重慶地區(qū)裝配式建筑物化階段節(jié)能減排效益分析

何開遠(yuǎn)，曹勇，沈舒?zhèn)?，唐毅，陳潔，劉?/p>

（1 中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039；2 重慶市綠色建筑與建筑產(chǎn)業(yè)化協(xié)會，重慶401147）

0 引言

在我國提出“2030 年碳達(dá)峰，2060 年碳中和”目標(biāo)的背景下，建筑行業(yè)的節(jié)能減排得到極大重視。據(jù)統(tǒng)計，2019 年建筑行業(yè)相關(guān)碳排放量占全社會總碳排放的比例約為38%，其中建筑建造階段占比為16%[1]，建筑成為了直接和間接碳排放的主要責(zé)任領(lǐng)域之一。裝配式建筑憑借“兩提兩減”（提高質(zhì)量、提升效率，減少對用工的依賴以及節(jié)能減排）的優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是實現(xiàn)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一[2]。

目前國內(nèi)學(xué)界已經(jīng)從不同角度對裝配式建筑在節(jié)能減碳方面的貢獻(xiàn)開展了一些研究。陳瑩、朱嬿基于LCA 理論，建立了包含建材生產(chǎn)、施工建造、運(yùn)營維護(hù)和拆除處置整個生命周期的能耗排放計算模型，分析了裝配式建筑相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑在材料、能耗及固廢等排放上的優(yōu)勢[3]。王廣明、文林峰、劉美霞等通過對不同城市的裝配式建筑與現(xiàn)澆建筑進(jìn)行對比分析，形成裝配式建筑定量的增量成本與節(jié)能減排效益數(shù)據(jù)[4]。高宇、李政道等分析得出裝配式建筑材料生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段及施工階段的碳排放占比情況，材料生產(chǎn)階段比例最高，達(dá)88%，運(yùn)輸階段次之，為11%，施工階段僅為1%[5]。

現(xiàn)有研究對裝配式建筑與現(xiàn)澆建筑在物化階段（建材生產(chǎn)、運(yùn)輸及建造階段）節(jié)能減排量的實證分析較少，更缺乏對同一建筑在不同裝配率水平下節(jié)能減排的量化分析?；诖耍疚囊灾貞c地區(qū)量大面廣的裝配式混凝土建筑為研究對象，基于工程量清單數(shù)據(jù)，利用碳排放因子法，建立碳排放測算模型，量化分析不同類型不同裝配率下的建筑節(jié)能減排效益，為今后重慶市裝配式建筑的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

目前在國際學(xué)術(shù)領(lǐng)域，關(guān)于碳排放量的常用計算方法有生命周期評價法（LCA）[6]、實測法[7]、模型法[8]以及排放系數(shù)法，如表1 所示。

表1 碳排放計算方法的對比分析

通過表1 分析可知，生命周期法計算全面，但數(shù)據(jù)可獲得難度較大；實測法結(jié)果最準(zhǔn)確，但需投入較大的人力物力，且計算數(shù)據(jù)缺少代表性；模型法的信息數(shù)據(jù)需求量大，且模型建立難度較高。因此，本文利用排放系數(shù)法，基于工程量清單對裝配式建筑的資源消耗進(jìn)行對比分析，并結(jié)合排放因子法對建筑物化階段碳排放量進(jìn)行計算，量化裝配式建筑的節(jié)能減排效益。

物化階段是建設(shè)產(chǎn)品的形成階段，這一階段產(chǎn)生的碳排放來源包括三個方面，分別是建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸和施工建造階段，對應(yīng)的碳排放邊界范圍與計算公示如表2 所示。

表2 建筑物化階段碳排放計算公式

2 研究對象與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究對象

本次研究選擇高層居住建筑、多層居住建筑、高層公建（醫(yī)院病房樓）、多層公建（中小學(xué)教學(xué)樓）四個典型建筑類型，參考《重慶市裝配式建筑裝配率計算細(xì)則（2021 版）》，設(shè)定50%裝配率和65%裝配率兩種情境，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對比分析。

2.2 工程量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

結(jié)合重慶市山地建筑特點(diǎn)和抗震設(shè)防烈度要求，裝配式建筑案例技術(shù)路線基于“標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化、通用化”的設(shè)計方法，按照“先水平、后豎向，先非承重、后承重”的原則，重點(diǎn)采用預(yù)制內(nèi)隔墻，樓板、樓梯、陽臺板、空調(diào)板等水平構(gòu)件采用預(yù)制構(gòu)件，外圍護(hù)墻預(yù)制圍護(hù)墻與保溫、隔熱一體化，高精度模板施工工藝，全裝修，集成衛(wèi)生間等裝配式技術(shù)。不同類型不同裝配率建筑的技術(shù)與傳統(tǒng)混凝土建筑的技術(shù)差異如表3 所示。

表3 裝配式建筑與傳統(tǒng)混凝土建筑的技術(shù)差異

案例工程量統(tǒng)計表均以單棟樓為例，涵蓋各類建材、機(jī)械用量、人工用量等。同時對不同類型不同裝配率的裝配式建筑材料用量進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上分別對建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸以及施工建造階段的直接碳排放量（不包括間接碳排放）進(jìn)行統(tǒng)計計算。

2.3 碳排放因子數(shù)據(jù)來源

碳排放因子是指將能源及材料消耗量與二氧化碳排放相對應(yīng)的系數(shù)，用于量化建筑物不同階段相關(guān)活動的碳排放[9]。建材碳排放因子優(yōu)先引用國家相關(guān)部門、國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)以及國內(nèi)文獻(xiàn)資料中統(tǒng)計的材料碳排放因子，表4 為按照數(shù)據(jù)來源，材料、能源種類進(jìn)行分類整理應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析中的主要碳排放因子數(shù)據(jù)。

表4 碳排放因子匯總

3 數(shù)據(jù)分析與減排效益

3.1 工程量數(shù)據(jù)分析

為量化分析裝配式建筑的資源用量，本文基于工程量清單數(shù)據(jù)，將不同類型不同裝配率的裝配式建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑對建筑施工材料與建造階段的鋼筋、混凝土、模板、砂漿消耗比例進(jìn)行了統(tǒng)計，如表5 所示。

低裝配率建筑總體上鋼筋用量消耗更大，高層居住建筑增加鋼筋用量最少，約3%左右。增加部分主要包含兩個方面：一是疊合板增加了桁架鋼筋及桁架加強(qiáng)筋，且配筋一般為雙層雙向，提高了含鋼量；二是裝配式預(yù)埋件帶來了鋼材用量增加[5]。但隨著裝配式建筑的規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的提升，鋼制預(yù)埋件部分的鋼筋用量將對應(yīng)下降，且預(yù)制構(gòu)件的工業(yè)化生產(chǎn)也會降低鋼材損耗率。

裝配式建筑相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑，單位面積混凝土用量大，尤其是高層居住建筑混凝土增加用量達(dá)到7%以上。增加的部分主要是由于疊合樓板增加了約30mm 的樓板厚度，導(dǎo)致混凝土消耗量增加。

傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造方式采用的模板是木模板，裝配式建造方式采用的模板大多是鋁模板。根據(jù)表5 所示，裝配式建筑較傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的單位面積模板用量小，尤其是高裝配率的高層居住建筑模板用量節(jié)約比例達(dá)到了86%，減少幅度顯著。減少部分主要包含兩個方面：一是疊合板等預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場施工過程中也可以起到模板的作用，減少了木模板用量；二是預(yù)制構(gòu)件在生產(chǎn)過程中鋁模板的周轉(zhuǎn)可使用次數(shù)要高于木模板。

表5 主要建筑材料用量和節(jié)約比例匯總表

裝配式建筑抹灰砂漿節(jié)約量約45%～55%，砌筑砂漿節(jié)約量約12.42%～33.3%，節(jié)約量隨著裝配率的增加而增加，且裝配式居住建筑砌筑砂漿的節(jié)約量相比于公共建筑有所增加。減少部分主要包含三個方面：一是裝配式建筑非砌筑內(nèi)隔墻采用成品大板，無需砌筑砂漿，且表面平整度較高，刮膩?zhàn)蛹纯?，減少了抹灰砂漿使用；二是裝配式建筑外圍護(hù)預(yù)制墻采用精確蒸壓加氣混凝土砌塊（灰縫≤3mm），與現(xiàn)澆建筑外圍護(hù)墻采用普通蒸壓加氣混凝土砌塊相比，砌塊使用量基本一致，但減少了砌塊間的砌筑砂漿使用量；三是裝配式集成廚衛(wèi)，地面、墻面采用干式工法，也可大幅減少抹灰砂漿使用。

鋼筋 （kg/m2） 51.80 50.42 46.83 -10.61% -7.67%混凝土（m3/m2） 0.32 0.32 0.31 -2.50% -1.67%模板 （m2/m2） 1.62 1.17 2.30 29.53% 49.17%砌筑砂漿 （m3） 30.33 26.44 34.63 12.42% 23.66%多層公建抹灰砂漿 （m3） 37.64 33.60 68.52 45.07% 50.97%

3.2 節(jié)能減排效益分析

3.2.1 物化階段不同裝配率碳減排分析

裝配式建筑的物化階段單位建筑面積碳排放量計算結(jié)果為236.11 ～295.19kgCO2/m2，對不同類型不同裝配率建筑物化階段單位面積碳排放量進(jìn)行橫向比較分析：相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑，低裝配率（50%）建筑在物化階段的單位建筑面積碳減排量約17.16 ～18.38kgCO2/m2，減排比例約6.04%～8.01%；高裝配率（65%）建筑在物化階段的單位建筑面積碳減排量約21.57 ～24.90kgCO2/m2，減排比例約7.59%～8.79%，如圖1所示。由此可以看出，裝配式建筑相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑，在建筑物化階段存在一定程度的節(jié)能減排效果，且隨著裝配率的提升而增加。

圖1 裝配式建筑物化階段碳排放量

3.2.2 建筑不同階段碳排放量占比分析

根據(jù)縱向比較建筑在不同階段的碳排放量可知，在建筑物化過程中建材生產(chǎn)階段碳排放量最高，占比達(dá)85%以上；其次是現(xiàn)場施工階段，占比為6%～9%；建材運(yùn)輸階段碳排放占比為5%～6%（表6）。

表6 裝配式高層居住建筑不同階段的碳排放量計算結(jié)果

建材運(yùn)輸 14.27 13.96施工建造 18.71 16.81物化階段合計 252.15 250.00

以裝配式高層居住建筑不同階段的碳排放量計算結(jié)果為例，不同裝配率情境下單位面積碳排放量約250.0 ～252.15kgCO2/m2，其中建材生產(chǎn)階段的碳排放量占比約86.92%～87.69%，如圖2 所示。因此建材生產(chǎn)階段減排潛力較大，可通過深化設(shè)計方案，合理選用具有低碳排放因子的綠色建材，以減少裝配式建筑物化階段碳排放量。

圖2 裝配式高層居住建筑不同階段碳排放量占比

3.2.3 建筑施工階段碳減排分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13]顯示，裝配式建筑相較于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑，在現(xiàn)場施工階段有較大的節(jié)能減排優(yōu)勢。經(jīng)測算，裝配率在50%情境下，單位建筑面積碳排放量為17.92 ～19.09kg/m2，相比于傳統(tǒng)建筑的減排比例約為12.17%～24.72%；裝配率在65%情境下，單位建筑面積碳排放量16.11 ～17.26kg/m2，減排比例約為21.07%～33.2%，如圖3 所示。建筑施工階段的碳排放來源主要包含施工機(jī)械、模板、施工用水，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)建筑，裝配式建筑的施工機(jī)械的碳減排比例約為5.6%～21.0%，施工用水的碳減排比例約為25.0%～40.1%，模板的碳減排比例約為86.87%～97.83%。

圖3 施工階段碳排放量數(shù)據(jù)圖

3.2.4 不同類型的裝配式建筑碳減排分析

總體上，高層建筑因標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化程度高，碳減排效果比多層建筑減排明顯，多層的單位面積碳減排量比高層減少了8.36%～25.56%。在同等裝配率情境下，高層建筑減排效果相近，尤其是高裝配率情境下，高層公共（醫(yī)療）建筑碳減排量最高，單位面積碳排放量減少24.90kg/m2。而多層公共（中學(xué)）建筑的碳減排量最低，高裝配率的多層公共（中學(xué)）建筑單位面積碳排放量減少21.57kg/m2，如圖4 所示。因此可以看出，高層建筑采用裝配式后，節(jié)能減排效果更加明顯，即裝配式建筑在標(biāo)準(zhǔn)層多及模數(shù)化高的建筑中優(yōu)勢突出，節(jié)能減排效益更明顯。

圖4 不同類型的裝配式建筑單位面積碳減排量

4 結(jié)論

通過對裝配式混凝土建筑的物化階段節(jié)能減排效益的研究，得出如下結(jié)論：

（1）裝配式建筑物化階段碳排放量為236.11～295.19kgCO2/m2，較傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)體系，低裝配率（50%）建筑減排比例約為6.04%～8.01%，高裝配率（65%）建筑減排比例約為7.59%～8.79%，節(jié)能減排效果隨著裝配率提升而增加，且裝配式高層建筑的節(jié)能減排效果更加突出；

（2）裝配式建筑建材生產(chǎn)階段的碳排放量最高，占比高達(dá)85%以上；其次是現(xiàn)場施工階段，約占6%～9%；建材運(yùn)輸階段碳排放占比5%～6%；

（3）較傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑，裝配式建筑的混凝土、鋼筋用量略微增加，但模板、砂漿用量大幅減少，其中抹灰水泥砂漿節(jié)約比例達(dá)到40%以上，砌筑水泥砂漿節(jié)約比例可達(dá)10%～30%，且節(jié)約量隨著裝配率的提高而增加；

（4）建材生產(chǎn)階段碳減排潛力較大，可通過深化設(shè)計方案，合理選用具有低碳排放因子的綠色建材，以減少裝配式建筑物化階段碳排放量。

裝配式混凝土建筑較傳統(tǒng)的混凝土建筑節(jié)能減排效益明顯，但目前仍處于發(fā)展初期，還面臨市場的參與度不高、建設(shè)單位積極性不強(qiáng)、技術(shù)路線不夠優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)配套及產(chǎn)業(yè)鏈不夠齊全等問題，需后續(xù)出臺相關(guān)的政策、管理文件、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)配套等，以更好支撐裝配式建筑的健康發(fā)展。