装配式可回收基坑支护结构碳排放与能耗计算分析

蔡敏，朱雪健，单灿灿，孙昌兴，郑永磊

（安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

建筑能耗是我国社会能耗的主要来源，占总能耗的35%左右，降低建筑领域碳排放及能耗对环境产生的不利影响对我国实现节能减排目标具有重要的意义。因此在建筑全生命周期进行节能减排是节约社会能源的重要途径[1]。基坑工程为建筑工程的重要组成部分，随着装配式钢结构支护在基坑支护中的推广使用和碳中和政策的提出，有必要对装配式钢结构支护的能耗和碳排放进行分析研究，但目前国内外对于基坑支护工程碳排放和能耗计算分析模型的建立仍处于空白阶段，本文根据相关资料建立了基坑工程碳排放和能耗计算分析模型，为基坑工程节能减排分析计算具有较好的借鉴作用。

基坑支护工程全生命周期由5个阶段组成[2]，分别为生产、运输、建造、运行、拆除，生产阶段是指原料矿物开采到制成的过程；运输阶段是指建材从生产地到施工现场的运输过程；建造阶段是指完成各分部分项工程施工和各项措施生产的过程；拆除阶段是指拆除肢解并运出施工场地的过程。考虑到基坑支护工程在运行阶段中碳排放和能耗较少，计算模型对运行阶段不予考虑。

2 建立碳排放计算模型

基坑支护工程各阶段碳排放计算模型参考现有《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366-2019)等相关规范并结合基坑支护工程特点建立。

2.1 建材生产阶段

建材生产阶段碳排放计算公式：

式中：CSC：建材生产阶段碳排放（kgCO2e）;

Mi:：第i种主要建材（水泥、混凝土、钢材等）的消耗量；

Fi：第i种主要建材的碳排放因子（kgCO2e/单位建材数量），依据建材类型查《建筑碳排放计算标准》。

2.2 建材运输阶段

建材运输阶段碳排放计算公式：

式中：Cys:建材生产阶段碳排放（kg⁃CO2e）；

Mi:第i种主要建材的消耗量(t)；

Di：第i种建材平均运输距离（km）；（kgCO2e/单位建材数量）;

Ti：第i种建材平均运输方式下，单位重量运输距离的碳排放因子[kgCO2e/(t·km)]，依据建材类型查《建筑碳排放计算标准》。

2.3 建造阶段

基坑工程的建造阶段碳排放量计算公式如下：

式中：CJZ:建造阶段的碳排放量（kg⁃CO2）；

Ejz,i:建造阶段第i种能源总用量（kW·h或kg）；

EFi：第i种能源的碳排放因子（kg⁃CO2/kW·h 或 kgCO2/kg）;柴油：9.0kg⁃CO2/kg、汽油：1.0kgCO2/kg、电：0.7182kgCO2/kWh；

A：建筑面积（m2）。

建造阶段的能源总用量宜采用施工工序能耗估算法计算，计算公式如下：

式中：Ejz:建造阶段总能源用量（kW·h或kg）；

Efx:分部分项工程柴油、汽油、电等能源的总能源用量（kW·h或kg）；

Ecs：措施项目总能源用量（kW·h或kg）。

2.4 拆除阶段

建筑拆除阶段的碳排放量计算公式：

式中：Ccc:拆除阶段的的碳排放量（kgCO2）；

Ecc,i:拆除阶段第i种能源总用量（kW·h或kg）；

EFi：第i种能源的碳排放因子（kg⁃CO2/kWh或kgCO2/kg）；柴油的碳排放因子是9.0kgCO2/kg、汽油的碳排放因子是1.0kgCO2/kg、电的碳排放因子是0.7182kgCO2/kWh；

A：建筑面积（m2）。

支护结构人工拆除和机械拆除阶段的能源用量计算公式:

式中：Ecc:拆除阶段能源用量（kWh或kg）；

Qcc,i:第i个拆除项目的工程量；

fcc,i：第i个拆除项目每计量单位的能耗系数（kW·h/工程量计量单位或kg/工程量计量单位）

TBi,j：第i个拆除项目单位工程量第j种施工机械台班消耗量；

Rj：第i个项目第j种施工机械单位台班的能源消用量；

i：拆除工程中项目序号；

j：施工机械序号。

3 建立能耗计算模型

基坑支护工程各阶段的能耗计算模型参考现有《预拌混凝土单位产品能耗消耗限额》（GB 36888-2018）等相关规范并结合基坑支护工程特点建立。

3.1 建材生产阶段

建材生产阶段能耗按下公式进行计算：

式中：

Esc：建材的生产总能耗，单位为千克标准煤（kgce）；n:生产系统消耗的建材种类数量；mi:第i种主要建材的消耗量，实物单位；

fi:生产第i种主要建材的单位能耗，单位为千克标准煤/实物单位（kgce/实物单位）。

3.2 运输阶段

建材运输阶段能耗按下公式进行计算：

式中：Eys：建材的运输能耗，单位为千克标准煤（kgce）；

Ti：第i种建材总用量（t）;

Bi：第i种建材在某种运输方式下的单位运载量（t）；

Di：第i种建材的平均运输距离（km）;

Mi:第i种建材在某种运输方式下的单位消耗的能源实物量，实物单位；

Pi：第i建材在运输过程中消耗的某种能源的折标煤系数。柴油：1.4571kgce/kg、汽油：1.4714kgce/kg、电：0.1229kgce/kW·h。

3.3 建造阶段

建造阶段能耗按下公式进行计算：

式中：EJZ：建造过程的能耗，单位为千克标准煤（kgce）；

Ejz,i:建造阶段第i种能源总用量（kW·h或kg）；

EFi：在建造阶段消耗的i种能源的折标煤系数；柴油的折标准煤系数是1.4571kgce/kg、汽油的折标准煤系数是1.4714kgce/kg、电的折标准煤系数是0.1229kgce/kW·h。

3.4 拆除阶段

拆除阶段能耗按下公式进行计算

式中：Ecc,i:建筑建造阶段第i种能源总用量（kW·h或kg）；

EFi：在运拆除阶段消耗的i种能源的折标煤系数；柴油的折标准煤系数是1.4571kgce/kg、汽油的折标准煤系数是1.4714kgce/kg、电的折标准煤系数是0.1229kgce/kW·h。

4 碳排放和能耗计算分析

马鞍山某重点工程为一层地下室，基坑周长约为450m，开挖面积约11300m2，开挖深度为6.20～8.40m，基坑西侧为已建小区，其余侧临施工道路，基坑支护安全等级为一级。现从节能减排、工程造价和工期方面进行钢筋混凝土支护和装配式钢结构支护的方案比对，两种支护方案基坑支护平面布置如图1、图2。

图1 钢筋混凝土支护平面布置图

图2 装配式钢结构支护平面布置图

钢筋混凝土支护与装配式钢结构支护的分项组成如图3、图4。

图3 装配式钢结构支护

图4 钢筋混凝土支护

从支护功能方面来看，H型钢板桩+U型钢板桩与钢筋混凝土灌注桩+冠梁、装配式支撑杆件+支撑立柱+支撑托梁与钢筋混凝土支撑+立柱桩+钢格构柱相对应，现将这两种支护的碳排放和能耗进行分析计算。

4.1 装配式钢结构支护碳排放和能耗计算分析

组合钢板桩围护结构由U型钢板桩和H型钢板桩组成，其碳排放和能耗根据上文介绍计算模型进行计算，除建造过程碳排放计算较复杂外，其余过程的碳排放及能耗均可查阅相关规范计算，建造过程碳排放计算结果见表1，钢结构支护碳排放及能耗计算结果见表2。

建造过程碳排放计算 表1

全过程碳排放和能耗统计 表2

组合钢板桩围护结构从基坑支护工程拆除后，进行一定程度的维修可重复使用，参考国外工程应用情况，钢板桩及钢支撑使用次数大多超过30次，之后进行回炉，同时每次维修过程的碳排放和能耗约为总碳排放和能耗的5%。本文结合我国工程及产业现状按不低于20次考虑，则装配式支护结构平均单次使用的碳排放与能耗数据统计见表3。

重复使用20次单次使用碳排放和能耗统计 表3

装配式板桩围护结构丧失使用功能后，可被回收利用炼制粗钢，国际回收局统计数据显示，近50年来，全球生产的粗钢40%是由废钢铁炼成的，同时用废钢铁炼一吨钢，可减少1.6吨碳排放，节约350kg标准煤。对H型钢板桩和U型钢板桩的钢材进行回收利用可减少碳排放为 667343kgCO2，可减少能耗为145415kgce。考虑回收利用减少的碳排放和能耗，则平均单次使用的碳排放和能耗数据统计见表4。

废钢回收利用碳排放和能耗统计 表4

按照以上方法对钢筋混凝土灌注桩围护结构的碳排放和能耗进行计算，建造过程的碳排放计算见表5，钢筋混凝土支护碳排放及能耗计算结果见表6。

建造过程碳排放计算 表5

钢筋混凝土灌注桩围护结构碳排放和能耗统计 表6

由以上计算结果分析可知：

①该工程H型钢板桩+U型钢板桩的总用量是1310t,混凝土围护结构的总用量是2591m3,混凝土桩总用量与H型钢板桩+U型钢板桩总用量的比值是2.0，则1t H型钢板桩+U型钢板桩所替代钢筋混凝土围护结构量为2.0m3；

②钢筋混凝土桩围护结构与H型钢板桩+U型钢板桩的碳排放量的比值约为7.2，混凝土桩围护结构的总能耗与H型钢板桩+U型钢板桩总能耗的比值是6.6。

4.2 装配式钢支撑结构碳排放和能耗计算分析

基坑支护工程中装配式钢支撑结构由支撑杆件、支撑立柱和支撑托梁共同组成，装配式钢支撑结构碳排放和能耗计算过程在此不再赘述同4.1，具体数据统计如表7、表8和表9。

单位碳排放和单位能耗分项统计 表7

重复使用20次单次单位碳排放和单位能耗分项统计 表8

考虑废钢回收利用单位碳排放和单位能耗分项统计 表9

根据上海地区对再生混凝土的研究得出，搅拌站对混凝土回收利用，可降低混凝土生产过程中的碳排放和能耗低于预拌混凝土行业平均水平的30%～35%。对坑内钢筋混泥土支撑结构进行回收利用用于生产再生混凝土，则该过程可减少碳排放为1352056kgCO2，可减少能耗为256438kgce；除去钢筋混凝土回收再利用过程中减少的碳排放和能耗，则钢筋混泥土支撑结构的碳排放和能耗数据统计如表10。

考虑回收利用单位碳排放和单位能耗分项统计 表10

由以上计算结果分析可知：

①装配式钢支撑结构的钢材总用量是1136.4t，钢筋混凝土支撑结构混凝土的总用量是2210m3，用装配式钢支撑的总量除去混凝土支撑体系中钢格构柱的量就等于装配式钢支撑相比较混凝土支撑钢材的净使用量1012.2t,则本工程中装配式钢支撑钢材的净使用量与混凝土支撑混凝土的总用量的比值为2.2，即1t装配式水平钢支撑代替混凝土支撑2.2m3;

②钢筋混凝土支撑结构的碳排放量与装配式钢支撑结构的碳排放量比值是6.7，钢筋混凝土支撑结构的总能耗量与装配式钢支撑结构的总能耗比值是6.1；从整个工程装配式钢结构支护碳排放/钢筋混凝土支护碳排放=948196.5/6629347=14.3%，装配式支护结构能耗/钢筋混凝土支护结构能耗=212007.0/1309335=16.2%。

5 工期与造价对比

采用装配式钢结构支护满足了对施工安全的要求，同时由于装配式钢结构支护施工速度快，又可以多次重复使用，既加快了施工进度，又节省了施工造价，比钢筋混凝土支护工期提前约35天；在造价方面，钢筋混凝土支护的工程造价是962万元，装配式钢结构支护的工程造价是758万元，装配式钢结构支护相比钢筋混凝土支护在基坑工程造价方面节省了204万元（约节省工程造价的1/5），取得了良好的经济效益。

6 小结

对基坑支护工程建立了全生命周期各阶段碳排放和能耗计算模型，并结合具体工程案例进行两种不同支护方案的碳排放和能耗计算与对比分析，得出如下结论：

①装配式可回收基坑支护结构相比较传统钢筋混凝土支护提高了施工工效，租赁期不超过9个月时具有显著经济性；

②考虑钢材的循环利用和废钢回炉以及混凝土的再生利用，装配式可回收基坑支护结构的碳排放约为钢筋混凝土支护碳排放量的14.3%，能耗约为钢筋混凝土支护能耗的16.2%。

综上可知，装配式可回收基坑支护结构相比钢筋混凝土支护在能耗、碳排放等方面具有明显的优势，可实现高效节能源头减排，是实现我国建筑业转型升级、实现建筑业“双碳”目标的一条重要路径。