1 引言

随着我国建筑行业的发展, 农民对于住宅的要求发生了质的变化, 除了要求其满足居住功能外, 更加倾向于打造一个健康、舒适、和谐、绿色的住宅环境。在国家大力推广装配式建筑的大背景下, 乡村装配式住宅应运而生, 面对传统乡村住宅的种种弊端, 装配式住宅的优点更加明显, 它不仅可以改善主体结构精度、解决乡村住宅经常出现的渗漏、开裂等质量通病, 还可以提高隔声、保温、防火等性能。 在节能减排方面, 装配式住宅能够体现出巨大的优势, 它一方面提升住宅的品质和效能, 另一方面在施工效率和施工工期方面遥遥领先于传统的砖混结构住宅, 充分体现了绿色建筑“四节一环保”的特点, 具有良好的环境效益。具体而言:在节能方面, 由于采用工业化生产方式, 大大减少了能源浪费;一体化生产的墙体内含保温夹层, 保温效果高于传统砖混结构, 由此可降低综合能耗。在节材方面, 工厂化生产的优势之一就是质量和精度可控, 精准的控制可以大幅度减少材料损耗;另一方面增加模板的周转次数, 模板循环使用, 减少了材料的浪费。在节时方面, 工业化生产大幅提高劳动效率, 与传统的乡村住宅建设相比, 只需其1/3周期。在节地方面, 装配式住宅的发展, 大大减少了粘土砖的使用, 避免了土地的破坏。在环保方面, 装配式住宅的构配件在工厂内生产, 减少了现场作业, 从而减少了污水、粉尘和噪声的污染, 体现出其环保的优势。为了更加直观地突出装配式建筑的环境效益, 帮助其在乡村地区推广, 有必要对乡村装配式住宅的环境效益进行量化。

2 乡村装配式住宅全生命周期环境效益构成

装配式住宅的环境效益主要从建设项目的全生命周期进行考虑, 建设项目的全生命周期分为三个阶段, 建造阶段, 使用阶段和拆除回收阶段。本文通过与传统的砖混结构住宅对比, 分析装配式建筑在全生命周期中的节地、节水、节能、节材的效益。此外, 还引入全生命周期碳的排放量作为装配式住宅的环保指标, 分析装配式住宅由于低碳所带来的环保效益。

2.1 建造阶段的环境效益V1

建造阶段, 装配式建筑将传统建筑中大量的现场湿作业内容转入工厂, 采用现代化的生产工艺, 把构件进行进行详细分解, 进而在工厂内进行构配件的预制。其工艺在提高劳动生产率的同时, 能够大幅节约一次性材料及周转材料的使用, 以此控制生产成本并达到节能降耗的良好效果。住宅建设的装配化程度能够有效反映出现场施工环境的优劣, 大力发展装配式住宅对践行生态环境文明理念、推进环境保护具有重要的现实意义。 建造阶段的环境效益主要通过土地消耗C₁、资源消耗C₂、水消耗C₃、固体废弃物排放C₄四个方面来确定。其中: (1) 土地消耗C₁主要从宏观角度进行分析, 通过土地的影子价格计算得出因为节约土地而得到的国民经济效益; (2) 资源消耗C₂主要包括各类建筑材料的消耗和能源消耗, 能源消耗主要包括机械设备的耗油量和耗电量; (3) 水消耗C₃指的是建造单位面积需要的水资源; (4) 固体废弃物的产生量C₄通过现场跟踪测量获得, 固体废弃物指标通过测算单位建筑面积的建造垃圾排放量确定。

2.2 使用阶段的环境效益V2

装配式住宅能够大大改善农民居住的外部环境, 从而创造舒适、环保的人居环境, 提高农民的生活质量。装配式住宅在使用阶段的环境效益V₂主要通过年度能耗E₁和由环境改善所带来的额外抵减效益A₁两部分来体现。对于乡村住宅, 其建筑节能主要通过围护结构节能实现, 乡村住宅采用的节能方式主要是外墙保温, 这在我国北方地区使用比较广泛。因此, 本文主要以墙体的传热阻和传热系数两大指标衡量乡村住宅的节能效率, 然后根据GB50176—93《民用建筑热工设计规范》和JGJ26—5《民用建筑节能设计标准》提供的计算方法, 计算可得到各种墙体的传热量和房屋年度能耗成本。由环境的改善所带来的额外效益主要体现在国家的绿色节能补贴上。

2.3 拆除回收阶段的环境效益V3

乡村住宅在到达使用年限后需要进行拆除, 采用砖混结构的住宅拆除困难, 而且回收利用率较低, 并且在拆除过程中会产生大量建筑垃圾, 对环境造成的污染较大。而装配式住宅的碳排放量一般较低, 拆除后产生的废弃物较少, 根据以往研究结果, 其相较于传统住宅减少约60%, 并且拆除后的构配件可以进行回收再利用, 尤其是钢结构拆下的钢龙骨可以大量的回收利用, 其中轻钢结构住宅钢骨架的回收率多达90%。因此装配式结构住宅拆除时对环境的影响较小, 环境恢复费用较低, 能够积极地响应国家《住房城乡建设事业“十三五”规划纲要》中提出的对现有建筑垃圾处理设施开展摸底和安全隐患排查, 建立档案, 推动建筑垃圾资源化利用的政策, 实现能源的节约、环境的保护。 因此, 装配式住宅在拆除回收阶段的环境效益主要通过单位建筑面积拆除成本D₁和建造垃圾回收效益R₁两部分来体现。

2.4 全生命周期碳排放环境效益V4

通过对农村地区新建的两种不同结构形式住宅进行对比研究, 针对建筑全生命周期的各个环节, 进行材料和能源的消耗数据搜集, 并对数据进行分类统计和对比研究, 根据不同材料的碳排放因子, 从全生命周期对碳排放进行分析, 从而促进低碳建筑的发展, 实现建筑和环境协调的可持续发展, 降低CO₂的排放量。

3 实证分析

为了进一步研究预制装配式住宅在新农村建设中应用的可行性, 本文以河北邯郸市某套装配式住宅作为主要研究对象, 该栋住宅的宅基地面积为148.2平方米, 建筑面积249.2平方米, 结构形式完全采用预制装配式钢筋混凝土结构, 施工方式采用预制构件工厂流水生产, 现场组装的方式, 建筑高度10.95米, 开间11.7米, 进深9.5米, 生产安装工期为一个月。项目一层平面图见图1。 用于对比分析的砖混结构项目采用与装配式建筑面积大小接近, 装修程度相似的住宅, 该砖混结构住宅位于河北邯郸市某县城, 该住宅地上3层, 层高3米, 外墙为该地区常用的370mm厚红砖墙, 外设60mm厚挤塑聚苯板保温, 内墙为240mm砖墙。工程占地面积为90平方米, 建筑面积248平方米, 建筑高度10米, 建筑物主体高度、建筑抗震设防类别、结构安全等级、抗震等级及结构设计使用年限等建筑参数均与装配式住宅建筑相同, 项目一层平面图见图2。 图1 邯郸市某套装配式住宅一层平面

3.1 建造阶段环境效益V1对比分析

建造阶段的环境效益主要通过土地消耗C₁、资源消耗C₂、水消耗C₃、固体废弃物排放C₄四个方面来确定, 即V₁=C₁+C₂+C₃+C₄

(1) 土地消耗C1

从宏观的角度进行分析, 乡村砖混结构住宅建设按照河北地区的标准, 建设该砖混结构住宅, 每一平米大概需要消耗普通粘土砖200块, 则该栋装配式住宅建房用砖量为4.98万块。 土地消耗通过土地的影子价格体现, 土地的影子费用包括建设项目占用土地而使国民经济为此放弃的效益, 即土地的机会成本, 以及国民经济为项目占用土地而新增加资源消耗, 即:土地影子费用=土地机会成本+新增资源消耗。 在本文讨论的以装配式建筑替代砖混结构建筑, 砖瓦行业的土地影子费用转变成为采用PC板建筑的土地影子效益, 并且没有新增资源消耗。 图2 邯郸市某套砖混结构住宅一层平面 土地机会成本指的是土地改作他用时所放弃的利益, 或用于其他经济活动时必须支付的代价。按照烧制粘土砖的行业标准, 每烧制一万块砖需要28吨土, 每一立方米的土重达1.5吨, 不同地区对取土烧砖挖土深度规定不同, 但基本在1~2米之间, 在这里取平均值1.5米。则该套住宅用49840块砖需挖土: V=28吨/万块砖×4.98万块÷1.5吨/立方米=92.96立方米 挖土面积S=92.96立方米÷1.5米=61.97平方米=0.093亩 河北省邯郸市耕地按夏粮和秋粮两熟来计算, 根据国家统计局资料, 2016年小麦每公顷产量5327.4公斤 (710.32斤/亩) , 玉米每公顷产量5972.7公斤 (796.36斤/亩) , 按照国家公布的《2016年小麦和稻谷最低收购价执行预案》有关规定小麦平均价格1.2元/斤, 玉米0.8元/斤, 则该土地影子效益是: C₁= (710.32斤/亩×1.2元/斤+796.36斤/亩×0.8元/斤) ×0.093亩=138.52元

(2) 资源消耗C2

在建造阶段的资源消耗C₂主要包括各类建筑材料的消耗和能源消耗。按照砌筑工程、钢筋工程、混凝土工程、模板工程、运输工程和装修工程分类统计, 得出两种不同建造模式住宅主要材料消耗量, 不同结构形式住宅在建造阶段的资源消耗如表1所示。其中: 表1 不同结构形式住宅在建造阶段的资源消耗C₂ 下载原表 注:按照国家规定, 每度电折0.404千克标准煤, 作为今后电力折算标准煤系数。 ①砌筑工程资源消耗量主要指乡村房屋主体所消耗的普通黏土砖、水泥、沙子用量。 ②钢筋工程资源消耗量主要指建造房屋所消耗的所有钢筋, 包括在房屋建造过程中所使用的措施钢筋和钢筋预埋件。能源消耗包括加工所有钢筋所消耗的电量, 预埋件的加工安装耗电量。 ③混凝土工程资源消耗量主要指装配式住宅在工业化生产过程中所消耗的混凝土和砖混结构住宅施工现场所消耗的混凝土。能源消耗主要包括混凝土浇筑过程中振捣器的耗电量、吊车的耗油量。 ④模板工程资源消耗量主要指木质模板、钢制模板和木方消耗量。 ⑤装修工程资源消耗量主要指外墙保温材料的消耗量。

(3) 水消耗C3

水消耗C₃主要指整个建造阶段不同建造方式所消耗的水资源。乡村住宅建设用水主要包括:生产用水、生活用水。生产用水包括建造过程用水、建造机械用水。生活用水包括施工现场的生活方面用水。该项目位于农村, 用水的量主要通过水表测算, 测算结果如表2所示。

(4) 固体废弃物排放C4

由于施工水平的局限性, 传统砖混结构住宅建造过程中产生的建筑垃圾相对较多。装配式住宅将传统建筑中大量的现场湿作业内容转入工厂, 以现代化生产技术为载体, 通过构件拆分, 进而实现构件的工厂化预制, 能够大量减少一次性材料和周转材料的使用, 通过这种方法来控制生产成本, 并且能够达到节约能源、降低损耗的良好效果。房屋主体施工产生建筑垃圾计算如下: 房屋主体施工产生建筑垃圾量=建筑面积×单位面积垃圾量 单位面积垃圾量按照不同的结构选取不同的值, 砖混结构按照每平方米0.05吨, 钢筋混凝土结构按照每平米0.03吨, 装配式住宅按照现场测算为0.012吨, 建筑垃圾处理按照地区标准, 每吨40元的处理费。计算结果如表3所示。

3.2 使用阶段环境效益V2对比分析

(1) 不同类型房屋年度能耗成本E1

河北属于北方地区, 四季分明, 考虑到该项目属于乡村, 农民夏季以自然通风为主, 基本不采用降温设备。因此, 该地区农村装配式住宅的环境效益主要为冬季采暖能耗所节约的费用。运用ENERGYPLUS能耗分析软件对装配式住宅和传统砖混结构住宅的冬季采暖能耗进行模拟分析, 模拟时的主要设置如下:气象资料选择河北省典型气象年, 模拟时段为冬季采暖期, 室内换气次数为0.5次/h, 其它相关指标例如, 太阳辐射得热、设备的散热量等根据乡村住宅的实际调研情况设定。模拟计算结果如表4所示。

(2) 环境改善所带来的额外抵减效益A1

涉县人民政府为推动绿色建筑产业发展, 积极推广绿色建筑和建材, 大力支持乡村发展装配式住宅, 并制定了《关于支持和加快绿色建筑和住宅产业现代化发展的意见》涉政字〔2016〕32号, 其中第四条明确提出对采用住宅产业现代化建设方式建造的农村装配式低层住宅, 在省政府每户补助1万元的基础上 (单户建筑面积在200平米以上) , 县政府每户再补助2万元。对于文中的装配式住宅, 建筑面积249.2平方米, 按照政策补贴合计A₁=120.38元。 而相对于传统的砖混结构住宅其主要的建筑材料是粘土砖。根据《国务院办公厅关于进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知》 (国办〔2005〕33号) 、《“十二五”墙体材料革新指导意见》 (发改环资〔2011〕2437号) , “城市限粘、县城禁实”, 即全国开展禁止使用实心粘土砖工作, 在国家政策红利的支持下, 粘土砖建造的乡村住宅将逐渐被由绿色建材建造的装配式住宅所取代。 使用阶段的环境效益V₂=E₁+A₁ 表2 不同结构形式住宅在建造阶段的水资源消耗C₃ 下载原表 表3 不同结构形式住宅在建造阶段的固体废弃物排放C₄ 下载原表 表4 不同类型房屋年度能耗成本E₁ 下载原表

3.3 拆除回收阶段环境效益V3分析

乡村住宅在拆除阶段较为简单, 拆除回收阶段的环境效益由单位建筑面积拆除成本D₁和建造垃圾回收效益R₁两部分体现, V₃=D₁+R₁。 建筑垃圾产生量参考行业测算, 民用房屋建筑按照每平方米1.3吨计算;存在回收利用的, 在考虑综合因素后按结构类型确定为:砖木结构每平方米0.8吨, 砖混结构每平方米0.9吨, 装配式建筑减少建筑垃圾约80%, 每平米约0.12吨。在拆除回收阶段建筑具有一定的构配件残值, 按照相关标准, 对于传统的砖混结构房屋而言, 残值包括可回收利用的钢筋和碎砖的价值共计15元/m², 装配式住宅的一些预制构件, 或者钢骨架在拆除后仍然可以回收利用, 尤其对于预制钢构架, 回收利用率可高达90%, 按照行业的标准, 取40%作为材料的回收价值, 通过计算, 装配式住宅的残值为24.27×0.9×0.4×2.30=20.10元/m² (表5) 。

3.4 全生命周期碳排放环境效益V4分析

建筑产业的蓬勃发展使得建筑材料的使用量大幅增长, 尤其是建筑物中大量使用的钢筋、水泥、保温材料、砖等建筑材料, 在生产过程中都会带来巨大的碳排放量。如何降低建筑物的能耗, 降低碳排放量是建筑业欲待解决的重要难题。依据我国2017年三月份的中国碳排放交易网数据, 中国碳排放的交易价格为35元/吨。 根据表6所示的常用建筑材料与资源的碳排放因子, 结合不同建筑结构在建造过程中材料的使用情况, 计算全生命周期的碳排放效益, 计算结果如表7所示。 表5 不同结构形式住宅在拆除回收阶段环境效益V₃ 下载原表 表6 常用建筑材料与资源碳排放因子 下载原表 表7 不同结构形式住宅的全生命周期碳排放环境效益对比 下载原表 表8 全生命周期的综合环境效益对比分析 (元/平方米) 下载原表 通过装配式住宅在建造阶段、使用阶段、拆除回收阶段的环境效益, 以及全生命周期碳排放效益分析, 得到综合环境效益如表8所示。根据量化分析结果可知, 相比于传统方式建造的砖混住宅, 装配式住宅在建造阶段的土地效益及资源节约效益显著;其使用阶段享受的政策红利还能够带来效益补偿。总体上, 装配式住宅的综合环境效益优于传统砖混住宅。

4 结论与建议

通过对乡村装配式住宅和砖混结构住宅的全生命周期下的环境效益分析可以看出: (1) 从环境效益成本角度, 装配式住宅远小于传统的砖混结构住宅; (2) 从资源消耗水平角度, 装配式住宅在水泥、砂浆、木材、保温板等主要材料用量上具有巨大优势, 而在钢材、混凝土等主材消耗方面则大于传统的砖混结构住宅, 但钢材混凝土的消耗使装配式住宅的结构稳定性和建筑寿命明显大于传统的砖混结构住宅。 (3) 从能源消耗和废弃物产生量角度, 装配式住宅由于采取现代化技术进行工业化生产, 因此较砖混住宅具有明显优势。 (4) 从节能减排角度, 预制装配式住宅在全生命周期的碳排放小于传统的砖混结构住宅, 符合“四节一环保”的要求, 具有显著的环境效益。 目前, 我国预制装配式住宅面积总量比较小、发展相对较缓慢。因此, 在政策方面, 政府应该加大扶持力度, 主导形成产业链, 并以特色小镇发展为契机, 结合预制装配式住宅的节能减排效益大力发展乡村装配式住宅;在技术方面, 构建标准化模数, 从设计阶段就综合考虑建筑构件的标准化、集成化和模数化发展, 引导预制构配件的系列化开发、规模化生产, 确保节能减排综合效益;在施工方面, 应培养专业的预制装配式住宅的施工队伍, 从而达到提升效率、节约工期、减少时间成本的目的, 在建造成本相同的情况下突显装配式住宅的环境效益。