建筑材料隱含環(huán)境影響評估

黃蓓佳, 趙 鳳, 趙 娟, 印 月, 許照瑩, 谷超群, 陳 嫻

1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院, 上海 200093 2.上海理工大學(xué)環(huán)境與低碳科學(xué)研究中心, 上海 200093

建筑材料隱含環(huán)境影響評估

黃蓓佳1,2, 趙 鳳1,2, 趙 娟1,2, 印 月1, 許照瑩1, 谷超群1, 陳 嫻1,2

1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院, 上海 200093 2.上海理工大學(xué)環(huán)境與低碳科學(xué)研究中心, 上海 200093

我國建筑業(yè)快速發(fā)展，建筑開發(fā)使用大量的建筑材料給資源和環(huán)境帶來嚴(yán)重負(fù)荷. 以上海市為案例，運用生命周期評價方法，基于北京工業(yè)大學(xué)和Ecoinvent數(shù)據(jù)庫中的建筑材料生產(chǎn)數(shù)據(jù)，采用ReCiPe法對上海市建筑物的材料隱含環(huán)境影響進(jìn)行評估，并對未來的環(huán)境影響潛值進(jìn)行預(yù)測. 結(jié)果表明：在上海市居住建筑和非居住建筑所產(chǎn)生的各類環(huán)境影響中人類毒性、金屬損耗最為突出，約占總環(huán)境影響的45%和20%；環(huán)境影響主要來源于鋼筋和木材的生產(chǎn)，對各類環(huán)境影響貢獻(xiàn)度分別約為47%、17%；高層居住建筑和非居住建筑中的工廠建筑物化環(huán)境影響在各自類型中所占比例最高. 按現(xiàn)有趨勢發(fā)展，2020年上海市居住建筑開發(fā)規(guī)模和環(huán)境影響潛值均將達(dá)到2014年的1.52倍，非居住建筑則可達(dá)到2014年的1.14倍. 針對上海市建筑材料環(huán)境影響分析結(jié)果，為有效減輕上海市建筑物的環(huán)境影響，需重點關(guān)注鋼筋、鋁材、木材以及混凝土的生產(chǎn)，識別生產(chǎn)過程中污染物轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)進(jìn)而改進(jìn)工序；在設(shè)計階段考慮選擇環(huán)境影響負(fù)荷低的綠色建材，如混凝土砌塊、高性能混凝土等，從而降低環(huán)境影響；同時，應(yīng)重點關(guān)注隱含環(huán)境負(fù)荷高的高層居住和工廠建筑類建筑，通過降低建材使用量等方案降低環(huán)境影響.

建筑材料; 環(huán)境影響; 上海; 居住建筑; 非居住建筑

建筑活動是人類對自然資源、環(huán)境影響最大的活動之一[1]. 建筑過程使用的鋼材(鋼筋、鋼板)、水泥、混凝土、磚塊及木材等基礎(chǔ)建筑材料均是高能耗、高污染的產(chǎn)品，建筑材料生產(chǎn)過程中的環(huán)境負(fù)荷在建筑物整體環(huán)境負(fù)荷中占有相當(dāng)大的比例. 自20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)外學(xué)者開始進(jìn)行建筑LCA的研究[2-4]并主要針對建筑物生命周期的能源消耗和環(huán)境影響進(jìn)行研究. 研究表明，建筑生命周期中20%的能耗以及環(huán)境影響來自于建筑材料[5]，建筑環(huán)境影響主要集中于水資源消耗、金屬污染和全球氣候變暖[6-7]. 近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始基于生命周期評價對于建筑物進(jìn)行案例研究[8-10]，評價了不同建筑材料[11-12]、不同的生產(chǎn)工藝或技術(shù)[13]、不同的建筑結(jié)構(gòu)[14-15]的環(huán)境影響. 目前，對于建筑物環(huán)境影響研究開始從案例研究轉(zhuǎn)向區(qū)域建筑環(huán)境影響的研究[16-17]. Tanikawa等[18]利用4D-GIS技術(shù)對日本建筑材料的消耗量及建筑環(huán)境影響進(jìn)行調(diào)研分析. CHANG等[19]基于投入產(chǎn)出生命周期評價(I-O LCA)方法，評估了中國建筑行業(yè)整體的能源消耗以及CO2、NOx等環(huán)境污染物的排放. HE等[20]基于LCA方法對2010年中國城鎮(zhèn)住宅物化環(huán)境影響進(jìn)行了評價，并利用情景分析方法探討了2020年中國城鎮(zhèn)住宅建筑的環(huán)境排放. 根據(jù)建筑物和建筑材料LCA的研究現(xiàn)狀和成果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的研究內(nèi)容具有如下特點：①多集中于建筑和建材的能源消耗和碳排放的評估核算，針對其他類型環(huán)境影響鮮見報道；②以城市為尺度的，針對不同類型建筑物以及建材消耗量所帶來的環(huán)境影響分析仍待探索.

上海作為世界最具影響力的國際大都市，城市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，面臨人口和資源環(huán)境的壓力. 根據(jù)上海統(tǒng)計年鑒(2014)[21]，上海建筑行業(yè)2005—2014年新建筑面積增加1倍. 據(jù)統(tǒng)計，2014年上海市的各類建筑物的建材使用量占自然資源使用總量的41%. 在城市迅速發(fā)展的背景下，評估當(dāng)前建材使用的環(huán)境影響，尋求降低建筑物生命周期的環(huán)境影響途徑，減緩城市建設(shè)發(fā)展與環(huán)境的矛盾，是迫切需要解決的問題. 該研究首先根據(jù)上海市的地理位置分析了各類型建筑的建材消耗水平，其次基于本地化建材生產(chǎn)清單進(jìn)行建材生產(chǎn)環(huán)境影響分析，并對上海市未來建筑發(fā)展下的建材隱含環(huán)境影響進(jìn)行了預(yù)測. 該研究的討論有助于了解城市快速建設(shè)中建筑材料所隱含的環(huán)境影響特征，包括各類型建筑間隱含環(huán)境影響的差異，不同年份下的建材隱含環(huán)境影響變化規(guī)律及趨勢，以期為有效控制建筑業(yè)的環(huán)境影響提供科學(xué)依據(jù).

1 研究思路和數(shù)據(jù)來源

以上海市為研究對象，運用生命周期評價[22]方法，采用ReCiPe法[23]對上海市不同建筑物的材料物化環(huán)境影響評估. 并且，依據(jù)上海市建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢[24]，預(yù)測了上海市2020年居住建筑和非居住建筑的環(huán)境影響潛值. 研究過程如圖1所示.

圖1 建筑物環(huán)境影響研究過程Fig.1 The study process of environmental impact of buildings

建材生產(chǎn)階段的環(huán)境影響是建筑物生命周期階段中最主要的環(huán)境影響，該研究在研究建筑物的環(huán)境影響過程中，僅針對建筑物整個生命周期中建材生產(chǎn)階段的環(huán)境影響進(jìn)行分析，即評估建筑物材料隱含的環(huán)境影響. 建筑物主要使用的11類建筑材料[11,21]：鋼筋、鋁材、水泥、混凝土、木材、磚塊、沙子、石材、石灰、玻璃以及瓷磚. 根據(jù)上海市統(tǒng)計年鑒[21]，將此次研究的上海市建筑物類型分為居住建筑的低層建筑、多層建筑、高層建筑，以及非居住建筑的工廠、教學(xué)樓、倉庫堆棧、辦公樓、商場店鋪、醫(yī)院、旅館及其他.

為定量評估上海市建筑物的材料物化環(huán)境影響，結(jié)果以環(huán)境影響潛值表示，包括氣候變化、地表酸化、光化學(xué)氧化劑、顆粒物的形成、臭氧層破壞、電離輻射、淡水富營養(yǎng)化、海洋富營養(yǎng)化、人類毒性、淡水生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性、陸地生態(tài)毒性、化石燃料消耗以及金屬損耗15種環(huán)境影響類別. 該研究選用2014年上海市建筑作為研究對象. 研究數(shù)據(jù)來自于北京工業(yè)大學(xué)的建筑材料生產(chǎn)數(shù)據(jù)、Ecoinvent建筑材料生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及上海統(tǒng)計年鑒等.

2 清單分析

2.1 建材消耗清單分析

不同類型建筑物建材消耗量的影響因素主要是地理位置、建筑結(jié)構(gòu)、建筑高度、建筑造型等[25]. 在對上海市建筑物調(diào)查時，綜合考慮以上因素，主要根據(jù)上海建設(shè)工程造價信息數(shù)據(jù)庫[26]，居住建筑及非居住建筑的建材用量結(jié)合國內(nèi)其他學(xué)者的調(diào)研結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計[27-29]，分析上海市不同類型建筑建材消耗量清單. 在對2014年上海市新增建筑面積調(diào)研時，以年增加的建筑面積為量化指標(biāo)(即當(dāng)年的建筑竣工面積)，數(shù)據(jù)來源于上海統(tǒng)計年鑒(2014)[21]. 上海市建筑物材料消耗清單可表示為

(1)

式中：Mj為第j種建筑材料消耗總量，kg；B為不同建筑物的竣工面積，m2；Cj為第j種建筑的建材密度，kgm2.

2.2 建材生產(chǎn)清單分析

在建筑材料生產(chǎn)階段環(huán)境影響評價中原材料的開采、運輸和生產(chǎn)過程的環(huán)境影響清單不可或缺[30]. 建筑材料的生產(chǎn)清單來自北京工業(yè)大學(xué)的建筑材料生產(chǎn)數(shù)據(jù)、Ecoinvent建筑材料生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的國內(nèi)數(shù)據(jù)清單. 采用ReCipe法對建筑材料生產(chǎn)的量化分析. ReCiPe法是將Eco-indicator和CML結(jié)合于一體的LCA分析方法[31-32]，用特征化因?qū)CI歸結(jié)為18種環(huán)境影響類別(該研究選用其中的15種).

單位建筑材料的環(huán)境影響分兩步計算：

第1步：量化環(huán)境影響特征值[33]，目前，ReCiPe中各類環(huán)境影響已經(jīng)建立了統(tǒng)一的當(dāng)量模型，借鑒其中的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立建材生產(chǎn)中環(huán)境污染物中的特征化因子，各種環(huán)境影響特征值，可以根據(jù)式(2)計算：

(2)

式中，CS(x)為單位建材中第x種環(huán)境影響值特征化結(jié)果，CS(x)i為第i種脅迫因子對第x種環(huán)境影響特征值，Q(x)i為第i種建材生產(chǎn)中脅迫因子排放量，CSF(x)i為第i種脅迫因子對第x種環(huán)境影響特征化因子.

第2步：環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化分析[34]. 經(jīng)過以上計算得到環(huán)境影響特征值，標(biāo)準(zhǔn)化的目的就是要消除各環(huán)境影響結(jié)果在量綱和級數(shù)上的差異，環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果直接反映了所研究的系統(tǒng)造成潛在環(huán)境影響的相對大小，從而分析出單位建材主要的環(huán)境影響. 可以根據(jù)式(3)計算：

NS(x)=CS(x)Rx

(3)

式中，NS(x)為單位建材中第x環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化值，Rx為第x種環(huán)境影響類別標(biāo)準(zhǔn)化因子.

單位建筑物的物化環(huán)境影響潛值可以根據(jù)式(4)計算，2014年上海市建筑物的物化環(huán)境影響潛值可以根據(jù)式(5)計算：

(4)

(5)

式中，EIs(x)為單位面積建筑物的第x種環(huán)境影響潛值，EIb(x)為2014年上海市建筑物的物化環(huán)境影響潛值，NS(x)j為第j類建材的第x環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化值.

3 建筑物的材料物化環(huán)境影響評價

3.1 單位建筑面積物耗及物化環(huán)境影響分析

根據(jù)上海市單位面積的居住建筑和非居住建筑建材用量統(tǒng)計結(jié)果，不同類型建筑的建材密度差距較大，如圖2所示. 不同類型建筑的建材使用量差別非常大的原因是與建筑物本身的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)強度以及建筑所要求的性能有關(guān)，其中居住建筑中低層建筑的建材消耗量最大，略高于高層建筑. 非居住建筑中，其他類型的建筑物建材消耗量最高. 在不同類型建筑建造過程中，對于鋼筋、水泥、混凝土、磚塊、石材、沙子這六類建材的需求量較大. 在建造過程中混凝土消耗量最大，約占總耗材質(zhì)量的60%.

根據(jù)不同類型建筑物的建材消耗量數(shù)據(jù)清單，計算出單位面積居住建筑和非居住建筑的環(huán)境影響潛值. 從圖3可以看出，居住建筑和非居住建筑所產(chǎn)生的主要環(huán)境影響是人類毒性、化石消耗燃料、金屬損耗、顆粒物的形成以及氣候變化. 在各類建筑物的環(huán)境影響中人類毒性最為突出，約占總環(huán)境影響的45%；其次是金屬損耗，約占20%. 單位面積非居住建筑環(huán)境影響潛值的平均值大于居住建筑. 非居住建筑中旅館的環(huán)境影響潛值最大為5.08，其次是醫(yī)院為4.21. 居住建筑所產(chǎn)生的環(huán)境影響高層建筑最高，環(huán)境影響潛值為2.48.

結(jié)合已有研究[10-11,25]以及建材生產(chǎn)的輸入輸出清單計算發(fā)現(xiàn)，在建材生產(chǎn)的全生命周期中，生產(chǎn)每kg的鋼筋、鋁材、混凝土、木材、玻璃以及瓷磚所造成的環(huán)境影響較大，鋁材對于各類環(huán)境影響貢獻(xiàn)度平均約占43%，其次是木材，約占25%，鋼筋約占17%.

圖2 單位面積建筑建材消耗量Fig.2 The building materials consumption of buildings of per square meter

圖3 單位面積建筑物的環(huán)境影響Fig.3 Environmental impact of buildings of per square meter

結(jié)合建材的消耗量和生產(chǎn)單位建材的環(huán)境影響，分析單位建筑物的材料物化環(huán)境影響貢獻(xiàn)度，結(jié)果如圖4所示，鋼筋的使用對于各類環(huán)境影響貢獻(xiàn)度約占47%，造成的主要環(huán)境影響是金屬耗損；其次是木材，約占17%，環(huán)境影響主要是化石燃料消耗和顆粒物的形成；混凝土約占9%，帶來的主要環(huán)境影響為淡水富營養(yǎng)化和淡水生態(tài)毒性.

因此，降低建筑和建材的環(huán)境影響可采取以下措施：建筑物的建材消耗是建筑產(chǎn)生環(huán)境影響的主要因素，重點關(guān)注鋼材、鋁材、木材以及混凝土的生產(chǎn)，識別生產(chǎn)過程中污染物轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)進(jìn)而改進(jìn)工序；可在設(shè)計階段考慮選擇其他替代綠色建材[27]，如混凝土砌塊、高性能混凝土、無機保溫砂漿等，從而降低環(huán)境影響；推廣綠色建筑建材生命周期評價方案，從生命周期的角度考慮建材的生產(chǎn)，在生產(chǎn)的過程中減輕環(huán)境污染.

3.2 不同類型建筑物環(huán)境影響

2014年上海市不同類型建筑物竣工面積及所占比例如表1所示，該建筑竣工面積包括了上海周邊各縣. 建筑物的材料隱含的環(huán)境影響如圖5所示. 表1顯示，居住建筑中的高層建筑開發(fā)竣工遠(yuǎn)高于其他類型的建筑，占總建筑開發(fā)的42.93%；同時，高層居住建筑各類建材消耗量約占全年建材消耗總量的一半，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型建筑的開發(fā). 在對全年建筑隱含環(huán)境影響潛值計算結(jié)果(見圖5)發(fā)現(xiàn)，高層居住建筑和工廠及其他類型的非居住建筑占全年建筑物化環(huán)境影響的42%、18%、15%. 上海居住建筑的環(huán)境影響潛值為6.47×107，非居住建筑為5.25×107. 表明需要重點關(guān)注高層居住和工廠建筑開發(fā)，采用綠色建材，改進(jìn)施工工藝，減少單位建筑面積建材的消耗量. 對于其他類型的非居住建筑需要針對性調(diào)研，合理規(guī)劃.

圖4 建筑材料環(huán)境影響Fig.4 Environmental impact of building materials

圖5 2014年上海市居住建筑和非居住建筑的環(huán)境影響Fig.5 The environmental impact of Shanghai′s residential & non-residential buildings in 2014

表1 2014年上海市不同類型建筑物竣工面積及所占比例

3.3 建筑環(huán)境影響回顧與預(yù)測

根據(jù)2014年上海市統(tǒng)計年鑒[21]，至2014年底上海市居住面積達(dá)611km2，非居住建筑面積達(dá)185 km2. 從增長速度來看，2005—2010年建筑面積增加最快. 根據(jù)上海市建筑業(yè)發(fā)展趨勢[24,29]，預(yù)計2014年之后，居住建筑面積年增加約12 km2，非居住建筑面積年增加約16 km2.

居住建筑和非居住建筑環(huán)境影響潛值預(yù)測結(jié)果如圖6所示. 按現(xiàn)有趨勢發(fā)展，2020年上海市居住建筑開發(fā)規(guī)模和環(huán)境影響潛值均將達(dá)到2014年的1.52倍，非居住建筑則將達(dá)到2014年的1.14倍. 2020年，居住建筑物的材料隱含環(huán)境影響潛值將是非居住建筑的1.6倍左右. 從增長速度來看，2005—2010年建筑面積增加最快，在此階段上海環(huán)境影響增加最為顯著. 根據(jù)建筑材料隱含的潛在環(huán)境影響以及2014年上海市居住建筑和非居住建筑環(huán)境影響分析，預(yù)計2014—2020年建筑環(huán)境影響潛值主要是人類毒性、金屬損耗、化石燃料消耗、顆粒物的形成以及氣候變化這五類，其中人類毒性及金屬損耗最為突出. 預(yù)計2020年之后，建筑市場開始趨于飽和，建筑面積增加減緩，相應(yīng)地各類環(huán)境影響增幅減緩. 結(jié)果表明，由于近十多年居住建筑的大量興建，居住建筑的環(huán)境排放量遠(yuǎn)大于非居住建筑，有必要探尋居住建筑的建筑材料的節(jié)約途徑；未來的建筑環(huán)境影響主要是人類毒性、金屬損耗、化石燃料消耗、顆粒物的形成以及氣候變化，為了控制這些環(huán)境影響，應(yīng)重點控制鋁材、木材、鋼筋的消耗.

圖6 居住建筑和非居住建筑環(huán)境影響潛值(2000—2020年)Fig.6 The environment impact potential of non-residential & residential buildings (2000-2020)

4 結(jié)論

a) 上海市建筑極度開發(fā)帶來建材大量消耗，對于鋼筋、水泥、混凝土、磚塊、石材、沙子這六類建材的需求量比較大. 在建造過程中混凝土消耗量最大，約占總耗材量的60%.

b) 上海市非居住建筑和居住建筑所產(chǎn)生的主要環(huán)境影響是人類毒性、化石消耗燃料、金屬損耗、顆粒物的形成以及氣候變化. 在各類建筑物的環(huán)境影響中人類毒性最為突出，約占總環(huán)境影響的45%；其次是金屬損耗，約占20%.

c) 上海市2014年建筑隱含環(huán)境影響結(jié)果表明，高層居住建筑和工廠及其他類型的非居住建筑占全年建筑物化環(huán)境影響的42%、18%和15%. 上海居住建筑的環(huán)境影響潛值為6.47×107，非居住建筑為5.25×107.

d) 按現(xiàn)有趨勢發(fā)展，2020年上海市居住建筑開發(fā)規(guī)模和環(huán)境影響潛值均將達(dá)到2014年的1.52倍，非居住建筑則達(dá)到2014年的1.14倍. 為了控制環(huán)境影響，應(yīng)重點控制鋁材、木材、鋼筋的消耗.

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Embodied Environmental Impact of Building Materials

HUANG Beijia1,2, ZHAO Feng1,2, ZHAO Juan1,2, YIN Yue1, XU Zhaoying1, GU Chaoqun1, CHEN Xian1,2

1.School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China 2.Environment and Low-Carbon Research Center, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

With the rapid development of China′s construction industry, the tremendous consumption of building materials heavily threatens resources and the environment. Thus, it is necessary to identify resource consumption characteristics and environmental impact situation of different types of buildings. Shanghai was selected as the target in the present study. Based on the inventory of construction materials from Beijing University of Technology and Ecoinvent database, the embodied environmental impact of building materials was evaluated and forecasted by using the ReCiPe method. The results showed that the main environmental impacts resulting from building material production is human toxicity and metal depletion, accounting for 45% and 20% of the total environmental impact respectively. Steel bar and wood appears as the two highest environmental burden materials, contributing around 47% and 17% for diverse environment impacts. An assessment for the building construction in Shanghai in 2014 indicated that the high-level dwelling buildings and factory buildings had the most severe embodied environmental impact. According to the rapid development trend of construction, by 2020, the embodied environmental impact of residential buildings is predicted to be 1.52 times that of 2014, and non-residential buildings is 1.14 times. In order to reduce the embodied environmental impact of buildings, measures for reducing the environmental pollution for producing steel, cement, aluminum and wood should be explored. Environmentally-friendly materials such as aerated concrete blocks, high performance concrete and inorganic thermal insulation mortar should be considered. Besides, since the construction of high-rise residential buildings and factory buildings is tremendous, it is especially necessary to explore measures for saving building materials for them.

building materials; environmental impact; Shanghai; residential buildings; non-residential buildings

2016-10-01

2017-02-19

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(71403170)

黃蓓佳(1984-)，女，浙江義烏人，副教授，博士，主要從事低碳與可持續(xù)發(fā)展研究，ywhbjia@163.com.

X799.1

1001- 6929(2017)06- 0929- 08

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.14

黃蓓佳,趙鳳,趙娟,等.建筑材料隱含環(huán)境影響評估[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(6):929- 936.

HUANG Beijia,ZHAO Feng,ZHAO Juan,etal.Embodied environmental impact of building materials [J].Research of Environmental Sciences,2017,30(6):929- 936.