混凝土桥和钢桥全寿命周期生态环境评价

王 琼

(同济大学桥梁工程系，上海 200092)

土木工程活动是人类作用于生态环境最重要的生产活动之一，也是消耗自然资源最大的生产活动之一。用于土木工程的材料，其生产、加工、运输、组装和建成后维持其功能必须的资源和能源，还有建筑在使用和拆除过程中产生的污染废弃物的处理等等，都对周围生态环境产生极大的影响。因此，土木工程作为国民经济的支柱产业，既要大力发展，以满足经济、社会发展的需要，又要注重环境保护、资源节约，推行可持续发展战略［1］。

桥梁工程作为土木工程的重要一支，同样需要关注环境问题，分析桥梁建设对生态环境的影响［2］。在桥梁建设中，最常见的两种建筑材料就是钢材和混凝土。在实际应用中，桥梁工程人员普遍接受这种概念，大跨径桥梁做钢桥经济，小跨径桥梁做混凝土桥经济。而对于中等跨径桥梁两者的差异并不显著。特别在桥梁方案比选时，对于使用混凝土还是钢材，设计工程师常常难以取舍［3，4］。一方面，混凝土的价格低廉，建成后的维修养护比较低，但是混凝土桥相对笨重，回收利用率低，材料抗拉强度很小，当其跨径增大以后，由于其材料本身的局限性，实际并不经济。另一方面，钢材可以回收利用，拉压强度都比较高，体态轻盈，能够轻松满足大跨径桥梁的需求，但是其一次建设费用比较高，而且建成后需要定期养护。所以，对于中等跨径，既可以采用混凝土又可以采用钢材建设的梁桥，研究哪种建筑材料在生态环境方面更占优势，有一定的意义。同时，这方面的研究也可以为桥梁的设计人员在面临桥梁方案比选时提供一个指导性建议。

1 全寿命周期评价

1990年国际环境毒理学和化学学会(SETAC)对全寿命周期评价(Life Cycle Assessment)的定义为:“全寿命周期评价是一种通过对产品、生产工艺及活动的物质、能量的利用及造成的环境排放进行量化和识别而进行环境负荷评价的过程;是对评价对象能量和物质消耗及环境排放进行环境影响评价的过程;也是对评价对象改善其环境影响的机会进行识别和评估的过程［5］。”全寿命周期环境评价包括产品、工艺过程或活动的整个阶段，即原材料的开采、加工，产品的制造、运输、分配使用、重新利用、维持、循环以及最终处理。1993年，SETAC提出的LCA方法论框架，将全寿命周期生态环境评价的基本结构归纳为四部分:目标和范围的界定、清单分析、影响评价和改善评价。全寿命周期评价的第一步是确定研究目的与界定研究范围，这一部分包括研究目的、范围、功能单位的确定和结果的质量保证程序。清单分析是全寿命周期评价基本数据的一种表达，是进行全寿命周期影响评价的基础。它包括为实现特定的研究目的对所需数据的收集，它基本上是一份关于所研究系统的输入和输出的数据清单。全寿命周期影响评价是将全寿命周期清单分析得到的各种排放物对现实环境影响进行定性定量的评价，即确定产品系统的物质、能量交换对其外部环境的影响，这是全寿命周期评价最重要的阶段，也是最困难的阶段。最后全寿命周期改善评价的作用就在于能通过产品工艺或活动的全寿命周期中物质和能量的输入、输出的考察和分析，提出一些资源消耗和污染排放的改进措施，以利于减少环境污染负荷和资源消耗。

2 生态环境评价指标

适应于桥梁的全寿命周期中的物质和能量的输入及输出，归纳评价指标为三个方面:资源消耗、能源消耗和碳排放。

2.1 资源消耗

资源消耗就是建筑所用建筑材料在生产过程中消耗的天然矿产资源的数量，是依据生产单位建材所需的各种原材料的实际数量的总和。

以全寿命周期的观点，计算建筑材料资源消耗、能源消耗和碳排放时必须考虑建筑材料的可再生性。材料的可再生性指材料受到损坏，但经加工处理后可作为原料循环再利用的性能。对于钢材，钢筋与型钢具备可再生性，其可回收系数见表1［6］。而混凝土则不具备这个性能。考虑再生利用性后的资源消耗可用式(1)计算。对于混凝土和钢材的单位资源消耗计算结果见表2。

资源消耗=单位建材资源消耗量×(1－可回收系数)(1)

表1 可再生材料的可回收系数

表2 单位建材资源消耗量 t/t

2.2 能源消耗

从全寿命周期评价“从摇篮到坟墓”的理念，能源消耗指标应包括建筑全寿命周期的每个阶段，每个阶段能源消耗主要分为建筑材料的内在能源和机械设备消耗。建筑全寿命周期的能源总能耗可用式(2)表示:

建材生产能耗Emanu是单位建筑材料生产过程中消耗的能量，包括开采原材料以及原材料加工生产过程中使用的化石燃料以及其他形式的能源消耗的总和。考虑建材的可回收性能，其能源消耗可用式(3)计算。

能源消耗=单位建材生产能耗×(1－可回收系数)+

查阅资料，我国回收钢材重新加工的能耗约为其原始生产能耗的20%～50%，这里取为40%计算，得到考虑可回收后混凝土和钢材的单位建材生产能源消耗结果见表3。建造施工能耗Econs是建筑在建造施工阶段消耗的能源，主要来自施工机械的能源消耗和材料运输的能源消耗。其计算方法为:

其中，j为采用施工方法的种类数;pj为每种施工方法的工作量;Pj为该种施工方法的单位能耗;i为建筑物所使用的建材种类数;mi为不同建材的使用量;Di为不同建材的运输距离;Ti为不同运输方式单位建材的能耗。不同施工方式的单位能耗如表4所示，不同建材运输方式的单位能耗如表5所示［7］。

表3 单位建材能源消耗量

表4 建筑物不同施工方式的单位能耗

表5 单位建材的运输能耗

使用能耗Eserv是建筑在正常使用阶段产生的能耗，主要是内部机电消耗的能源。由于桥梁的特殊性，这一阶段的能耗可以忽略不计。

拆除处置能耗Edisp是建筑在其寿命终期，使用机械拆除，并对拆除的废建材进行处置时消耗的能源。本阶段与建筑建造施工阶段类似，其能源消耗也可以分解为不同的施工方式和废建材的运输。由于我国建筑拆除处置所使用能耗的数据十分匮乏，参考日本建筑学会AIJ-LCA的数据，估计本阶段的能源消耗约为新建施工阶段能耗的10%［8］。

2.3 碳排放

在建筑物的全寿命周期各阶段中，能量消耗中燃料燃烧后废弃物的排放所引起的环境污染是最为严重的，它涉及到温室效应、大气污染、水污染等。我国大部分能源是以燃烧矿物燃料或固体燃料获取的，所以温室效应可以以碳排放量为指标，以CO2作为基准，其他污染物根据其造成温室效应的影响，折算为CO2当量来衡量。其折算因子如表6所示。单位建材开采生产的污染物环境排放如表7所示［9，10］。建材生产阶段考虑可回收性能时，其碳排放可用式(5)计算，回收再生产的碳排放取为原碳排放的40%。

建材碳排放=单位建材碳排放×(1－可回收系数)+

其他阶段的碳排放主要是能源获取时燃烧煤、燃料油或天然气所产生的。因此其排放量可以根据各阶段的能源消耗来简单估算。由于其他阶段的能源消耗主要为建造施工过程的消耗，而施工中消耗的大多是燃料油，所以采用燃料油的热值和其燃烧排放的CO2来计算，为86 kg/GJ。

表6 污染物的碳当量折算因子

表7 单位建材开采生产的污染物排放

3 算例

3.1 简支梁桥

两座跨径40 m的简支梁桥，桥宽11.5 m，荷载标准为公路—1级。一座使用预应力混凝土建造，采用T梁截面，主梁高度2.1 m，宽度2.3 m。另一座使用钢材建造，采用悬臂式双箱结构，箱体高度2 m，宽度3 m，间隔2 m。代入数据，分别计算它们的全寿命周期资源消耗、能源消耗和碳排放指标，其全寿命周期生态环境评价结果如表8所示，绘制两座桥的三个指标比较图如图1所示。

表8 40 m跨径简支梁桥的全寿命周期生态环境评价

图1 40 m跨径简支混凝土桥与钢桥全寿命周期生态环境评价指标比较

3.2 连续梁桥

连续梁桥，桥宽33.1 m，荷载标准为公路—1级。一座使用混凝土建造，跨径118m。主梁采用单箱单室分幅变梁高预应力混凝土连续刚构，梁高4.0 m～6.5 m，线性变化，变化段长度30 m。箱梁顶板宽16.05 m，厚30 cm～50 cm，底板厚30 cm～80 cm，腹板厚50 cm～90 cm。另一座使用钢材建造，跨径110 m。主梁采用单箱双室整幅等梁高箱箱梁，梁高4.5 m，顶板挑臂的长度为5.5 m，横肋间距2.5m，实腹式横隔板间距10m。由于跨径接近，将混凝土桥的数据按跨径换算为110 m，以方便与钢桥的数据作比较。代入数据，分别计算它们的全寿命周期资源消耗、能源消耗和碳排放指标，其全寿命周期生态环境评价结果如表9所示，绘制两座桥的三个指标比较图如图2所示。

表9 110 m跨径连续梁桥的全寿命周期生态环境评价

4 结语

本文提出了采用资源消耗、能源消耗和碳排放作为全寿命周的桩长。在确定桩径、桩长时，应充分考虑填土层分布较厚地段，回填土层对桩侧摩阻力的不利影响(如对桩基的负摩阻问题)。

5 结语

1)填土勘察应注重前期调查，并针对不同的建(构)筑物特点、施工工法，重点查明填土的不良特性。2)本文阐述了某填土区域的填土物质组成、平面分布、厚度分布以及工程特性，为填土地基处理设计提供了充分的依据。3)在填土地基处理上，应根据施工方法，结合技术、经济以及环境影响等多方面因素，综合考虑，选取合理的处理方法。

［1］张宏伟.填土地基勘察与评价［J］.山西建筑，2008，34(18):113-114.

［2］GB 50307-2012，城市轨道交通岩土工程勘察规范［S］.

［3］黄昌乾，张建青，陈昌彦.人工填土的勘察与评价［J］.工程勘察，2010(S1):187-191.

［4］苏志刚，郭明田，李海坤.北京地区杂填土场地岩土工程勘察探讨［J］.工程勘察，2008(S2):34-36.

［5］李志忠.杂填土地基处理方法比较与择定［J］.山西建筑，2009，35(25):142-143.