基于模擬和混凝土材料特性的SCM 混凝土施工方案表現計量與決策研究

林澤羿，陳石瑋，燕學博，鄭 友，林 靖

（1. 福州大學 至誠學院，福建 福州 350001；2. 福建工程學院 管理學院，福建 福州 350001，E-mail：184000947@qq.com；3. 福建華航建設集團有限公司，福建 福州 350001；4. 福建永宏建設工程有限公司，福建 福州 350001）

混凝土是一種由粗細骨料（通常為砂石）、膠凝材料（如水泥）、水和添加劑組成的混合材料[1]，是目前世界最主要的建筑材料之一。Miller 等[2]和中國國家統(tǒng)計局統(tǒng)計的數據顯示，美國、非洲、歐洲、巴西、印度、日本、中東地區(qū)的混凝土年消耗量高于1 億m3。在我國，隨著改革開放以來建筑業(yè)快速發(fā)展，而作為建筑最主要材料的混凝土也消耗巨大，每年消耗量高達14 億m3。龐大的混凝土消耗量帶來的是對環(huán)境的巨大負擔[1]。每年，混凝土的生產運輸活動產生的二氧化碳排放約占世界人為二氧化碳排放的9%[3]。而施工環(huán)節(jié)為了對澆筑后的混凝土進行養(yǎng)護而產生的二氧化碳也不在少數，尤其是施工發(fā)生在較為寒冷的地區(qū)導致混凝土需要加熱養(yǎng)護時[4]。輔助膠凝材料混凝土（Supplementary Cementious Material Concrete，SCM 混凝土）為降低混凝土的碳排放提供了可能[1]。由于混凝土材料中產生最多碳排放的是水泥，SCM 混凝土用粉煤灰和礦渣等工業(yè)廢料等代替水泥，減少了水泥的消耗，從而降低混凝土的碳排放[5]。

目前還鮮有研究探索SCM 混凝土從供應鏈到施工的綜合表現。一些研究分析了SCM 混凝土供應鏈階段的環(huán)境表現。如Yang 等[6]基于LCA 方法構建了SCM 混凝土從搖籃到施工前的二氧化碳排放量計量模型，并對比了幾個不同種類在二氧化碳排放量上的優(yōu)劣。Sandanayake 等[7]分析了采用含不同比例粉煤灰的SCM 的預制混凝土構件的生產過程，并采用過程LCA 方法計量了從搖籃到預制構件生產的二氧化碳排放量。但是，這些研究沒有綜合分析混凝土從供應鏈到施工的綜合表現，更未將SCM 混凝土的環(huán)境效益與經濟效益進行綜合評價，導致企業(yè)難以判斷是否應當使用SCM 混凝土，以及如何選擇SCM 混凝土和如何為混凝土配套施工方案。這阻礙了SCM 混凝土的推廣應用。

為此，本文結合離散事件模擬（Discrete Event Simulation，DES）和混凝土材料特性數據建立能夠對SCM混凝土施工的環(huán)境-經濟表現進行綜合評價和決策的方法。并依據評價結果篩選SCM 混凝土，為施工方提供決策輔助。

1 ACSD 方法

1.1 方法框架

為了對SCM混凝土施工的環(huán)境-經濟表現進行綜合評價和決策，本文建立方案分析（Analysis of Alternative Plans）-收集與擬合（Collection and Fitting）-模擬與計量（Simulation and Assessment）-決策（Decision Support）方法，簡稱ACSD 方法。方法的框架如圖1 所示。

圖1 ACSD 方法框架

1.2 方案分析

通過咨詢設計和施工單位相關技術人員和管理人員，獲得可行的混凝土類型與配套施工方案。本文僅分析SCM 混凝土的施工環(huán)境-經濟表現，并不涉及材料的力學和耐久性分析。因此，采用的SCM 混凝土類型都必須符合設計單位的認可，在力學性能和耐久性等方面滿足工程需求。

1.3 收集與擬合

通過查詢文獻和混凝土數據庫，或者進行相關實驗，獲得方案分析中備選混凝土的溫度-時間數據和成熟度-強度數據。由于獲得的數據一般為離散點數據，需要通過擬合獲得連續(xù)數據。

1.4 模擬與計量

1.4.1 模擬模型的構建

施工模擬模型的建立流程包括以下3 個步驟：

（1）信息提取。本文施工模擬模型的建立依據Fischer 等[8]提出的CARS 模型。CARS 模型反映了構建模擬模型所需的項目基本信息，包括施工構件（Component）、施工活動（Activity）、施工資源（Resource）和施工工序（Sequence）。需要提取相關信息并整理，作為構件施工模擬模型的基礎。

（2）信息關聯。在完成信息提取后，依據CARS模型，按照施工工序將施工活動進行關聯，再將施工活動作為索引關聯提取出的施工構件信息和施工資源信息。

（3）信息再構建。在關聯提取信息之后，還需要把在概念模型中建立聯系的各項信息完整地在計算機中進行表示，從而實現在計算機中重現施工系統(tǒng)，即建立施工模擬模型。一般借助已有的模擬平臺進行信息再構建能夠簡化操作，節(jié)省建模時間，提高決策效率。本文采用的平臺為SIMIO。

1.4.2 模擬模型與混凝土材料特性的結合

由于施工模擬模型沒有分析混凝土養(yǎng)護時間的能力，在建立施工模擬模型后，還需要建立混凝土數據計算平臺，并將施工模擬模型和混凝土數據計算平臺關聯，如圖2 所示。

圖2 施工模擬平臺-混凝土數據計算平臺交互框架

混凝土數據計算平臺包含兩部分內容，一是數據存儲模塊（本文采用MySQL 數據庫），包括施工現場天氣數據庫（儲存施工現場的天氣預測數據，可用歷史天氣數據估計）和混凝土成熟度數據庫（儲存由收集與擬合過程中獲得的混凝土溫度-時間和成熟度-強度連續(xù)數據）；二是調用和計算模塊（本文用Matlab 構建），用于依據施工模擬模型提供的混凝土養(yǎng)護開始時間從數據庫中調用數據，并利用成熟度法，獲得SCM 混凝土達到施工要求的強度（如拆模強度和可在構件上進行施工的強度）所需的成熟度。之后，基于天氣預報和施工現場的養(yǎng)護措施，估計施工現場的混凝土溫度變化情況，并計算出SCM 混凝土達到施工要求的強度所需的養(yǎng)護時間。

關聯后的施工模擬平臺-混凝土數據計算平臺運行過程為：當模擬（本文以模擬平臺SIMIO 為例）運行到施工養(yǎng)護活動時暫停模擬，并輸出混凝土養(yǎng)護活動的相關數據，通過信息傳輸中介將數據傳輸給混凝土數據計算平臺。本文采用的信息傳輸中介為SIMIO-MATLAB 之間的插件接口Call MATLAB，由Dehghanimohammadabadi 等[9]開發(fā)。之后，由混凝土計算平臺計算混凝土達到施工所需強度的養(yǎng)護時間，再將養(yǎng)護時間傳輸回模擬模型。獲得養(yǎng)護時間的模擬模型從之前暫停處繼續(xù)模擬，直到模擬至下一處混凝土養(yǎng)護活動，再進行上述步驟。

1.4.3 施工目標計量

（1）工期目標計量。本文采用模擬平臺對養(yǎng)護增加時間進行計算。將預測的每種混凝土材料于近似絕熱模型中的養(yǎng)護時間作為施工模擬中養(yǎng)護活動的時間，并通過模擬技術統(tǒng)計關鍵線路上的養(yǎng)護活動的時間。

（2）環(huán)境目標計量。為計量應用不同的混凝土材料類型對施工項目環(huán)境目標的影響，本文將二氧化碳排放量作為指標。變更混凝土材料類型會從兩方面影響施工項目建造過程的二氧化碳排放量，包括混凝土材料本身的二氧化碳排放量和施工養(yǎng)護活動的二氧化碳排放量，按照下式計算。

式中，G為混凝土材料類型對施工項目總體二氧化碳排放量的影響（kg CO2-eq）；GC為混凝土材料類型對施工階段二氧化碳排放量的影響（kg CO2-eq），包括直接和間接影響；GM為混凝土材料的二氧化碳排放量（kg CO2-eq），計算式如下：

式中，G1為混凝土原材料開采階段的二氧化碳排放量（kg CO2-eq）；G2為混凝土原材料運輸階段的二氧化碳排放量（kg CO2-eq）；G3為混凝土生產階段的二氧化碳排放量（kg CO2-eq）；G4為混凝土運輸階段的二氧化碳排放量（kg CO2-eq）。

因為計量時處于施工的早期規(guī)劃階段，具體的養(yǎng)護措施數據缺乏。本文的二氧化碳排放量根據近似絕熱模型的假設進行計算。根據Refaa 等[10]的研究，混凝土從加熱器吸收的熱流量（hear flux）為：

式中，qH為混凝土從加熱器吸收的熱流量（W/m2）；eHeater為加熱器的加熱效率，0eHeater＜1，當加熱過程不存在熱喪失時，eHeater=1；qHeater為加熱器向混凝土提供的熱流量（W/m2）。

而混凝土向周邊環(huán)境喪失的熱流量為：

式中，qL為混凝土向周邊環(huán)境喪失的熱流量（W/m2）；cH為模板的熱傳遞系數（W/(m2℃)）；Tconcrete為混凝土溫度（℃）；Toutside為混凝土周邊環(huán)境的溫度（℃）。

所以，混凝土從加熱器吸收的熱量為：

式中，EH為混凝土從加熱器吸收的熱量（J）；EHeater為加熱器向混凝土提供的熱量（J）；K為加熱器對混凝土進行加熱的加熱面積（m2）；Δt為加熱時間（h）。

而混凝土向外部環(huán)境喪失的熱量為：

式中，EL為混凝土向周邊環(huán)境喪失的熱量（J）；S為混凝土和外部環(huán)境的單個接觸面的接觸面積（m2）；n為混凝土和外部環(huán)境的接觸面?zhèn)€數（個）。

在近似絕熱模型中，混凝土失去的熱量等于吸收的熱量，即：

由于加熱養(yǎng)護時的主要二氧化碳排放量由加熱器產生，因此混凝土材料選型對施工二氧化碳排放的直接影響由下式計算：

式中，GCD為施工養(yǎng)護活動的二氧化碳排放量（kg CO2-eq）；GH為加熱產生的二氧化碳排放量（kg CO2-eq）；g為能耗的二氧化碳排放系數；M為混凝土養(yǎng)護至符合施工強度要求時的成熟度（℃ h）。

采用加熱器的輸出能耗為：

式中，OHeater為加熱器的輸出電功率（J/小時），即近似絕熱模型假設中采用的加熱器的輸出功率，可用于初步選擇加熱器；time為混凝土養(yǎng)護至符合施工強度要求時的養(yǎng)護持續(xù)時長（小時）。

混凝土的環(huán)境目標的間接影響為：

式中，GCI為混凝土材料類型對施工項目二氧化碳排放量的間接影響（kg CO2-eq）；Eoperation為施工現場的日常耗能功率；timeadd為養(yǎng)護增加時間（小時）。

混凝土材料類型對施工CO2排放量的影響為：

（3）成本目標計量。由于混凝土材料類型變更直接影響施工養(yǎng)護活動，對非養(yǎng)護施工活動的影響有限且是間接影響，因此本文僅將混凝土的購買價格和施工養(yǎng)護活動的成本作為成本目標影響計量指標為，計算式為：

式中，C為混凝土材料類型對工程項目成本目標的影響（元）；CM為混凝土的購買價格（元）；CC為混凝土材料類型對施工過程成本的影響（元），其計算式為：

式中，CCI為混凝土材料類型對施工項目成本的間接影響（元）；CCD為施工養(yǎng)護活動的成本（元），其計算式為：

式中，CHeater為加熱成本（元）；CInsulation＆Others為隔熱和其他養(yǎng)護成本（元）。

在式（14）中，隔熱和其他養(yǎng)護成本可以通過查詢市場相關價格信息或咨詢施工管理人員得到，加熱成本通過下式計算得到。

式中，c為加熱的每日成本（元/天），包括加熱器的日租金及每日的運行費用；U為加熱器的功率（kW），24U即加熱器每天的能耗。

在式（13）中，混凝土材料類型對施工項目成本的間接影響依據下式得到。

式中，coperation為現場的每小時日常成本（元/小時）。

1.5 決策

在得到所有備選混凝土類型和施工方案的施工環(huán)境-經濟表現后，還需要依據施工表現對方案進行篩選，得到最后的最優(yōu)方案，為施工管理者提供決策支持。在ACSD 方法中，方案篩選分為兩步：

（1）帕累托原則篩選。本文采用帕累托原則進行初步方案篩選。帕累托原則能夠快速篩除劣解（即在分析的所有目標上都劣于某一其他方案的解）。最后剩下相互無法淘汰的帕累托方案。

（2）項目側重點篩選。在得到帕累托方案之后，還需要依據項目的側重點進行二次篩選。由于不同項目對于不同施工目標具有不同的要求和側重，因此，無法按照普遍性的標準選擇最優(yōu)方案，而需要依據項目側重點來選擇最合適的方案。

2 案例分析

為驗證本文提出方法的有效性，將其應用于瑞典某混凝土建筑工程項目，該建筑共有7 層，其中2～7 層為標準層。本案例僅研究標準層。

2.1 項目基本信息提取

按照本文構建的方法，從施工文件和現場調研提取相關信息，標準層施工工序如圖3 所示。該項目僅有墻和板為現澆混凝土，一個標準層的墻和板的體量分別為52.425m3和64.148m3。本案例的施工活動時間主要由人工決定，工人配置為木工10 人、混凝土工10 人、安裝工10 人、裝配式工人5 人。施工電梯和塔吊的日租金分別為1100sek 和2900sek。本案例中，現場的日常維護和照明耗電功率為16kW，每日成本為450sek。

圖3 施工工序

2.2 天氣數據收集與預測

本案例的標準層施工時間從2017 年的11 月20日開始，采用歷史數據預測的氣溫，如圖4 所示。

圖4 預測的施工期間的月平均氣溫（℃）

2.3 SCM 混凝土信息收集

通過咨詢設計單位和施工單位，獲得本案例中的備選混凝土類型如表1 所示，主要有以下5 種：傳統(tǒng)波特蘭水泥混凝土（PC30）、含粉煤灰的混凝土（PFA30）、含高爐礦渣的混凝土（GGBS30）、含粉煤灰且增強了強度的混凝土（PFA50）和含高爐礦渣且增強了強度的混凝土（GGBS50）。由于在混凝土中加入SCM 材料通常會減緩混凝土的硬化速度，因此本案例的施工決策者考慮采用更高強度SCM 混凝土。混凝土相關碳排放因子和價格分別如表2 和表3 所示。本案例采取的養(yǎng)護措施：墻采取加熱電纜養(yǎng)護（熱產出12kW）加12mm 隔熱膠合板模板（熱傳遞效率1.8W/(m2K)），板采取蒸汽養(yǎng)護（熱產出48kW）加混凝土板隔熱防水蓋布（熱傳遞效率8.3W/(m2K)）。

表1 備選混凝土類型材料配合比（kg/m3）

表2 混凝土購買碳排放因子

表3 混凝土購買價格（sek/m3）

3 結果分析

依據案例信息，采用本文構建的ACSD 方法進行分析，得到的結果如圖5 所示。可以看出，不同類型混凝土對施工項目的成本和工期的影響存在較大的差別。其中，PFA50 的工期最短；PFA30 的成本最小；GGBS30 的工期最長且成本最大。圖6同樣給出了供應鏈階段和養(yǎng)護過程的成本?？梢钥闯?，供應鏈階段的表現不能代表混凝土材料選型對施工目標的總影響。如GGBS30 混凝土雖然供應鏈成本最低，但是由于早期強度發(fā)展緩慢，拖長工期，導致施工養(yǎng)護費用增加，使總成本最高，在經濟性上處于最劣勢。因此，如果僅看供應鏈階段的經濟性表現進行決策，易使決策結果有偏差。

圖5 5 種類型混凝土的工期與成本

圖6 展示了在不同水平電能GWP 下（包括瑞典、中國中部地區(qū)和澳大利亞-維多利亞州的電能GWP），混凝土材料選型對二氧化碳排放量的影響。

圖6 不同電能GWP 下5 種混凝土類型的二氧化碳排放量

由圖6 可知，二氧化碳排放量中占最主要部分的是供應鏈階段的二氧化碳排放量。且在電能GWP水平較低時（比如在瑞典），二氧化碳排放量幾乎全由供應鏈階段產生。施工養(yǎng)護的二氧化碳排放隨著電能GWP 的增大而增大。在電能GWP 較高時（比如在澳大利亞-維多利亞州的電能GWP 水平下），養(yǎng)護二氧化碳排放量也會較大，如GGBS30的養(yǎng)護二氧化碳排放量高于供應鏈二氧化碳排放量。因此，以往研究中僅計算供應鏈階段二氧化碳排放量的做法僅僅在電能GWP 較低的地區(qū)能夠對于環(huán)保型混凝土的材料選型決策起到輔助作用，而在電能GWP 較高的地區(qū)，僅僅分析供應鏈階段可能使決策出現偏差。

經過計量和篩選，5 種備選混凝土類型都為帕累托解，在得到的帕累托解中進行二次篩選，由于該項目側重于工期目標，因此選擇工期最短的PFA50 作為最優(yōu)方案。

4 結語

為響應我國建筑業(yè)綠色轉型目標，推廣SCM混凝土在工程中的應用，結合離散事件模擬和混凝土材料特性數據建立能夠對SCM 混凝土施工的環(huán)境-經濟表現進行綜合評價和決策的方法。案例分析的結果說明了構建的方法能夠有效計量SCM 混凝土在施工中的表現并輔助施工單位進行決策，并且也揭示了依據不全面的表現進行決策可能會導致施工目標不理想。因此，綜合考慮供應鏈和施工階段SCM 混凝土的經濟-環(huán)境表現對SCM 混凝土的工程應用是必要的。本文的研究成果為進一步開展SCM 混凝土在工程中應用的相關研究提供了理論基礎和參考。