裝配式住宅與現(xiàn)澆住宅物化階段碳排放量化分析

董素紅 崔 健

自我國明確提出“2030 年前實現(xiàn)碳達峰，2060 年前實現(xiàn)碳中和”目標以來，節(jié)能減碳理念已快速融入國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的各方面。相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，全球范圍內(nèi)，建筑領(lǐng)域全產(chǎn)業(yè)過程中消耗了全球30%～40%的能源，并同時貢獻了40%的碳排放量[1]，因此積極實現(xiàn)建筑業(yè)節(jié)能減排具有重要意義。

隨著裝配式公共建筑在國內(nèi)大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，裝配式住宅建筑也逐漸慢慢推廣開來。目前，國內(nèi)外許多學者進行了裝配式建筑全生命周期碳排放量相關(guān)研究，如高宇等[2]構(gòu)建了裝配式建筑生命周期評價模型，并運用該模型系統(tǒng)核算了深圳市某裝配式建筑的總碳排放量；韓宇恒等[3]通過碳排放系數(shù)法對不同裝配率的裝配式建筑碳排放量測算與分析，得出碳排放量隨裝配率的升高而降低的客觀規(guī)律；曹西等[4]以18 層典型鋼筋混凝土剪力墻住宅建筑為研究對象，得到在建筑的物化階段，裝配式建筑相比現(xiàn)澆建筑單位面積可以減少碳排放量7.67 kg，不足之處是未考慮施工階段人工碳排放量；Tim 等[5]研究得出調(diào)整裝配式木結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)可顯著降低一次能源消耗量、運營碳排放量和隱含碳排放量；Almeida 等[6]以葡萄牙波爾圖的一個社會住房家庭建筑為案例，指出預制模塊化對于減少隱含碳排放量具有顯著成效。

大量實例證明，裝配式建筑在節(jié)能減碳方面具有顯著成效，但是建筑碳排放量測算至今尚無統(tǒng)一的計算方法，各學者在裝配式建筑方面研究方法多種多樣、研究內(nèi)容和研究角度略有不同。

一般的住宅建筑設(shè)計，其使用年限為50 年，運行時間長，另外根據(jù)許多學者研究可知運行階段裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑碳排放相差不大，故本文選取建筑物化階段為測算邊界，提出基于“BIM+定額”的碳排放量測算方法，以同一地區(qū)不同建造模式的剪力墻結(jié)構(gòu)為例，探究裝配式住宅與現(xiàn)澆住宅物化階段碳排放量。

因此，基于不同裝配率下碳排放量不同，本文所提的裝配式建筑預制構(gòu)件主要包括疊合樓板、預制樓梯，故本案例計算結(jié)果能夠為綠色建筑節(jié)能減排提供參考價值。

1 裝配式住宅的概念及優(yōu)點

1.1 裝配式住宅的概念

裝配式住宅指把建筑的全部或部分構(gòu)件（如樓板、外墻、內(nèi)墻、梁、柱、樓梯、陽臺等）在構(gòu)件預制加工廠內(nèi)按照設(shè)計圖紙進行大規(guī)模的批量生產(chǎn)，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，通過現(xiàn)場機械吊裝將構(gòu)件拼裝成具備使用功能的建筑物，它包括結(jié)構(gòu)的裝配、外部維護系統(tǒng)及設(shè)備管線等，是一項復雜的系統(tǒng)工程。

1.2 裝配式住宅的優(yōu)點

與傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅相比，裝配式住宅具有環(huán)保、耐久等優(yōu)勢，施工工期短、能耗低、抗震性能更強，更符合新形勢下綠色建筑的要求，已成為建筑行業(yè)發(fā)展的新趨勢。

1）縮短工期。預制構(gòu)件在加工廠內(nèi)生產(chǎn)，運輸?shù)绞┕すさ剡M行吊裝拼接作業(yè)，混凝土澆筑、砌筑、抹灰等濕作業(yè)大量減少，而且受天氣影響小，施工作業(yè)效率更高，可大大縮短施工時間。

2）減少質(zhì)量通病。由于構(gòu)件是標準化設(shè)計，精度較高，可以提高施工質(zhì)量，最大限度減少質(zhì)量通病。

3）節(jié)能環(huán)保。裝配式可以大大減少建筑垃圾和污水排放，降低建筑施工噪聲，有利于我國城市健康、低碳以及綠色發(fā)展。

4）節(jié)約勞動力。施工現(xiàn)場機械化作業(yè)，可大幅度減少現(xiàn)場施工人員及管理人員配備數(shù)量，降低成本。

2 建筑物化階段碳排放量分析

2.1 建筑全生命周期概念與劃分

建筑全生命周期指從建筑原材料開采到建筑拆除處置的全過程，各個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生溫室氣體排放（圖1），目前計算建筑全生命周期碳排放量時，對上述過程所屬階段的劃分有多種形式，而國內(nèi)外大多數(shù)學者和國際標準一般將建筑全生命周期分解為4 個階段：建材生產(chǎn)運輸、建筑施工建造、建筑運行以及建筑拆除回收[7]，其中建材生產(chǎn)運輸和建筑施工建造常統(tǒng)稱為建筑物化階段。

圖1 建筑全生命周期碳排放示意圖（來源：作者自繪）

2.2 住宅物化階段碳排放系統(tǒng)的邊界確定

本文為深入研究裝配式住宅與現(xiàn)澆住宅物化階段碳排放量，將建筑物化階段細化為建材及構(gòu)件生產(chǎn)階段、建材及構(gòu)件運輸階段、建筑施工建造3 個階段。

1）建材及構(gòu)件生產(chǎn)階段。該階段指原材料的獲取，首先原材料從大自然中開采，然后運輸至材料加工廠進行生產(chǎn)與加工，該階段碳排放主要考慮原材料開采、建材或構(gòu)件生產(chǎn)所產(chǎn)生碳排放。本文將用于預制構(gòu)件生產(chǎn)部分的建筑材料稱為II 類建筑材料，其余的歸為I 類建筑材料。建材生產(chǎn)階段碳排放主要包括了I 類和II 類建筑材料生產(chǎn)碳排放量、預制構(gòu)件生產(chǎn)碳排放量以及II 類建筑材料運輸碳排放量。

2）建材及構(gòu)件運輸階段。該階段主要指將加工廠內(nèi)生產(chǎn)的材料、構(gòu)配件運送到施工現(xiàn)場內(nèi)，該階段碳排放主要考慮運輸過程中消耗的柴油、汽油、天然氣等能源碳排放。

3）建筑施工建造階段。該階段主要指將運到施工現(xiàn)場的材料、構(gòu)配件等，通過現(xiàn)場澆筑、安裝、拼裝等施工作業(yè)，形成建筑物，時間邊界為從項目開工建設(shè)至項目竣工驗收。該階段碳排放主要考慮施工設(shè)備等消耗的能源及現(xiàn)場施工人工所產(chǎn)生的碳排放。本文主要考慮現(xiàn)場施工區(qū)域，不考慮辦公區(qū)、生活區(qū)。

3 住宅物化階段碳排放量測算方法

3.1 建筑全生命周期碳排放量測算方法分析

目前，建筑全生命周期碳排放量測算方法主要包括投入產(chǎn)出法、實測法、混合法和排放系數(shù)法。產(chǎn)出法和實測法需要收集現(xiàn)場實際大量數(shù)據(jù)，涉及面廣、耗時長、操作繁瑣；混合法則是綜合考慮投入產(chǎn)出法和實測法；排放系數(shù)法因具有需要的數(shù)據(jù)量小、操作便利、適用性強、可信度高等特點而得到普遍運用。

但是，以上幾種方法均是對全生命周期的各個階段進行單獨計算。參考以上方法，本文選用基于“BIM+定額”的碳排放系數(shù)法，即首先根據(jù)設(shè)計圖紙建立BIM，得到主要構(gòu)件的工程量，然后根據(jù)廣聯(lián)達等計價軟件套定額，得到人材機（人員、材料、機械設(shè)備的簡稱）匯總表，同時，根據(jù)碳排放計算模型，測算建筑物化階段碳排放量。

3.2 住宅物化階段碳排放量計算模型

本文以碳排放系數(shù)法構(gòu)建符合實際項目的碳排放量計算模型，為住宅建筑物化階段碳排放測算奠定基礎(chǔ)。住宅物化階段碳排放總量計算模型為：

式中：Scount為物化階段碳排放總量；S1為建筑材料、預制構(gòu)件及其原材料生產(chǎn)階段碳排放量；S2為建筑材料及預制構(gòu)件運輸過程碳排放量；S3為建筑施工階段碳排放量。以上數(shù)據(jù)單位均為kgCO2e。

建筑材料、預制構(gòu)件及其原材料生產(chǎn)階段碳排放量計算模型為式（2）：

式中：S11為I 類建筑材料生產(chǎn)階段碳排放量；S12為II 類建筑材料，即預制構(gòu)件部分建筑材料生產(chǎn)階段碳排放量；S13為II 類建筑材料運輸階段碳排放量；S14為預制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放量，S11、S12、S13、S14單位均kgCO2e；n為自然數(shù)；qi、qi'分別為I 類、II 類建筑材料消耗量；βi為建筑材料碳排放因子；mi為II 類建筑材料重量，單位t；li為II 類建筑材料運輸距離；k為考慮返程空車系數(shù)，取0.67；λi為運輸碳排放因子，單位kgCO2e/（t·km）；Vi為預制構(gòu)件消耗規(guī)模；δi為預制構(gòu)件生產(chǎn)階段碳排放系數(shù)。

運輸階段碳排放量的計算模型式為：

式中：S21為I 類建筑材料運輸過程中產(chǎn)生的碳排放量；S22為預制構(gòu)件運輸過程中產(chǎn)生的碳排放量，S21、S22單位均為kgCO2e；mi'為I 類建筑材料重量，單位為t；Mi為預制構(gòu)件重量，單位t；Li、Li'為預制構(gòu)件、I 類建筑材料運輸距離，單位均為m。

建造施工階段碳排放量計算模型如式（4）所示：

式中：S31為預制構(gòu)件現(xiàn)場施工產(chǎn)生的碳排放量；S32為除預制構(gòu)件安裝工程外現(xiàn)場施工過程中產(chǎn)生的碳排放量，S31、S32單位均為kgCO2e；W、Wi'為預制構(gòu)件、非預制構(gòu)件部分現(xiàn)場施工所使用的能源量，其單位均為kg；WD、WD'為預制構(gòu)件、非預制構(gòu)件部分現(xiàn)場施工所消耗的電量，其單位均為kWh；WR、WR'為預制構(gòu)件、非預制構(gòu)件部分現(xiàn)場施工所需要的人工，單位為工日；δ為電網(wǎng)平均二氧化碳排放因子；η為人工碳排放因子。

為了便于對比不同建筑、不同類型結(jié)構(gòu)的建筑碳排放情況，本文以單位建筑面積碳排放量作為計算指標，式（5）為建筑物化階段碳排放量計算模型：

式中：S0為單位建筑面積碳排放量，單位為kgCO2e/m2；A為建筑面積，單位為m2。

3.3 碳排放因子選擇

碳排放因子是影響碳排放測算的重要因素，對計算結(jié)果至關(guān)重要。本文涉及的碳排放因子主要包括化石能源碳排放因子、電力碳排放因子、主要建材碳排放因子、人工碳排放因子、運輸碳排放因子等。其中，化石能源碳排放因子通過化石能源的單位熱值含碳量、氧化率、平均低位發(fā)熱量等參數(shù)計算得到，主要化石能源碳排放因子如表1 所示。本文電力碳排放因子選用中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布的2012 年中國區(qū)域電網(wǎng)平均二氧化碳排放因子（表2）；主要建材碳排放因子、運輸碳排放因子分別參考《建筑碳排放計算標準》GB/T 51366-2019 附錄D、附錄E；人工碳排放因子參考焦雙健等[8]“一種全壽命周期公路碳計量方法及其應(yīng)用”中有關(guān)不同類型勞動者的人工碳排放數(shù)據(jù)，本文按照中度勞動類型確定每工日人工碳排放量為2.42 kgCO2e/人工日；參考曹靜等[9]關(guān)于不同預制構(gòu)件生產(chǎn)階段機器運行產(chǎn)生的碳排放，同時，本文按照單位立方疊合板碳排放11.93 kgCO2e/m3、單位立方預制樓梯碳排放11.93 kgCO2e/m3測算預制構(gòu)件生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放。

表1 化石能源碳排放因子

表2 2012 年中國區(qū)域電網(wǎng)平均二氧化碳排放因子單位：kgCO2e/（kW·h）

4 住宅物化階段碳排放量測算案例

4.1 案例基本情況介紹

案例一為裝配式混凝土住宅建筑，該項目位于山東省棗莊市，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，高度53.10 m，總建筑面積為12274.28 m2，地上18 層，地下2 層。預制構(gòu)件為預制樓梯、疊合樓板，其中疊合樓板用于3 ～17 層客廳、餐廳、臥室和電梯前廳，其余是現(xiàn)澆樓板。

案例二為現(xiàn)澆混凝土住宅建筑，該項目位于山東省棗莊市，剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度為23.758 m，占地面積541.45 m2，總建筑面積為4647.61 m2，地上7 層，地下2 層。

4.2 應(yīng)用案例計算結(jié)果及分析

根據(jù)碳排放量測算模型式（1）可測算得出2 種建造方式住宅物化階段單位面積碳排放量結(jié)果（表3）。根據(jù)表3 計算可知，裝配式住宅碳排放量相對于傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅總體減少了20.16 kgCO2e/m2。其中，建材生產(chǎn)階段，裝配式住宅碳排放量比傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅減少了33.10 kgCO2e/m2，這是因為雖然裝配式住宅在建材生產(chǎn)階段多了預制構(gòu)件加工流程，但是預制構(gòu)件在生產(chǎn)廠標準化生產(chǎn)、規(guī)模化生產(chǎn)可以節(jié)約混凝土、鋼筋用量，而且預制構(gòu)件表面平整度高可以減少抹灰砂漿用量，因此原材料碳排放減少；建材運輸階段，裝配式住宅碳排放量比傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅增加了11.22 kgCO2e/m2，這是因為裝配式住宅增加了預制構(gòu)件運輸，因此增加了能源碳排放；施工階段，裝配式住宅碳排放量相對于傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅增加了1.72 kgCO2e/m2，這是因為裝配式住宅預制構(gòu)件吊裝過程增加了能源、用電消耗，因此增加了碳排放量。

表3 現(xiàn)澆住宅與裝配式住宅單位面積碳排放量對比單位：kgCO2e/m2

住宅物化階段各過程碳排放量占比如圖2、圖3 所示。根據(jù)圖2 和圖3 可知裝配式住宅和現(xiàn)澆住宅物化階段各個過程碳排放量相似，都是建材生產(chǎn)階段碳排放量大，約占物化階段碳排放量總數(shù)的90%；建筑施工建造階段其次；建材運輸階段的碳排放量最小。

圖2 裝配式住宅物化階段碳排放量占比（來源：作者自繪）

圖3 現(xiàn)澆住宅物化階段碳排放量占比（來源：作者自繪）

建材生產(chǎn)階段各類建材碳排放量對比如圖4、圖5 所示。從圖4 和圖5可以直觀看出，裝配式住宅建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑在建材生產(chǎn)階段碳排放的主要來源是混凝土、鋼筋，是它們控制碳排放量的主要選擇對象。其中，裝配式住宅建筑建材生產(chǎn)階段，混凝土、鋼筋碳排放量占比最大，分別是39%、35%，二者共占主要材料碳排放量的74%；其次是水泥、砂漿、竹膠板，分別占比6%、5%、5%；其他材料碳排放量占比合計10%。 傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅建筑建材生產(chǎn)階段混凝土、鋼筋碳排放量占比最大，分別是44%、31%，二者共占主要材料碳排放量的75%；其次是加氣混凝土砌塊、水泥、擠塑聚苯板，分別占比9%、4%、3%；其他材料碳排放量占比合計9%。

圖4 裝配式住宅建材生產(chǎn)階段各類建材碳排放量占比（來源：作者自繪）

圖5 現(xiàn)澆住宅建材生產(chǎn)階段各類建材碳排放量占比（來源：作者自繪）

5 結(jié)語

本文提出了基于“BIM+定額”的碳排放量測算方法，以裝配式住宅與現(xiàn)澆住宅2 個實際案例，通過BIM建模及廣聯(lián)達計價軟件得到人材機匯總表，并根據(jù)碳排放測算模型進行了物化階段碳排放量對比分析，該方法適用于工程設(shè)計、施工、竣工等任意階段，雖然BIM 建模獲取的人材機能耗與實際情況略有偏差，但是能更加高效、便捷地獲取數(shù)據(jù)，為物化階段碳排放測算打下良好基礎(chǔ)。

裝配式建筑的裝配率不同，分析結(jié)果也不同，但整體上裝配式住宅要比傳統(tǒng)現(xiàn)澆住宅碳排放量少。通過2種構(gòu)造方式住宅物化階段碳排放量對比分析，可以得出裝配式住宅在綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展方面具有更大的優(yōu)勢，其還具有安全、造價低、工期短等優(yōu)點，因此隨著我國各個省市的高質(zhì)量發(fā)展，裝配式住宅將是未來建筑領(lǐng)域發(fā)展的一種趨勢。