装配式建筑施工阶段碳排放测算研究

谢婉君，李晓娟，杨 婷，林金错，黄身州，徐礼盛

（1.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350108；2.福州诺成工程项目管理有限公司，福建 福州350108，E-mail：57243753@qq.com）

生物物种的减少、极端变化的天气，海平面上升等全球变暖问题，对自然生态环境造成了重大影响[1]。建筑业消耗的能源占能源总量的40%，其产生的二氧化碳排放占全球碳排放总量的三分之一[2]。为减少碳排放，中国正大力发展装配式建筑。装配式建筑的发展增加了施工现场建筑设备的使用，其排放可能对周围环境产生不利影响。城市地区的建筑密度大、高度高，严重阻碍了建筑设备排放的二氧化碳的扩散和减少，这对周围环境造成严重污染。这一过程在炎热的夏季尤为突出，因此对建筑施工过程中的碳排放进行核算，并采取积极措施减少排放是很有必要的。

目前国内外学者对装配式建筑碳排放的研究中，多数从生命周期的角度出发进行分析，如高宇等[3]定量测算了装配式建筑中生命周期不同阶段及不同构件的碳排放量。李静等[4]将建筑全生命周期的碳排放活动归结为能源、建筑材料、机械的碳排放。然而，施工阶段消耗了大量的资源，使用了多种类型的建筑和运输设备，在相对较短的时间内排放了大量的温室气体。施工阶段碳排放的研究中，Fang 等[5]采用随机森林算法在早期设计阶段预测施工阶段的碳排放。Sandanayake 等[6]通过两个案例估计和比较建筑物基础和结构施工阶段的碳排放变化。Nasab 等[7]使用生命周期的方法，评估高层建筑施工阶段碳排放碳足迹及所有来源，包括建筑材料的制造和提取、建筑材料的运输、建筑设备、建筑周围植被覆盖和建筑垃圾的运输。华珊等[8]使用BIM 技术测算建筑施工阶段碳排放量，并结合实际案例，为低碳建筑的发展及环境管理提供科学依据和理论支撑。还有部分学者[9～11]对建筑施工阶段的碳排放影响因素进行了研究。

综上所述，学者对装配式建筑碳排放的研究取得积极进展，但针对施工阶段碳排放的系统性研究成果较少，对装配式建筑施工阶段碳排放核算存在较大的研究空间。施工过程碳排放主要是各种机械设备消耗及各施工工艺的消耗，其大小主要由建筑材料的用量和种类、建筑结构形式、施工设备和施工方法等决定。本文采用碳排放系数与工程量清单相结合的方式，构建装配式建筑施工阶段碳排放核算模型，通过实例研究，从建筑材料、施工阶段机械台班、施工工艺等方面探究减排路径。

1 装配式建筑施工阶段碳排放核算基础

1.1 施工阶段碳排放核算系统边界

施工阶段是指整个工程施工项目从开工开始到竣工验收为止的阶段。施工阶段的碳排放研究从施工整体的角度出发，研究施工过程与其相关活动所产生的直接碳排放和间接碳排放。施工阶段的生命周期是从施工场地平整开始，到施工项目竣工为止所包含的土方工程、地基与基础工程、主体结构、建筑屋面、建筑装饰装修等全部施工过程。本文将施工阶段的碳排放进行整合，划分为土石方、桩基工程、一般土建工程和装饰装修工程。装配式建筑的吊装工艺已包含在一般土建工程中。

1.2 CO2 当量计算方法

温室气体主要包括CO2、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化合物、全氟碳化合物、六氟化硫六种[12]。在计算碳排放量时，通常转换为CO2当量，如甲烷等温室气体的重量乘以其全球变暖潜力值（GWP），可转换为标准化的CO2当量。本文主要针对CO2、CH4、N2O 这3 种温室气体进行核算。最新的气专委第六次评估报告[13]发布的数据提供了最新的科学排放概况，显示了3 个评估时间范围内温室气体的全球变暖潜力值，如表1 所示。

表1 3 种主要长期存在的温室气体的全球变暖潜力值（GWP）

1.3 碳排放因子的确定

碳排放因子又称碳排放系数，是指在技术、经济和管理条件下每种统计产品的平均CO2排放量[14]。选择合适的碳排放因子是对施工过程碳排放进行准确量化的必要前提。装配式建筑施工阶段的碳排放主要来自建筑材料、能源及人工碳排放因子。

2 装配式建筑施工阶段碳排放核算模型

2.1 核算方法

装配式建筑碳排放核算方法主要有：投入产出法和碳排放系数法。投入产出法数据来源广泛，获取精准的数据困难较大。碳排放系数法是IPCC 提出的第一种碳排放评估方法，利用“活动水平数据×排放因子”得到的数值作为碳排放量。该方法通俗易懂、清晰明了，方法理论较为统一，权威性较高，故选取该方法进行碳排放的核算。

2.2 施工阶段碳排放核算模型

依据工程量清单对装配式建筑施工过程碳排放值进行量化处理，在装配式建筑施工阶段的碳排放研究对象为施工阶段耗用的建筑材料、使用的机器设备及所需人员[15]。根据碳排放系数法，结合工程量清单，建立装配式建筑施工阶段碳排放核算模型，如下式所示。

式中，W总指装配式建筑施工阶段的碳排放总量；W1指桩基工程所产生的碳排放量；W2指土石方工程所产生的碳排放量；W3指一般土建工程所产生的碳排放量；W4指装饰装修工程所产生的碳排放量。

以土石方工程为例进行核算分析如下：

式中，Cx指装配式建筑施工阶段第x个清单所产生的碳排放量（x=1，2，3，...，m）；Gxy指装配式建筑施工阶段第x个清单内第y个定额的工程量；Qxy指装配式建筑施工阶段第x个清单内第y个定额每单位产生的碳排放量（y=1，2，3，...，n）。

式中，Mxy指装配式建筑施工阶段第x个清单内第y个定额所耗用建筑材料产生的碳排放量；Exy指装配式建筑施工阶段第x个清单内第y个定额所使用的机械设备产生的碳排放量；Er指人工碳排放因子；n指人工工日数；Myi指第y个定额中第i种建筑材料的消耗量（i=1，2，3，...，p）；GWPi指第i种建筑材料的碳排放因子；s指第i种建筑材料的回收系数；Eyj指第y个定额中第j种机械设备的消耗量（j=1，2，3，...，q）；GWPj指第j种机械设备的碳排放因子。

2.3 碳排放评价指标

进行碳排放核算的目的是为了量化和评价各阶段和各过程的碳排放量，以期为碳减排提出相应的策略。

（1）各阶段的碳排放评价模型。为了对装配式建筑各个阶段的碳排放进行对比研究，需要求出各阶段碳排放在整个生命周期中所占的比重，计算公式为：

式中，φi为装配式建筑各阶段的碳排放比率（%）；Pi为装配式建筑第i个阶段的碳排放（tCO2）；i为装配式建筑全生命周期的6 个阶段。

（2）单位造价碳排放强度。

式中，UG为装配式建筑单位造价碳排放强度（kgCO2/万元）；W为装配式建筑施工阶段碳排放总量（kgCO2）；G为装配式建筑总造价（万元）

（3）单位面积碳排放强度。

式中，UA为装配式建筑单位面积碳排放强度（kgCO2/m2）；W为装配式建筑施工阶段碳排放总量（kgCO2）；A为装配式建筑总面积（m2）

2.4 碳排放因子和数据的获取

碳排放因子和活动水平数据的选择对最终的核算结果会产生很大影响。装配式建筑施工阶段的碳排放主要来自不同建筑设备使用的柴油、燃气、电力等燃料。其数据主要来源于《建筑碳排放计算标准》（GBT51366-2019）。活动水平数据可以从现场施工记录或预算和结算文件中获得。本文基于案例研究的实地调查，收集相关数据，并结合BIM 建模，以完成详细的碳排放测算。

3 实证分析

为进一步研究装配式建筑施工阶段的碳排放模式，提高研究的准确性和可信度，选择漳州市某小区1#～6#住宅楼项目进行实证分析。案例的建筑面积约11987m2，建筑基底面积约为3476m2，均为最高30 层、层高2.8m。其中，1#～3#的建筑类型为框架剪力墙结构，4#～6#的建筑类型为剪力墙结构。建筑设计使用年限50 年，抗震设防烈度为7 度，绿化面积占68%。

3.1 碳排放核算研究

根据碳排放因子和实际工程案例的施工数据收集，可计算出1#～6#的碳排放，如表2 所示。

表2 1#～6#住宅楼碳排放情况汇总

由表2 可知，不同楼之间的碳排放总量存在差异。为考察不同楼号施工阶段碳排放的变化，本文对碳排放量进行分析。施工阶段一般土建工程产生的碳排放量占碳排放总量的比例最大，高达80%～87%，装饰装修工程产生的碳排放总量约占施工阶段碳排放总量15%～20%，土石方工程产生的碳排放量占比最小，仅0.1%～1%。

3.2 评价指标分析

为比较不同建筑类型的碳排放，根据式（7）和式（8）计算出单位造价碳排放强度和单位面积碳排放强度。图1 为单位造价碳排放强度范围，在2622～2816kgCO2/万元，平均值为2749.33kgCO2/万元。图2 为单位面积碳排放强度范围，在623～770 kgCO2/m2，平均值为671kgCO2/m2。

图1 单位造价碳排放强度

图2 单位面积碳排放强度

3.3 预制率对施工阶段碳排放的影响

现浇建筑的施工方式与预制装配式的施工模式有所不同，两种施工方式下，引起碳排放差异的主要分部分项工程包括混凝土工程、钢筋工程、模板工程三大类。

预制率的高低直接影响施工阶段碳排放的总量。为进一步研究预制率对施工阶段碳排放的影响，本文设置不同的预制率水平，针对两种结构的工程案例碳排放进行分析，结果如图3 和图4 所示。分析发现，混凝土工程和钢筋工程的碳排放随着预制率的升高而增加，且混凝土的碳排放增幅更大。造成这种现象的原因可能是预制构件在安装过程中人工、材料的消耗量更大，从而产生了更多的碳排放。而钢筋工程的碳排放随预制率变化的幅度极小，可忽略不计。模板工程的碳排放随预制率的升高而显著下降。这是因为在预制装配式的施工方式时，预制构件采用的是高周转、低排放的铝膜板，这大大降低了碳排放，因而成为碳减排的主要方式之一。

图3 不同预制率框架剪力墙结构的碳排放

图4 不同预制率剪力墙结构的碳排放

3.4 碳排放规律分析

为更深入的研究工程造价、总建筑面积与碳排放总量的关系，利用SPSS 软件分别对工程造价、建筑面积与碳排放总量的关系进行趋势分析。

3.4.1 工程造价与碳排放总量的关系

针对6 栋住宅楼项目工程造价的碳排放量进行线性分析，得到装配式建筑施工阶段的工程造价与装配式建筑施工阶段的碳排放总量之间的一元线性回归方程如下：

式中，y为装配式建筑施工阶段碳排放总量（kgCO2）；x为工程造价（万元）。

由表3 可知，经调整后的R2为0.917，表明装配式建筑施工阶段碳排放总量与工程造价有一定的关联性。采用SPSS 软件对获得的一元线性回归方程进行显著性分析，然后对碳排放总量和工程进行相关性分析。

表3 模型汇总b

模型的显著性可以通过P 值（Sig）来进行判定，若Sig 值小于0.05，则判定为因素关系显著，反之则为不显著。模型的相关性则通过Person 相关性系数进行判定，若相关系数大于0.7，则判定因素之间为强相关。由表4 和表5 可知，Sig 值为0.002，小于0.05，则工程造价与装配式建筑施工阶段的碳排放总量关系显著；相关关系值为0.966，大于0.7，则工程造价与装配式建筑施工阶段的碳排放总量为强关系。故工程造价与装配式建筑施工阶段的碳排放总量之间存在着较为明显的线性关系。

表4 工程造价与碳排放总量的显著性分析

表5 工程造价与碳排放总量的相关性分析

3.4.2 建筑面积与碳排放总量的关系

针对6 栋住宅楼项目建筑面积的碳排放量进行线性分析，得到装配式建筑的建筑面积与装配式建筑施工阶段的碳排放总量之间的一元线性回归方程如下：

式中，y为装配式建筑施工阶段碳排放总量（kgCO2）；x为建筑面积（m2）。

由表6 可知，经调整后的R2为0.749，表明装配式建筑的建筑面积与装配式建筑施工阶段的碳排放总量之间有一定的关联性。采用SPSS 软件对获得的一元线性回归方程进行显著性分析，然后对碳排放总量和工程进行相关性分析。

表6 模型汇总b

由表7 和表8 可知，Sig 值为0.016，小于0.05，则建筑面积与装配式建筑施工阶段的碳排放总量关系显著；相关关系值为0.894，大于0.7，则建筑面积与装配式建筑施工阶段的碳排放总量为强关系。故建筑面积与装配式建筑施工阶段的碳排放总量之间存在着较为明显的线性关系。

表7 建筑面积与碳排放总量的显著性分析

表8 建筑面积与碳排放总量的相关性分析

3.5 结果讨论

在本项目中，装配式建筑单位面积的碳排放强度在676.69 kgCO2/m2左右波动，与其他研究结果相比，现浇建筑施工阶段的碳排放强度为693.814 kgCO2/m2[14]。因此减少了17.124kgCO2/m2，相当于3.29%。由此可见，装配式建筑相较于传统建筑，具有显著的减排潜力。装配式建筑施工阶段的碳排放总量与工程造价、建筑面积两个指标有很强的线性关系。两个线性回归方程建立了以碳排放总量为因变量的定量关系，可用于估算装配式建筑项目的施工阶段的碳排放总量。同时，可为施工阶段其他分部分项工程碳排放的核算提供参考方法和数值。

4 建议

（1）建筑材料方面。随着建筑行业的快速发展，我国对建筑材料的需求量急剧上升。若在施工阶段开始注重对建筑材料的选择和对环境的保护工作，二氧化碳排放总量将大幅度下降。建议使用如岩棉板、加气混凝土、中空玻璃等保温隔热效果好的建筑材料，降低施工阶段建筑的碳排放量。

（2）施工阶段机械台班方面。考虑在符合条件的范围内，选择最小功率的机械设备，进一步减少建设施工阶段机械台班排放的二氧化碳的含量；发展新型可再生的能源，如风能、太阳能、潮汐能等。同时，可着力研发新型的机械设备，从而减少柴油、汽油等燃料使用量。

（3）施工工艺方面。制定合理的工程施工进度方案，对施工人员进行合理的调配。一个工作面上安排最佳人员和施工机械设备的数量，提高机械设备及建筑材料的利用效率，减少不必要的浪费。尽量减少安排人员在夜间进行施工，减少照明设备的使用，采用新型节能的照明设备，降低建筑施工过程中的碳排放。

（4）建筑设计方面。在装配式建筑设计方面，可对结构设计进行合理的优化。在技术与经济相支持的情况下，选择最经济适用的房屋结构，从而减少对施工材料、机械台班的使用；建筑结构设计遵循合理、科学、经济、适用的设计理念，为建筑施工单位设计出一个最佳的结构方案。

（5）相关政策规范方面。政府可不断完善关于建设低碳环保建筑的规章制度，形成一个严谨科学的低碳发展法律体系。通过颁布绿色节能建筑相关的法律条例来约束施工企业对绿色建筑的建造，树立建筑行业的绿色标准，引起相关企业对减少排放二氧化碳的重视。同时，政府可制定出具有一定激励作用的相关政策，促使建筑单位建设低碳绿色环保型的建筑，以此来推动建筑行业向低碳绿色环保型转型升级。

5 结语

本文采用碳排放系数法，结合工程量清单计算方法，建立装配式建筑施工阶段碳排放测算模型，并根据实际案例进行分析，得到装配式建筑施工阶段碳排放的主要来源。可为未来施工阶段减排路径提供相关的参考。本文所建立的碳排放核算模型，分为土石方工程、桩基工程、一般土建工程和装饰装修工程，但只能用于施工阶段的碳排放核算，不适用于全生命周期。同时，本文的研究以福建某一案例为例，具有地域性，后期的研究需要考虑地域问题及施工周围环境对碳排放总量的影响。根据各地区环境等一系列因素的不同，因地制宜的提出相应的减排路径。