裝配式建筑預制構件物流配送過程的碳排放研究

董樹修，王 淋，黃 月，王夢涵

（北華大學 土木與交通學院，吉林 吉林 132013）

0 引言

隨著我國城鄉建筑面積逐漸增加，建筑業對我國碳排放的貢獻愈加顯著，建筑業中大量建筑材料的產生、建筑施工及運行過程中消耗的能源，都有大量CO2排放的產生[1]。近年來，我國提出碳達峰與碳中和的相關政策，這對我國各工業領域的碳排放標準做出嚴格的規定，如何有效減少碳排放并實現“雙碳”目標已然成為各領域學者研究和探討的重點所在。為響應國家“雙碳”政策，近幾年裝配式建筑得到大力發展，這種新型建造方式能夠有效降低建筑建造過程中的碳排放量，減少資源浪費和能源消耗。因此，研究裝配式建筑在建造過程中碳排放的產生機制，并結合實際給出碳減排的相關意見和建議，對于實現我國裝配式建筑的綠色化發展具有重要的價值意義。

國外有許多學者對裝配式建筑進行了研究，Fang You 等發現85%～90%的二氧化碳排放來自建筑運營階段，7%～11%來自建筑材料生產和運輸階段，3%來自建筑施工階段[2]；Haining Wang 模擬了裝有不同數量預制構件運輸車輛的實際碳排放，并對運輸車輛的碳排放系數和相關參數進行了實驗測量，結果提高了運輸階段碳排放計算的準確性[3]；Kaitong Xu 研究并構建出組合梁等構件在物流運輸階段中的碳排放計算模型，研究發現中型柴油卡車在運輸階段產生的碳排放最多[4]；Zhikun Ding 等基于建筑信息建模，采用碳排放系數法建立了預制住宅碳排放測量模型，該系統在中國深圳的一個項目中的實施表明，超過90%的碳排放是在建筑材料生產和施工階段產生的[5]。

我國學者通過對建筑的生產到施工，再到建筑的運行這一過程中所產生的碳排放展開深入的研究。王玉建立了預制裝配式建筑的碳排放計量模型，分析并核算出各階段的碳排放量，同時對各相關參數進行了設定[6]。劉瑩在對運輸階段的碳排放進行研究時，考慮到了預制構件的運輸重量、運輸距離等關鍵要素，將碳排放源歸結為運輸工具的化石燃料消耗，以及吊車等起重機械所產生的電力消耗[7]。鄭曉云等基于各類能源消耗量基礎數據，對碳排放貢獻率和靈敏度進行了評價，最后提出改進的建議[8]。馬彩云則將水平運輸階段的碳排放影響因素總結為交通運輸工具的選取、運輸距離、運輸路線規劃等，并提出可有效降低建筑整體碳排放量的相關建議[9]。

預制構件的物流配送過程是建筑物流供應鏈中的關鍵一環，是預制構件從工廠生產到現場組裝成為裝配式建筑的關鍵所在，扮演著橋梁的角色。在“雙碳”政策下，將裝配式建筑碳排放問題融入到預制構件的物流配送過程中進行分析具有重要的應用價值和意義。查閱文獻發現，鮮有學者研究裝配式建筑物流配送過程的碳排放，因此本文在前人研究的基礎上，結合理論與實際，對裝配式建筑預制構件在物流配送過程中的碳排放展開進一步的研究。

1 裝配式建筑碳排放的相關研究基礎

1.1 生命周期評價理論

生命周期評價（LCA）是指某類產品在其產生到終結的周期內，對其環境影響進行評估的方法。它在建筑領域應用廣泛，可用于建筑碳排放的定量分析，本文將借助該理論對裝配式建筑預制構件物流配送過程的碳排放進行研究。

1.2 碳排放系數法

該方法是通過獲得實際的活動水平數據與碳排放因子，對建筑物生命周期各階段碳排放進行加權計算來得到準確的結果[10]。碳排放量通常是由能源消耗量等數據和與之對應的能源碳排放因子相乘得到的[11]。

碳排放因子是計算碳排放的關鍵參數，它是指某一種能源燃燒過程中，每單位該能源產生的碳排放數量[12]，為了計算結果的準確性，本研究選取的是如表1 中所示的國家標準規定的碳排放因子E。

表1 能源碳排放因子清單

1.3 系統邊界

明確建筑生命周期各個階段碳排放的來源，對碳排放系統邊界進行劃分和界定，對于建筑碳排放的計量具有重要的作用[13]。本研究所構建的預制構件物流配送過程碳排放系統邊界，如圖1 所示。

圖1 基于生命周期評價的預制構件物流配送過程碳排放系統邊界

2 裝配式建筑物流配送過程碳排放計量模型的構建

依據生命周期評價理論對預制構件的物流配送過程進行系統邊界的界定，將該過程劃分為預制廠內裝載、場外運輸、施工現場吊裝三個階段，然后運用碳排放系數法構建裝配式建筑物流配送過程的碳排放模型。

2.1 預制廠內裝載階段碳排放模型

該階段的碳排放主要產生于預制構件裝載過程中的機械能耗。由專家調查法確定關鍵參數：單位體積預制構件消耗的臺班數、單位臺班能源消耗量等，模型構建如下：

式中：Cv為預制廠內裝載階段的碳排放總量；Vi為構件的體積；Ti為裝載單位體積預制構件所耗費的臺班數；R 為單位臺班能源消耗量。

通過現場調研和文獻參考，本研究案例將選取的預制構件包括預制疊合板、疊合梁、樓梯、剪力墻以及AAC 板。在曹西等人分析得出的施工吊裝階段單位體積預制構件臺班數的基礎上，由專家調查法，計算得出預制廠內裝載階段的數據[14]。結果如表2 第二列數據所示。此外，汽車吊的單位臺班能源消耗量R 為38.41kg[15]。根據公式（1）計算預制廠內裝載階段單位體積預制構件碳排放量Cvi，其計算過程如下所示：

計算結果如表2 所示。

表2 預制廠內裝載階段單位體積預制構件碳排放量

2.2 場外運輸階段碳排放模型

該階段的碳排放大多來自運輸設備和起重機械的能源消耗，可以劃分為水平運輸和垂直運輸兩個運輸階段。經專家調查法發現，在進行場外運輸時，需綜合考慮運輸時間、運輸路徑、運輸方式等因素，還要選擇高效的運輸設備以避免二次運輸。構件體積、運輸距離等參數對于該階段碳排放的影響較大，兩者呈正比例相關關系，因此將其作為該階段模型構建所需參數，碳排放模型構建如下：

（1）水平運輸階段

式中：Cl為該階段的碳排放總量；Di為運輸車輛從預制廠到施工現場的平均運輸距離；Ei為單位體積單位運距的預制構件碳排放因子；K 為空載系數；H 為單位換算系數；Y 為車輛的每公里耗油量；Vci為車輛滿載運輸時預制構件的體積。

根據公路運輸方式下的碳排放相關參數（如表3 所示），計算參數Ei，計算過程如下：

表3 公路運輸碳排放相關參數

參數Ei的計算結果如表4 所示。

表4 各預制構件單位體積單位運距碳排放因子

（2）垂直運輸階段

該階段的碳排放計算原理與預制廠內裝載階段相近，是預制廠內裝載階段的逆過程，因此兩者的碳排放量可視為相等，即模型構建如下：

2.3 施工現場吊裝階段碳排放模型

該階段碳排放量的多少主要與吊裝機械臺班數密切相關，臺班數越高，則機械耗能越多，施工所產生的碳排放量就越多。模型設計如下：

式中：Cd為施工現場吊裝階段的碳排放總量；Ti為該階段機械吊裝單位體積預制構件所耗費的臺班數；Ed為電力碳排放因子。

塔吊單位臺班能源消耗量266.04kW·h[15]，根據式（4）計算吊裝階段單位體積預制構件碳排放量，計算過程如下：

計算結果如表5 所示。

表5 施工現場吊裝階段單位體積預制構件碳排放量

考慮到以上各階段的權重問題，本研究將各階段視為等權來對上述各碳排放模型進行整合，得到碳排放總量模型，模型如下：

式中：C 為裝配式建筑預制構件在物流配送過程中的碳排放總量；Cv為預制廠內裝載階段的碳排放總量；Cl為水平運輸階段的碳排放總量；為垂直運輸階段的碳排放總量；Cd為施工現場吊裝階段的碳排放總量。

3 案例分析

3.1 案例背景

本研究選取寧波市的一個裝配式建筑項目進行實證分析，計算預制構件在物流配送過程中產生的碳排放量并對各階段碳排放作對比分析。該建筑占地面積約9 000 平方米，結構形式為鋼筋混凝土剪力墻結構，建造形式為裝配式建造和傳統現澆建造相結合。預制構件從預制廠內的堆放場地裝載至運輸車輛，采用的機械為汽車吊，在施工現場進行預制構件吊裝所使用的機械為塔吊。運輸車輛為30t 重型牽引柴油車，假定每一次運輸都為同種類型構件且為滿載運輸、空載返回，預制構件廠到施工現場的平均運距為70km。

3.2 預制構件物流配送過程碳排放計算

假設運輸車輛一次只運輸一種類型的構件，且在滿載的情況下進行預制構件的運輸，空車返回系數K 為1.67[16]。同時結合實際得知，大多數建筑工地采取的吊裝流程是直接從車輛上對到達的預制構件進行吊裝，這樣就避免了預制構件卸載階段所帶來的時間上的浪費。因此，在場外運輸階段中只考慮水平運輸階段產生的碳排放Cl，不需要再對卸載階段的碳排放量進行計量。

綜上所述，結合碳排放計量模型及表6 工程量清單計算各階段的碳排放量[14]，計算過程如下：

表6 裝配式建筑工程量清單

（1）預制廠內裝載階段

（2）場外運輸階段

（3）施工現場吊裝階段

（4）物流配送過程碳排放總量

將碳排放計算結果進行匯總，得到預制構件物流配送過程各階段碳排放量，結果如表7 所示。

表7 預制構件物流配送過程各階段碳排放量 單位：t

為了更直觀地了解各階段產生碳排放量的多少，并對結果進行進一步的分析，依據表7 繪制如圖2 和圖3 所示的各預制構件與各階段碳排放對比圖。

圖2 各預制構件碳排放占比情況

圖3 各階段碳排放占比情況

3.3 結果分析

通過案例分析得出，該裝配式建筑預制構件在整個物流配送過程當中共產生了74.7t 碳排放，通過對比各預制構件和各階段的碳排放量發現，剪力墻在運輸過程中產生的碳排放最多，AAC 板次之，而且場外運輸階段和施工現場吊裝階段產生的碳排放量最多，大約占到碳排放總量的88.10%。

4 結論與建議

本研究基于生命周期評價理論，將裝配式建筑預制構件的整個物流配送過程分為預制廠內裝載、場外運輸和施工現場吊裝三個主要運輸階段，對碳排放量進行了建模與計算，并對模型和方法進行了案例的驗證。研究得出以下結論：

場外運輸階段和施工現場吊裝階段是整個物流配送過程碳排放的主要來源。分析其原因，主要包括：（1）在進行預制構件的場外運輸時，常常會由于外部環境的干擾而導致運輸時間的延長，或因不能綜合考慮運輸路線規劃、運輸方式、運輸載具與能源等因素而無法選擇最佳的運輸方案，以至于該階段碳排放量的大幅提升；（2）在施工現場吊裝階段，雖然采取的是從運輸車輛上直接起吊的方式，節約了吊裝時間，但往往受到起重機械臺班數較高等自身因素的影響，導致吊裝效率較低，產生不必要的隱含碳排放。總而言之，物流配送過程中的碳排放主要來源于機械設備運行時伴隨的能源消耗，在對預制構件進行物流配送時，如果能夠按照預制構件的規格條件選擇合適的運輸設備和起重機械，則可以大大減少碳排放的產生。

結合本研究所設計的裝配式建筑物流配送過程碳排放計量模型及實際的建筑施工活動，有針對性地提出碳減排建議：（1）在裝載和吊裝階段，應選擇施工功率較小的施工機械，這樣可以大大降低吊裝預制構件所耗費的臺班數，縮短吊裝時間，從而實現該階段的低碳控制；（2）在進行場外運輸時，需綜合考慮運輸時間、運輸路徑及運輸方式等因素，同時選擇高效的運輸設備，避免二次運輸，從而大大降低該階段的碳排放量[9]。