民用建筑生命周期固体废弃物排放的资源环境压力

宋 阳 刘 浩 赵 奕

(1．东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004;2．沈阳大学建筑工程学院，辽宁沈阳110044;3．沈阳大学基建处，辽宁沈阳110044;4．沈阳大学经济学院，辽宁沈阳110044)

民用建筑生命周期固体废弃物排放的资源环境压力

宋 阳1刘 浩2，3赵 奕4

(1．东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004;2．沈阳大学建筑工程学院，辽宁沈阳110044;3．沈阳大学基建处，辽宁沈阳110044;4．沈阳大学经济学院，辽宁沈阳110044)

降低民用建筑生命周期固体废弃物排放带来的资源环境压力，促进经济发展逐步走上资源减量化和环境减压化的轨道，是全社会面临的共同问题。本文借用生态足迹方法和能值分析方法，构建了民用建筑生命周期各阶段固体废弃物排放的资源环境压力计算模型，并以沈阳市图书馆为例，进行了实证研究。结果表明:废弃水泥排放引起的资源环境压力分别占施工阶段生态足迹的48．56%，占使用与维护阶段生态足迹的82．78%，占拆除及废弃建材处置阶段生态足迹的56．73%;而废弃商品混凝土排放造成的资源环境压力在施工阶段生态足迹和拆除及废弃建材处置阶段生态足迹中的比例分别为31．90%和37．26%;就生命周期各阶段而言，拆除及废弃建材处置阶段固体废弃物排放的资源占用足迹最大，占总足迹的92．91%，使用与维护阶段资源占用足迹最小，占总足迹的1．06%。因此，民用建筑在生命周期各阶段削减固体废弃物排放量的重点是减少水泥和商品混凝土的用量，多开发可替代混凝土结构的钢结构或组合结构形式的民用建筑。

民用建筑;生命周期;固体废弃物;资源环境压力;生态足迹

建筑垃圾是城市固体废物的主要组成部分，我国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的30%－40%。据对砖混结构、全现浇结构和框架结构等建筑的施工材料损耗的粗略统计，在每万平米建筑的施工过程中，仅建筑垃圾就会产生500－600 t;而每万平米拆除的旧建筑，将产生7 000－12 000 t建筑垃圾［1］。这些建筑垃圾排放量大、种类较多，再利用价值很低而且难以降解，大多数只能运往郊区露天堆放或按照普通垃圾填埋处理，不仅占用了大量土地、改变土壤特性、污染周围环境，而且还挤占了生活垃圾的填埋空间，大大缩短垃圾填埋场的使用寿命，如不妥善处理，这些废弃物将成为一种严重的公害［2］。本文对与人们日常生活密切相关的民用建筑生命周期各类固体废弃物排放进行分类，借助生态足迹方法和能值分析方法，构建度量固体废弃物排放的资源环境压力计算模型，并以沈阳市图书馆为例展开实证研究。为采取有效措施将固体废弃物排放带来的资源环境压力控制在自然承受能力范围内，促进经济发展逐步走上资源减量化和环境减压化的轨道提供有益的借鉴。

1 民用建筑生命周期

1．1 民用建筑

建筑物按照使用性质，通常可以分为生产性建筑，即工业建筑、农业建筑;非生产性建筑，即民用建筑。其中，民用建筑由居住建筑和公共建筑组成，居住建筑包括住宅建筑和宿舍建筑;公共建筑包括教育建筑、办公建筑、科研建筑、文化建筑、商业建筑、体育建筑、医疗建筑、交通建筑、司法建筑、纪念建筑、园林建筑、综合建筑等［3］。

1．2 生命周期

1．2．1 目标和范围的确定

考察民用建筑的生命周期，就是将民用建筑看作产品，运用工业产品生命周期方法进行分析的过程。尽管任一建筑都可能包含几十种基本材料和大约上千件单独的产品，每种产品都有各自的使用寿命和各不相同的生产、维护和处置方法，但从系统论的思想出发，这些产品所形成的建筑却始终按照相同的轨迹经历着自身的生命周期阶段［4］。本文将民用建筑生命周期划分为四个阶段，即原料开采及建材生产阶段、施工阶段、使用与维护阶段、拆除及废弃建材处置阶段，这个过程伴随着各类资源占用和各类废弃物排放以及产生巨大的环境压力。因此，计算民用建筑生命周期固体废弃物排放的资源环境压力也就是计算各类废弃建筑材料的资源环境压力。

1．2．2 清单分析

在确定目标和范围的基础上便可收集数据清单，这是对已设定的民用建筑生命周期各类固体废弃物排放进行定量化的技术过程。它对系统边界内输入输出参数或边界参数进行定量描述，包括消耗的建筑材料种类、工程量、废弃比例等等。这些数据绝大部分可从施工图纸或预算书、决算书中直接得到，不能直接得到的可通过估算或查阅相关资料获得。

2 民用建筑生命周期固体废弃物排放的资源环境压力计算模型

民用建筑生命周期中固体废弃物排放的资源环境压力主要考虑施工阶段和使用与维护阶段因施工工艺损耗或施工、修缮维护管理不善等原因建筑材料废弃的资源环境压力，拆除与废弃建材处置阶段建筑垃圾排放的资源环境压力。而建筑材料在原料开采及建材生产阶段的固体废弃物排放的资源环境压力因数据缺乏，本文未予考虑。因此，民用建筑生命周期固体废弃物排放的资源环境压力计算模型由三个部分组成，具体如下:

式中，EFsw表示生命周期固体废弃物排放的资源占用足迹;EFswc表示施工阶段固体废弃物排放的资源占用足迹;EFswu表示使用与维护阶段固体废弃物排放的资源占用足迹;EFswd表示拆除及废弃建材处置阶段固体废弃物排放的资源占用足迹。

2．1 施工阶段

当建筑材料i工程量单位以重量(t、kg)表示，固体废弃物排放的资源占用足迹计算模型如下:

当建筑材料i工程量单位以体积(m3)表示，通过建筑材料的表观密度将工程量转化为重量单位表示，固体废弃物排放的资源占用足迹计算模型如下:

式中，k表示土地的类型;γk表示第类土地的等量因子，取值具体见表1;ERR(Emergy/radio)表示能值/货币比率，单位为sej/，根据研究区域民用建筑施工时间取表2中数值;EPA(Emergy per area)表示研究区域的能值密度，单位为sej/hm2，根据研究区域民用建筑竣工时间取表2中数值;n表示所使用建筑材料种类;mki表示建筑材料i的使用量或价格，通常以面积(m2)、体积(m3)、重量(t或kg)或价格)表示;δki表示在施工过程中因施工工艺损耗或施工管理不善等原因建筑材料i被废弃的比例，所用参数见表3;ρki表示单位建筑材料i的表观密度，单位为 kg/m3，所用参数见表 3;STEki(Solar transformity of Emergy)表示建筑材料i的太阳能值转换率，单位为sej/kg，所用参数见表3。

表 1 等量因子 ［5－6］Tab．1 Equivalent factor

表2 辽宁省能值密度和能值/货币比率［7－8］Tab．2 Emergy per area and emergy/ radio in Liaoning province

表2 辽宁省能值密度和能值/货币比率［7－8］Tab．2 Emergy per area and emergy/ radio in Liaoning province

年份Year能值密度Emergy per area(1016sej/hm2)能值/货币比率Emergy/Y radio(1011sej/Y )1999 2．32 8．53 2000 2．53 8．37 2001 2．67 8．18 2002 2．83 8．01 2003 3．08 7．96 2004 3．39 7．93 2005 3．69 7．25

2．2 使用与维护阶段

民用建筑在使用过程中，根据不同建筑材料的使用寿命，需要对民用建筑进行维护和修缮，固体废弃物排放的资源占用足迹与施工阶段计算方式相近。

当建筑材料i工程量单位以重量(t、kg)表示，固体废弃物排放的资源占用足迹计算模型如下:

表3 建筑材料的常用数据［7－16］Tab．3 Frequently-used data of building materials

当建筑材料i工程量单位以体积(m3)表示，通过建筑材料的表观密度将工程量转化为重量单位表示，固体废弃物排放的资源占用足迹计算模型如下:

式中，Bki表示不同建筑材料的使用寿命，单位为年(a)，具体取值见表运算结果向上取整数，表示扣除民用建筑在使用前建筑材料消耗外，民用建筑在使用与维护阶段因维护和修缮再次使用材料i的次数。以涂料为例，其使用寿命为10年，在建筑的整个生命周期当中，除了投入使用前所消耗涂料外，还需要考虑另外4次的维护修缮使用。

表4 常用建材或构件的使用寿命［9－10］Tab．4 Life of common building materials or components

2．3 拆除及废弃建材处置阶段

本阶段主要考虑建筑垃圾排放即不可回收废旧建材排放所引起的环境压力，根据建筑材料i工程量单位的不同，采取不同的计算模型。

当建筑材料i工程量单位以重量(t、kg)表示，固体废弃物排放的资源占用足迹计算模型如下:

当建筑材料i工程量单位以体积(m3)表示，通过建筑材料的表观密度将工程量转化为重量单位表示，固体废弃物排放的资源占用足迹计算模型如下:

式中，Rki表示废旧建材的回收比例，取值见表5。

表5 常用废旧建材的回收利用比率［11］Tab．5 Recycling ratio of common wasted building materials

3 实证研究

3．1 变量选取与数据整理

本文以民用建筑分类中公共建筑－沈阳市图书馆为例。该建筑占地面积13 380 m2，总建筑面积40 269 m2，其中，地上 31 434 m2，地下 8 834 m2，主楼高度 33．0 m，地下一层地上九层，容积率0．84，绿化率53．17%。根据《高层民用建筑设计防火规范》，本工程为一类高层建筑，耐火等级为Ⅰ级。建筑采用新型复合型保温节能墙体设计，减少粘土砖用量。结构采用钢筋混凝土组合梁，压型钢板与混凝土组合楼板。抗震设防类别为丙类，安全等级Ⅱ级，设计使用年限50年。

本文选取了商品混凝土、水泥、墙地面材料、钢材、砂石、玻璃及制品、石材、其它金属、涂料和各种非金属管材等共计10类近20种主要且常用的建筑材料(各种原材料的消耗如表6所示)作为分析对象，基于上述模型，考察比较沈阳市图书馆在施工阶段、使用与维护阶段、拆除及废弃建材处置阶段各类建筑材料固体废弃物排放的资源占用足迹。并比较该建筑在生命周期各阶段的资源环境压力。

表6 沈阳市图书馆主要建筑材料消耗清单Tab．6 Consumption inventory of main building materials of Shenyang Municipal Library

3．2 施工阶段的资源环境压力

施工阶段各类建筑材料固体废弃物排放的资源占用足迹计算结果见图1所示。由图可知，固体废弃物排放的资源占用总足迹为169．00 hm2，水泥、商品混凝土、钢材和墙地面材料是本阶段固体废弃物排放的资源占用主要组成部分，排放足迹分别为 82．07 hm2，53．91 hm2，14．49 hm2，13．69 hm2，分别占本 阶段总足 迹的 48．56%，31．90%，8．57%和 8．10%。

图1 施工阶段固体废弃物排放的资源占用足迹构成Fig．1 Footprint composition of solid waste emission’s resources consumption in the construction phase

3．3 使用与维护阶段的资源环境压力

使用与维护阶段固体废弃物排放的资源占用总足迹为29．74 hm2，图2列出了各类建筑材料固体废弃物排放的资源占用足迹构成。如图所示，废弃的水泥排放达到24．62 hm2，占本阶段固体废弃物排放的资源占用足迹的82．78%。因此，控制修缮维护所需水泥用量是降低本阶段固体废弃物排放的资源环境压力的主要措施。

图2 使用与维护阶段固体废弃物排放的资源占用足迹构成Fig．2 Footprint composition of solid waste emission’s resources consumption in the usage and maintenance

3．4 拆除及废弃建材处置阶段的资源环境压力

拆除及废弃建材处置阶段产生的建筑垃圾是民用建筑生命周期固体废弃物排放的资源环境压力的主要组成部分，根据公式8－10，计算得到了本阶段固体废弃物排放的资源占用足迹为2 604．16 hm2。组成固体废弃物排放的各类建筑材料所产生的环境压力如图3所示，其中，水泥的排放足迹最大，为1 477．23 hm2，占本阶段排放足迹的56．73%;其次为商品混凝土的排放足迹，达到970．43 hm2，占本阶段排放足迹的37．26%;墙地面材料排放足迹为111．15 hm2，占本阶段排放足迹的4．27%;其余7类建筑材料排放足迹之和为45．35 hm2。因此，削减建筑垃圾的排放量的重点是减少水泥和商品混凝土的用量。

图3 拆除及废弃建材处置阶段固体废弃物排放的资源占用足迹构成Fig．3 Footprint composition of solid waste emission’s resources consumption at the stages of handling the dismantled and abandoned building materials

3．5 生命周期各阶段的资源环境压力

将上述三个阶段固体废弃物排放的资源占用足迹汇总，得到民用建筑生命周期固体废弃物排放的资源占用足迹构成情况。其中，拆除及废弃建材处置阶段固体废弃物排放的资源占用足迹最大，达到2 604．16 hm2，占生命周期总足迹的92．91%;施工阶段资源占用足迹为169．00 hm2，占生命周期总足迹的6．03%;使用与维护阶段则最小，为 29．74 hm2，占生命周期总足迹的 1．06%。

4 结论

为更全面地反映各类固体废弃物排放对生态环境造成的综合压力，本文把生态足迹方法与能值分析方法相结合，构建了测度民用建筑生命周期各阶段固体废弃物排放的资源环境压力计算模型，使固体废弃物排放的资源环境压力度量有了共同的计算基础和可比性，实现了对固体废弃物排放的资源环境压力全面量化。实证研究的结果表明，废弃的水泥排放和废弃的商品混凝土排放是构成生命周期各阶段固体废弃物排放的主要组成部分，也是引起固体废弃物排放资源环境压力的源头。因此，民用建筑在生命周期各阶段削减固体废弃物排放量的重点是减少水泥和商品混凝土的用量，多开发可替代混凝土结构的钢结构或组合结构形式的民用建筑。

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Resource-environmental Pressure Caused by Solid Waste Discharge from Civil Building Life-cycle

SONG Yang1LIU Hao2，3ZHAO Yi4
(1．College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang Liaoning 110004，China;2．College of Architectural and Civil Engineering，Shenyang University，Shenyang Liaoning 110044，China;3．Campus Construction and Management Department，Shenyang University，Shenyang Liaoning 110044，China;4．College of Economics，Shenyang University，Shenyang Liaoning 110044，China)

It is a common social task to reduce the resource-environmental pressure caused by solid waste discharge from civil building life-cycle and to promote resource reduction and environmental decompression．By methods of ecological footprint and emergy analysis and taking Shenyang Library as an example，resource-environmental pressure calculating model for solid waste discharge from each period of life-cycle is built for case analysis．The result shows that resource-environmental pressure caused by waste cement discharge accounts for 48．56%of ecological footprint in constructing period，and 82．78%in use and maintenance period and 56．73%in dismantled and discarded building material disposal period，while resource-environmental pressure caused by waste ready-mixed concrete discharge accounts for 31．90%of ecological footprint in constructing period and 37．26%in dismantled and discarded building material disposal period．In periods of life-cycle，resource-occupied footprint of solid waste discharge in dismantled and discarded building material disposal period accounts for the largest proportion with 92．91%of the whole and in use and maintenance period for the smallest proportion with 1．06%．Thus the emphasis of cutting down the solid waste discharge amount in periods of life-cycle of civil building is to reduce the application amount of cement and ready-mixed concrete，and to develop more civil buildings with steel structure which is substitutable for concrete structure or with combined structure．

civil building;life-cycle;solid waste;resource-environmental pressure;ecological footprint(EF)

F062．1

A

1002－2104(2012)04－0040－06

10．3969/j．issn．1002－2104．2012．04．008

2011－12－10

宋阳，博士生，主要研究方向为资源与生态经济。

刘浩，博士，讲师，主要研究方向为绿色建筑、资源与生态经济。

辽宁省科学技术计划(编号:2011230008);沈阳市科学技术项目计划(编号:F11－264－1－14)。

(编辑:张 英)