裝配式可回收基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)碳排放與能耗計(jì)算分析

蔡敏，朱雪健，單燦燦，孫昌興，鄭永磊

（安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

建筑能耗是我國(guó)社會(huì)能耗的主要來源，占總能耗的35%左右，降低建筑領(lǐng)域碳排放及能耗對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要的意義。因此在建筑全生命周期進(jìn)行節(jié)能減排是節(jié)約社會(huì)能源的重要途徑[1]。基坑工程為建筑工程的重要組成部分，隨著裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)在基坑支護(hù)中的推廣使用和碳中和政策的提出，有必要對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)的能耗和碳排放進(jìn)行分析研究，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于基坑支護(hù)工程碳排放和能耗計(jì)算分析模型的建立仍處于空白階段，本文根據(jù)相關(guān)資料建立了基坑工程碳排放和能耗計(jì)算分析模型，為基坑工程節(jié)能減排分析計(jì)算具有較好的借鑒作用。

基坑支護(hù)工程全生命周期由5個(gè)階段組成[2]，分別為生產(chǎn)、運(yùn)輸、建造、運(yùn)行、拆除，生產(chǎn)階段是指原料礦物開采到制成的過程；運(yùn)輸階段是指建材從生產(chǎn)地到施工現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸過程；建造階段是指完成各分部分項(xiàng)工程施工和各項(xiàng)措施生產(chǎn)的過程；拆除階段是指拆除肢解并運(yùn)出施工場(chǎng)地的過程。考慮到基坑支護(hù)工程在運(yùn)行階段中碳排放和能耗較少，計(jì)算模型對(duì)運(yùn)行階段不予考慮。

2 建立碳排放計(jì)算模型

基坑支護(hù)工程各階段碳排放計(jì)算模型參考現(xiàn)有《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51366-2019)等相關(guān)規(guī)范并結(jié)合基坑支護(hù)工程特點(diǎn)建立。

2.1 建材生產(chǎn)階段

建材生產(chǎn)階段碳排放計(jì)算公式：

式中：CSC：建材生產(chǎn)階段碳排放（kgCO2e）;

Mi:：第i種主要建材（水泥、混凝土、鋼材等）的消耗量；

Fi：第i種主要建材的碳排放因子（kgCO2e/單位建材數(shù)量），依據(jù)建材類型查《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》。

2.2 建材運(yùn)輸階段

建材運(yùn)輸階段碳排放計(jì)算公式：

式中：Cys:建材生產(chǎn)階段碳排放（kg?CO2e）；

Mi:第i種主要建材的消耗量(t)；

Di：第i種建材平均運(yùn)輸距離（km）；（kgCO2e/單位建材數(shù)量）;

Ti：第i種建材平均運(yùn)輸方式下，單位重量運(yùn)輸距離的碳排放因子[kgCO2e/(t·km)]，依據(jù)建材類型查《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》。

2.3 建造階段

基坑工程的建造階段碳排放量計(jì)算公式如下：

式中：CJZ:建造階段的碳排放量（kg?CO2）；

Ejz,i:建造階段第i種能源總用量（kW·h或kg）；

EFi：第i種能源的碳排放因子（kg?CO2/kW·h 或 kgCO2/kg）;柴油：9.0kg?CO2/kg、汽油：1.0kgCO2/kg、電：0.7182kgCO2/kWh；

A：建筑面積（m2）。

建造階段的能源總用量宜采用施工工序能耗估算法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：Ejz:建造階段總能源用量（kW·h或kg）；

Efx:分部分項(xiàng)工程柴油、汽油、電等能源的總能源用量（kW·h或kg）；

Ecs：措施項(xiàng)目總能源用量（kW·h或kg）。

2.4 拆除階段

建筑拆除階段的碳排放量計(jì)算公式：

式中：Ccc:拆除階段的的碳排放量（kgCO2）；

Ecc,i:拆除階段第i種能源總用量（kW·h或kg）；

EFi：第i種能源的碳排放因子（kg?CO2/kWh或kgCO2/kg）；柴油的碳排放因子是9.0kgCO2/kg、汽油的碳排放因子是1.0kgCO2/kg、電的碳排放因子是0.7182kgCO2/kWh；

A：建筑面積（m2）。

支護(hù)結(jié)構(gòu)人工拆除和機(jī)械拆除階段的能源用量計(jì)算公式:

式中：Ecc:拆除階段能源用量（kWh或kg）；

Qcc,i:第i個(gè)拆除項(xiàng)目的工程量；

fcc,i：第i個(gè)拆除項(xiàng)目每計(jì)量單位的能耗系數(shù)（kW·h/工程量計(jì)量單位或kg/工程量計(jì)量單位）

TBi,j：第i個(gè)拆除項(xiàng)目單位工程量第j種施工機(jī)械臺(tái)班消耗量；

Rj：第i個(gè)項(xiàng)目第j種施工機(jī)械單位臺(tái)班的能源消用量；

i：拆除工程中項(xiàng)目序號(hào)；

j：施工機(jī)械序號(hào)。

3 建立能耗計(jì)算模型

基坑支護(hù)工程各階段的能耗計(jì)算模型參考現(xiàn)有《預(yù)拌混凝土單位產(chǎn)品能耗消耗限額》（GB 36888-2018）等相關(guān)規(guī)范并結(jié)合基坑支護(hù)工程特點(diǎn)建立。

3.1 建材生產(chǎn)階段

建材生產(chǎn)階段能耗按下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Esc：建材的生產(chǎn)總能耗，單位為千克標(biāo)準(zhǔn)煤（kgce）；n:生產(chǎn)系統(tǒng)消耗的建材種類數(shù)量；mi:第i種主要建材的消耗量，實(shí)物單位；

fi:生產(chǎn)第i種主要建材的單位能耗，單位為千克標(biāo)準(zhǔn)煤/實(shí)物單位（kgce/實(shí)物單位）。

3.2 運(yùn)輸階段

建材運(yùn)輸階段能耗按下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Eys：建材的運(yùn)輸能耗，單位為千克標(biāo)準(zhǔn)煤（kgce）；

Ti：第i種建材總用量（t）;

Bi：第i種建材在某種運(yùn)輸方式下的單位運(yùn)載量（t）；

Di：第i種建材的平均運(yùn)輸距離（km）;

Mi:第i種建材在某種運(yùn)輸方式下的單位消耗的能源實(shí)物量，實(shí)物單位；

Pi：第i建材在運(yùn)輸過程中消耗的某種能源的折標(biāo)煤系數(shù)。柴油：1.4571kgce/kg、汽油：1.4714kgce/kg、電：0.1229kgce/kW·h。

3.3 建造階段

建造階段能耗按下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：EJZ：建造過程的能耗，單位為千克標(biāo)準(zhǔn)煤（kgce）；

Ejz,i:建造階段第i種能源總用量（kW·h或kg）；

EFi：在建造階段消耗的i種能源的折標(biāo)煤系數(shù)；柴油的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)是1.4571kgce/kg、汽油的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)是1.4714kgce/kg、電的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)是0.1229kgce/kW·h。

3.4 拆除階段

拆除階段能耗按下公式進(jìn)行計(jì)算

式中：Ecc,i:建筑建造階段第i種能源總用量（kW·h或kg）；

EFi：在運(yùn)拆除階段消耗的i種能源的折標(biāo)煤系數(shù)；柴油的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)是1.4571kgce/kg、汽油的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)是1.4714kgce/kg、電的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)是0.1229kgce/kW·h。

4 碳排放和能耗計(jì)算分析

馬鞍山某重點(diǎn)工程為一層地下室，基坑周長(zhǎng)約為450m，開挖面積約11300m2，開挖深度為6.20～8.40m，基坑西側(cè)為已建小區(qū)，其余側(cè)臨施工道路，基坑支護(hù)安全等級(jí)為一級(jí)。現(xiàn)從節(jié)能減排、工程造價(jià)和工期方面進(jìn)行鋼筋混凝土支護(hù)和裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)的方案比對(duì)，兩種支護(hù)方案基坑支護(hù)平面布置如圖1、圖2。

圖1 鋼筋混凝土支護(hù)平面布置圖

圖2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)平面布置圖

鋼筋混凝土支護(hù)與裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)的分項(xiàng)組成如圖3、圖4。

圖3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)

圖4 鋼筋混凝土支護(hù)

從支護(hù)功能方面來看，H型鋼板樁+U型鋼板樁與鋼筋混凝土灌注樁+冠梁、裝配式支撐桿件+支撐立柱+支撐托梁與鋼筋混凝土支撐+立柱樁+鋼格構(gòu)柱相對(duì)應(yīng)，現(xiàn)將這兩種支護(hù)的碳排放和能耗進(jìn)行分析計(jì)算。

4.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)碳排放和能耗計(jì)算分析

組合鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)由U型鋼板樁和H型鋼板樁組成，其碳排放和能耗根據(jù)上文介紹計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，除建造過程碳排放計(jì)算較復(fù)雜外，其余過程的碳排放及能耗均可查閱相關(guān)規(guī)范計(jì)算，建造過程碳排放計(jì)算結(jié)果見表1，鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)碳排放及能耗計(jì)算結(jié)果見表2。

建造過程碳排放計(jì)算 表1

全過程碳排放和能耗統(tǒng)計(jì) 表2

組合鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)從基坑支護(hù)工程拆除后，進(jìn)行一定程度的維修可重復(fù)使用，參考國(guó)外工程應(yīng)用情況，鋼板樁及鋼支撐使用次數(shù)大多超過30次，之后進(jìn)行回爐，同時(shí)每次維修過程的碳排放和能耗約為總碳排放和能耗的5%。本文結(jié)合我國(guó)工程及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀按不低于20次考慮，則裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)平均單次使用的碳排放與能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。

重復(fù)使用20次單次使用碳排放和能耗統(tǒng)計(jì) 表3

裝配式板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)喪失使用功能后，可被回收利用煉制粗鋼，國(guó)際回收局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近50年來，全球生產(chǎn)的粗鋼40%是由廢鋼鐵煉成的，同時(shí)用廢鋼鐵煉一噸鋼，可減少1.6噸碳排放，節(jié)約350kg標(biāo)準(zhǔn)煤。對(duì)H型鋼板樁和U型鋼板樁的鋼材進(jìn)行回收利用可減少碳排放為 667343kgCO2，可減少能耗為145415kgce。考慮回收利用減少的碳排放和能耗，則平均單次使用的碳排放和能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表4。

廢鋼回收利用碳排放和能耗統(tǒng)計(jì) 表4

按照以上方法對(duì)鋼筋混凝土灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的碳排放和能耗進(jìn)行計(jì)算，建造過程的碳排放計(jì)算見表5，鋼筋混凝土支護(hù)碳排放及能耗計(jì)算結(jié)果見表6。

建造過程碳排放計(jì)算 表5

鋼筋混凝土灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)碳排放和能耗統(tǒng)計(jì) 表6

由以上計(jì)算結(jié)果分析可知：

①該工程H型鋼板樁+U型鋼板樁的總用量是1310t,混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總用量是2591m3,混凝土樁總用量與H型鋼板樁+U型鋼板樁總用量的比值是2.0，則1t H型鋼板樁+U型鋼板樁所替代鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)量為2.0m3；

②鋼筋混凝土樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與H型鋼板樁+U型鋼板樁的碳排放量的比值約為7.2，混凝土樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總能耗與H型鋼板樁+U型鋼板樁總能耗的比值是6.6。

4.2 裝配式鋼支撐結(jié)構(gòu)碳排放和能耗計(jì)算分析

基坑支護(hù)工程中裝配式鋼支撐結(jié)構(gòu)由支撐桿件、支撐立柱和支撐托梁共同組成，裝配式鋼支撐結(jié)構(gòu)碳排放和能耗計(jì)算過程在此不再贅述同4.1，具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表7、表8和表9。

單位碳排放和單位能耗分項(xiàng)統(tǒng)計(jì) 表7

重復(fù)使用20次單次單位碳排放和單位能耗分項(xiàng)統(tǒng)計(jì) 表8

考慮廢鋼回收利用單位碳排放和單位能耗分項(xiàng)統(tǒng)計(jì) 表9

根據(jù)上海地區(qū)對(duì)再生混凝土的研究得出，攪拌站對(duì)混凝土回收利用，可降低混凝土生產(chǎn)過程中的碳排放和能耗低于預(yù)拌混凝土行業(yè)平均水平的30%～35%。對(duì)坑內(nèi)鋼筋混泥土支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行回收利用用于生產(chǎn)再生混凝土，則該過程可減少碳排放為1352056kgCO2，可減少能耗為256438kgce；除去鋼筋混凝土回收再利用過程中減少的碳排放和能耗，則鋼筋混泥土支撐結(jié)構(gòu)的碳排放和能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表10。

考慮回收利用單位碳排放和單位能耗分項(xiàng)統(tǒng)計(jì) 表10

由以上計(jì)算結(jié)果分析可知：

①裝配式鋼支撐結(jié)構(gòu)的鋼材總用量是1136.4t，鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)混凝土的總用量是2210m3，用裝配式鋼支撐的總量除去混凝土支撐體系中鋼格構(gòu)柱的量就等于裝配式鋼支撐相比較混凝土支撐鋼材的凈使用量1012.2t,則本工程中裝配式鋼支撐鋼材的凈使用量與混凝土支撐混凝土的總用量的比值為2.2，即1t裝配式水平鋼支撐代替混凝土支撐2.2m3;

②鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)的碳排放量與裝配式鋼支撐結(jié)構(gòu)的碳排放量比值是6.7，鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)的總能耗量與裝配式鋼支撐結(jié)構(gòu)的總能耗比值是6.1；從整個(gè)工程裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)碳排放/鋼筋混凝土支護(hù)碳排放=948196.5/6629347=14.3%，裝配式支護(hù)結(jié)構(gòu)能耗/鋼筋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)能耗=212007.0/1309335=16.2%。

5 工期與造價(jià)對(duì)比

采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)滿足了對(duì)施工安全的要求，同時(shí)由于裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)施工速度快，又可以多次重復(fù)使用，既加快了施工進(jìn)度，又節(jié)省了施工造價(jià)，比鋼筋混凝土支護(hù)工期提前約35天；在造價(jià)方面，鋼筋混凝土支護(hù)的工程造價(jià)是962萬(wàn)元，裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)的工程造價(jià)是758萬(wàn)元，裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)相比鋼筋混凝土支護(hù)在基坑工程造價(jià)方面節(jié)省了204萬(wàn)元（約節(jié)省工程造價(jià)的1/5），取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 小結(jié)

對(duì)基坑支護(hù)工程建立了全生命周期各階段碳排放和能耗計(jì)算模型，并結(jié)合具體工程案例進(jìn)行兩種不同支護(hù)方案的碳排放和能耗計(jì)算與對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

①裝配式可回收基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)相比較傳統(tǒng)鋼筋混凝土支護(hù)提高了施工工效，租賃期不超過9個(gè)月時(shí)具有顯著經(jīng)濟(jì)性；

②考慮鋼材的循環(huán)利用和廢鋼回爐以及混凝土的再生利用，裝配式可回收基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的碳排放約為鋼筋混凝土支護(hù)碳排放量的14.3%，能耗約為鋼筋混凝土支護(hù)能耗的16.2%。

綜上可知，裝配式可回收基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)相比鋼筋混凝土支護(hù)在能耗、碳排放等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能源頭減排，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)“雙碳”目標(biāo)的一條重要路徑。