基于生命周期公路斜拉桥（20+2*30+20m）环境贡献综合研究

周志武 王旭 Julián Alcalá Victor Yepes 吴姗姗 彭文娟

【摘  要】面对全球建筑业环境污染问题，论文选用斜拉桥作为研究案例，应用数据建模、影响因子对比、数值思维导图、贝叶斯网络优化等科学方法，通过软件分析17620多组数据得出成果，成果显示全球变暖占总污染量的98.3%。要重点控制材料运输、通行车辆尾气排放。最后，通过优化方案降低了材料运输污染总量的75%，论文提出降低建筑行业碳贡献的未来趋势。

【Abstract】Facing the problem of environmental pollution in the global construction industry， this paper selects cable-stayed bridge as a case study， applies scientific methods such as data modeling， impact factor comparison， numerical mind map， Bayesian network optimization， etc.， through the software analysis of more than 17620 groups of data， the results are obtained. The results show that global warming accounts for 98.3% of the total pollution amount. It is necessary to focus on controlling the exhaust emissions of materials transportation and passing vehicles. Finally， 75% of the total pollution amount of materials transportation is reduced through the optimization scheme. The paper puts forward the future trend of reducing carbon contribution of construction industry.

【关键词】LCA研究;环境贡献;数据建模;影响因子;成果分析

【Keywords】LCA research; environmental contribution; data modeling; impact factor; results analysis

【中图分类号】U442;X82                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）10-0188-07

1 引言

伴随城镇化快速普及，工业化也在飞速发展，数据显示，2050年将有66%世界人口城市化[1]，人为温室气体排放是造成全球变暖的主要原因，使全球升温约1.0℃，2030-2050年全球升温将达到1.5℃[2]。

基础建设温室气体排放占全球能源的40%，欧盟建筑物温室气体排放占能源消耗的40%，占总温室气体的36%。欧盟制订《2050年低碳经济线路图》，提出欧盟将在2020年实现CO2减排25%，同时将现有能效提高20%[3]。

针对建筑业对环境贡献加剧，刘沐宇等运用生命周期平均和成本分析量化桥梁生命周期环境影响，按照五阶段进行简洁分析[4]。Vicent等研究在不同维护方案下最优后张砼箱梁式公路桥，得出制造、维护阶段环境贡献影响[5]。以上成果奠定了研究方法与思路，欠缺之处是研究系统性不全面、缺乏详细数据分析、不确定性评估较多、没有将研究分析精细化并提出合理优化策略。

国际桥梁设计多样化与美学、人文自然景观要完美结合。节能材料选择、施工方案优化、先进设备研发、大数据开发以及环境标准和要求提高等诸多因素都对桥梁全生命周期提出新评定标准与研究理念。系统、严谨、细致、贴近实体结构的研究更具重要性、指导性。这也是文章研究初衷与基础。

鉴于此，本文引用欧洲成熟OpenLCA1.10.1系统、Ecoinvent和Bedeck等数据库，选取择典型斜拉桥案例，应用中点与端点建模，从初期规划开始，定量各类影响参数与建模数据。全面按照案例结构形式、服役期限、耐久设计参数、外界环境影响因素等全面展开研究，分析成果，为基础设施节能转型，设计减排、缓解排放并最终实现净零能耗目标奠定研究基础。

2 LCA方法

世界各国加大交通基础建设力度，伴随环境日益恶化，2006年芬兰、瑞典和挪威启动ETSI项目，2009年丹麦加入。項目旨在经济、环境和美学上优化桥梁生命周期并开发桥梁环境生命周期评估（简称Bridge LCA）[6]，至此开始对LCA进行深入研究。

2.1 目标与范围

2.1.1 Ecoinvent数据库

研究采用的Ecoinvent数据库由瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和洛桑（EPF）、Paul Scherrer研究所（PSI）、瑞士联邦材料科学与技术实验室（Ekpe）和Macroscope进行更新和管理，是全球最齐全、最先进数据库之一，定期准确更新数据库，追溯性强。

2.1.2 不确定性

LCA中引入数学模糊指标来分析解决部分数据不确定性、实践性差、一维数据分析等不足，引用Ecoinvent数据库可以优化数据质量[7]。ISO14040与14044也定义了LCA中数据质量与特征。

2.1.3 阶段划分

桥梁全寿命设计于20世纪90年代提出，由于建造、维护成本影响因素诸多，虽然研究人员建立可靠性模型与最佳结合点，但需大量观测数据验证。

斜拉桥研究分五个阶段：勘测设计、材料制造、建设、维护运营、拆除清理。

2.2 评估流程与数据分析

2.2.1 勘测设计阶段

勘测设计是减少环境贡献的关键，决定建筑物能耗。Adalbert等研究北欧50年寿命建筑能耗发现材料占总能耗10～15%[8]。对此，各国修订《建筑产品法规》来统一建筑产品技术规范。

首先，桥梁材料选用要满足设计规范、技术标准、安全性、可持续发展、绿色节能环保要求;其次，材料用量决定LCA，在满足规范（例如，中国JTJ 021—89、JTJ 024—85、JTJ 004—89等）基础上减少材料用量，降低物化能;最后，中国设计图纸标注施工方案经济性与环境影响贡献最少量化不足。

机械与运输设备环境影响贡献：

Em=∑（Tim×Dim×Vm×λ？滋+…+Tjm×Djm×Vm×λ？滋）            （1）

式（1）中：

Em为车辆环境影响贡献（kg）;

Tim、Tjm为i、j类车辆油耗（L/100km）;

Dim、Djm为i、j类行驶数（km）;

Vm为i、j类车辆数量（辆）;

λ？滋为？滋类油料物化环境排放系数（kg/kg）。

Er=∑[（Rim×Ti×Li）×λi+…+（Rjm×Tj×Lj）×λj]       （2）

式（2）中：

Er为机械设备环境影响贡献（kg）;

Rim、Rjm为i、j类钻机耗油量（kg/h）;

Ti、Tj为i、j类机械设备工作时间（h）;

λi、λj为i、j类油料物化环境排放系数（kg/kg）。

管理与技术工人环境贡献：

Pm=Wm×λp×Tp         （3）

式（3）中：

Pm为技术工人环境影响贡献（kg）;

Wm为管理与技术工人数量（人次）;

λp为工人环境影响系数（kg/工日·每人）;

Tp为工作时间（工日）。

设计阶段是工程师按照设计规范和勘测资料绘制设计、施工图纸，经内、外审核合格交付过程。

Wm=∑{[Fim×Ti×（1+Li）×λi]+…+[Fjm×Tj×（1+Lj）×λj]}     （4）

式（4）中：

Wm为办公设施环境影响贡献（kg）;

Fim、Fjm为i、j类办公设施耗电量（kW·h）;

中国电力中火电占82.9%;

Ti、Tj为i、j类办公设备工作时间（h）;

Li、Lj为i、j类设备电损系数（%、公用事业取值8%）。

管理与技术工人垃圾和排污环境影响贡献：

Mp=Pa×Tm×Tn×λp+Sm×Pa×λx×Tn            （5）

式（5）中：

Mp为人员生活垃圾和排污环境影响贡献（kg）;

Pa为人员数量（人次）;

Tm为生活垃圾数量（kg/d）;

Tn为在岗人员工作时间（d）;

λp为生活垃圾环境排放系数（kg/工日·每人）;

Sm为人员排污数量（kg/d）;

λx为排污环境排放系数（kg/kg）。

勘测设计分野外作业与室内设计，斜拉桥Tn共5个月。设计与服务阶段环境影响贡献分施工期技术服务和勘设时间：

Sm=（4）+（5）                  （6）

式（6）中：

Sm为设计与服务阶段环境影响贡献（kg）。

2.2.2 材料制造阶段

材料制造是桥梁物化影响阶段，斜拉桥主材为砼、钢筋、钢绞线，辅助材料和施工材料（钢、木模板、支架等）。1970年后中国主要采用低能耗、低污染和低排放新型悬浮式预热器窑生产水泥。美国地质调查局数据显示，2017年中国水泥产量约2400t，占全球总量58.54%，新工艺生产占95%。Jun等研究中国水泥生产中CO2排放量为576.02kg/t[9]。

中国钢铁分转炉和电炉冶炼钢两种方式，转炉炼钢占90%，电炉炼钢占10%。电炉炼钢吨钢CO2排量3.209t，转炉炼钢吨钢CO2排量1.8t[10]，案例研究考虑转炉生产。

材料制造阶段環境影响贡献：

Em=∑{[M（1-Ri）×Pi×λi×GWPi]+…+[M（1-Rn）×Pn×λn×

GWPn]}                        （7）

式（7）中：

Em为材料环境影响贡献（kg）;

M为i～n种材料混合质量（kg）;

Ri、Rn为i、n类材料可回收比例（%）;

Pi、Pn为i、n类材料配合比;

λi、λn为i、n类温室气体排放系数（kg/kg）;

GWPi、GWPn为i、n类温室气体全球变暖趋势。

2.2.3 建设阶段

桥梁建设阶段分下部、上部、附属三部分。建设阶段主要分析材料运输设备、施工机械、电力消耗以及人员生活垃圾和污水排放造成环境影响贡献。Ecoinvent数据考虑到材料环境影响贡献，对于缺失数据依据GWP框架引入Bedeck数据库[11]。

建设阶段环境影响贡献：

材料运输排放耗能计算：

Ev=∑[（Tm×λm×GWPm）+…+（Tn×λn×GWPn）]    （8）

式（8）中：

Ev为材料运输耗能（kg）;

Tm、Tn为m、n类车辆运输消耗量（kg）;

m、n为车辆类型;

k为车辆能源类型（汽油、柴油、电力）;

λm、λn为使用m、n型车辆能源排放系数（kg/kg）;

GWPm、GWPn为m、n类车辆排放气体全球变暖趋势。

材料加工设备耗能计算：

Em=∑[（Ta×λk，a×GWPa）+…+（Tb×λk，b×GWPb）]      （9）

式（9）中：

Em为材料加工设备耗能（kg）;

Ta为a类加工设备工作消耗量（kg）;

a、b为设备类型;

λk，a、λk，b设备使用a、b能源后温室气体k排放系数（kg/kg）;

GWPa、GWPb为a、b类设备排放气体全球变暖趋势。

机械设备：

Ed=Em     （10）

电力能源耗能计算：

Ee=P×？浊×？酌m                 （11）

式（10）和式（11）中：

Ed、Ee为机械、电力耗能（kg）;

P为耗电量（kW·h）;

η为电力环境影响贡献排放系数（kg/kW·h）;

？酌m为电能损耗系数（%）。

人员生活垃圾与排放污水耗能：Ep中国当量基准：8700kg CO2 eq/（人·年）[12]。

参考Ecoinvent数据库和刘沐宇等研究成果[13]。建设项目人员46名、技术工人360名、后勤服务20名，车辆6辆。拌合站工作人员12名，进场1个月，施工高峰期10个月，竣工验收3个月，总工期16个月。

斜拉桥承台与墩柱各2套钢模板、重13.029t，桥台1套重6.158t，可重复使用。主塔外模木模板，可重复2次。箱梁搭设满堂支架现浇。钢管选用d=48mm、t=0.3mm防锈钢管，重112.04kg/m3，总重147892.8kg，钢管租赁期12个月。

2.2.4 维护运营阶段

维护和运营阶段环境影响贡献，运行期间通行车辆造成环境影响贡献依据交通部门监测数据分析。

Vm=Vn×Tm×Lm×Tm             （12）

式（12）中：

Vm为运营期间环境影响贡献（kg）;

Vn为每月车辆通行量（辆）;

Lm为桥梁长度（km）;

Tm为运营时间（年）。

运营期内气候环境影响考虑雨天、雪天、降尘、恶劣气候。按照通车期环保部门发布数据分析[14]。

Mm=Rm×λn×Tn               （13）

桥梁砼碳化，影响碳化因素有环境温度、相对湿度、砼水灰比等。

（14）

式（14）中，x为砼碳化深度（mm）;RH为環境相对湿度（%）;W/C为砼水灰比;T为环境温度（℃）。

余波等结合砼碳化理论模型和多场耦合数值模型进行了量化与定量分析，普通硅酸盐水泥砼按照式（15）计算[15]。

m0=（1-α）×8.22B                               （15）

式（15）中：

m0为碳化后单位体积砼吸收CO2量（mol/m3）;

B为砼胶凝材料用量（kg/m3）;

α为水泥中混合材料掺量（%）。

斜拉桥维护归属高速公路养护部门管理，日常维护人员12名，管理人员3名，车辆2辆。客车、货车数据采集官网，按照式（12）计算。

依据最新2019年数据分析可靠，载重车辆环境影响贡献参照[16]客车305.4g/km、货车271.8g/km计算，车辆环境影响贡献量：113.44t×100年=11344t。

雨天、雪天、降尘依据环保部门监测数据所示，计算环境影响贡献：1.86kg/m2×10m×110m×100年=204.6t。

砼碳化选用Ecoinvent数据库C50普通硅酸盐水泥、C30和C25硅酸盐水泥，按照式（14）计算。

m0（C50）=（1-3.47%）×8.22×344=2729.45mol/m3、m0（C30）=8.22B=8.22×376=3090.72mol/m3、m0（C25）=8.22B=8.22×270=2219.4 mol/m3，C50、C30、C25碳化量为3.579t、3.315t、5.017t。

2.2.5 拆除清理阶段

桥梁满足运营100年进行拆除，拆除分爆破、机械拆除[17]。废料车辆外运到指定填埋场地与再生料加工厂。

中国工程拆除中产生500～600t/万米2建筑垃圾，老旧建筑物7000～12000t/万米2建筑垃圾。拆除砼少量用于基础换填与低等级道路建设、再生料生产，大部分采取填埋和露天堆放。2020年，废弃砼总量达6.38亿t，年均增长8%。令人担忧的是建筑垃圾再生利用率只有5%。

中国国务院于2016年印发《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》要求到2020年，力争将垃圾回收利用率提高到35%以上。

3 环境影响类别参数确定

桥梁LCA采用中点和端点建模共同分析。中点建模注重过程细节与整体调查。端点建模是系统之间影响分析。按照ISO标定核心参数。主要分析：全球变暖（GWP）、酸化（AP）、富营养化（FEP）、颗粒物形成（烟尘和粉尘PMFP）、固体废弃物（WP）影响。选用Ecoinvent、Bedeck数据库和发表研究成果。

4 案例数据评价与分析

4.1 斜拉桥基本情况

案例为高速公路斜拉桥，净宽7m上跨车行天桥，全长110m，采用（20+32+32+20m）预应力钢筋砼连续梁组合体系，设计寿命100年，材料为砼、钢筋、钢绞线、辅助零星材料，材料为建设单位指定材料厂。斜拉桥各阶段环境贡献分布示意见图1。

4.2 斜拉桥环境贡献分析

图2、表1所示环境影响贡献27499.48t，勘测设计阶段48156.26kg、材料制造阶段2423648.71kg、建设阶段10260473.81kg、维护使用阶段14233118.11kg、拆除处理阶段534087.72kg。

如图3所示，维护使用阶段环境影响贡献最大，占总量51.76%，建设阶段占37.31%，材料制造阶段占8.81%。五大环境影响贡献参数中全球变暖占总量98.32%，为27038256.64kg。减少CO2是降低桥梁环境影响贡献的关键。

4.3 斜拉桥环境贡献影响因子分析

如图4所示，斜拉桥五项参数影响因子分布区域中，Ⅰ区显示三个比例因子为全球变暖环境贡献数值在0.29%～8.84%，对应的每个阶段全球变暖数值在94.13%～99.88%。Ⅱ区显示一个比例因子为全球变暖数值37.19%，对应建设阶段全球变暖数值为97.99%。该点是斜拉桥环境贡献第二位影响因子。Ⅲ区显示一个比例因子为全球变暖数值51.83%，对应建设阶段全球变暖数值为98.47%。该点是斜拉桥环境贡献最大影响因子。

4.4 斜拉桥环境贡献思维导图分析

如图5所示，斜拉桥每个阶段环境影响贡献数值中，维护使用阶段车辆通行环境影响贡献数值为11344t，占维护使用阶段总量79.70%、占斜拉桥总量41.25%。建设阶段项目管理以及施工人员日常排放垃圾、生活污水产生环境影响贡献为5011.2t，占建设阶段总量48.84%、占斜拉桥总量18.22%。两项指标需引起重视。

斜拉桥总量中车辆运输环境影响贡献13073.5t，占斜拉桥环境影响贡献总量47.54%，维护使用阶段100年车辆通行环境影响贡献占运输总量86.77%。新型燃料研发与减少汽车温室气体排放已迫在眉睫。

4.5 斜拉桥环境贡献优化创新研究

研究过程中发现材料运输对桥梁环境影响较大，主要材料在运输中货车排放大量尾气，研究线路发现运输方式和交通工具可以合理优化。

目前，铁路运输是最有效、最环保的运输方式。项目距离中国焦作货运站31km、遂平县汝河码头5km。采用贝叶斯推算设计和建立一个贝叶斯网络，绘制信度网络有向无环图，选择节点代表运输随机变量，向边代表运输路线。每个节点对应概率分布P（x|π（x））建立概率联合分布：

（16）

式（16）中：

x为节点;

P为概率分布。

对于线路的选择要确定贝叶斯網络的敏感性，假设线路变量E选择影响环境贡献F数值变化，相反两者互相制约，变量E与F满足式（17）：

（17）

式（17）中：

P（E）为E概率分布函数;

P（F）为F概率分布函数;

P（E，F）为联合概率分布;

T（E，F）为E与F相互影响关系。

可以依据T来判定变量间关系。

经分析确定水泥、钢材等由始发地经铁路运输至货运站，卸料后货车短途运输到项目地。碎石、河砂水运至码头，货车短运拌合站。

如图6所示，线路与运输优化前后斜拉桥环境影响贡献数值，优化后的运输环境影响贡献数值457.9t，降低原量75%，极大降低GWP环境影响贡献数值，开展大数据驱动下全渠道供应链优化创新分析意义重大、效果显著。

5 结论

绿色建筑、节能材料、可持续发展、装配式建筑开启了建筑业降低环境贡献大门，面对基础建设快速发展步伐，科学研究环境贡献需强化，研究结论如下：

①研究分五个阶段全面分析斜拉桥环境贡献，数据显示GWP贡献最大，总值27038.3t，占斜拉桥总量98.32%。其中，建设和维护使用阶段排名一、二，环境贡献数值14233.1t、10260.5t，占总值51.76%、37.31%。

②维护阶段通行车辆尾气排放体现优势，百年运营排出11344t，占总车辆通行量86.77%、占斜拉桥总量41.25%。加大车辆节能燃料研发力度与减少尾气排放量可有效降低污染。

③建设阶段砼生产排放废料57.6t、废水82.22m3。项目现场与砼生产、供应流程中严格控制废料损耗，并集中处理回收与购进自动化先进生产设备。

④斜拉桥材料运输产生近13073.5t环境贡献、占斜拉桥总量47.54%。优化创新后降低了1359.6t环境贡献数值。大型材料远距离运输要编订数据优化方案，铁路、航运、短距离转运可有效降低环境贡献。今后大数据库系统筹划、减少运距、合理交通、绿色燃料是减少污染的有效途径。

文章对比分析17620多组数据，选用单塔斜拉桥进行LCA全程研究，依据桥梁实际参数应用数据影响因子优化、中、端点过程建模、思维导图、优化创新等科学方法得出以上成果，并提出设计节能化、建设精细化、交通低碳化、废料再生化是降低建筑業环境贡献的未来走向，为今后该研究领域科研与建设者提供类似桥梁研究思路和参考。

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