重庆地区装配式建筑物化阶段节能减排效益分析

2023-02-24何开远曹勇沈舒伟唐毅陈洁刘浩

重庆建筑 2023年1期

何开远，曹勇，沈舒伟，唐毅，陈洁，刘浩

（1 中机中联工程有限公司，重庆400039；2 重庆市绿色建筑与建筑产业化协会，重庆401147）

0 引言

在我国提出“2030 年碳达峰，2060 年碳中和”目标的背景下，建筑行业的节能减排得到极大重视。据统计，2019 年建筑行业相关碳排放量占全社会总碳排放的比例约为38%，其中建筑建造阶段占比为16%[1]，建筑成为了直接和间接碳排放的主要责任领域之一。装配式建筑凭借“两提两减”（提高质量、提升效率，减少对用工的依赖以及节能减排）的优势受到广泛关注，被认为是实现建筑行业可持续发展的有效途径之一[2]。

目前国内学界已经从不同角度对装配式建筑在节能减碳方面的贡献开展了一些研究。陈莹、朱嬿基于LCA 理论，建立了包含建材生产、施工建造、运营维护和拆除处置整个生命周期的能耗排放计算模型，分析了装配式建筑相较于传统现浇建筑在材料、能耗及固废等排放上的优势[3]。王广明、文林峰、刘美霞等通过对不同城市的装配式建筑与现浇建筑进行对比分析，形成装配式建筑定量的增量成本与节能减排效益数据[4]。高宇、李政道等分析得出装配式建筑材料生产阶段、运输阶段及施工阶段的碳排放占比情况，材料生产阶段比例最高，达88%，运输阶段次之，为11%，施工阶段仅为1%[5]。

现有研究对装配式建筑与现浇建筑在物化阶段（建材生产、运输及建造阶段）节能减排量的实证分析较少，更缺乏对同一建筑在不同装配率水平下节能减排的量化分析。基于此，本文以重庆地区量大面广的装配式混凝土建筑为研究对象，基于工程量清单数据，利用碳排放因子法，建立碳排放测算模型，量化分析不同类型不同装配率下的建筑节能减排效益，为今后重庆市装配式建筑的发展提供数据支撑。

1 研究方法

目前在国际学术领域，关于碳排放量的常用计算方法有生命周期评价法（LCA）[6]、实测法[7]、模型法[8]以及排放系数法，如表1 所示。

表1 碳排放计算方法的对比分析

通过表1 分析可知，生命周期法计算全面，但数据可获得难度较大；实测法结果最准确，但需投入较大的人力物力，且计算数据缺少代表性；模型法的信息数据需求量大，且模型建立难度较高。因此，本文利用排放系数法，基于工程量清单对装配式建筑的资源消耗进行对比分析，并结合排放因子法对建筑物化阶段碳排放量进行计算，量化装配式建筑的节能减排效益。

物化阶段是建设产品的形成阶段，这一阶段产生的碳排放来源包括三个方面，分别是建材生产、建材运输和施工建造阶段，对应的碳排放边界范围与计算公示如表2 所示。

表2 建筑物化阶段碳排放计算公式

2 研究对象与数据来源

2.1 研究对象

本次研究选择高层居住建筑、多层居住建筑、高层公建（医院病房楼）、多层公建（中小学教学楼）四个典型建筑类型，参考《重庆市装配式建筑装配率计算细则（2021 版）》，设定50%装配率和65%装配率两种情境，与传统现浇建筑的数据分别进行对比分析。

2.2 工程量基础数据来源

结合重庆市山地建筑特点和抗震设防烈度要求，装配式建筑案例技术路线基于“标准化、模数化、通用化”的设计方法，按照“先水平、后竖向，先非承重、后承重”的原则，重点采用预制内隔墙，楼板、楼梯、阳台板、空调板等水平构件采用预制构件，外围护墙预制围护墙与保温、隔热一体化，高精度模板施工工艺，全装修，集成卫生间等装配式技术。不同类型不同装配率建筑的技术与传统混凝土建筑的技术差异如表3 所示。

表3 装配式建筑与传统混凝土建筑的技术差异

案例工程量统计表均以单栋楼为例，涵盖各类建材、机械用量、人工用量等。同时对不同类型不同装配率的装配式建筑材料用量进行分析，并在此基础上分别对建材生产、建材运输以及施工建造阶段的直接碳排放量（不包括间接碳排放）进行统计计算。

2.3 碳排放因子数据来源

碳排放因子是指将能源及材料消耗量与二氧化碳排放相对应的系数，用于量化建筑物不同阶段相关活动的碳排放[9]。建材碳排放因子优先引用国家相关部门、国内研究机构以及国内文献资料中统计的材料碳排放因子，表4 为按照数据来源，材料、能源种类进行分类整理应用于数据分析中的主要碳排放因子数据。

表4 碳排放因子汇总

3 数据分析与减排效益

3.1 工程量数据分析

为量化分析装配式建筑的资源用量，本文基于工程量清单数据，将不同类型不同装配率的装配式建筑与传统现浇建筑对建筑施工材料与建造阶段的钢筋、混凝土、模板、砂浆消耗比例进行了统计，如表5 所示。

低装配率建筑总体上钢筋用量消耗更大，高层居住建筑增加钢筋用量最少，约3%左右。增加部分主要包含两个方面：一是叠合板增加了桁架钢筋及桁架加强筋，且配筋一般为双层双向，提高了含钢量；二是装配式预埋件带来了钢材用量增加[5]。但随着装配式建筑的规模化、标准化的提升，钢制预埋件部分的钢筋用量将对应下降，且预制构件的工业化生产也会降低钢材损耗率。

装配式建筑相较于传统现浇建筑，单位面积混凝土用量大，尤其是高层居住建筑混凝土增加用量达到7%以上。增加的部分主要是由于叠合楼板增加了约30mm 的楼板厚度，导致混凝土消耗量增加。

传统现浇建造方式采用的模板是木模板，装配式建造方式采用的模板大多是铝模板。根据表5 所示，装配式建筑较传统现浇建筑的单位面积模板用量小，尤其是高装配率的高层居住建筑模板用量节约比例达到了86%，减少幅度显著。减少部分主要包含两个方面：一是叠合板等预制构件在现场施工过程中也可以起到模板的作用，减少了木模板用量；二是预制构件在生产过程中铝模板的周转可使用次数要高于木模板。

表5 主要建筑材料用量和节约比例汇总表

装配式建筑抹灰砂浆节约量约45%～55%，砌筑砂浆节约量约12.42%～33.3%，节约量随着装配率的增加而增加，且装配式居住建筑砌筑砂浆的节约量相比于公共建筑有所增加。减少部分主要包含三个方面：一是装配式建筑非砌筑内隔墙采用成品大板，无需砌筑砂浆，且表面平整度较高，刮腻子即可，减少了抹灰砂浆使用；二是装配式建筑外围护预制墙采用精确蒸压加气混凝土砌块（灰缝≤3mm），与现浇建筑外围护墙采用普通蒸压加气混凝土砌块相比，砌块使用量基本一致，但减少了砌块间的砌筑砂浆使用量；三是装配式集成厨卫，地面、墙面采用干式工法，也可大幅减少抹灰砂浆使用。

钢筋（kg/m2） 51.80 50.42 46.83 -10.61% -7.67%混凝土（m3/m2） 0.32 0.32 0.31 -2.50% -1.67%模板（m2/m2） 1.62 1.17 2.30 29.53% 49.17%砌筑砂浆（m3） 30.33 26.44 34.63 12.42% 23.66%多层公建抹灰砂浆（m3） 37.64 33.60 68.52 45.07% 50.97%

3.2 节能减排效益分析

3.2.1 物化阶段不同装配率碳减排分析

装配式建筑的物化阶段单位建筑面积碳排放量计算结果为236.11 ～295.19kgCO2/m2，对不同类型不同装配率建筑物化阶段单位面积碳排放量进行横向比较分析：相比于传统现浇建筑，低装配率（50%）建筑在物化阶段的单位建筑面积碳减排量约17.16 ～18.38kgCO2/m2，减排比例约6.04%～8.01%；高装配率（65%）建筑在物化阶段的单位建筑面积碳减排量约21.57 ～24.90kgCO2/m2，减排比例约7.59%～8.79%，如图1所示。由此可以看出，装配式建筑相比于传统现浇建筑，在建筑物化阶段存在一定程度的节能减排效果，且随着装配率的提升而增加。

图1 装配式建筑物化阶段碳排放量

3.2.2 建筑不同阶段碳排放量占比分析

根据纵向比较建筑在不同阶段的碳排放量可知，在建筑物化过程中建材生产阶段碳排放量最高，占比达85%以上；其次是现场施工阶段，占比为6%～9%；建材运输阶段碳排放占比为5%～6%（表6）。

表6 装配式高层居住建筑不同阶段的碳排放量计算结果

建材运输 14.27 13.96施工建造 18.71 16.81物化阶段合计 252.15 250.00

以装配式高层居住建筑不同阶段的碳排放量计算结果为例，不同装配率情境下单位面积碳排放量约250.0 ～252.15kgCO2/m2，其中建材生产阶段的碳排放量占比约86.92%～87.69%，如图2 所示。因此建材生产阶段减排潜力较大，可通过深化设计方案，合理选用具有低碳排放因子的绿色建材，以减少装配式建筑物化阶段碳排放量。

图2 装配式高层居住建筑不同阶段碳排放量占比

3.2.3 建筑施工阶段碳减排分析

根据相关文献[13]显示，装配式建筑相较于传统现浇建筑，在现场施工阶段有较大的节能减排优势。经测算，装配率在50%情境下，单位建筑面积碳排放量为17.92 ～19.09kg/m2，相比于传统建筑的减排比例约为12.17%～24.72%；装配率在65%情境下，单位建筑面积碳排放量16.11 ～17.26kg/m2，减排比例约为21.07%～33.2%，如图3 所示。建筑施工阶段的碳排放来源主要包含施工机械、模板、施工用水，通过数据分析发现，相比于传统建筑，装配式建筑的施工机械的碳减排比例约为5.6%～21.0%，施工用水的碳减排比例约为25.0%～40.1%，模板的碳减排比例约为86.87%～97.83%。

图3 施工阶段碳排放量数据图

3.2.4 不同类型的装配式建筑碳减排分析

总体上，高层建筑因标准化、模数化程度高，碳减排效果比多层建筑减排明显，多层的单位面积碳减排量比高层减少了8.36%～25.56%。在同等装配率情境下，高层建筑减排效果相近，尤其是高装配率情境下，高层公共（医疗）建筑碳减排量最高，单位面积碳排放量减少24.90kg/m2。而多层公共（中学）建筑的碳减排量最低，高装配率的多层公共（中学）建筑单位面积碳排放量减少21.57kg/m2，如图4 所示。因此可以看出，高层建筑采用装配式后，节能减排效果更加明显，即装配式建筑在标准层多及模数化高的建筑中优势突出，节能减排效益更明显。