预制构件生产阶段碳排放数据库系统设计

毛 超，袁 甜，刘贵文，洪竞科，徐鹏鹏，傅 晏

（重庆大学 管理科学与房地产学院，重庆 400045，E-mail：maochao1201@126.com）

长期以来，碳排放是造成全球气候变暖的一个重要因素。2009年《建筑与气候变化》（联合国环境署公布）报告指出，全球能源消耗的 30%~40%产生于建筑业，全球温室气体排放的1/3与之相关[1]，这一比例占到工业和交通业总和的一半以上[2]，因此，建筑业是目前发展循环经济，应对全球气候变暖应关注的行业之一。

作为应对气候变化的新型手段，碳标识通过将产品或服务的碳信息直观清晰地揭露出来，可以帮助组织评估产品在全生命周期产生的碳排放[3]，并通过创造一个对企业的节能减排进行经济回报的巿场机制，推动企业通过技术革新降低产品的环境影响，但目前这一机制并没有应用在建筑领域。现阶段，建筑碳排放的研究与应用主要集中在运营阶段，由于产生碳排放的活动主要为一次能源（包括水、电等）的消耗，与一次能源对应的碳排放当量系数相乘即可得到运营阶段的碳排放，因此在目前的研究与实践中，建筑运营阶段的碳排放已受到较好的控制。而在碳排放产生强烈而集中的施工阶段[4]，由于碳排放的产生活动主要来源于建筑材料、建筑机械的使用等，需要分别找到这些材料或机械对应的碳排放因子，才可有效计算建筑施工阶段所产生的碳排放。但目前在全球关于建筑材料的碳排放因子库比较少，并且由于各个国家发展水平不同，同种建筑材料、机械在不同国家数据库中添加的碳排放因子也不尽相同。在过去的研究中，比较成熟的碳排放因子数据库包括了新西兰数据库、巴斯大学数据库和中国部分建筑材料数据库。中国建筑材料、建筑机械等碳排放因子数据库覆盖范围有限，关键数据缺失等问题常见，因此施工阶段的碳排放难以进行统一口径下的计量。

在可持续发展的背景下，减少碳排放是目前我国的一项重要发展目标，新型建筑工业化是建筑领域实现节能减排重要改革方式[5]。据测算，相比传统建造方式，采用半预制的工业化建造方式碳排放可下降8.7%[6]。不同于传统建筑施工过程，装配式建筑以预制构件的工厂化生产为特征，将大量施工现场的作业向工厂内转移[7]，预制构件被视为装配式建筑的重要“原材料”，这种模块化的“原材料”在材料使用上有明确的规定，生产范式相对标准，可以为建筑碳标识的披露提供测度上的实体单元基础，满足信息归一量化的要求。预制构件作为模块化的单元，对其形成碳标识将准确高效地反映建筑全生命周期的碳排放量信息，有效支持我国建筑全生命周期的碳排放评估工作。

为了形成预制构件的碳标识，形成满足计算需要的单位碳标识，即碳排放因子是其中的基础工作，本文作为“十三五”国家重点研发计划子课题《工业化建筑全产业链能耗及碳排放测算及监测技术》的一部分，在生产阶段碳排放活动数据的采集方式研究的基础上[8]，通过建立预制构件生产阶段碳排放因子的核算、采集与生成规则，设计预制构件生产阶段碳排放数据库系统，完成预制构件出厂碳标识形成的工作。

1 预制构件碳排放因子分析

1.1 预制构件碳排放因子清单

建立预制构件碳排放因子数据的前提是形成预制构件碳排放因子清单，即确定预制构件碳排放因子的计算边界与计算范围。Yan[9]将建筑碳排放过程分为建材制造和运输、机器设备能源消耗、原材料加工以及建筑物的安装和施工，同时定义了4个碳排放的来源：制造和运输建筑材料、建筑设备消耗、加工过程、建筑垃圾的资源化处理。而建筑工业化的碳排放计算区别于传统建筑，Mao[6]提出半预制建筑的碳排放有5个来源，其中包括建筑材料内涵、建筑材料的运输、建筑废弃物和土壤的运输、预制构件的运输和机器设备使用。

由于本文旨在将预制构件看作工业化建筑的“原材料”，因此在系统边界界定时，将预制构件从原材料到出厂运输前产生的预制构件生产阶段单独列出，统计它的碳排放作为预制构件的碳排放因子。关于预制构件从原材料到出厂运输前产生的碳排放目前研究相对较少，李德智等[10]以单个预制构件叠合板为例，采用基于过程法，通过分析其生产过程，将预制叠合板生产阶段碳排放分为 12个步骤进行能耗及碳排放计算：清理模板、安装主筋、预应力张拉、安装锁筋板、绑扎分布筋、安装预埋件、浇筑混凝土、撤出锁筋板、蒸汽养护、预应力筋放张、剪筋拆模与起吊堆放的机械运转。在课题组的相关前续研究中[11]，就预制构件碳排放因子的计算边界及清单已形成界定，本文将继续沿用前续分类方法：材料内涵碳排放及生产线碳排放两大类，并在此基础上进行后续开发工作，提出预制构件碳排放因子的生成方法。

预制构件全生命周期的碳排放边界包括：建材准备、工业化部品生产、工业化部品运输、现场装配及建造、运行、拆除及回收这6个阶段。本文以预制构件的生产阶段为研究边界，以预制构件出厂碳标识的形成为研究目标，以半自动化生产线为计算环境，统计预制构件从原材料到出厂运输前各工序产生的碳排放及其最终沉淀值，按照工艺可以分为：清模、划线喷膜、模板安装、钢筋笼安装、预埋件安装、混凝土浇筑、振捣、找平、养护、拆模、吊装、运送至堆场12个工序。

1.2 碳排放活动数据的采集

在确定预制构件碳排放因子清单后，仍需讨论的是如何进行计算的问题。目前，关于建筑碳排放的计算方式主要分为宏观和微观两种。张涛等[12]总结了建筑碳排放的主要宏观计算方式，包括产业关联表统计法、限定间接需要算入法等，属于粗略估算。微观计算则相对准确，Zhang等[13]基于案例，对比了宏观的投入—产出法和微观的基于过程法，论证了采用二者结合的方法可以有效提高数据的准确性。张德英等[14]总结了微观计算的主要方式，包括实测法、物料衡算法和排放系数法这3种计算方式。其中，排放系数法是目前最常用的碳排放计算方法，使用活动数据乘以排放因子进行计算，可信度高。

本文选用排放系数法，在这样的计算方法下，若要得到准确的预制构件碳排放因子，其前题是精准的碳排放活动数据与规范的碳源因子。其中，针对碳排放活动数据，Yan[9]在采用基于过程的方式计算，基于已完工案例，得到了碳排放活动的统计数据。伴随着建筑业信息化水平的不断提高，Memarzadeh[15]采用更为先进的 DnAR-N维增强现实模型计算建筑物碳足迹；崔鹏[16]采用数据库技术测算建筑物生命周期碳排放因子。

本课题组的前阶段研究中，采用基于信息物理融合系统（CPS）的方式，搭建了预制构件厂中预制构件生产相关的材料内涵碳排放及机器设备能耗碳排放活动数据的实时监测系统。本文的碳排放数据库通过 CPS系统实时获得材料内涵及生产线碳排放活动数据。

1.3 预制构件碳源因子库建立

在明确了预制构件碳排放因子中活动水平数据的计算方式后，不同活动对应的碳源因子成为本节讨论的重点。王玉[17]将装配式建筑生命周期中涉及的碳排放因子分为材料类、能源类、车辆运输类。本文在此基础上，面向计算需求，选取了 2002年以来 36篇建筑及建筑工业化文献及报告中的碳排放因子，结合成熟数据库中的碳排放因子，形成了492项碳排放因子，分属于人工、化石燃料、能源、外购水、外购电、材料等六类，形成本文数据库的预制构件碳源因子。

2 预制构件生产阶段碳排放数据库的构建方法

预制构件生产阶段碳排放数据库构建的目的是提供预制构件的生产过程碳排放因子数据及最终出厂碳标识。为了实现这样的目标，需要解决以下三方面的问题：一是预制构件碳排放因子的计算模型及数据采集；二是基于预制构件生产阶段特点，模拟预制构件的生产过程，形成各工艺过程的碳排放因子，并最终沉淀出预制构件的碳排放因子；三是从终端用户使用习惯出发，进行碳排放数据库的图形化交互设计，完成预制构件出厂碳标识的计算与校核工作。图1对解决上述功能的碳排放数据库系统架构的框架进行了说明，包括：通过CPS系统的碳排放数据采集；基于Anylogic的碳排放因子沉淀仿真建模和基于 Web端的碳排放数据库系统设计。

图1 数据库系统架构的框架设计

2.1 碳排放计算模型及数据采集系统

依照上述预制构件因子的计算方式，生产预制构件过程中的碳排放来源主要为材料内涵和生产线上机械设备使用化石燃料、能源、外购电、外购水等，本数据库采用CPS系统对这两类碳排放活动数据进行采集（见图2）。CPS系统在WIFI环境下，采用RFID技术和电磁感应技术，分别对构件生产材料内涵碳排放活动数据与生产线上机械设备产生的碳排放活动数据进行采集。其中，RFID标签中含有对应的构件信息，包括构件尺寸、混凝土型号、含钢率等信息，通过RFID读写器读入系统后台数据库；电磁感应模块安装在预制构件生产厂生产线的各个工位上，通过测量工位经过电磁感应装置的过程工位工作的时间，与对应设备功率系数相乘，得到对应的碳排放活动数据，读入到系统后台数据库中。

系统后台数据库在收集了预制构件材料内涵碳排放活动及生产线机械设备碳排放活动的数据之后，与系统中碳源因子数据相乘，即得到预制构件的碳排放因子，满足模型计算要求。针对生产阶段的系统监测部分，该模块还具有将数据上传到服务器中数据库的功能，计算分别得到材料内涵碳排放及生产线机械设备产生的碳排放值，等待碳排放计算仿真模型读取。

图2 CPS碳排放活动数据采集系统

2.2 碳排放计算仿真模型设计

2.2.1 预制构件生产过程碳排放沉淀分析

按照前述预制构件的生产特点，预制构件的生产按照工艺可以分为：清模、划线喷膜、模板安装、钢筋笼安装、预埋件安装、混凝土浇筑、振捣、找平、养护、拆模、吊装、运送至堆场这12个工序。伴随着加工过程，预制构件生产所涉及的因子类别与属性不断添加，最终在生产线完成生产后，沉淀出构件整体的碳排放因子。按照这样的生产逻辑，使用Anylogic平台将预制构件的加工过程，转换成预制构件碳排放属性信息不断增加的过程。

由于预制构件生产过程的标准化与相似性，当完成单个预制构件的生产过程仿真后，其余只用调整输入值和相关参数即可计算其他预制构件的碳排放因子，以此类推，将采取模拟仿真的方式沉淀出预制构件碳排放因子库。

2.2.2 基于多智能体的仿真模型设计

仿真模型的设计分为以下3个模块：数据库模块、算法模块和仿真模块。

（1）数据库模块。该模块是模型的底层数据基础。数据库模块中包含的信息来自于CPS系统中的材料内涵碳排放及生产线机械设备产生的碳排放，主要有预制构件的碳排放活动数据与对应的因子数据。数据库模块对存储在CPS系统中的实时数据进行获取、分析与管理，并分配到仿真模型对应的模块中。如图3所示。

（2）算法模块。该模块是碳排放因子沉淀模型的计算逻辑。在算法模块中，输入为基于多智能体的预制构件碳排放因子生成方式，输出是各个预制构件沉淀后碳排放因子及其统计值。

图3 CPS系统数据导入Anylogic模型的数据模块

①Main层建模。Main层提供了建模操作的展示平台，本模型在 Main层输入预制构件生产流程工序，各Agent之间通过相关参数、指令与变量等相互连接完成，同时还加入了分析图表利用函数与Agent相连，进行动态数据的获取。②各Agent之间的通讯。本模型创立了两大类 Agent，分别是构件类（Component）和机器设备类（Equipment）。其中Equipment Agent用于代表预制构件生产过程中，机器设备由于消耗化石燃料、外购电、外购水等产生的碳排放。

（3）仿真模块。在Anylogic软件当中确定构件、机器设备等信息后，进行仿真运行（见图4），可以实现对预制构件的生产可视化、预制构件碳排放因子沉淀和报表统计与输出。

图4 基于Anylogic的碳排放因子沉淀仿真建模

2.3 碳排放计算Web端设计

为了满足终端用户在测算碳排放因子时，对不同类型、不同碳排放测算标准的预制构件进行灵活调整与过程分析的需求，数据库在进行Web端设计时，添加碳源因子的查询编辑、施工工艺的图形化编辑、最终碳标识的计算分析与校核等功能。从终端用户使用习惯出发，进行碳排放数据库的图形化交互设计，便于用户快速灵活输出不同类型预制构件的碳排放因子，完成预制构件出厂碳标识的计算与校核工作，如图5所示。

图5 Web端碳排放数据库系统设计框架图

从Web端的具体功能来看，在输入端，通过表单式搜索与浏览，对各类预制构件的碳源：能源、建材、交通运输、机械设备、人工等的编号、名称、因子值、年份、数据来源等进行查询、自定义修改、添加或删除，并通过图形化编辑，实现生产工艺的自定义；在输出端，上述Web端的编辑结果输出为预制构件整体的碳排放因子，并形成按阶段、步骤、碳源百分比等的统计分析结果，分析结果可导出。

该环节既可校核采用仿真建模软件批量化计算得出的预制构件碳排放因子，也可以使用户轻松查询，并经过用户友好的图形化界面，来批量化核算预制构件碳排放及调用碳标识。

3 碳排放数据库的应用实例

3.1 案例背景

为了验证本数据库系统的计算功能，并形成板类构件的碳标识，本文拟将此数据库系统应用于重庆建工预制构件厂的板构件生产加工中。该构件厂成立于 2013年，位于重庆市綦江区，主营业务包括预制梁、外墙板、叠合板、楼梯、盾构管片等的生产，年产量达13万m3，满足预制构件碳排放因子数据库形成的样本数量及丰富度的需求。同时，该构件厂全面采购了三一重工的半自动化预制构件生产线，对于本数据库系统的采集装置具有良好的搭载与测量基础。因此，本文选在此构件厂进行数据库系统的实例应用，完成了预制构件生产过程碳排放因子的核算、采集与生成工作。

3.2 碳排放分析及碳排放因子计算

向Anylogic平台输入CPS系统的碳排放活动数据库以及碳源因子库。在这一环节中，选取了 4种叠合板、2种墙板和2种阳台板作为实验对象，向仿真模型中输入碳排放活动数据库和碳源因子数据库，模型计算结果如表1所示。

表1 Anylogic仿真模型输出结果

3.3 预制构件出厂碳标识

这里选取叠合板 A1进行校核（见图 6），在Web端进行拖拽式计算，得到叠合板A1的碳标识为383.12kg，叠合板A1在仿真模型中的计算的碳排放结果为380.91kg，二者之间的误差来自于各碳排放因子所保留小数位数不同，因此，采用Anylogic搭建的仿真模型对于预制构件碳排放因子的测算是有效的。

图6 采用Web端核算叠合板A1碳排放因子

4 讨论

建筑碳排放是全行业碳排放总量的重要组成部分，建立一套核算、采集与生成碳排放的规则是实现建筑业节能减排的基础。

（1）将工业化建筑预制构件视作“原材料”，通过建立基于碳排放系数法的预制构件碳排放因子计算模型，使用CPS结合历史数据的方式，提出了预制构件生产阶段碳排放数据库的全套数据实时获取方案，为数据库提供了基础数据来源及采集方式。

（2）利用Anylogic搭建了预制构件碳排放因子仿真计算平台，对预制构件碳排放因子沉淀过程中，各工序的碳排放产生及来源进行实时记录与过程分析，为数据库提供了计算仿真的算法。

（3）基于Web端构建预制构件碳标识生成系统，对不同预制构件的碳排放因子计算提供计算支持与数据输入接口，并将已收集计算完成的预制构件因子上传到模板文件中，为数据库使用者提供调取、编辑、计算与校核的交互界面，最终形成预制构件出厂碳标识。

然而，本文还存在一些不足，后续研究中需要进一步深入讨论的问题包括：

（1）新型材料等碳源因子数据缺乏。由于预制构件使用的新型材料、复合材料偏多，相应的碳排放因子数据难以获取。因此，本文中的碳排放因子库有待进一步补充与完善。

（2）该因子数据库系统属于独立开发的版本，在未来研究中可以加入API接口设计，方便与其他软件平台有效嫁接，放大数据库优势。

5 结语

本文建立了一个低碳施工背景下，中国本土化、面向实际生产、可实现批量计算的预制构件生产阶段碳排放信息归一量化方式。为了实现这一目的，本文在课题组前续完成的碳排放模型及碳排放活动数据采集工作的基础上，建立了一个面向预制构件生产阶段的碳排放数据库系统。在该系统中，通过 CPS系统采集碳排放活动数据，建立了基于Anylogic的碳排放因子沉淀仿真模型，设计了数据库的Web端，向平台使用者提供构件在各个生产环节的实时碳排放量及最终沉淀值，便于编辑与校核。该数据库目前已完成原型设计，并通过了可操作性测试认证。