預制構件對建筑碳排放量的影響研究
——以浙江省某預制裝配建筑為例

張玉琢,郭 峰,畢天平

(沈陽建筑大學管理學院,遼寧 沈陽 110168)

建筑業屬于高能耗、污染嚴重的產業之一,其碳排放量達到了碳排放總量的40%[1]?！栋屠鑵f定》提出2050年后逐漸實現碳中和,中國承諾將在2030年前使碳排放量達到峰值,爭取在2060年前實現碳中和。降低建筑業的碳排放量是實現碳達峰、碳中和的關鍵措施。隨著中國城鎮化的快速發展,近10年中國的建筑面積保持每年3%～5%的增速,這增加了建筑的碳排放量。近些年來,隨著建造技術的發展,預制裝配建筑應運而生。預制裝配(Precast Concrete,PC)建筑相比于傳統的現場澆筑建筑,對建筑材料、施工機具、人工的利用效率有了大幅的提高,減少了建筑垃圾和材料浪費[2]。中國在《2030年前碳達峰行動方案》中,明確提出了大力發展低碳建材和綠色建造,大力推廣裝配式建筑,重點強化綠色設計和綠色施工。同時,在《"十四五"建筑業發展規劃》中提出,2025年中國新建的裝配式建筑在建筑產業中的占比將超過30%。

中國的預制裝配技術起步較晚,中國對于預制裝配建筑降低碳排放量的相關研究還不夠充分。孫艷麗等[3]對預制裝配建筑和現澆建筑物化階段的碳排放量差異進行了分析,指出了預制裝配建筑能夠降低碳排放量,但效果有限,應加快預制裝配技術的發展,才能夠大幅降低建筑的碳排放量。Hao J等[4]利用BIM技術對預制裝配建筑的碳排放量進行了計算,結果表明預制裝配技術能夠降低建筑碳排放量。Ji Y等[5]利用魯班軟件對預制裝配施工技術和現澆施工技術進行了模擬,發現在施工過程中,相比于現澆施工技術,預制裝配施工技術對環境更為友好。曹西等[6]以18層鋼筋混凝土剪力墻結構住宅為例,測算了預制裝配建筑在物化階段的碳排放量,包括生產、運輸和施工過程中的碳排放量。預制裝配式建筑相較于現澆建筑每平方米降低了7.67 kg的碳排放量。寶塔娜[7]提出預制裝配技術的應用在一定程度上能夠降低建筑的碳排放量。

以上研究是對不同的建筑進行碳排放量計算,得出預制裝配建筑能夠降低碳排放量。目前,大部分研究以建筑整體為計算單位計算出預制構件的碳排放量。但由于建筑的不可復制性,不同建筑的結構、標準、施工機械等影響因素都不相同。這些因素導致不同建筑的碳排放量不同。因此,以建筑整體計算預制裝配建筑降低的碳排放量會導致計算結果不準確。針對這一問題,筆者提出以結構構件為計算對象,通過預制構件和現澆構件的碳排放量對比,來分析預制裝配建筑降低的碳排放量。

一、碳排放階段劃分及計量方法

1.碳排放全生命周期階段劃分

生命周期評估(Life Cycle Assessment,LCA)是指某產品從生產準備到廢棄回收的各個環節相關的全部技術。對于預制構件和現澆構件的LCA碳排放評估,可劃分為5個階段(原材料生產、材料運輸、構件加工及安裝、使用及維護、廢棄拆除)[8]。對于現澆構件和預制構件而言,各階段產生能耗的活動如表1所示。

表1 建筑各階段碳排放活動

在建筑全生命周期中,碳排放量可以分為兩部分,使用與維護階段的碳排放統稱為運營碳排放量;其他階段的碳排放量稱為“隱含碳排放量”,也可稱為“虛擬碳排放量”,是指建筑產品加工、制造、運輸等全過程的總能源消耗量所產生的碳排放量,是生產鏈中直接和間接碳排放量的總和。目前,大多數研究集中在節能技術和政策改進方面。這些研究普遍認為,推廣節能技術能夠降低運營碳排放量,進而降低建筑整體碳排放量。然而,節能建筑對技術要求更高,會導致隱含碳排放量的增加,特別是在建筑本身的生產階段,會使得建筑整體的碳排放量增加。因此,有必要降低建筑本體在生產過程中的碳排放量,即原材料生產、材料運輸和構件加工及安裝階段的碳排放量,以降低建筑全生命周期的碳排放量。

2.碳排放計量方法及參數確定

國際主流的碳排放量計算方法包括投入產出法、實測法和碳排放因子法。在建筑碳排放量的計算中,通常使用碳排放因子法,碳排放因子法是通過產品在生產中全部的能源消耗量與能源碳排放因子的乘積來進行計算。其優點是計算簡便,精度較高;缺點是需要考慮各種因素對碳排放因子的影響,但通過資料的全面收集可有效降低這種負面影響。因此,筆者采用碳排放因子法來計算結構構件產生的碳排放量。

在原材料生產階段,使用碳排放因子法計算碳排放量,首先需確定建筑材料的碳排放因子,該系數根據建筑碳排放量的計算標準來確定[9]。建筑材料的可回收系數根據文獻[4]確定,模板使用次數根據模板的攤銷次數確定。

在運輸階段,主要考慮運輸工具的能源消耗產生的碳排放量。根據燃料的碳排放因子(見表2)、主要運輸工具的能源消耗量(見表3)來計算運輸階段的碳排放量。

表2 主要原材料、燃料碳排放因子

表3 主要運輸工具的能源消耗量

在構件加工及現場施工階段,主要考慮施工機械消耗的能源所產生的碳排放量。根據燃料和電能消耗的碳排放因子(見表2)、主要施工機械的能源消耗量(見表4)來計算構件加工及現場施工階段的碳排放量。

表4 主要施工機械的能源消耗量

二、結構構件碳排放量計算模型

1.原材料生產階段

構件的原材料可分為可回收材料和不可回收材料。在計算可回收材料的碳排放量時要考慮可回收系數對碳排放量產生的影響。原材料生產階段所需的原材料包括構件本身所需要的原材料,以及在構件加工過程中所消耗的原材料。原材料生產階段的碳排放量計算公式為

(1)

式中:Qj為每立方米的第j種構件產生的碳排放量;n為第j種構件所需的材料種類;i為第j種構件所需的第i種材料;pi為第i種材料的碳排放因子;qi為第i種材料消耗量;αi為第i種材料的回收系數;ri為第i種材料的周轉次數。

2.運輸階段

預制構件運輸階段的碳排放量是指原材料運至構件加工廠和加工完成的構件運至施工現場的碳排放量;現澆構件運輸階段的碳排放量是指將原材料運至施工現場產生的碳排放量。在計算時需要考慮在運輸材料時空車返回原料產地的空載系數,運輸階段的碳排放量計算公式為

(2)

式中:Tj為第j種構件原材料或每立方米的預制構件在運輸階段產生的碳排放量;n運為運輸工具的數量;qyi為第i種運輸工具的能源消耗量;Myi為第i種運輸工具在運輸第j種材料的滿載極限;pyi為第i種運輸工具消耗能源的碳排放因子;k為空載系數(空載返回能耗約為滿載時的67%,空載系數取1.67[6])。

3.構件加工及現場施工階段

現澆構件的加工及施工均在施工階段完成,主要活動包括支模、鋼筋綁扎、焊接、混凝土攪拌及建筑材料的場地運輸和建筑材料的垂直運輸。預制構件的加工活動包括混凝土攪拌、鋼筋綁扎、焊接、支模、構件的養護、構件加工時的運輸等,現場施工的活動包括設備的垂直運輸、焊接、吊裝等。構件加工及現場施工階段的碳排放量,是由其活動的機具消耗量決定的,各種活動所產生的碳排放量計算公式為

(3)

式中:Ak為每立方米的構件中第k種生產活動產生的碳排放量;n機為活動中需要施工機械的種類;psi為第i種施工機械所消耗能源的碳排放因子;qsi為每立方米的構件在生產中所需的第i種機械的臺班數量;esi為第i種施工機械單位臺班所消耗的能源數量。

三、案例分析

1.項目概況

項目位于浙江省寧波市,建筑主要功能為集體宿舍,共兩層,總建筑面積1 040 m2,單層建筑面積為520 m2。設計層高為一層3.6 m,二層3.4 m。浙江省對預制率的要求依據住房和城鄉建設部發布的《工業化建筑評價標準》,即預制率不低于20%。該建筑除一層采用部分現澆構件,其余均采用預制構件,預制率達到了67%,符合浙江省對預制率的要求。

筆者將建筑的主要結構構件進行了劃分,結構構件劃分為柱、梁、板、墻、樓梯。根據工程量清單計算每種構件的原材料消耗量、運輸工具臺班消耗量和施工機械臺班消耗量。由于各省的工程消耗量定額不同,因此筆者采用住房和城鄉建設部2019年發布的《房屋建筑與裝飾工程消耗量定額》(以下簡稱 《定額》)作為構件的原材料消耗量、運輸工具臺班消耗量和機械臺班消耗量的數據來源?；趥鹘y的二維圖紙進行工程量和碳排放量計量,存在效率低下且精確度不足的問題?；贐IM技術的工程量和碳排放量計量,比傳統的工程量和碳排放量計量方法更為精準[10]?；贐IM技術進行工程量和碳排放量計量,其實質是通過數字可視化技術在計算機中建立一座虛擬建筑,再根據相應的工程量和碳排放量計算標準,結合用戶需要導出相應構件的工程量和碳排放量。其主要操作過程是建模者通過二維圖紙在BIM建模軟件上進行建模,生成三維模型,然后根據相應的標準和規范輸入工程量和碳排放量計算公式,最后導出各個構件的工程量和碳排放量明細表,案例中的工程量和碳排放量均采用BIM技術進行計量。

2.各階段結構構件的碳排放量計算

(1)原材料生產階段

基于BIM三維模型統計各個構件的原材料在生產過程中的消耗量[11]。根據BIM三維模型導出構件工程量明細表以及工程量消耗定額,主要原材料消耗量如表5所示。

表5 原材料消耗量

根據各材料的碳排放因子、使用次數、可回收系數和原材料消耗量,結合式(1)可以得出原材料生產階段各構件產生的碳排放量(見圖1)。

圖1 原材料生產階段的碳排放量

(2)運輸階段

根據工程實際情況,混凝土運輸工具采用12 m3攪拌運輸車,其他原材料采用10 t柴油車,預制構件采用20 t貨車。原材料運距為20 km,預制構件的運距為50 km。20 t運輸貨車運輸預制構件的滿載運量為9 m3。

根據燃料的碳排放因子、運輸工具滿載能耗、原材料消耗量和預制構件滿載運量,結合式(2)可計算出構件在運輸階段的碳排放量(見圖2)。

圖2 運輸階段的碳排放量

(3)構件加工及現場施工階段

依據《建筑碳排放計算標準》確定各種活動的施工機械能耗,依據《定額》確定各構件的施工機械消耗量。根據燃料和電能的碳排放因子、施工機械能源消耗量和原材料消耗量,結合式(3)可以得出構件在加工及現場施工階段的碳排放量(見圖3)。

圖3 構件加工及現場施工階段的碳排放量

3.計算結果對比分析

將原材料生產階段、運輸階段、構件加工及現場施工階段的碳排放量相加,計算出每立方米各個構件的碳排放量。同時,根據表5的數據可以計算出每平方米各個構件的碳排放量(見表6)。

表6 各構件的碳排放量

根據表6可知,除樓梯外,預制構件的碳排放量均小于現澆構件的碳排放量。但從建筑整體考慮,由于生產工藝和結構設計的不同,建筑所需要的預制構件體積通常高于現澆構件體積,導致某些每平方米預制構件的碳排放量高于現澆構件。因此,要降低建筑整體的碳排放量,則必須考慮每平方米預制構件碳排放量與現澆構件碳排放量的差異。

每平方米預制構件的柱、樓梯、板的碳排放量高于現澆構件的碳排放量。因此,雖然隨著預制率增加,整個建筑的碳排放量降低,但在達到碳排放量最低的預制率時繼續增加預制率,則會增加建筑的碳排放量。若只考慮整個建筑的碳排放量最低,預制順序為梁、墻、樓梯、板、柱,碳排放量在預制率為44%時達到最低(見圖4)。

圖4 預制構件的碳排放量趨勢

四、結 語

筆者對預制構件和現澆構件的全生命周期各個階段的活動進行了分析,確定了各個階段的活動邊界。根據相關標準確定了碳排放量計算的相關參數,并應用碳排放因子法建立了碳排放計算模型。從工程案例來看,預制構件在構件加工及現場施工階段的碳排放量低于傳統的現澆構件,但在原材料生產階段和運輸階段的碳排放量高于傳統的現澆構件。從案例的構件類型來看,梁、墻構件降低碳排放量的效果最好。當工程案例的預制率在44%時,案例中的預制裝配式建筑碳排放量最低。因此,并不是預制率越高,預制裝配式建筑的碳排放量就越低,要結合工程實例進行具體分析,才能使建筑的碳排放量達到最低。