装配式建筑物化阶段碳排放计量研究

刘 莹

（烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264003）

在全球气候变化的背景下，世界各国先后发表了《能源政策法》《低碳经济法案》《国家可再生能源政策》《中国二氧化碳减排方案》等政策为国家节能减排提供规范依据。中国作为化石能源消耗大国，承诺将在2030 年实现单位国内生产总值碳排放比2005 年降低60%～65%。建筑业每年碳排放量占我国社会总碳排放量的30%[1]，建筑业成为我国二氧化碳排放重点管控行业之一。

住房和城乡建设部发布的《绿色建筑行动方案》中明确提出要积极推动绿色建筑及建筑工业化发展，装配式建筑的发展实现了建造方式从粗放、低效、高能耗形式向集约、高效、节能模式的改变。既满足建筑领域可持续发展的需求，又加快建筑工业化转型的速度。因此，研究装配式建筑的减排潜力并进行量化分析具有重要意义。

建筑碳排放的量化方式具有多样性，郑晓云利用生命周期评价法（LCA）进行了装配式建筑全生命周期的碳排计算，结果表明重视废弃阶段的回收利用率对于降低环境影响具有重要意义[2]。华虹利用BIM 数据库构建了公共建筑碳排放计量清单，并分阶段测算碳排放贡献比[3]。孙艳丽根据层次模糊综合评价法制定了装配式建筑碳排放评价指标体系[4]。刘菁以系统动力学模型为基础，设置不同情景进行建筑业碳排放趋势预测分析[5]。其中，生命周期评价法在研究建筑碳排放中具有广泛的应用[6-8]。高宇建立了装配式建筑的生命周期评价模型，核算结果表明生产阶段是预制构件减排的重点阶段[9]。刘燕从国内外绿色建筑评价指标设置入手，分析我国低碳建筑评价体系的合理性与完整性[10]。黄志甲着重分析住宅建筑的碳排放核算方式，提出活动因子结合排放系数的计算方式使得核算结果更加精确[11]。

本文在梳理装配式建筑碳排放源的基础上，以生命周期评价法为理论依据，提出完整的装配式建筑物化阶段碳排放计量模型。

1 装配式建筑碳排放模型

1.1 碳排放路径及碳源分析

装配式建筑是指将构件在工厂预制生产后，再到施工现场通过吊装、连接、现浇等方式装配而成的建筑。对比传统建筑，装配式施工能够有效缩短工期、降低作业量、减少现浇湿作业产生的碳排放量。为了定性分析装配式建筑的节能减排效果，本文提出了装配式建筑碳排放计量模型，计量模型如图1 所示。考虑到数据的可得性及碳排放的集中性，本文主要研究装配式建筑的物化阶段、预制构件生产加工阶段、物流运输阶段及现场施工安装阶段的碳排放效果，其碳排放路径如图2 所示。

装配式建筑物化阶段的碳排放主要来自构件生产阶段的建材消耗、机械设备的能源消耗、构件运输阶段的机械能耗、装配施工阶段的能源消耗及整个过程中的人工消耗，碳排放影响因素及碳排放源见表1。物化阶段影响因素多，量化难度大，表中主要考虑对建筑碳排放量化有直接影响的因素。

1.2 碳排放计量公式

表1 物化阶段碳排放源

分阶段进行物化时的碳排放量计算，预制构件生产阶段主要包括预拌混凝土、绑扎钢筋、放置预埋件、浇筑振捣、蒸汽养护、构件脱模等工作。依据构件生产流程，生产阶段的碳排放计量分为建材的使用耗损、机械运行的化石燃料能耗及工人的人员碳排放。计算公式为式（1）～式（3）。

式（1）中：Qm1为建筑材料碳排放量，kg；i 为建筑材料种类；pi 为第i 种建材使用量；ei 为第i 种建材碳排放系数；ai 为第i 种建材回收系数。考虑到部分建材不是一次性生产所得，在进行建材碳排放计算时结合回收利用系数进行相应折减，系数值见表2。

式（2）中：Qm2为预制构件生产加工时机械产生的碳排放量，kg；t 代表预制构件种类；Ftd，Ftx，Ftg，Ftw分别为构件 t 生产时的柴油（kg）、汽油（kg）、电力（kW·h）、水（m3）的消耗量；Md，Mx，Mg，Mw分别为柴油（kg－CO2/kg）、汽油（kgCO2/kg）、电力（kgCO2/kW·h）、水（kgCO2/m3）对应的碳排放因子。

表2 建材回收利用系数

式（3）中：Qm3为预制构件生产阶段人工碳排放量，kg；E 为人工碳排放影响因子，kgCO2/人·工日；N 为人工工日数，工日。

运输阶段分为进行装、卸的垂直运输与水平运输，碳排放计算既要考虑不同运距、重量及工具的化石燃料消耗，又要考虑构件装、卸过程中使用的吊车、叉车等机械设备电力消耗，计算公式为式（4）。

式（4）中：Qc为物流运输阶段排出二氧化碳量，kg；Gt为第t 种预制构件的运输重量，t；Tt为运输距离，km；Eh为第 h 种运输方式的碳排放因子，kgCO2/t·km；Fcg是构件装、卸过程中的电力消耗量，kW·h；Mg为电力碳排放因子，kgCO2/kW·h。

施工阶段的考虑范围为吊装连接和现浇施工过程中产生的人、材、机消耗，计算公式为式（5）。

式（5）中：Fj为施工安装机械台班消耗量，台班；Mj为机械碳排放因子，kgCO2/台班。

装配式建筑物化阶段碳排放总量为：

1.3 碳排放因子确定

碳排放因子是指每消耗单位碳源所产生的二氧化碳，由于国内暂未形成权威且统一的碳排放因子数据库，本文研究并整理了《IPCC 国家温室气体清单编制指南》、中国生命周期基础数据库、中国工程院等权威数据库碳排放因子，利用式（7）将单位转换为国内常用单位，得到因子转换结果见表3。

表3 主要碳排放因子汇总表

表4 碳排放量对比

2 案例分析

山东省某高层剪力墙结构建筑，其中2#，3#为预制率为19%的装配式建筑，5#，6#，7#为传统现浇建筑，面积均为13 886.78m2，地上31 层。现选取2#与5#建筑碳排放量进行对比，对比结果见表4。

结果表明，装配式建筑相比传统现浇建筑碳排放量节约27%，减排效果显著。

3 结语

结合本文提出的装配式建筑物化阶段碳排放计算模型及建造过程获取的数据，能够得到准确的碳排放强度值。既能对比分析装配式建筑较传统现浇建筑在生态环境效益中的优异性，又能了解装配式建筑的碳排放分布特性，针对性提出减排措施。根据装配式建筑物化阶段碳排放计量公式，提出以下减排建议。

1）减少建材用量

在装配式建筑设计过程中，建筑结构合理化是有效减少建材用量及碳排放量的方法。合理且经济的设计能够在预制构件生产阶段减少模块种类、减少异型构件数量、增加重复利用率，从而达到节材效果。另外，增加绿色建材和3R（Recycle，Reuse，Reduce）建材的投入使用量，对于大幅减少建材在全生命期的碳排放有重要意义。

2）优化运输方案

运输过程包含2 次垂直运输和1 次水平运输。水平运输应综合考虑运输方式、运输线路、运输时间等因素，合理设计方案，避免不必要的二次运输。垂直运输应该合理安排运输机械、缩短吊装时间、优化吊具安排。

3）低碳施工

施工阶段碳排放影响因素种类多、管理难度大，低碳施工可从以下几个方面进行考虑：①采取封闭施工形式，有效管控施工扬尘带来的污染问题，最大程度降低对周边居民的影响；②改善施工工艺，简化施工工序，提高模板周转次数，减少建材损耗量；③加强施工现场管理，完善监管制度，提高管理人员和施工人员的节能环保意识；④引进BIM技术，集成施工现场信息管理。BIM 技术能够实现施工方案模拟及碰撞点检查，有效实现事前控制，减少返工事件造成的材料、人员、时间损失。同时，BIM 技术根据施工进度实施更新材料进场计划，优化施工机械配置，避免预制构件堆积，减少资源浪费及二氧化碳排放。