裝配式混凝土結構與現澆混凝土結構碳排放比較分析

張文龍，左文建，申海洋 （.中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 0004；.中鐵三局集團投資有限公司，山西 太原 0000；.山西工程科技職業(yè)大學，山西 晉中 0069）

0 引言

當前，我國生態(tài)文明建設已經確立了以“降碳”為主要目標，推動降碳減污促進社會的綠色轉型，實現整個生態(tài)環(huán)境質量的建設改善。根據中國建筑節(jié)能協(xié)會2020 年發(fā)布的《中國建筑能耗研究報告（2020）》數據，我國2018 年建筑過程中耗能為21.47 億tce，在全國的能源消耗中占比為46.5%，2018 年的我國建筑過程中碳排放量達到49.3 億t，在全國的碳排放中占比為51.3%。因此在國家的戰(zhàn)略中，控制好建筑行業(yè)的碳排放有著重要的戰(zhàn)略意義，建筑行業(yè)能耗高、占比大，且能耗會長期增長，所以具有較大的節(jié)能減碳潛力。降低建筑行業(yè)碳排放量，對我國實現碳達峰、碳中和目標具有重要意義。

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，裝配式建筑結構越來越成熟，也逐漸替代傳統(tǒng)現澆工藝。裝配式建筑是實現工廠化生產、標準化設計、智能信息化管理的可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑。研究現澆結構的碳排放與裝配式結構的碳排放有著重要的價值。我國有學者對傳統(tǒng)現澆和預制裝配兩種建造方式的資源消耗、碳排放等數據分別進行了測算，對社會效益也進行了研究，但是對兩種建造方式相關碳排放數據的比對與分析較少。本文通過研究山西大同某16 層鋼筋混凝土剪力墻結構的碳排放，分析兩種方式的差異，并通過實際數據的收集與分析，為裝配式建筑的進一步發(fā)展提供理論依據。

1 碳排放研究的關鍵參數

①建筑全壽命的碳排放范圍

確定了碳排放的研究邊界才能夠對不同施工工藝的碳排放進行匯總和研究。通常建筑的壽命有構件的制造、構件的運輸、構件的安裝和結構的拆卸四部分。在碳排放周期中往往將前兩個階段合在一起，統(tǒng)稱為物化階段。由于后期的兩個階段建筑物的施工工藝沒有區(qū)別，現澆結構和裝配式結構的碳排放是一樣的。因此僅僅在物化階段研究裝配式結構和現澆結構的區(qū)別，邊界也定在建筑物化階段。設計方和施工方對于施工影響的責任不同，施工方主要影響結構采用的木材、鋼材、水資源等材料，施工設備運行所消耗的汽油、電等，以及施工過程中產生的各種廢棄物。具體對環(huán)境影響的數據包含所采用建筑材料和配件的數量和種類，一些施工輔助材料的數量和種類，以及在施工運輸、安裝和裝修過程中消耗的資源等，在施工過程中拆除、丟棄的各種固體和氣體的廢棄物。

②測算碳排放的技術

當前最常用的測算碳排放技術有三種，有質量平衡法、實測法和排放因子法。質量平衡法就是每次有新型的工藝和設備，將產生的碳排放量統(tǒng)計出來，將傳統(tǒng)工藝中生成的碳排放量減去。實測法就是采用專業(yè)的設備從釋放源頭進行碳排放量的采集，并將數據匯總進行統(tǒng)計。而排放因子法是將工程中分項對應相關的因子進行計算，按照標準把施工工藝轉化為碳排放量的計算。相比較而言，排放因子法更加便于歸類和匯總，本文采用排放因子法對碳排放進行測算。

③如何選擇排放因子

碳排放因子可以依據《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366-2019）進行清單查閱，不同階段的建筑物構件制造和運輸在規(guī)范上都可以找到對應的排放因子。比如根據上述碳排放計算標準可以得到，混凝土（C30）碳排放因子為295kgCO2/m3，鋼筋碳排放因子為2340kgCO2/t，鋼模板碳排放因子為2400kgCO2/t。采用《典型墻體材料的生命周期評價》可以得出，AAC 砌塊碳排放因子為230kgCO2/m3，AAC 板碳排放因子為260kgCO2/m3，木模板碳排放因子為146.6kgCO2/m3。同時也可以得到柴油碳排放因子為2.74kgCO2/kg，汽油碳排放因子為2.26kgCO2/kg。

2 裝配式建筑物物化階段的碳排放

裝配式建筑的主要構成部分就是構件，這也是與現澆結構建筑的主要區(qū)別，想要對預制構件的碳排放進行計算，可以研究預制構件的碳排放，接下來通過對現場預制構件和運輸構件產生的碳排放進行研究。

①構件生產階段碳排放

裝配式建筑物生產階段碳排放主要集中在原材料的開采和加工過程、原材料加工成預制構件兩個階段，碳總排放量等于不同種類原材料碳排放因子和原材料使用量的乘積之和，以及預制構件生產過程中的電力消耗和電力對應碳排放因子乘積的總和。目前裝配式建筑主要采用的構件包括疊合板、疊合梁、預制樓梯、預制剪力墻等，預制構件主要是在工廠中采用流水線工藝電力的方式進行生產。

兩個階段碳排放計算公式為：

其中，n代表原材料的種類；yt為第t種原材料的使用量；Ft為第t種原材料的碳排放因子。

其中，n代表原材料的種類；Wt為第t種構件的用電量；Et為第t種構件電力排放的碳排放因子。

裝配式建筑構件生產階段碳排放量為上述兩個階段碳排放量之和。

根據大同地區(qū)的預制構件生產耗能情況以及上述幾種具體材料的碳排放因子和兩階段碳排放計算公式，可以得到表1的單位體積預制構件排放量統(tǒng)計。

表1 單位體積預制構件碳排放量統(tǒng)計表

②構件運輸階段碳排放

運輸階段的碳排放主要就是從工廠將預制構件運輸到施工現場的過程中，所產生的交通工具的碳排放，部分預制構件在運輸過程中，由于受自身體積、形狀等因素影響，無法讓交通工具滿載。因此在計算碳排放時，也需要考慮到預制構件的體積、運輸距離以及交通工具的空載系數等，計算公式為：

其中，t表示不同類別的預制構件；Vt表示第t 種預制構件體積；Dt表示第t種預制構件平均運輸距離；Xt表示第t種預制構件單位體積單位運距碳排放因子；K為空載系數，根據現場調研確定為K取1.67。

單位體積單位運距碳排放因子Xt由運輸工具能耗產生的碳排放得出，其公式為：

其中，H表示單位換算系數；Ec是柴油碳排放因子；Y為運輸車輛每公里耗油量；Vci表示滿載狀態(tài)下第t種預制構件體積。

由于項目所在地的常用車輛為30t的柴油車，相關的參數如表2所示。

表2 交通工具碳排放系數

因此計算單位體積單位運距碳排放因子可由公式（4）及表2得出，參考表3。

表3 單位體積單位運距碳排放因子統(tǒng)計表

③施工階段碳排放

施工階段的裝配式建筑碳排放主要是預制構件在現場安裝時機械耗能所產生，與單位臺班的能源消耗量、所需要的安裝臺班數以及電力的碳排放因子有關，計算公式為：

其中，Cjzi為施工階段單位體積預制構件碳排放量；Ti為吊裝單位體積第i種預制構件臺班數；R為單位臺班消耗能源數量；Ed為電力碳排放因子。裝配式建筑施工現場吊裝由塔式起重機完成，其單位臺班能耗為266.05kW·h，根據此公式計算出單位體積預制構件在施工階段的碳排放量，如表4所示。

表4 施工階段單位體積構件碳排放量統(tǒng)計

3 案例分析

本文以山西大同的一個具體住宅項目為例，選擇1 幢裝配式施工的單元樓和1 幢現澆施工的單元樓進行對比和分析，選擇的兩個單元樓無論是套數、房型、層數還是建筑面積都基本相同，共16 層，建筑面積為7800m2，結構形式為剪力墻結構，兩者區(qū)別在于裝配式施工方法與現澆方法主要結構構件生產、運輸、施工方式不同，所以主要研究兩種不同方法生產出的梁、墻、板、樓梯等構件，以及維護墻與隔墻。

①計算現澆建筑的碳排放量

現場采用現澆的形式進行混凝土結構構件施工，圍護墻及隔墻采用AAC 砌塊，現澆樓的建筑材料用量分別是鋼筋的工程量為575t，混凝土的工程量為3243.4m3，AAC 砌塊工程量為1365.3m3，使用木模板共862.98m3。生產階段消耗的碳排放量由前文生產階段碳排放量計算公式可算出。運輸階段有兩種運輸工具，混凝土攪拌車進行混凝土輸送，攪拌車的容量為12m3，運輸距離為20km，每公里的耗油量為0.4L/km；其他建材的運輸采用10t 柴油車，碳排放因子為0.162kg/t·km，平均運距為50km，進而可由前文運輸階段碳排放公式算出運輸階段碳排放量。可以對碳排放的總量進行計算，碳排放量計算如表5所示。

表5 現澆結構建筑碳排放量計算表

②計算裝配式建筑碳排放量

裝配式樓所采用的構件主要為疊合梁、疊合板、樓梯和預制剪力墻等，隔墻還是采用AAC 板，運輸預制構件采用30T 的柴油車，運輸距離為70km，吊裝構件采用塔式起重機，剪力墻的工程量為1523.60m3，疊合梁工程量為352.06 m3，疊合板工程量為433.15m3，樓梯工程量為73.25m3，AAC 板工程量為1332.60m3，鋼筋140t，混凝土工程量為812.00m3，木模板工程量為198.60m3，由前文可計算出裝配式樓碳排放量如表6所示。

表6 裝配式建筑碳排放量（單位：t）

③計算結果分析

通過上述統(tǒng)計，可以看出本案例中現澆結構的總碳排放量為2960.24t，裝配式結構的總碳排放量為2882.38t，總碳排放量減少了77.86t。生產階段裝配式建筑碳排放增加，是因為裝配式建筑的構件需要在工廠中先進行預制，形成能源的集中消耗。隨后由于構件比傳統(tǒng)構件的尺寸和用鋼量大，因此也會造成能源消耗的增加，原材料的用量要稍微高于現澆建筑。最后預制構件在現場安裝時需要吊裝，也會造成碳排放的增加。

在運輸階段，裝配式建筑的碳排放也會增加，因為混凝土在運輸的時候沒有空乘率。但是在運輸裝配式構件時，由于體積、形狀的影響，造成車輛無法滿載，因此運輸率較低。此外，預制場普遍比攪拌站遠，因此造成碳排放量增加。

最后在施工階段因為構件只需要拼裝，因此不需要大量的電能進行混凝土攪拌等，材料和電能的損耗都大幅降低，最終降低了碳的總排放量。

4 發(fā)展建議

①通過規(guī)模化發(fā)展，加大裝配式房屋的效益

根據不同的因子測算和匯總，可以看出采用裝配式房屋具有明顯的社會經濟效益和環(huán)境效益。不過受行業(yè)限制，當前我國裝配式住宅的面積總量以及規(guī)模占比還比較小，只有能夠成片開發(fā)住宅建設，形成一定的規(guī)模，才能夠將預制裝配式房屋的節(jié)能減排優(yōu)勢發(fā)揮出來。

②對裝配式建筑的標準化研究

想要擴大裝配式建筑的建設規(guī)模，前提是將裝配式建筑標準化，在設計的階段就充分考慮裝配式建筑的標準化、集約化和集成化的施工方法和理念，做好如樓梯、內外墻板、疊合板和陽臺板這些預制構件的標準化施工，做好質量控制工作，保證構件的生產質量，并考慮節(jié)能問題，盡量減少構件生產的消耗，降低碳排放。也可以擴大預制構件的規(guī)?；a，縮短預制構件的生產工期，降低生產和運營成本，提高運營管理效率，保證節(jié)能減排的效益。

③制定科學的管理制度和模式

在裝配式建筑的管理制度上，可以采用科學的管理形式，從生產的各個環(huán)節(jié)做好質量把控工作，保證生產質量。也可以制定配套的構件生產、招投標和開工許可、工程驗收環(huán)節(jié)，對管理制度不斷進行改革和探索，保證不同建設環(huán)節(jié)的順暢連接，盡量減少現場的工作量。由于當前相關的專業(yè)人員還比較缺乏，沒有進行住宅設計、施工和管理的專業(yè)人員，因此還應當注重能力培養(yǎng)，增加熟練人員，培養(yǎng)專業(yè)的施工隊伍，達到提升效率、縮短工期、提高經濟效益的目的。

5 結語

為了研究裝配式結構和現澆結構的碳排放量，劃定建筑物的物化階段作為碳排量計算的邊界，然后將碳排放分為生產、運輸和安裝等三個階段，分別進行比較。在不同階段中，將變量定義為工程量、運輸距離等，根據相關碳排放計算公式，將工程量轉變?yōu)樘寂欧帕?。通過實際案例可以分析得出，裝配式施工在本案例中比現澆結構碳排放量減少了77.86t，符合綠色生態(tài)文明發(fā)展的轉型，對我國建筑行業(yè)減少碳排放有著重要意義，能夠推動裝配式建筑模式的發(fā)展，實現我國碳中和和碳達峰的目標。