节约能源、减少碳排放从而减缓温室效应是一项重要全球性课题。IPCC第五次评估报告指出,若考虑间接排放,建筑业在全球GHG排放中的占比高达19%。我国在2009年哥本哈根气候会议上做出承诺:到2020年单位GDP的CO₂排放比2005年下降40%至45%。而我国正处于城市化高速发展阶段,2000至2016年间,建筑能耗占全国能源消费比重达20.6%,建筑碳排放达20.44亿吨二氧化碳,占全国能源碳排放的19.5%。因此对于我国而言,减少建筑业能耗与碳排放是实现节能减排的关键手段。

近年来,建筑工业化成为促进社会生产力发展的必然要求。建筑工业化包括预制装配式体系、工业化现浇体系与钢结构体系,其中预制装配式体系是建筑工业化的主要代表,而装配式混凝土建筑是预制装配式体系的重要代表。装配式混凝土建筑是指以工厂化生产的混凝土预制构件为主,通过现场装配的方式设计建造的混凝土结构类房屋建筑。在预制装配式体系下,现场湿作业大大减少,工人的工作环境大幅提高,更加符合文明施工的要求。

建筑在其生命周期内的各个阶段会消耗大量的能源从而直接或间接地引起碳排放,从而加剧温室效应,对生态环境带来负面影响。建筑生命周期可以简单划分为:物化阶段、运营阶段以及拆除阶段,其中拆除阶段碳排放所占比重不足1%。运营阶段由于持续时间长,消耗的能源与引起的碳排放量大,是减少建筑能耗及碳排放研究的重点。但是随着节能设备、高效绝缘隔热材料的出现,以及建筑节能设计的进一步发展,遏制运营阶段能耗的潜能增加,因此物化碳排放在建筑生命周期碳排放中所占比重将会增加。此外在物化阶段,建筑在短时间内集中产生大量碳排放,其排放特征为持续时间短,但是排放强度高。

本文立足于物化阶段,以装配式混凝土建筑为研究对象,量化评价装配式建筑物化碳足迹,同时探索预制率对装配式建筑物化碳足迹的影响。因此本文利用施工定额与施工机械台班消耗,以及能源及材料碳足迹因子,建立装配式建筑物化碳足迹计算框架。结合实际工程,利用建立的评价框架对案例建筑进行物化碳足迹计算。

碳足迹的概念源于生态足迹,T Wiedmann与J Minx在2008年对碳足迹的定义是:某一活动产生或者在某产品的全生命周期内,所有直接与间接的二氧化碳排放总量,而碳足迹因子是指单位产品或活动产生的碳足迹。

需要指出的是,本文中的碳足迹是一个广义的概念,涵盖了《京都议定书》所建议的六种温室气体,包括:二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、氧化亚氮(N₂O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)和六氟化硫(SF₆)。其余温室气体基于100年的全球变暖潜势值(GWP)转化为二氧化碳当量(CO_2eq)进行统一计量。

生命周期是指某一产品从生产加工直至报废的整个过程。根据国际标准BS EN 15804,建筑生命周期包括:产品阶段、建筑施工阶段、使用阶段以及生命周期期末。本文将研究范围界定在建筑物化阶段,对应于该标准的产品阶段与生产阶段,如图1所示。

本文将研究的时间范围界定为建筑物化阶段,从原材料的开采直至建筑主体结构竣工,具体包括原材料的开采,建筑材料的加工及预制构件的制作,材料及构件的运输以及现场的施工活动。

本文将在建筑物化阶段内的与其相关的建筑活动发生的场地定义为研究的空间范围,主要包括:建筑原材料开采及加工场地、材料及构件从工厂到施工现场的运输路线以及施工现场。

在物化阶段,需要投入大量建筑材料、机械设备及运输工具。在材料的生产加工过程、施工机械的运转过程以及材料及构件的运输过程中均会消耗大量的能源,同时引起碳排放。本文计算的碳足迹评价范围包括:建筑材料、施工机械以及各种运输车辆。

需要指出的是,本文研究的重点在于比较分析两种施工方式(预制装配式与现场浇筑)所产生的碳足迹差异,因此本文计算的材料包括:混凝土、水泥、钢材、水、木材、焊条等,其碳足迹因子如表1所示。其余建筑材料用量很少(如塑料薄膜),对碳足迹计算结果影响有限,因此不纳入计算范围。

利用碳足迹因子量化产品或活动的碳排量是学术界公认的一种方式,而权威的碳足迹因子数据库是碳足迹计算结果的前提条件。本文利用LCA软件(Life Cycle Assessment,生命周期评价)Ecoinvent v2.0内置的材料碳足迹因子数据库,而能源碳足迹因子(如电能、柴油等)因为受地区差异影响显著,采用国内研究数据会使得碳足迹评估结果更为准确,因此本文的能源碳足迹因子采用国内学者高源雪的研究成果,材料及能源碳足迹因子数据如表1所示。

本文将建筑物化碳足迹来源划分为材料、运输以及施工三方面,因此有:

C=C_M+C_C+C_T (1)

其中,C为物化阶段产生的碳排放总量,C_M为在建筑原材料开采及加工过程中引起的碳排放,C_C为施工过程碳排放,C_T为建筑材料运输过程碳排放。

其中,M_i代表第i种建筑材料用量,l_i代表材料损耗率,CE代表材料碳足迹因子。

施工碳排放源于各种施工机械设备工作时能源的消耗,因此施工碳排放可以借助于机械台班消耗量定额以及相应的能源碳足迹因子进行计算:

其中,Q_i代表第i种施工工艺的工程量,QU_i代表完成单位工程量消耗的机械台班数量,EQ_i代表单位机械台班消耗的能源量,CE_i代表该种能源的碳足迹因子。

运输能耗及碳排放量由运输距离、消耗能源种类、单位运距能耗等因素决定,其计算过程如下:

其中,L_i代表第i种材料的运输距离,M_i代表运输的材料i的质量,CAP_j代表车辆j的载重量,V_j代表车辆j单位运距燃油消耗量,CE_j代表燃油碳足迹因子。

本文选取某变电站作为案例建筑,该建筑为五层钢筋混凝土框架建筑,基础形式为钢筋混凝土管桩,建筑面积为2597.70m²。其主要构件梁、柱、楼板、外墙板均采用预制装配式施工方式,整体预制率达60%。其REVIT模型如图2所示。

因为预制装配式施工与现场浇筑施工所引起的碳排放差异主要源于各混凝构件的施工,因此为比较两种施工方式在物化阶段碳足迹的差异,本文设计了两种施工方案(如表2所示),方案一采取预制装配式的施工方式;方案二则采取传统现场浇筑的施工方式。为使叙述方便,以下称采用预制装配式施工方式(方案一)的案例建筑为A建筑,而采用现场浇筑施工的案例建筑为B建筑。需要指出的是在该案例建筑中,现浇构件采用木模板,而在工厂进行制作的预制构件采用钢模板。根据文献,取木模板的周转次数为10次,钢模板的周转次数取200次。

在进行碳足迹计算时,首先利用REVIT的明细表功能获取工程材料消耗量数据,同时根据工程量计算规则确定工程量。其次,结合施工定额与施工机械台班能源消耗量确定施工机械能耗,与运输能耗结合构成项目物化阶段的能耗总量。最后,结合碳足迹因子汇总计算项目碳足迹,计算原理及过程如图3所示,两种施工方案下的物化碳足迹计算结果如图4与图5所示。

比较两种施工方案的碳足迹结果可以发现:在建筑整体层面上,案例建筑采用预制装配式施工方式可减少碳排放4864.83kgCO_2eq,单位建筑面积碳排放量减少1.87kgCO_2eq/m²,与Ya Hong Don等报告的2.1kgCO_2eq/m²数据相近,说明结果可靠;在建筑构件层面上,预制装配式施工方式下的梁、柱与外墙板的碳排法量分别减少5.2%,4.2%,1.6%,然而楼板的碳排放量增加0.9%。总体而言,预制装配式的施工方式在减少物化碳排放方面具有一定的优势,这一结果主要源于以下三方面:

第一,由模板引起碳足迹差异。在预制装配式的施工方案下,预制构件利用组合钢模板在工厂内进行预制加工,而在现场浇筑的施工方案下,混凝土构件采用传统的木模板进行现场施工。虽然模板对混凝土构件碳排放的贡献较小(平均约为2～3%),但是由于钢模板的周转次数显著高于木模板(约为20倍),使得预制构件的碳足迹显著降低。

第二,由材料损耗率引起的碳足迹差异。根据建筑工程施工定额,预制装配式施工方式在减少材料损耗具有显著优势。以矩形梁为例,现浇混凝土梁的混凝土损耗率为1%,而预制混凝土梁的损耗率仅为0.5%,因而减少了由材料损耗产生的碳足迹。此外,在预制装配式的施工方案下,部分辅助材料(如模板)的运输不在本文的计算范围之内,因此在一定程度上减少了运输碳足迹。

第三,由施工机械引起的差异。根据建筑工程施工定额,在两种施工方案下,完成相等工程量的混凝土构件所消耗的施工机械种类以及台班数量存在差异。对于大多数混凝土构件,在采用预制装配式的施工方式时,由施工机械使用而产生的碳排放量更少。

为了进一步分析预制率对物化碳排放的影响情况,设置不同的预制率水平分别为:20%,40%,60%,80%,100%,将不同预制率水平下碳排放情况与采用现场浇筑的施工方案进行比较,结果如图6所示。

分析发现,混凝土构件梁、柱与外墙板的碳足迹均随预制率的升高而降低,这是因为预制构件在模板、材料以及施工机械方面的碳减排效应所决定的;而楼板的碳足迹随预制率的升高而增加,因为在预制楼板的安装过程中,需要大量的焊接工作,同时消耗大量辅助安装材料如垫铁、枋材钢支撑、焊条等,从而引起更高的碳排放。

在分部工程的层面上,混凝土工程碳足迹随着预制率的升高而增加,钢筋工程随预制率变化的变动幅度极小(平均变动率不足0.01%),而模板工程与运输工程的碳足迹随预制率的提高而显著降低,因而分部工程总体表现为随预制率的升高而降低。

混凝土工程碳足迹变化趋势是各混凝土构件共同作用的结果。梁、柱的碳足迹均表现为随预制率的升高而降低,但是楼板与外墙板的碳足迹随预制率变动的增幅更大,最终导致混凝土工程碳足迹随预制率的升高而增加。钢筋工程碳足迹主要由材料自身的碳足迹决定,因而预制率变化对钢筋工程碳足迹基本没有影响。但是随着预制率的升高,模板及运输碳足迹显著降低。这是因为在采用预制装配式的施工方式时,预制构件采用的是高周转低排放的钢模板,而且部分辅助材料的运输碳足迹不在本文研究范围之内。

本文建立了建筑物化碳足迹量化评价模型,选取某装配式建筑案例,为案例建筑设计两种施工方案,即预制装配式施工与现场浇筑施工。分析比较了案例建筑在两种施工方案之下的物化碳足迹。此外,设置不同的预制率,计算分析在不同预制率水平下,案例建筑的主要混凝土构件的碳排放情况。研究发现:

(1)建筑材料是建筑物化碳足迹的主要来源,其次是施工与运输。以混凝土构件梁、板、柱以及外墙板为例,混凝土对其碳足迹的贡献比例高达84%,钢筋贡献比例约为14%,而模板使用及运输的碳足迹贡献比例之和仅为2%左右。因此发展更加先进的材料加工工艺以减少材料碳足迹是减少建筑碳排放重要途径。

(2)预制装配式施工方式在减少建筑物化碳排放存在优势,可使案例建筑单位建筑面积减少碳排放量1.87kgCO_2eq。

(3)对多数混凝土构件而言,提高预制率是减少建筑物化碳排放的有效方法,但是楼板的碳排放量随预制率的升高而增加。因此,为减少建筑物化碳排放,应该在设计阶段结合设计图纸、施工定额以及碳排放因子数据库,对建筑物化碳排放进行测算,确定最佳的预制率水平,从而为优化建筑设计方案提供依据。

本文通过实证研究证明了预制装配式施工方式在减少建筑碳排放方面的优势,值得进一步的推广与发展。需要指出的是,预制构件采用周转次数更高的钢模板是减少碳排放量的一个重要原因。因此对于由客观条件限制而无法进行预制装配式施工的建筑而言,使用组合钢模板代替传统现浇模板是减少物化碳足迹的可行方案。在行业层面,应该鼓励发展高效的新型混凝土与钢筋生产加工的设备,减少作为建筑施工主要材料的钢筋与混凝土的材料碳足迹因子从而减少建筑碳排放。