基于LCA的高原地區(qū)裝配式建筑物化階段環(huán)境影響研究

楊 徽 龔志起

(青海大學(xué)土木工程學(xué)院 西寧 810016)

作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要支柱產(chǎn)業(yè)的建筑業(yè)，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度與城市化進(jìn)程的加快，在得到蓬勃發(fā)展的同時(shí)也帶來了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球40%的能源消耗與三分之一的溫室氣體排放都?xì)w因于建筑業(yè)[1]。而青海作為生態(tài)薄弱地區(qū)，如何均衡發(fā)展與環(huán)境兩者之間的關(guān)系尤為重要。近年來，裝配式建筑由于其施工速度快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)家的大力推廣，相繼頒發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》、“十三五裝配式建筑行動(dòng)方案”等一系列政策文件發(fā)展裝配式建筑，但位于高原地區(qū)的青?，F(xiàn)僅有兩家企業(yè)從事裝配式建筑相關(guān)活動(dòng)。因此，為實(shí)現(xiàn)高原地區(qū)建筑業(yè)快速轉(zhuǎn)型，促進(jìn)裝配式建筑高速發(fā)展，定量評(píng)價(jià)裝配式建筑的環(huán)境影響是必要的。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)此類建筑環(huán)境影響大多集中于研究裝配式建筑建造過程中的碳排放[2-3]，也有部分學(xué)者對(duì)裝配構(gòu)件的環(huán)境影響進(jìn)行了分析[4]，但系統(tǒng)的量化裝配式建筑環(huán)境影響研究較少。為促進(jìn)裝配式建筑在高原地區(qū)快速發(fā)展，文章采用生命周期方法，將裝配式建筑物化階段分為原料獲取、構(gòu)件生產(chǎn)、物流運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)裝配4個(gè)過程，并在影響評(píng)價(jià)中針對(duì)區(qū)域性環(huán)境影響基于青海省進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)定量的評(píng)價(jià)了高原地區(qū)裝配式建筑物化階段環(huán)境影響，為優(yōu)化施工工藝提供依據(jù)，為評(píng)價(jià)裝配式建筑提供數(shù)據(jù)支持。

1 裝配式建筑生命周期評(píng)價(jià)

生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法起源于1969年美國(guó)可口可樂公司對(duì)不同飲料容器的資源消耗與環(huán)境排放所作分析，是研究產(chǎn)品或過程環(huán)境影響的工具，被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)[5]、制造業(yè)[6]等領(lǐng)域。文章利用ISO與SETAC定義的生命周期評(píng)價(jià)框架建立了適用于高原地區(qū)的裝配式建筑生命周期分析系統(tǒng)見圖1，具體步驟如下：

圖1 裝配式建筑生命周期評(píng)價(jià)

1.1 目標(biāo)與研究范圍

對(duì)于建筑產(chǎn)品而言，其使用維護(hù)階段周期長(zhǎng)，環(huán)境數(shù)據(jù)存在較大的不確定并且難以測(cè)量。因此，文章定義系統(tǒng)邊界如圖1陰影部分所示，即原料開采到現(xiàn)場(chǎng)裝配完成階段，目的是量化高原地區(qū)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑物化階段的環(huán)境影響，為制定節(jié)能減排措施提供依據(jù)。

1.2 清單分析

清單分析即對(duì)裝配式建筑物化階段中各個(gè)過程的資源、能源及環(huán)境排放數(shù)據(jù)進(jìn)行量化歸類，依照裝配式建筑工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，將其物化階段分為原料準(zhǔn)備、構(gòu)件生產(chǎn)、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)裝配四大階段。其中運(yùn)輸階段包括兩部分，一部分為材料從生產(chǎn)廠地運(yùn)輸?shù)綐?gòu)件廠，另一部分為構(gòu)件生產(chǎn)完成運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)。

1.3 生命周期影響評(píng)價(jià)

生命周期影響評(píng)價(jià)是對(duì)清單數(shù)據(jù)加以匯總分析，得到一個(gè)客觀準(zhǔn)確值的過程。文章采用“中點(diǎn)法”按照以下步驟進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

1.3.1 分類、特征化

基于CML、EPS、Eco-indicator 95等方法，依據(jù)裝配式建筑物化階段消耗的資源、能源類型及環(huán)境排放物質(zhì)將環(huán)境影響分為 10類，依照ISO中規(guī)定的特征化因子將清單分析數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，如式(1)。

(1)

式中，EP(i)為第i種環(huán)境影響特征化值，Cij為第i種環(huán)境影響類型中的第j種物質(zhì)的消耗量或排放值，Mj為第j種物質(zhì)對(duì)第i種環(huán)境影響的特征化因子。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化

為了更好地比較每類環(huán)境影響潛值的相對(duì)大小，對(duì)各類環(huán)境影響潛值提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)即標(biāo)準(zhǔn)化，文章采用1990年人均當(dāng)量基準(zhǔn)值，見式(2)。

E(i)=EP(i)/N(i)

(2)

式中，E(i)為第i種環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化值，N(i)為第i種環(huán)境影響人均當(dāng)量值，計(jì)算方法如式(3)。

N(i)=EP(i)1990/p1990

(3)

式中，EP(i)1990為1990年第i種環(huán)境影響特征化值，p1990為1990年對(duì)應(yīng)地區(qū)的人口，為體現(xiàn)中國(guó)與高原地區(qū)特點(diǎn)，依據(jù)ISO中環(huán)境影響的分類體系，對(duì)于全球性、區(qū)域性和局域性環(huán)境影響依次基于全球、中國(guó)和青海進(jìn)行計(jì)算。

1.3.3 加權(quán)

經(jīng)上述特征化與標(biāo)準(zhǔn)化后得到各類型環(huán)境影響潛值，為綜合評(píng)價(jià)產(chǎn)品環(huán)境影響，需要將不同的環(huán)境影響類型加權(quán)匯總，以便決策者更好的理解。目前，常見的加權(quán)方法有目標(biāo)距離法、社會(huì)支付意愿及層次分析法等，目標(biāo)距離法不能確定各環(huán)境影響類型之間的相對(duì)重要性，社會(huì)支付意愿著重依靠與環(huán)境稅，故文章采用層次分析法計(jì)算總環(huán)境影響潛值，如式(4)。

(4)

式中，NP為各環(huán)境影響潛值總和，W(i)為第i種環(huán)境影響類型權(quán)重因子。

2 案例研究

以青海省海東市某裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑為例，實(shí)地調(diào)研并跟蹤監(jiān)測(cè)其施工過程與構(gòu)件生產(chǎn)過程獲得資源、能源消耗及環(huán)境排放數(shù)據(jù)。該宿舍樓建筑面積約10792.64m2，建筑中墻、樓板、柱、梁及樓梯均采用預(yù)制形式，相應(yīng)的其構(gòu)件生產(chǎn)廠占地36892.00m2，月平均產(chǎn)量達(dá)到736.74m3。

2.1 目標(biāo)與范圍

為量化裝配式建筑物化階段中資源、能源消耗與環(huán)境排放，對(duì)優(yōu)化施工過程提供數(shù)據(jù)支持。定義功能單元為1m2裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑，在系統(tǒng)邊界物化階段即從原料獲取到建造完成過程中的資源、能源消耗以及環(huán)境排放均基于1m2裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行計(jì)算。

2.2 數(shù)據(jù)來源

清單數(shù)據(jù)來源基于以下形式：預(yù)制混凝土構(gòu)件廠中環(huán)境排放通過測(cè)量設(shè)備實(shí)地跟蹤監(jiān)測(cè)，材料消耗查閱材料清單及走訪專業(yè)技術(shù)人員得出，電量與天然氣量根據(jù)月生產(chǎn)構(gòu)件體積與月消耗量計(jì)算，周轉(zhuǎn)材料如鋼模板利用實(shí)際投入量除周轉(zhuǎn)次數(shù)得出；運(yùn)輸階段的能源消耗利用走訪調(diào)研司機(jī)及相應(yīng)工作人員，環(huán)境排放通過查閱文獻(xiàn)獲得；構(gòu)件安裝過程中環(huán)境排放利用測(cè)量設(shè)備實(shí)地跟蹤監(jiān)測(cè)，材料消耗查閱材料清單與走訪專業(yè)技術(shù)人員得出，耗油耗電根據(jù)設(shè)備單位工作量的消耗數(shù)量乘以總工作量，周轉(zhuǎn)材料如鋼模板通過實(shí)際投入量除周轉(zhuǎn)次數(shù)計(jì)算；材料開采、生產(chǎn)等上游數(shù)據(jù)通過查閱文獻(xiàn)及借鑒GaBi中數(shù)據(jù)庫(kù)得出。

由于建筑物化階段涉及的原材料與過程眾多，故假設(shè)：原材料消耗只考慮鋼筋、混凝土、砂漿、保溫材料及木材主要材料；運(yùn)輸工具統(tǒng)一采用8t柴油卡車。

2.3 生命周期清單

通過查閱文獻(xiàn)獲得木材、鋼筋、混凝土、砂漿、保溫材料等建筑材料以及電、天然氣、柴油等能源，在開采、生產(chǎn)過程的上游數(shù)據(jù)[7-11]，計(jì)算1m2裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑在原料獲取階段、運(yùn)輸階段、構(gòu)件生產(chǎn)及裝配階段的輸入輸出數(shù)據(jù)如表1。其中輸入指生產(chǎn)過程中需要的各項(xiàng)原材料與能源，輸出為生產(chǎn)過程中排放的廢水、有害氣體及固體廢棄物。

2.4 生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)

根據(jù)表1中裝配式建筑物化階段清單中消耗的資源、能源及環(huán)境排放數(shù)據(jù)，將其分為10類環(huán)境影響類型，并利用式(1)～(4)，進(jìn)行特征化、標(biāo)準(zhǔn)化及加權(quán)計(jì)算得到1m2裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑物化階段環(huán)境影響潛值見表2。

表2 1m2裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑物化階段環(huán)境影響潛值

續(xù)表

3 結(jié)果與討論

1m2裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑物化階段中10類環(huán)境影響百分比如圖2所示，固體廢棄物、化石能源、礦石及淡水資源消耗為環(huán)境影響的主要類型，所占比值高達(dá)總環(huán)境影響的82.21%。其主要原因是由于建造裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑過程中消耗了大量的鋼筋、混凝土、石油、淡水、電等資源，而生產(chǎn)鋼筋、混凝土過程中需要眾多的資源與能源，并且鋼筋生產(chǎn)過程中會(huì)排放大量的固體廢棄物，這為固體廢棄物、化石能源、礦石及淡水資源消耗為主要環(huán)境影響類型的一個(gè)重要原因。

圖2 十類環(huán)境影響百分比

不同階段的環(huán)境影響潛值見圖3，橫坐標(biāo)為物化階段中劃分的四個(gè)過程，縱坐標(biāo)環(huán)境影響潛值，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后無量綱單位。其中原料獲取過程產(chǎn)生的環(huán)境影響最大，構(gòu)件生產(chǎn)與裝配過程次之，運(yùn)輸過程最小。產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因在于物化階段中消耗了大量的材料，導(dǎo)致原料獲取過程的環(huán)境影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他過程。同時(shí)在此次案例研究中，預(yù)制構(gòu)件廠距施工現(xiàn)場(chǎng)的值僅為2km，這將造成運(yùn)輸過程環(huán)境影響潛值最小的結(jié)果。

不同階段環(huán)境影響潛值比較如圖4所示，各類環(huán)境影響主要在原料獲取過程發(fā)生，但在其他三個(gè)過程中化石能源消耗占據(jù)了主導(dǎo)地位。這主要是因?yàn)榻ㄖ镌谖锘A段中消耗了大量的建筑材料，導(dǎo)致原料獲取過程的環(huán)境影響潛值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他三個(gè)過程，而在其他三個(gè)過程中，主要消耗為電、油及天然氣，均將造成化石能源消耗增大。

圖3 不同階段環(huán)境影響潛值 圖4 不同階段環(huán)境影響潛值比較

綜上所述，在保證功能的前提下，建議在構(gòu)件生產(chǎn)過程盡量減少鋼筋的使用，并且提倡用環(huán)境影響小的材料代替。其次，原料生產(chǎn)過程中應(yīng)采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，從而大幅降低固體廢棄物的產(chǎn)生。同時(shí)也可看出構(gòu)件廠與施工現(xiàn)場(chǎng)距離的重要性，構(gòu)件廠位置的選擇不可忽視。

4 結(jié)語

文章提出了一種基于LCA的高原地區(qū)預(yù)制裝配式建筑評(píng)價(jià)方法，對(duì)資源、能源消耗與環(huán)境排放清單數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇LCA的中點(diǎn)法，通過分類、表征、標(biāo)準(zhǔn)化及加權(quán)，目的是定量評(píng)價(jià)裝配式建筑在物化階段中的環(huán)境影響，并將此方法應(yīng)用于評(píng)價(jià)青海省海東市某預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑物化階段，研究結(jié)果為分析高原地區(qū)裝配式建筑提供參考，為評(píng)價(jià)我國(guó)裝配式建筑環(huán)境影響提供數(shù)據(jù)支持。在未來的研究中，生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)邊界的進(jìn)一步研究可以擴(kuò)展到早期設(shè)計(jì)、產(chǎn)品使用及最終處理階段。此外，其他生命周期評(píng)價(jià)模型與終點(diǎn)指標(biāo)也可用于高原地區(qū)裝配式建筑環(huán)境評(píng)估。