張玉琢,郭 峰,畢天平
(沈陽建筑大學(xué)管理學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)
建筑業(yè)屬于高能耗、污染嚴(yán)重的產(chǎn)業(yè)之一,其碳排放量達到了碳排放總量的40%[1]?!栋屠鑵f(xié)定》提出2050年后逐漸實現(xiàn)碳中和,中國承諾將在2030年前使碳排放量達到峰值,爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和。降低建筑業(yè)的碳排放量是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的關(guān)鍵措施。隨著中國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,近10年中國的建筑面積保持每年3%~5%的增速,這增加了建筑的碳排放量。近些年來,隨著建造技術(shù)的發(fā)展,預(yù)制裝配建筑應(yīng)運而生。預(yù)制裝配(Precast Concrete,PC)建筑相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場澆筑建筑,對建筑材料、施工機具、人工的利用效率有了大幅的提高,減少了建筑垃圾和材料浪費[2]。中國在《2030年前碳達峰行動方案》中,明確提出了大力發(fā)展低碳建材和綠色建造,大力推廣裝配式建筑,重點強化綠色設(shè)計和綠色施工。同時,在《"十四五"建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出,2025年中國新建的裝配式建筑在建筑產(chǎn)業(yè)中的占比將超過30%。
中國的預(yù)制裝配技術(shù)起步較晚,中國對于預(yù)制裝配建筑降低碳排放量的相關(guān)研究還不夠充分。孫艷麗等[3]對預(yù)制裝配建筑和現(xiàn)澆建筑物化階段的碳排放量差異進行了分析,指出了預(yù)制裝配建筑能夠降低碳排放量,但效果有限,應(yīng)加快預(yù)制裝配技術(shù)的發(fā)展,才能夠大幅降低建筑的碳排放量。Hao J等[4]利用BIM技術(shù)對預(yù)制裝配建筑的碳排放量進行了計算,結(jié)果表明預(yù)制裝配技術(shù)能夠降低建筑碳排放量。Ji Y等[5]利用魯班軟件對預(yù)制裝配施工技術(shù)和現(xiàn)澆施工技術(shù)進行了模擬,發(fā)現(xiàn)在施工過程中,相比于現(xiàn)澆施工技術(shù),預(yù)制裝配施工技術(shù)對環(huán)境更為友好。曹西等[6]以18層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)住宅為例,測算了預(yù)制裝配建筑在物化階段的碳排放量,包括生產(chǎn)、運輸和施工過程中的碳排放量。預(yù)制裝配式建筑相較于現(xiàn)澆建筑每平方米降低了7.67 kg的碳排放量。寶塔娜[7]提出預(yù)制裝配技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上能夠降低建筑的碳排放量。
以上研究是對不同的建筑進行碳排放量計算,得出預(yù)制裝配建筑能夠降低碳排放量。目前,大部分研究以建筑整體為計算單位計算出預(yù)制構(gòu)件的碳排放量。但由于建筑的不可復(fù)制性,不同建筑的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、施工機械等影響因素都不相同。這些因素導(dǎo)致不同建筑的碳排放量不同。因此,以建筑整體計算預(yù)制裝配建筑降低的碳排放量會導(dǎo)致計算結(jié)果不準(zhǔn)確。針對這一問題,筆者提出以結(jié)構(gòu)構(gòu)件為計算對象,通過預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆構(gòu)件的碳排放量對比,來分析預(yù)制裝配建筑降低的碳排放量。
生命周期評估(Life Cycle Assessment,LCA)是指某產(chǎn)品從生產(chǎn)準(zhǔn)備到廢棄回收的各個環(huán)節(jié)相關(guān)的全部技術(shù)。對于預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆構(gòu)件的LCA碳排放評估,可劃分為5個階段(原材料生產(chǎn)、材料運輸、構(gòu)件加工及安裝、使用及維護、廢棄拆除)[8]。對于現(xiàn)澆構(gòu)件和預(yù)制構(gòu)件而言,各階段產(chǎn)生能耗的活動如表1所示。
表1 建筑各階段碳排放活動
在建筑全生命周期中,碳排放量可以分為兩部分,使用與維護階段的碳排放統(tǒng)稱為運營碳排放量;其他階段的碳排放量稱為“隱含碳排放量”,也可稱為“虛擬碳排放量”,是指建筑產(chǎn)品加工、制造、運輸?shù)热^程的總能源消耗量所產(chǎn)生的碳排放量,是生產(chǎn)鏈中直接和間接碳排放量的總和。目前,大多數(shù)研究集中在節(jié)能技術(shù)和政策改進方面。這些研究普遍認(rèn)為,推廣節(jié)能技術(shù)能夠降低運營碳排放量,進而降低建筑整體碳排放量。然而,節(jié)能建筑對技術(shù)要求更高,會導(dǎo)致隱含碳排放量的增加,特別是在建筑本身的生產(chǎn)階段,會使得建筑整體的碳排放量增加。因此,有必要降低建筑本體在生產(chǎn)過程中的碳排放量,即原材料生產(chǎn)、材料運輸和構(gòu)件加工及安裝階段的碳排放量,以降低建筑全生命周期的碳排放量。
國際主流的碳排放量計算方法包括投入產(chǎn)出法、實測法和碳排放因子法。在建筑碳排放量的計算中,通常使用碳排放因子法,碳排放因子法是通過產(chǎn)品在生產(chǎn)中全部的能源消耗量與能源碳排放因子的乘積來進行計算。其優(yōu)點是計算簡便,精度較高;缺點是需要考慮各種因素對碳排放因子的影響,但通過資料的全面收集可有效降低這種負(fù)面影響。因此,筆者采用碳排放因子法來計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的碳排放量。
在原材料生產(chǎn)階段,使用碳排放因子法計算碳排放量,首先需確定建筑材料的碳排放因子,該系數(shù)根據(jù)建筑碳排放量的計算標(biāo)準(zhǔn)來確定[9]。建筑材料的可回收系數(shù)根據(jù)文獻[4]確定,模板使用次數(shù)根據(jù)模板的攤銷次數(shù)確定。
在運輸階段,主要考慮運輸工具的能源消耗產(chǎn)生的碳排放量。根據(jù)燃料的碳排放因子(見表2)、主要運輸工具的能源消耗量(見表3)來計算運輸階段的碳排放量。
表2 主要原材料、燃料碳排放因子
表3 主要運輸工具的能源消耗量
在構(gòu)件加工及現(xiàn)場施工階段,主要考慮施工機械消耗的能源所產(chǎn)生的碳排放量。根據(jù)燃料和電能消耗的碳排放因子(見表2)、主要施工機械的能源消耗量(見表4)來計算構(gòu)件加工及現(xiàn)場施工階段的碳排放量。
表4 主要施工機械的能源消耗量
構(gòu)件的原材料可分為可回收材料和不可回收材料。在計算可回收材料的碳排放量時要考慮可回收系數(shù)對碳排放量產(chǎn)生的影響。原材料生產(chǎn)階段所需的原材料包括構(gòu)件本身所需要的原材料,以及在構(gòu)件加工過程中所消耗的原材料。原材料生產(chǎn)階段的碳排放量計算公式為
(1)
式中:Qj為每立方米的第j種構(gòu)件產(chǎn)生的碳排放量;n為第j種構(gòu)件所需的材料種類;i為第j種構(gòu)件所需的第i種材料;pi為第i種材料的碳排放因子;qi為第i種材料消耗量;αi為第i種材料的回收系數(shù);ri為第i種材料的周轉(zhuǎn)次數(shù)。
預(yù)制構(gòu)件運輸階段的碳排放量是指原材料運至構(gòu)件加工廠和加工完成的構(gòu)件運至施工現(xiàn)場的碳排放量;現(xiàn)澆構(gòu)件運輸階段的碳排放量是指將原材料運至施工現(xiàn)場產(chǎn)生的碳排放量。在計算時需要考慮在運輸材料時空車返回原料產(chǎn)地的空載系數(shù),運輸階段的碳排放量計算公式為
(2)
式中:Tj為第j種構(gòu)件原材料或每立方米的預(yù)制構(gòu)件在運輸階段產(chǎn)生的碳排放量;n運為運輸工具的數(shù)量;qyi為第i種運輸工具的能源消耗量;Myi為第i種運輸工具在運輸?shù)趈種材料的滿載極限;pyi為第i種運輸工具消耗能源的碳排放因子;k為空載系數(shù)(空載返回能耗約為滿載時的67%,空載系數(shù)取1.67[6])。
現(xiàn)澆構(gòu)件的加工及施工均在施工階段完成,主要活動包括支模、鋼筋綁扎、焊接、混凝土攪拌及建筑材料的場地運輸和建筑材料的垂直運輸。預(yù)制構(gòu)件的加工活動包括混凝土攪拌、鋼筋綁扎、焊接、支模、構(gòu)件的養(yǎng)護、構(gòu)件加工時的運輸?shù)?現(xiàn)場施工的活動包括設(shè)備的垂直運輸、焊接、吊裝等。構(gòu)件加工及現(xiàn)場施工階段的碳排放量,是由其活動的機具消耗量決定的,各種活動所產(chǎn)生的碳排放量計算公式為
(3)
式中:Ak為每立方米的構(gòu)件中第k種生產(chǎn)活動產(chǎn)生的碳排放量;n機為活動中需要施工機械的種類;psi為第i種施工機械所消耗能源的碳排放因子;qsi為每立方米的構(gòu)件在生產(chǎn)中所需的第i種機械的臺班數(shù)量;esi為第i種施工機械單位臺班所消耗的能源數(shù)量。
項目位于浙江省寧波市,建筑主要功能為集體宿舍,共兩層,總建筑面積1 040 m2,單層建筑面積為520 m2。設(shè)計層高為一層3.6 m,二層3.4 m。浙江省對預(yù)制率的要求依據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《工業(yè)化建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》,即預(yù)制率不低于20%。該建筑除一層采用部分現(xiàn)澆構(gòu)件,其余均采用預(yù)制構(gòu)件,預(yù)制率達到了67%,符合浙江省對預(yù)制率的要求。
筆者將建筑的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行了劃分,結(jié)構(gòu)構(gòu)件劃分為柱、梁、板、墻、樓梯。根據(jù)工程量清單計算每種構(gòu)件的原材料消耗量、運輸工具臺班消耗量和施工機械臺班消耗量。由于各省的工程消耗量定額不同,因此筆者采用住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2019年發(fā)布的《房屋建筑與裝飾工程消耗量定額》(以下簡稱 《定額》)作為構(gòu)件的原材料消耗量、運輸工具臺班消耗量和機械臺班消耗量的數(shù)據(jù)來源?;趥鹘y(tǒng)的二維圖紙進行工程量和碳排放量計量,存在效率低下且精確度不足的問題。基于BIM技術(shù)的工程量和碳排放量計量,比傳統(tǒng)的工程量和碳排放量計量方法更為精準(zhǔn)[10]?;贐IM技術(shù)進行工程量和碳排放量計量,其實質(zhì)是通過數(shù)字可視化技術(shù)在計算機中建立一座虛擬建筑,再根據(jù)相應(yīng)的工程量和碳排放量計算標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合用戶需要導(dǎo)出相應(yīng)構(gòu)件的工程量和碳排放量。其主要操作過程是建模者通過二維圖紙在BIM建模軟件上進行建模,生成三維模型,然后根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范輸入工程量和碳排放量計算公式,最后導(dǎo)出各個構(gòu)件的工程量和碳排放量明細(xì)表,案例中的工程量和碳排放量均采用BIM技術(shù)進行計量。
(1)原材料生產(chǎn)階段
基于BIM三維模型統(tǒng)計各個構(gòu)件的原材料在生產(chǎn)過程中的消耗量[11]。根據(jù)BIM三維模型導(dǎo)出構(gòu)件工程量明細(xì)表以及工程量消耗定額,主要原材料消耗量如表5所示。
表5 原材料消耗量
根據(jù)各材料的碳排放因子、使用次數(shù)、可回收系數(shù)和原材料消耗量,結(jié)合式(1)可以得出原材料生產(chǎn)階段各構(gòu)件產(chǎn)生的碳排放量(見圖1)。
圖1 原材料生產(chǎn)階段的碳排放量
(2)運輸階段
根據(jù)工程實際情況,混凝土運輸工具采用12 m3攪拌運輸車,其他原材料采用10 t柴油車,預(yù)制構(gòu)件采用20 t貨車。原材料運距為20 km,預(yù)制構(gòu)件的運距為50 km。20 t運輸貨車運輸預(yù)制構(gòu)件的滿載運量為9 m3。
根據(jù)燃料的碳排放因子、運輸工具滿載能耗、原材料消耗量和預(yù)制構(gòu)件滿載運量,結(jié)合式(2)可計算出構(gòu)件在運輸階段的碳排放量(見圖2)。
圖2 運輸階段的碳排放量
(3)構(gòu)件加工及現(xiàn)場施工階段
依據(jù)《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》確定各種活動的施工機械能耗,依據(jù)《定額》確定各構(gòu)件的施工機械消耗量。根據(jù)燃料和電能的碳排放因子、施工機械能源消耗量和原材料消耗量,結(jié)合式(3)可以得出構(gòu)件在加工及現(xiàn)場施工階段的碳排放量(見圖3)。
圖3 構(gòu)件加工及現(xiàn)場施工階段的碳排放量
將原材料生產(chǎn)階段、運輸階段、構(gòu)件加工及現(xiàn)場施工階段的碳排放量相加,計算出每立方米各個構(gòu)件的碳排放量。同時,根據(jù)表5的數(shù)據(jù)可以計算出每平方米各個構(gòu)件的碳排放量(見表6)。
表6 各構(gòu)件的碳排放量
根據(jù)表6可知,除樓梯外,預(yù)制構(gòu)件的碳排放量均小于現(xiàn)澆構(gòu)件的碳排放量。但從建筑整體考慮,由于生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同,建筑所需要的預(yù)制構(gòu)件體積通常高于現(xiàn)澆構(gòu)件體積,導(dǎo)致某些每平方米預(yù)制構(gòu)件的碳排放量高于現(xiàn)澆構(gòu)件。因此,要降低建筑整體的碳排放量,則必須考慮每平方米預(yù)制構(gòu)件碳排放量與現(xiàn)澆構(gòu)件碳排放量的差異。
每平方米預(yù)制構(gòu)件的柱、樓梯、板的碳排放量高于現(xiàn)澆構(gòu)件的碳排放量。因此,雖然隨著預(yù)制率增加,整個建筑的碳排放量降低,但在達到碳排放量最低的預(yù)制率時繼續(xù)增加預(yù)制率,則會增加建筑的碳排放量。若只考慮整個建筑的碳排放量最低,預(yù)制順序為梁、墻、樓梯、板、柱,碳排放量在預(yù)制率為44%時達到最低(見圖4)。
圖4 預(yù)制構(gòu)件的碳排放量趨勢
筆者對預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆構(gòu)件的全生命周期各個階段的活動進行了分析,確定了各個階段的活動邊界。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定了碳排放量計算的相關(guān)參數(shù),并應(yīng)用碳排放因子法建立了碳排放計算模型。從工程案例來看,預(yù)制構(gòu)件在構(gòu)件加工及現(xiàn)場施工階段的碳排放量低于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆構(gòu)件,但在原材料生產(chǎn)階段和運輸階段的碳排放量高于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆構(gòu)件。從案例的構(gòu)件類型來看,梁、墻構(gòu)件降低碳排放量的效果最好。當(dāng)工程案例的預(yù)制率在44%時,案例中的預(yù)制裝配式建筑碳排放量最低。因此,并不是預(yù)制率越高,預(yù)制裝配式建筑的碳排放量就越低,要結(jié)合工程實例進行具體分析,才能使建筑的碳排放量達到最低。