装配式混凝土结构与现浇混凝土结构碳排放比较分析

张文龙，左文建，申海洋 （.中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，山西 太原 0004；.中铁三局集团投资有限公司，山西 太原 0000；.山西工程科技职业大学，山西 晋中 0069）

0 引言

当前，我国生态文明建设已经确立了以“降碳”为主要目标，推动降碳减污促进社会的绿色转型，实现整个生态环境质量的建设改善。根据中国建筑节能协会2020 年发布的《中国建筑能耗研究报告（2020）》数据，我国2018 年建筑过程中耗能为21.47 亿tce，在全国的能源消耗中占比为46.5%，2018 年的我国建筑过程中碳排放量达到49.3 亿t，在全国的碳排放中占比为51.3%。因此在国家的战略中，控制好建筑行业的碳排放有着重要的战略意义，建筑行业能耗高、占比大，且能耗会长期增长，所以具有较大的节能减碳潜力。降低建筑行业碳排放量，对我国实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。

随着建筑行业的发展，装配式建筑结构越来越成熟，也逐渐替代传统现浇工艺。装配式建筑是实现工厂化生产、标准化设计、智能信息化管理的可持续发展的绿色建筑。研究现浇结构的碳排放与装配式结构的碳排放有着重要的价值。我国有学者对传统现浇和预制装配两种建造方式的资源消耗、碳排放等数据分别进行了测算，对社会效益也进行了研究，但是对两种建造方式相关碳排放数据的比对与分析较少。本文通过研究山西大同某16 层钢筋混凝土剪力墙结构的碳排放，分析两种方式的差异，并通过实际数据的收集与分析，为装配式建筑的进一步发展提供理论依据。

1 碳排放研究的关键参数

①建筑全寿命的碳排放范围

确定了碳排放的研究边界才能够对不同施工工艺的碳排放进行汇总和研究。通常建筑的寿命有构件的制造、构件的运输、构件的安装和结构的拆卸四部分。在碳排放周期中往往将前两个阶段合在一起，统称为物化阶段。由于后期的两个阶段建筑物的施工工艺没有区别，现浇结构和装配式结构的碳排放是一样的。因此仅仅在物化阶段研究装配式结构和现浇结构的区别，边界也定在建筑物化阶段。设计方和施工方对于施工影响的责任不同，施工方主要影响结构采用的木材、钢材、水资源等材料，施工设备运行所消耗的汽油、电等，以及施工过程中产生的各种废弃物。具体对环境影响的数据包含所采用建筑材料和配件的数量和种类，一些施工辅助材料的数量和种类，以及在施工运输、安装和装修过程中消耗的资源等，在施工过程中拆除、丢弃的各种固体和气体的废弃物。

②测算碳排放的技术

当前最常用的测算碳排放技术有三种，有质量平衡法、实测法和排放因子法。质量平衡法就是每次有新型的工艺和设备，将产生的碳排放量统计出来，将传统工艺中生成的碳排放量减去。实测法就是采用专业的设备从释放源头进行碳排放量的采集，并将数据汇总进行统计。而排放因子法是将工程中分项对应相关的因子进行计算，按照标准把施工工艺转化为碳排放量的计算。相比较而言，排放因子法更加便于归类和汇总，本文采用排放因子法对碳排放进行测算。

③如何选择排放因子

碳排放因子可以依据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）进行清单查阅，不同阶段的建筑物构件制造和运输在规范上都可以找到对应的排放因子。比如根据上述碳排放计算标准可以得到，混凝土（C30）碳排放因子为295kgCO2/m3，钢筋碳排放因子为2340kgCO2/t，钢模板碳排放因子为2400kgCO2/t。采用《典型墙体材料的生命周期评价》可以得出，AAC 砌块碳排放因子为230kgCO2/m3，AAC 板碳排放因子为260kgCO2/m3，木模板碳排放因子为146.6kgCO2/m3。同时也可以得到柴油碳排放因子为2.74kgCO2/kg，汽油碳排放因子为2.26kgCO2/kg。

2 装配式建筑物物化阶段的碳排放

装配式建筑的主要构成部分就是构件，这也是与现浇结构建筑的主要区别，想要对预制构件的碳排放进行计算，可以研究预制构件的碳排放，接下来通过对现场预制构件和运输构件产生的碳排放进行研究。

①构件生产阶段碳排放

装配式建筑物生产阶段碳排放主要集中在原材料的开采和加工过程、原材料加工成预制构件两个阶段，碳总排放量等于不同种类原材料碳排放因子和原材料使用量的乘积之和，以及预制构件生产过程中的电力消耗和电力对应碳排放因子乘积的总和。目前装配式建筑主要采用的构件包括叠合板、叠合梁、预制楼梯、预制剪力墙等，预制构件主要是在工厂中采用流水线工艺电力的方式进行生产。

两个阶段碳排放计算公式为：

其中，n代表原材料的种类；yt为第t种原材料的使用量；Ft为第t种原材料的碳排放因子。

其中，n代表原材料的种类；Wt为第t种构件的用电量；Et为第t种构件电力排放的碳排放因子。

装配式建筑构件生产阶段碳排放量为上述两个阶段碳排放量之和。

根据大同地区的预制构件生产耗能情况以及上述几种具体材料的碳排放因子和两阶段碳排放计算公式，可以得到表1的单位体积预制构件排放量统计。

表1 单位体积预制构件碳排放量统计表

②构件运输阶段碳排放

运输阶段的碳排放主要就是从工厂将预制构件运输到施工现场的过程中，所产生的交通工具的碳排放，部分预制构件在运输过程中，由于受自身体积、形状等因素影响，无法让交通工具满载。因此在计算碳排放时，也需要考虑到预制构件的体积、运输距离以及交通工具的空载系数等，计算公式为：

其中，t表示不同类别的预制构件；Vt表示第t 种预制构件体积；Dt表示第t种预制构件平均运输距离；Xt表示第t种预制构件单位体积单位运距碳排放因子；K为空载系数，根据现场调研确定为K取1.67。

单位体积单位运距碳排放因子Xt由运输工具能耗产生的碳排放得出，其公式为：

其中，H表示单位换算系数；Ec是柴油碳排放因子；Y为运输车辆每公里耗油量；Vci表示满载状态下第t种预制构件体积。

由于项目所在地的常用车辆为30t的柴油车，相关的参数如表2所示。

表2 交通工具碳排放系数

因此计算单位体积单位运距碳排放因子可由公式（4）及表2得出，参考表3。

表3 单位体积单位运距碳排放因子统计表

③施工阶段碳排放

施工阶段的装配式建筑碳排放主要是预制构件在现场安装时机械耗能所产生，与单位台班的能源消耗量、所需要的安装台班数以及电力的碳排放因子有关，计算公式为：

其中，Cjzi为施工阶段单位体积预制构件碳排放量；Ti为吊装单位体积第i种预制构件台班数；R为单位台班消耗能源数量；Ed为电力碳排放因子。装配式建筑施工现场吊装由塔式起重机完成，其单位台班能耗为266.05kW·h，根据此公式计算出单位体积预制构件在施工阶段的碳排放量，如表4所示。

表4 施工阶段单位体积构件碳排放量统计

3 案例分析

本文以山西大同的一个具体住宅项目为例，选择1 幢装配式施工的单元楼和1 幢现浇施工的单元楼进行对比和分析，选择的两个单元楼无论是套数、房型、层数还是建筑面积都基本相同，共16 层，建筑面积为7800m2，结构形式为剪力墙结构，两者区别在于装配式施工方法与现浇方法主要结构构件生产、运输、施工方式不同，所以主要研究两种不同方法生产出的梁、墙、板、楼梯等构件，以及维护墙与隔墙。

①计算现浇建筑的碳排放量

现场采用现浇的形式进行混凝土结构构件施工，围护墙及隔墙采用AAC 砌块，现浇楼的建筑材料用量分别是钢筋的工程量为575t，混凝土的工程量为3243.4m3，AAC 砌块工程量为1365.3m3，使用木模板共862.98m3。生产阶段消耗的碳排放量由前文生产阶段碳排放量计算公式可算出。运输阶段有两种运输工具，混凝土搅拌车进行混凝土输送，搅拌车的容量为12m3，运输距离为20km，每公里的耗油量为0.4L/km；其他建材的运输采用10t 柴油车，碳排放因子为0.162kg/t·km，平均运距为50km，进而可由前文运输阶段碳排放公式算出运输阶段碳排放量。可以对碳排放的总量进行计算，碳排放量计算如表5所示。

表5 现浇结构建筑碳排放量计算表

②计算装配式建筑碳排放量

装配式楼所采用的构件主要为叠合梁、叠合板、楼梯和预制剪力墙等，隔墙还是采用AAC 板，运输预制构件采用30T 的柴油车，运输距离为70km，吊装构件采用塔式起重机，剪力墙的工程量为1523.60m3，叠合梁工程量为352.06 m3，叠合板工程量为433.15m3，楼梯工程量为73.25m3，AAC 板工程量为1332.60m3，钢筋140t，混凝土工程量为812.00m3，木模板工程量为198.60m3，由前文可计算出装配式楼碳排放量如表6所示。

表6 装配式建筑碳排放量（单位：t）

③计算结果分析

通过上述统计，可以看出本案例中现浇结构的总碳排放量为2960.24t，装配式结构的总碳排放量为2882.38t，总碳排放量减少了77.86t。生产阶段装配式建筑碳排放增加，是因为装配式建筑的构件需要在工厂中先进行预制，形成能源的集中消耗。随后由于构件比传统构件的尺寸和用钢量大，因此也会造成能源消耗的增加，原材料的用量要稍微高于现浇建筑。最后预制构件在现场安装时需要吊装，也会造成碳排放的增加。

在运输阶段，装配式建筑的碳排放也会增加，因为混凝土在运输的时候没有空乘率。但是在运输装配式构件时，由于体积、形状的影响，造成车辆无法满载，因此运输率较低。此外，预制场普遍比搅拌站远，因此造成碳排放量增加。

最后在施工阶段因为构件只需要拼装，因此不需要大量的电能进行混凝土搅拌等，材料和电能的损耗都大幅降低，最终降低了碳的总排放量。

4 发展建议

①通过规模化发展，加大装配式房屋的效益

根据不同的因子测算和汇总，可以看出采用装配式房屋具有明显的社会经济效益和环境效益。不过受行业限制，当前我国装配式住宅的面积总量以及规模占比还比较小，只有能够成片开发住宅建设，形成一定的规模，才能够将预制装配式房屋的节能减排优势发挥出来。

②对装配式建筑的标准化研究

想要扩大装配式建筑的建设规模，前提是将装配式建筑标准化，在设计的阶段就充分考虑装配式建筑的标准化、集约化和集成化的施工方法和理念，做好如楼梯、内外墙板、叠合板和阳台板这些预制构件的标准化施工，做好质量控制工作，保证构件的生产质量，并考虑节能问题，尽量减少构件生产的消耗，降低碳排放。也可以扩大预制构件的规模化生产，缩短预制构件的生产工期，降低生产和运营成本，提高运营管理效率，保证节能减排的效益。

③制定科学的管理制度和模式

在装配式建筑的管理制度上，可以采用科学的管理形式，从生产的各个环节做好质量把控工作，保证生产质量。也可以制定配套的构件生产、招投标和开工许可、工程验收环节，对管理制度不断进行改革和探索，保证不同建设环节的顺畅连接，尽量减少现场的工作量。由于当前相关的专业人员还比较缺乏，没有进行住宅设计、施工和管理的专业人员，因此还应当注重能力培养，增加熟练人员，培养专业的施工队伍，达到提升效率、缩短工期、提高经济效益的目的。

5 结语

为了研究装配式结构和现浇结构的碳排放量，划定建筑物的物化阶段作为碳排量计算的边界，然后将碳排放分为生产、运输和安装等三个阶段，分别进行比较。在不同阶段中，将变量定义为工程量、运输距离等，根据相关碳排放计算公式，将工程量转变为碳排放量。通过实际案例可以分析得出，装配式施工在本案例中比现浇结构碳排放量减少了77.86t，符合绿色生态文明发展的转型，对我国建筑行业减少碳排放有着重要意义，能够推动装配式建筑模式的发展，实现我国碳中和和碳达峰的目标。