砌体结构物化阶段碳排放指标分析与对比研究

张孝存，徐 龙，王凤来

（1.宁波大学 土木工程与地理环境学院，浙江 宁波 315211，E-mail：zhangxiaocun@nbu.edu.cn；2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

建筑业作为全球节能减排的重点领域[1]，对实现碳达峰、碳中和目标具有至关重要的影响[2]。近年来，通过建筑能效提升、新能源技术应用与既有建筑节能改造等途径，建筑运行能耗与碳排放水平不断降低[3]，生产与建造过程减排的重要性日益突出[4]。此外，目前我国房屋建筑建设量仍维持较高水平[5]，在消耗了大量资源与能源的同时，亦造成了短期内的集中性碳排放[6]。《2022中国城乡建设领域碳排放系列研究报告》指出，2020年，我国建筑领域的碳排放总量达50.8亿tCO2，其中建材生产与施工阶段的碳排放量达29.2亿tCO2，占比接近57.5%[7]。长期以来，作为适用于少层、多层建筑的结构体系，砌体结构由于具有耐久、保温、隔热、隔声、造价低等优点，在中小城市及乡镇建筑中有着广泛的应用。然而，随着经济发展与生活水平的提高，以及城镇化建设的不断推进，砌体结构由于承载力较低、抗震性能较差等缺点，其应用受限。近年来，随着约束砌体（如配筋砌块砌体结构）与装配式技术的发展，砌体结构的力学性能与施工技术得到显著提升。在节能减排的背景下，有必要对砌体结构的碳排放指标进行研究，为其发展提供方向。

目前，国内外对砌体结构的碳排放水平开展了对比研究。李飞等[8]通过对比14层剪力墙结构和7层砖混结构居住建筑发现，前者的物化碳排放水平是后者的两倍多。杜书廷等[9]对比了不同高度夯土结构、砖混结构、混凝土结构住宅的碳排放，结果表明，混凝土结构的碳排放水平分别约为砖混结构的1.2倍和夯土结构的10.5倍。张孝存[10]基于9种不同碳排放因子清单来源，对比砌块砌体结构和混凝土框架结构的物化碳排放发现，框架结构碳排放的计算结果平均高于砌体结构约13.5%。Buchanan等[11]对比了砖木结构和砖混结构的碳排放水平，结果表明砖木结构可降低约18%的物化碳排放。

鉴于传统与新型砌体结构体系在材料、构造等方面的差异，有必要在相同系统边界与数据基础的前提下，进一步分析不同形式砌体结构的碳排放指标特征。为此，本文以砌体结构作为研究对象，选择墙体体积和长度为功能单位，在建立物化阶段碳排放计算方法的基础上，分析烧结空心砖砌体、混凝土实心砖砌体、蒸压加气混凝土砌块砌体、混凝土小型空心砌块砌体、配筋砌块砌体，以及装配式配筋砌块砌体（PCM）的碳排放指标，为砌体结构的低碳评价与发展提供参考。

1 砌体结构物化碳排放计算模型

1.1 功能单位与系统边界

建筑碳排放的来源复杂，系统边界的合理性对计算结果有直接影响。建筑的全生命周期通常包括建材生产、施工建造、运行维护和拆除处置4个阶段[12]。其中，前两个阶段的碳排放又常称作物化碳排放。本文以不同砌体结构的物化碳排放分析为目标，采用“从摇篮到现场”的边界范围，即考虑建材生产（含运输）和施工建造两个阶段。

建筑碳排放计算常以建筑面积、建筑整体、建筑容积等作为功能单位[13]。为保证计算结果的可比性，不同砌体结构的碳排放指标计算应采用相同的功能单位。考虑到墙是砌体结构中的主要构件类型，本文即以砌体墙为研究对象，并以墙体体积和长度作为功能单位，对比研究1 m3和1 m墙体的物化碳排放指标。

砌体材料与结构形式多样，本文选择4种典型的无筋砌体（烧结空心砖砌体、混凝土实心砖砌体、蒸压加气混凝土砌块砌体和混凝土小型空心砌块砌体）和2种约束砌体（配筋砌块砌体和PCM砌体）为对象，开展物化碳排放指标的对比研究。

1.2 碳排放计算的基本方法

物料（质量）平衡法、基于过程的生命周期评价方法（又常称为排放系数法）和投入产出法是碳排放计算的三类常用方法[14]。其中，物料平衡法根据系统的物质流入和流出实现碳排放计算，需要对系统的物质流做全面调查与追踪；投入产出法以经济部门平均水平进行碳排放估计，更适用于宏观研究；而基于过程的生命周期评价方法以各系统过程的活动水平和碳排放因子完成计算，边界明确、易操作，应用最为广泛。依据我国现行《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366-2019）（以下简称碳排放计算标准）[15]，本文采用基于过程的生命周期评价方法实现不同结构砌体墙的物化碳排放指标分析，计算公式如下：

式中，IEM为物化阶段的碳排放指标（kgCO2e/m3或kgCO2e/m）；IM、IT和IC分别为生产、运输和施工过程的碳排放指标（kgCO2e/m3或kgCO2e/m）。

1.3 生产过程碳排放指标

砌体墙的生产过程碳排放指标可根据材料的消耗量按以下公式计算：

式中，n为纳入计算边界的材料类型数；QM，i为砌筑1 m3或1 m墙体对材料i的消耗量（含运输及施工损耗量，以m3、kg等为计量单位）；FM，i为材料i的碳排放因子（kgCO2e/计量单位）。

建筑材料的消耗量一般可通过建筑信息模型、工程消耗量清单、工程定额资料等获得[10，16]。考虑数据收集难度与计算精度要求，碳排放计算时常按累计重量或造价占比确定纳入计算范围的材料种类[15，17]，从而实现系统边界与数据清单的简化。根据砌体墙的组成特点，本文主要考虑块体材料（即砖与砌块）、砌筑砂浆、水、混凝土、钢筋及其他辅材等材料，相应单位工程量的材料消耗量，对于经验较为成熟的砌体结构类型，按工程消耗量定额确定，对于PCM新型装配式砌体结构按现场实测数据确定。

1.4 运输过程碳排放指标

材料运输过程的碳排放指标可根据燃料消耗或材料消耗量与运输距离计算。前一种方法需对燃料消耗量进行数据监测，适用于对实际活动过程的碳排放计量与核算；而后一种方法对数据的要求相对较低，适用范围更为广泛，相应计算公式如下：

式中，GM，i为以质量计的材料i消耗量（t），可根据QM，i通过单位换算得到；DM，i为材料i的运输距离（km）；FT，i为材料i所采用运输方式的碳排放因子[kgCO2e/(t·km)]。

理论上，材料的运输距离应采用材料生产方至施工现场的实际距离，但在设计阶段进行碳排放估计时，材料运输距离常无法获得。为此，碳排放计算标准[15]给出了材料运输距离的建议值。本文参考标准的建议，结合实际条件对材料运输距离做如下简化假设：商品混凝土和干混砌筑砂浆的运输距离按40km考虑；砖与砌块等块体材料的运输距离按100km考虑；其他建材按标准建议取500km；仅考虑材料生产方到施工现场的单向运输，不考虑运输载具的空载回程。

1.5 施工过程碳排放指标

施工过程碳排放来源包括施工机械、机具能耗，现场临时措施能耗，以及临时生活与办公能耗等。考虑本文仅对砌体墙构件的碳排放指标进行分析，故仅计算施工机械能耗产生的碳排放，相应碳排放指标的计算公式如下：

式中，m为能源类型数，建筑施工中常采用电、汽油、柴油3种能源；QE，j和FE，j分别为能源j的消耗量（kWh或kg）和碳排放因子（kgCO2e/单位）。

施工机械能耗可根据施工机械台班消耗与台班平均能耗计算。本文依据工程消耗量定额或现场实测数据确定单位砌筑工程量的施工机械台班消耗，相应机械台班能耗按施工机械台班费用定额和碳排放计算标准[15]确定。

2 碳排放因子数据清单

2.1 碳排放因子核算依据

能源、材料及运输的碳排放因子是物化碳排放计算的数据基础。能源碳排放因子方面，化石能源常常根据净热值、含碳量与氧化率等指标进行核算，而电力等二次能源则主要依据一次能源的加工转换投入量计算。根据文献调研的结果[18]，电力、汽油和柴油的碳排放因子分别取0.9 kgCO2e/kWh、2.936 kgCO2e/kg和3.106 kgCO2e/kg。

运输碳排放因子方面，一般根据平均运输能耗与能源碳排放因子计算。碳排放计算标准[15]给出了不同类型运输载具的碳排放因子建议取值，本文计算分析时按中型柴油货车考虑，即运输碳排放因子取0.179 kgCO2e/(t·km)。

材料碳排放因子方面，需对生产过程的直接碳源（如石灰石煅烧、炼钢降碳）与消耗能源产生的碳排放进行综合分析。鉴于国内外生产技术及材料规格的差异，本文依据国内研究结果对砌体结构常用建材的碳排放因子进行了整理。

2.2 块体材料的碳排放因子

块体材料的生产碳排放主要来源于原材料开采、运输，以及块体材料加工、养护过程，相应的碳排放因子参考值如表1所示[15，19]。

表1 砖与砌块的碳排放因子参考值（kgCO2e/m3）

2.3 砂浆碳排放因子

砂浆是由水泥、砂子、水、石膏等组成的混合材料，其碳排放因子可根据砂浆的配合比，按各组成材料生产碳排放与砂浆拌合过程用电碳排放之和确定。不同强度等级的砌筑混合砂浆与水泥砂浆的碳排放因子参考值如表2所示[19]。

2.4 混凝土与钢筋的碳排放因子

砌体墙构件中，常会配置一定的钢筋并灌注混凝土，作为无筋砌体的构造加强或约束砌体承载力提高的措施。钢筋的碳排放因子按碳排放计算标准[11]中的“热轧碳钢钢筋”采用，即2340kgCO2e/t。而混凝土碳排放因子方面，标准仅提供了C30和C50强度等级的参考值，无法满足实际计算需要。采用与砂浆类似的方法按配合比与生产能耗计算时，相应参考值如表3所示[19]。

表3 混凝土的碳排放因子参考值（kgCO2e/m3）

3 碳排放指标计算与分析

3.1 碳排放指标计算

以体积为1m3或长度为1m的砌体墙构件为计算单元，并假定墙体高度统一取3.0m，进行6种类型砌体墙的物化碳排放指标分析。对于体积或长度计算的碳排放指标可按以下公式换算：

式中，IEMB，V为以墙体体积为功能单位的碳排放指标（kgCO2e/m3）；IEMB，L为以墙体长度为功能单位的碳排放指标（kgCO2e/m）；hw为墙体的横截面厚度（m）；“3”为假定的墙体高度，即3m。

实际项目中的墙体碳排放量可按下式计算：

式中，CEMB为墙体碳排放总量（kgCO2e）；Qw为墙体体积（m3）或长度（m），与碳排放指标的功能单位一致；Hw为墙体实际高度（m）。

按本文定义的系统边界，对6种砌体墙物化碳排放计算的清单范围进行了划分，结果如图1所示。对于烧结空心砖砌体、混凝土实心砖砌体、蒸压加气混凝土砌块砌体和混凝土小型空心砌块砌体，计算所需材料、机械消耗量依据《房屋建筑与装饰工程消耗量定额》确定；配筋砌块砌体依据《黑龙江省建设工程计价依据》确定；而PCM新型砌体缺少消耗量定额信息，在配筋砌块砌体结构的基础上，依据现场调研数据确定。需要说明的是，上述定额在编制时均采用干混砂浆作为砌筑砂浆。考虑到近年来湿拌砂浆的推广应用，本文在计算时按定额编制说明，对砂浆类型及相应数据信息进行了调整。当实际项目所用材料（机械）消耗量、运输距离或碳排放因子与本文有差异时，可采用对相应数据进行替换的方式，完成碳排放指标的修正。

图1 砌体墙物化碳排放计算的清单范围

（1）烧结页岩空心砖砌体。以240mm厚烧结页岩空心砖砌体墙为例，空心砖的规格为240mm×240mm×115mm，水泥砂浆强度等级为M10，则1 m3墙体的物化碳排放计算结果如表4所示。

表4 烧结页岩空心砖砌体墙的碳排放指标（kgCO2e/m3）

（2）混凝土实心砖砌体。以240mm厚混凝土实心砖砌体墙为例，混凝土砖的规格为240mm×115mm×53mm，砌筑水泥砂浆强度等级为Mb10，则1m3墙体的物化碳排放计算结果如表5所示。

表5 混凝土实心砖砌体的碳排放指标（kgCO2e/m3）

（3）蒸压加气混凝土砌块砌体。以240mm厚蒸压加气混凝土砌块砌体墙为例，加气混凝土砌块规格为600mm×240mm×240mm，砌筑水泥砂浆强度等级为Ms10，则1m3墙体的物化碳排放计算结果如表6所示。

表6 蒸压加气混凝土砌块砌体的碳排放指标（kgCO2e/m3）

（4）混凝土小型空心砌块砌体。以190mm厚混凝土小型空心砌块砌体墙为例，砌块的规格为390(190)mm×190mm×190mm，砌筑砂浆强度等级为Mb10，则1m3墙体的物化碳排放计算结果如表7所示。

表7 混凝土小型空心砌块砌体的碳排放指标（kgCO2e/m3）

（5）配筋砌块砌体。以190mm厚配筋砌块砌体墙为例，砌块、砂浆强度等级分别为MU10和Mb10，砌块孔洞率为45%，灌孔率为100%，灌芯混凝土强度等级为Cb30，每孔配置直径12 mm的竖向插筋（钢筋强度等级HRB400），则1 m3墙体的物化碳排放计算结果如表8所示。其中，墙体砌筑、竖向插筋和混凝土灌芯分项工程的碳排放指标分别为210.95、66.04和154.46 kgCO2e/m3。

表8 配筋砌块砌体的碳排放指标（kgCO2e/m3）

（6）PCM装配式砌体。PCM装配式砌体是以配筋砌块砌体结构为基础，采用专用装配式施工技术的一种新型砌体结构体系。以190mm厚PCM砌体墙为例，考虑与配筋砌块砌体相同的灌芯及竖向配筋构造，并在墙体砌筑时设置水平钢筋，则1 m3墙体的物化碳排放核算结果如表9所示。其中，墙体砌筑、竖向插筋和混凝土灌芯分项工程的碳排放指标分别为233.23、66.04和154.46kgCO2e/m3。

表9 PCM装配式砌体的碳排放指标（kgCO2e/m3）

3.2 碳排放指标汇总分析

根据表4~表9计算结果汇总得到以体积作为功能单位的6种砌体墙碳排放指标，并在此基础上根据式（5）计算得到以长度作为功能单位的碳排放指标，结果如图2所示。

图2 不同砌体墙碳排放指标汇总

由图可见，当以墙体体积或长度作为功能单位时，约束砌体的碳排放指标明显高于无筋砌体。而无筋砌体中，混凝土小型空心砌块砌体和烧结页岩空心砖砌体的碳排放指标相对较低。需要说明的是，尽管约束砌体的碳排放指标高于无筋砌体，但约束砌体可提供更高的竖向承载力。以碳排放指标最低的混凝土小型空心砌块砌体和最高的PCM装配式砌体为例，若砌块的强度等级同为MU10，且横墙间距大于2倍墙高，则单位长度（1m）墙体的轴压承载力分别约为324kN和978kN。以承载力为功能单位时，混凝土小型空心砌块砌体和PCM装配式砌体的碳排放指标分别为0.370kgCO2e/kN和0.264kgCO2e/kN，前者高于后者约40%。因此，当以砌体墙作为承重结构时，不仅需要考虑单位体积或长度的碳排放指标，还需要考虑砌体材料的强度与墙体的承载能力。

进一步分析生产、运输和施工过程的碳排放占比，结果如图3所示。其中，材料生产过程的平均贡献为92%，是影响砌体墙碳排放指标的主要因素。此外，无筋砌体中，块体材料对材料生产过程碳排放指标的贡献平均为89%，且随着块体尺寸增加，占比略有提升。通过利用工业废渣、废料或再生材料等方式降低块体材料的碳排放因子，是实现无筋砌体低碳发展的重要途径。而约束砌体中，块体材料的平均碳排放贡献降低至约40%，合理选择灌芯混凝土强度与配筋方式对降低配筋砌块砌体碳排放水平亦十分重要。

图3 不同砌体墙碳排放的构成

运输过程的平均贡献为7.6%，但本文计算中块体材料的运输距离假设为100 km，若按碳排放计算标准的默认值500 km计算，则运输过程的碳排放平均占比将提升至25.5%。因此，材料轻质化、本地化亦是降低砌体结构碳排放水平的有效方法。而施工过程的平均贡献不足1.0%，特别是对无筋砌体，采用湿拌砂浆时，施工机械的碳排放可忽略不计。

4 结语

本文采用基于过程的方法，建立了砌体结构的物化阶段碳排放计算公式，分析了砖、砌块、砂浆等砌体结构材料的碳排放因子。在此基础上，依据工程消耗量定额资料与实测数据，分别以墙体体积和长度为功能单位分析了烧结页岩空心砖砌体、混凝土实心砖砌体、蒸压加气混凝土砌块砌体、混凝土小型空心砌块砌体、配筋砌块砌体及PCM装配式砌体的物化碳排放指标，从碳排放指标的构成方面分析并提出了实现砌体结构减排的可行路径。本文的研究结果可为砌体结构的碳排放计算分析提供理论基础与数据支撑，促进砌体结构的低碳发展。