現(xiàn)象，存在一定的主觀性。采用將產(chǎn)品環(huán)境績(jī)效與價(jià)值進(jìn)行聯(lián)合評(píng)估的生態(tài)效率，作為L(zhǎng)CA與LCC集成工具。生態(tài)效率早于1990年由德國(guó)學(xué)者提出，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)混凝土再生[12]、食品制造[13]等技術(shù)，是企業(yè)制定發(fā)展計(jì)劃的重要手段。但應(yīng)用于評(píng)價(jià)裝配構(gòu)件的研究較少，針對(duì)裝配構(gòu)件的環(huán)境-經(jīng)濟(jì)影響，目前尚無(wú)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法。

本文采用LCA和LCC分別量化裝配構(gòu)件生命周期中環(huán)境經(jīng)濟(jì)影響，并基于生態(tài)效率將 LCA與LCC集成，系統(tǒng)分析裝配構(gòu)件生命周期中施工過(guò)程的資源消耗、環(huán)境排放及經(jīng)濟(jì)成本，進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)裝配構(gòu)件效益，為企業(yè)優(yōu)化施工工藝提供理論支撐與數(shù)據(jù)支持，以期采取更環(huán)保、更具成本效益的措施促進(jìn)裝配式建筑發(fā)展。

1 L CA-LCC集成框架

本文采用LCA與LCC方法，基于生態(tài)效率構(gòu)建環(huán)境-經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 LCA與LCC集成框架

1.1 目標(biāo)與范圍

本文的目的是量化青藏高原地區(qū)混凝土裝配構(gòu)件生命周期環(huán)境-經(jīng)濟(jì)影響。定義LCA-LCC評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界為原料開(kāi)采到建筑拆卸回收。

1.2 清單分析

依據(jù)系統(tǒng)邊界建立生命周期環(huán)境與成本清單。為量化裝配構(gòu)件生命周期中環(huán)境影響，將生命周期進(jìn)行劃分，采用基于過(guò)程的LCA進(jìn)行研究。

1.3 生命周期影響評(píng)價(jià)

1.3.1 生命周期環(huán)境評(píng)價(jià)

采用“中點(diǎn)法”，按照以下步驟評(píng)價(jià)環(huán)境影響。

（1）分類(lèi)。將不同物質(zhì)可能造成的環(huán)境影響加以歸類(lèi)，基于EDIP2003、CML2001等評(píng)價(jià)方法，將預(yù)制構(gòu)件環(huán)境影響類(lèi)型分為8種。

（2）特征化。將不同物質(zhì)引起的同種類(lèi)型環(huán)境影響進(jìn)行匯總的過(guò)程，特征化因子來(lái)源于 ISO 14044，如下式：

式中，HP(j)為第j類(lèi)環(huán)境影響潛值；Q(j)為第j類(lèi)環(huán)境影響中第i種物質(zhì)排放量；HF(j)為特征化因子。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)不同類(lèi)型環(huán)境影響潛值提供統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)。選擇 1990年人均當(dāng)量為基準(zhǔn)值進(jìn)行環(huán)境影響類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算如下式：

式中，HB(j)為第j類(lèi)環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，HP(j)為第j類(lèi)環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)人均當(dāng)量；HP(j)為全球或地區(qū)總的環(huán)境影響潛值；POP為全球或地區(qū)對(duì)應(yīng)的人口數(shù)量。為了體現(xiàn)區(qū)域性及局域性，文章分別基于全國(guó)與青海計(jì)算人均當(dāng)量值，得出結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 1990 年環(huán)境影響人均當(dāng)量基準(zhǔn)值

（4）加權(quán)。確定不同環(huán)境影響類(lèi)型的相對(duì)大小，如下式：

式中，WB(j)為第j類(lèi)環(huán)境影響加權(quán)后潛值；W(j)為第j類(lèi)權(quán)重因子。

1.3.2 生命周期成本分析

依據(jù)構(gòu)件生命周期，生命周期成本被分為四部分。活動(dòng)成本為這四類(lèi)成本中的變動(dòng)成本，即施工過(guò)程中產(chǎn)生的人工費(fèi)、材料費(fèi)等費(fèi)用。所有成本都需轉(zhuǎn)換為特定的時(shí)間點(diǎn)，主要是由于地點(diǎn)、市場(chǎng)和質(zhì)量的影響，勞動(dòng)力、燃料及材料價(jià)格歷年差異性較大。故成本按現(xiàn)值進(jìn)行計(jì)算，如式（5）利用通貨膨脹率得到未來(lái)成本，再利用式（6）計(jì)算其折現(xiàn)值，則可加和得到生命周期總成本如式（7）。

式中，F(xiàn)C為未來(lái)成本；PV為現(xiàn)值；f為通貨膨脹率；d為折現(xiàn)率；n為年數(shù)（一般住宅建筑使用壽命為50年，即運(yùn)營(yíng)期時(shí)長(zhǎng)取50 a）；LCCpv為裝配構(gòu)件生命周期成本；LCCo為建造成本；DPV為折現(xiàn)現(xiàn)值；DPV1為運(yùn)營(yíng)折現(xiàn)現(xiàn)值；DPV2為維護(hù)折現(xiàn)現(xiàn)值；DPV3為處置折現(xiàn)現(xiàn)值。

1.4 生態(tài)效率

生態(tài)效率是一種同時(shí)兼顧環(huán)境、經(jīng)濟(jì)兩方面的可持續(xù)評(píng)估工具，計(jì)算模型可表示為產(chǎn)品或服務(wù)的價(jià)值與環(huán)境效應(yīng)的比值。因 LCC能核算與環(huán)境影響相關(guān)的所有成本，故學(xué)者們?cè)谙嚓P(guān)研究中大量采用LCC作為評(píng)估產(chǎn)品或服務(wù)的價(jià)值的工具，且ISO 14045提出使用 LCA作為評(píng)價(jià)產(chǎn)品環(huán)境影響的方法。因此，本文采用LCC表示產(chǎn)品或服務(wù)的價(jià)值，LCA表示環(huán)境影響，利用Steen等[15]提出標(biāo)準(zhǔn)化生態(tài)效率如下式：

生態(tài)效率為正值時(shí)，數(shù)值越大，則可持續(xù)性越好。相反，生態(tài)效率為負(fù)時(shí)，數(shù)值越小，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染就越大。

2 案例研究

以青海省海東市某裝配式混凝土結(jié)構(gòu)宿舍樓為例，實(shí)地調(diào)研并跟蹤監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)與構(gòu)件生產(chǎn)車(chē)間獲得相關(guān)環(huán)境經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。該宿舍樓建筑面積約10792.63 m2，裝配率達(dá)到了75%。相應(yīng)的構(gòu)件生產(chǎn)廠占地36892.00 m2，月平均產(chǎn)量為736.74 m3。

2.1 目標(biāo)與范圍

為量化預(yù)制構(gòu)件生命周期中環(huán)境影響與經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)優(yōu)化施工過(guò)程提供數(shù)據(jù)支持。定義功能單元為1m3預(yù)制疊合板。環(huán)境與成本均基于1m3預(yù)制疊合板計(jì)算。LCA研究邊界從原料研究開(kāi)始，而LCC研究邊界為設(shè)計(jì)決策階段產(chǎn)生，為統(tǒng)一系統(tǒng)邊界，定義范圍為原料獲取到構(gòu)件裝配完成。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對(duì)評(píng)價(jià)裝配構(gòu)件效益至關(guān)重要。環(huán)境數(shù)據(jù)：氣體排放如 CO2、SO2、等數(shù)據(jù)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；固體廢棄物、資源及能源如混凝土、柴油消耗數(shù)據(jù)源于實(shí)地調(diào)研。原料開(kāi)采、加工過(guò)程中環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)查閱文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。成本數(shù)據(jù)：依照2019青海省城鄉(xiāng)與住房建設(shè)廳發(fā)布的指導(dǎo)價(jià)確定。

研究中存在一些不確定因素，涉及多個(gè)單元過(guò)程與原材料，數(shù)據(jù)多而復(fù)雜。鑒于此假設(shè)：①對(duì)原材料簡(jiǎn)化處理，僅考慮構(gòu)件生產(chǎn)、裝配階段的主要消耗，即混凝土、鋼筋、PVC和水資源；②對(duì)成本簡(jiǎn)化處理，只考慮直接費(fèi)；③預(yù)制疊合板生產(chǎn)及裝配階段相比其使用維護(hù)階段時(shí)間非常短暫，不考慮折現(xiàn)；④原料獲取階段成本難以獲得，均按當(dāng)前青海省市場(chǎng)原料價(jià)格確定，用材料費(fèi)表示。

2.3 生命周期環(huán)境清單

查閱文獻(xiàn)得到鋼材、C30商品混凝土、PVC管、電、自來(lái)水、天然氣生產(chǎn)過(guò)程及卡車(chē)運(yùn)輸過(guò)程[5，16]中資源、能源消耗及環(huán)境排放數(shù)據(jù)，建立環(huán)境影響清單如表2所示。

表2 預(yù)制疊合板生命周期中環(huán)境影響清單表

2.4 生命周期成本清單

對(duì)PC廠與施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，參考2019年青海省市場(chǎng)指導(dǎo)價(jià)得到預(yù)制板生命周期成本如表3所示。

表3 預(yù)制疊合板生命周期成本清單表（單位：元）

2.5 生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)

考慮預(yù)制疊合板在系統(tǒng)邊界中資源、能源消耗及環(huán)境排放，根據(jù)生命周期環(huán)境清單，選擇8種主要環(huán)境影響類(lèi)型。在環(huán)境影響評(píng)價(jià)中，常見(jiàn)的加權(quán)方法有目標(biāo)距離法、WTP和層次分析法等。其中目標(biāo)距離法體現(xiàn)出較強(qiáng)的區(qū)域性及局域性，而社會(huì)支付意愿基于環(huán)境稅，將經(jīng)濟(jì)指標(biāo)納入 LCA中。因此，環(huán)境影響評(píng)價(jià)分別采用目標(biāo)距離法與WTP。

2.5.1 基于目標(biāo)距離法的環(huán)境影響評(píng)價(jià)

根據(jù)式（1）與式（2），得到1 m3預(yù)制疊合板環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果（見(jiàn)表 4），基于目標(biāo)距離法計(jì)算出各類(lèi)環(huán)境影響潛值，不同環(huán)境影響類(lèi)型比例如圖2所示。在比較不同過(guò)程環(huán)境影響時(shí)，由于固體廢棄物主要在原料獲取階段產(chǎn)生，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他環(huán)境影響類(lèi)型，故在此中不予體現(xiàn)。

表4 基于目標(biāo)距離法的環(huán)境影響潛值

圖2 環(huán)境影響值百分比

由環(huán)境影響結(jié)果可知，固體廢棄物是預(yù)制疊合板生命周期中最主要的環(huán)境影響類(lèi)型，占總環(huán)境影響的56.54%。其次為礦石資源與化石能源消耗，分別為13.57%和10.60%。酸化、氣候變暖及富營(yíng)養(yǎng)化影響最小，三者之和僅占6.23%。

如圖3所示，在預(yù)制板研究范圍中，原料獲取過(guò)程中環(huán)境影響較大。其中固體廢棄物環(huán)境影響最大，礦石、化石及淡水資源消耗次之。運(yùn)輸過(guò)程環(huán)境影響較小，主要來(lái)自化石能源消耗。同時(shí)化石能源消耗也是構(gòu)件生產(chǎn)與裝配過(guò)程的主要環(huán)境影響類(lèi)型。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是，鋼材在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物，造成固體廢棄物的環(huán)境影響比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他環(huán)境影響類(lèi)型。并且鋼材與混凝土生產(chǎn)過(guò)程消耗了大量的礦石資源及化石能源，導(dǎo)致礦石資源與化石能源消耗比例增大。同樣在構(gòu)件生產(chǎn)及裝配階段，大量的電力消耗使化石能源消耗上升。另一方面，由于施工工地與預(yù)制廠的距離較近，沒(méi)有產(chǎn)生大量的氣體排放，故在運(yùn)輸過(guò)程中酸化、全球變暖及富營(yíng)養(yǎng)化影響比例相對(duì)較低。

圖3 預(yù)制疊合板生命周期中環(huán)境影響

因此，建議在生產(chǎn)過(guò)程中盡量減少鋼材的浪費(fèi)，提倡選擇清潔生產(chǎn)等措施提高鋼材利用率，同時(shí)注重鋼材的回收利用，從而大幅度降低固體廢棄物。此外，也可看出構(gòu)件運(yùn)輸距離對(duì)環(huán)境影響的重要性，縮短運(yùn)輸距離是降低氣候變暖、酸化和富營(yíng)養(yǎng)化的有效手段之一，這表明合理的規(guī)劃預(yù)制廠地對(duì)減少環(huán)境影響負(fù)荷起著舉足輕重的作用。

2.5.2 基于WTP的影響評(píng)價(jià)

社會(huì)支付意愿是指為減少環(huán)境影響支付一定金額的意愿，基于環(huán)境稅得到環(huán)境影響權(quán)重值[17]，計(jì)算1m3預(yù)制疊合板不同環(huán)境影響潛值如表5所示。

表5 基于社會(huì)支付意愿的環(huán)境影響潛值

計(jì)算得出生產(chǎn)1 m3預(yù)制疊合板在原料獲取、構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸及裝配過(guò)程中總環(huán)境影響潛值為581.5元，全生命周期成本由 LCC及外部性成本、非施工成本和收入組成[7]。外部性成本包括造成環(huán)境影響產(chǎn)生的成本即環(huán)境成本，結(jié)合表 3，得到環(huán)境成本占生命周期成本比例為22%。其主要原因在于，此次案例研究，只考慮了預(yù)制疊合板材料的主要構(gòu)成，并且成本計(jì)算中并未將管理費(fèi)、利潤(rùn)等費(fèi)用納入范疇，這將造成生命周期成本偏低，相應(yīng)的環(huán)境成本比例偏大。另一方面，也證明了環(huán)境成本的重要性，必須認(rèn)真思考。

2.5.3 目標(biāo)距離法與WTP評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析

采用目標(biāo)距離法與 WTP加權(quán)計(jì)算環(huán)境影響潛值。在資源消耗方面，均為礦石資源消耗潛值大于淡水資源消耗潛值。在生態(tài)破壞方面，基于目標(biāo)距離法評(píng)價(jià)中酸化潛值大于氣候變暖潛值，但基于WTP計(jì)算結(jié)果相反。造成這種差異的主要原因?yàn)槟繕?biāo)距離法確定權(quán)重時(shí) CO2的指標(biāo)采用的是單位GDP 減排量，而SO2采用總減排量。

2.6 生命周期成本分析評(píng)價(jià)

基于表2，得出1 m3預(yù)制疊合板，現(xiàn)階段直接成本比例如圖4所示，生命周期成本如圖5所示。

圖4 直接成本百分比

圖5 預(yù)制疊合板生命周期成本

由圖4可知，材料費(fèi)在直接成本中所占比例最大，高達(dá)43.91%。人工費(fèi)、廠房基建攤銷(xiāo)費(fèi)及運(yùn)輸費(fèi)次之，分別為23.88%、8.57%和8.04%。其他費(fèi)用之和僅為15.6%，相對(duì)較低。造成這種情況的原因主要是由于在疊合板建造過(guò)程中消耗了大量的鋼筋，鋼筋產(chǎn)生的費(fèi)用占據(jù)了材料費(fèi)的一半以上。同時(shí)PC廠未形成系統(tǒng)的流水作業(yè)線，機(jī)械化程度低，生產(chǎn)主要依靠人力，導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)量低，這也是人工費(fèi)和廠房基建攤銷(xiāo)費(fèi)比例高的一個(gè)重要原因。

如圖5所示，原料獲取過(guò)程中成本最大，其次為構(gòu)件生產(chǎn)與裝配過(guò)程，運(yùn)輸過(guò)程成本最小。主要原因是生產(chǎn)過(guò)程中投入大量材料，這將導(dǎo)致材料費(fèi)上升即原料獲取過(guò)程成本增大。而人工費(fèi)為其他過(guò)程的主要費(fèi)用。因此，企業(yè)提高資源利用率對(duì)降低材料費(fèi)有極大幫助。此外，提高裝配構(gòu)件機(jī)械化程度，對(duì)提高產(chǎn)量以減少人工費(fèi)與攤銷(xiāo)費(fèi)至關(guān)重要。

2.7 生態(tài)效率

環(huán)境影響潛值無(wú)單位，成本以貨幣為單位，環(huán)境與成本屬于不同量綱。為計(jì)算生態(tài)效率，引入2019年青海省人均GDP值48981元，使成本標(biāo)準(zhǔn)化，即可通過(guò)式（8）得到生態(tài)效率。為驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，同時(shí)采用社會(huì)支付意愿計(jì)算預(yù)制疊合板環(huán)境影響潛值，得到生態(tài)效率如表6所示。

表6 預(yù)制疊合板生命周期生態(tài)效率

通過(guò)目標(biāo)距離法和WTP加權(quán)分別計(jì)算LCA，與 LCC集成得到生態(tài)效率均為運(yùn)輸過(guò)程最大，裝配與構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程次之，原料獲取過(guò)程最小。即在保證功能的前提下，原料獲取過(guò)程環(huán)境負(fù)荷最大。

綜上所述，在量化裝配疊合板綜合效益時(shí)，需給予原料獲取過(guò)程足夠的重視。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)管理，優(yōu)化鋼筋、混凝土、PVC等原料開(kāi)采、生產(chǎn)過(guò)程中施工工藝，提高資源、能源的使用效率。同時(shí)企業(yè)應(yīng)增強(qiáng)裝配構(gòu)件產(chǎn)業(yè)化、機(jī)械化程度，促進(jìn)生態(tài)效率的提高，最終達(dá)到環(huán)境經(jīng)濟(jì)雙贏局面。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以1 m3預(yù)制疊合板為研究對(duì)象，定義系統(tǒng)邊界為為原料獲取到構(gòu)建裝配完成，采用 LCA與LCC方法得到在不同的生命周期階段，成本結(jié)果的變化趨勢(shì)與環(huán)境影響的變化趨勢(shì)基本一致。固體廢棄物、礦石資源及化石能源是環(huán)境影響的主要類(lèi)型，分別占比為56.54%、13.57%和10.60%。環(huán)境成本占活動(dòng)成本的比值達(dá)到22.91%。并基于生態(tài)效率將LCA與LCC集成，綜合評(píng)價(jià)裝配構(gòu)件效益。為提高研究的可靠性，分別采用目標(biāo)距離法和社會(huì)支付意愿權(quán)重計(jì)算環(huán)境影響潛值，結(jié)果顯示生態(tài)效率均為：運(yùn)輸過(guò)程最大，構(gòu)件裝配和生產(chǎn)過(guò)程次之，原料獲取過(guò)程最小。此方法可用于評(píng)價(jià)青藏高原同類(lèi)產(chǎn)品。同時(shí)案例結(jié)果為企業(yè)優(yōu)化施工工藝提供數(shù)據(jù)支持，為綜合評(píng)價(jià)裝配式建筑提供依據(jù)。但因預(yù)制廠中多種工藝交叉進(jìn)行，測(cè)量得到的噪音存在多種干擾源，未考慮噪音的環(huán)境影響，后續(xù)研究可考慮將這些納入評(píng)價(jià)裝配構(gòu)件的環(huán)境影響范疇。此外，對(duì)生命周期的進(jìn)一步研究可以擴(kuò)展到使用維護(hù)階段與最終處置階段。