高原地区混凝土装配叠合板生命周期生态效率分析

杨 徽 ，龚志起

（1. 青海大学 土木工程学院，青海 西宁 810016；2. 青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海 西宁 810016，E-mail：gzhq2007@foxmail.com）

建筑业在改善居住环境的同时，也带来了日益严重的环境问题。世界范围内每年约40%的能源、35%的废弃物[1]以及 23%的温室气体[2]与建设活动相关。研究表明，与传统建造方式相比，装配式建筑可节约41%的水资源、减少56%施工废弃物[3]和49%的碳排放[4]。因此，装配式建筑被认为是一种可持续的建造方式。近年来，受到产业界和学术界的广泛关注，国务院和住建部相继颁发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》《“十三五”装配式建筑行动方案》等一系列政策文件，装配式建筑显示出较好的发展势头，2019年全国新开工的装配式建筑达到了4.2亿m2。但与推广较好的地区相比，青海省装配式建筑的发展略显迟缓，尽管也出台了相关政策推进文件，但市场响应有限，仅有两家企业从事装配式建造相关活动。而系统的进行装配式建筑综合影响评价，是制定有效的装配式建筑发展政策的关键。作为装配式建筑体系的重要构成，装配构件的环境经济性能直接影响装配式建筑的系统表现。因此，系统分析装配构件的环境-经济影响对有效推进装配式建筑大有裨益。

生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）是一种量化产品生命周期中环境问题的方法，广泛应用于建筑业[5]、制造业[6]等领域。但在帮助以盈利为目的的企业决策时具有一定的局限性，生命周期成本分析（Life Cycle Costing，LCC）作为计算生命周期内所有成本的工具[7]，为解决这一问题提供了有效途径。目前，LCA与LCC集成的方法主要包括：将LCA货币化与LCC集成[8]和基于矩阵的LCA与ER-LCC集成[9]，然而上述两种方法局限于依托单一指标，前者主要靠 LCC引导，后者按照 LCA框架进行集成。此外，利用 AHP-TOPSIS法的LCA与LCC集成[10]及熵权多目标决策法[11]，均存在专家打分现象，存在一定的主观性。采用将产品环境绩效与价值进行联合评估的生态效率，作为LCA与LCC集成工具。生态效率早于1990年由德国学者提出，现已被广泛应用于评价混凝土再生[12]、食品制造[13]等技术，是企业制定发展计划的重要手段。但应用于评价装配构件的研究较少，针对装配构件的环境-经济影响，目前尚无系统的评价方法。

本文采用LCA和LCC分别量化装配构件生命周期中环境经济影响，并基于生态效率将 LCA与LCC集成，系统分析装配构件生命周期中施工过程的资源消耗、环境排放及经济成本，进而综合评价装配构件效益，为企业优化施工工艺提供理论支撑与数据支持，以期采取更环保、更具成本效益的措施促进装配式建筑发展。

1 L CA-LCC集成框架

本文采用LCA与LCC方法，基于生态效率构建环境-经济评价系统如图1所示。

图1 LCA与LCC集成框架

1.1 目标与范围

本文的目的是量化青藏高原地区混凝土装配构件生命周期环境-经济影响。定义LCA-LCC评价系统边界为原料开采到建筑拆卸回收。

1.2 清单分析

依据系统边界建立生命周期环境与成本清单。为量化装配构件生命周期中环境影响，将生命周期进行划分，采用基于过程的LCA进行研究。

1.3 生命周期影响评价

1.3.1 生命周期环境评价

采用“中点法”，按照以下步骤评价环境影响。

（1）分类。将不同物质可能造成的环境影响加以归类，基于EDIP2003、CML2001等评价方法，将预制构件环境影响类型分为8种。

（2）特征化。将不同物质引起的同种类型环境影响进行汇总的过程，特征化因子来源于 ISO 14044，如下式：

式中，HP(j)为第j类环境影响潜值；Q(j)为第j类环境影响中第i种物质排放量；HF(j)为特征化因子。

（3）标准化。对不同类型环境影响潜值提供统一的比较标准。选择 1990年人均当量为基准值进行环境影响类型标准化，计算如下式：

式中，HB(j)为第j类环境影响潜值标准化结果，HP(j)为第j类环境影响标准人均当量；HP(j)为全球或地区总的环境影响潜值；POP为全球或地区对应的人口数量。为了体现区域性及局域性，文章分别基于全国与青海计算人均当量值，得出结果见表1。

表1 1990 年环境影响人均当量基准值

（4）加权。确定不同环境影响类型的相对大小，如下式：

式中，WB(j)为第j类环境影响加权后潜值；W(j)为第j类权重因子。

1.3.2 生命周期成本分析

依据构件生命周期，生命周期成本被分为四部分。活动成本为这四类成本中的变动成本，即施工过程中产生的人工费、材料费等费用。所有成本都需转换为特定的时间点，主要是由于地点、市场和质量的影响，劳动力、燃料及材料价格历年差异性较大。故成本按现值进行计算，如式（5）利用通货膨胀率得到未来成本，再利用式（6）计算其折现值，则可加和得到生命周期总成本如式（7）。

式中，FC为未来成本；PV为现值；f为通货膨胀率；d为折现率；n为年数（一般住宅建筑使用寿命为50年，即运营期时长取50 a）；LCCpv为装配构件生命周期成本；LCCo为建造成本；DPV为折现现值；DPV1为运营折现现值；DPV2为维护折现现值；DPV3为处置折现现值。

1.4 生态效率

生态效率是一种同时兼顾环境、经济两方面的可持续评估工具，计算模型可表示为产品或服务的价值与环境效应的比值。因 LCC能核算与环境影响相关的所有成本，故学者们在相关研究中大量采用LCC作为评估产品或服务的价值的工具，且ISO 14045提出使用 LCA作为评价产品环境影响的方法。因此，本文采用LCC表示产品或服务的价值，LCA表示环境影响，利用Steen等[15]提出标准化生态效率如下式：

生态效率为正值时，数值越大，则可持续性越好。相反，生态效率为负时，数值越小，对环境产生的污染就越大。

2 案例研究

以青海省海东市某装配式混凝土结构宿舍楼为例，实地调研并跟踪监测施工现场与构件生产车间获得相关环境经济数据。该宿舍楼建筑面积约10792.63 m2，装配率达到了75%。相应的构件生产厂占地36892.00 m2，月平均产量为736.74 m3。

2.1 目标与范围

为量化预制构件生命周期中环境影响与经济成本，对优化施工过程提供数据支持。定义功能单元为1m3预制叠合板。环境与成本均基于1m3预制叠合板计算。LCA研究边界从原料研究开始，而LCC研究边界为设计决策阶段产生，为统一系统边界，定义范围为原料获取到构件装配完成。

2.2 数据来源

数据准确性对评价装配构件效益至关重要。环境数据：气体排放如 CO2、SO2、等数据来自现场监测；固体废弃物、资源及能源如混凝土、柴油消耗数据源于实地调研。原料开采、加工过程中环境数据通过查阅文献和数据库获得。成本数据：依照2019青海省城乡与住房建设厅发布的指导价确定。

研究中存在一些不确定因素，涉及多个单元过程与原材料，数据多而复杂。鉴于此假设：①对原材料简化处理，仅考虑构件生产、装配阶段的主要消耗，即混凝土、钢筋、PVC和水资源；②对成本简化处理，只考虑直接费；③预制叠合板生产及装配阶段相比其使用维护阶段时间非常短暂，不考虑折现；④原料获取阶段成本难以获得，均按当前青海省市场原料价格确定，用材料费表示。

2.3 生命周期环境清单

查阅文献得到钢材、C30商品混凝土、PVC管、电、自来水、天然气生产过程及卡车运输过程[5，16]中资源、能源消耗及环境排放数据，建立环境影响清单如表2所示。

表2 预制叠合板生命周期中环境影响清单表

2.4 生命周期成本清单

对PC厂与施工现场调研，参考2019年青海省市场指导价得到预制板生命周期成本如表3所示。

表3 预制叠合板生命周期成本清单表（单位：元）

2.5 生命周期环境影响评价

考虑预制叠合板在系统边界中资源、能源消耗及环境排放，根据生命周期环境清单，选择8种主要环境影响类型。在环境影响评价中，常见的加权方法有目标距离法、WTP和层次分析法等。其中目标距离法体现出较强的区域性及局域性，而社会支付意愿基于环境税，将经济指标纳入 LCA中。因此，环境影响评价分别采用目标距离法与WTP。

2.5.1 基于目标距离法的环境影响评价

根据式（1）与式（2），得到1 m3预制叠合板环境影响标准化结果（见表 4），基于目标距离法计算出各类环境影响潜值，不同环境影响类型比例如图2所示。在比较不同过程环境影响时，由于固体废弃物主要在原料获取阶段产生，且远远大于其他环境影响类型，故在此中不予体现。

表4 基于目标距离法的环境影响潜值

图2 环境影响值百分比

由环境影响结果可知，固体废弃物是预制叠合板生命周期中最主要的环境影响类型，占总环境影响的56.54%。其次为矿石资源与化石能源消耗，分别为13.57%和10.60%。酸化、气候变暖及富营养化影响最小，三者之和仅占6.23%。

如图3所示，在预制板研究范围中，原料获取过程中环境影响较大。其中固体废弃物环境影响最大，矿石、化石及淡水资源消耗次之。运输过程环境影响较小，主要来自化石能源消耗。同时化石能源消耗也是构件生产与装配过程的主要环境影响类型。产生上述结果的原因是，钢材在生产过程中会产生大量的固体废弃物，造成固体废弃物的环境影响比例远远高于其他环境影响类型。并且钢材与混凝土生产过程消耗了大量的矿石资源及化石能源，导致矿石资源与化石能源消耗比例增大。同样在构件生产及装配阶段，大量的电力消耗使化石能源消耗上升。另一方面，由于施工工地与预制厂的距离较近，没有产生大量的气体排放，故在运输过程中酸化、全球变暖及富营养化影响比例相对较低。

图3 预制叠合板生命周期中环境影响

因此，建议在生产过程中尽量减少钢材的浪费，提倡选择清洁生产等措施提高钢材利用率，同时注重钢材的回收利用，从而大幅度降低固体废弃物。此外，也可看出构件运输距离对环境影响的重要性，缩短运输距离是降低气候变暖、酸化和富营养化的有效手段之一，这表明合理的规划预制厂地对减少环境影响负荷起着举足轻重的作用。

2.5.2 基于WTP的影响评价

社会支付意愿是指为减少环境影响支付一定金额的意愿，基于环境税得到环境影响权重值[17]，计算1m3预制叠合板不同环境影响潜值如表5所示。

表5 基于社会支付意愿的环境影响潜值

计算得出生产1 m3预制叠合板在原料获取、构件生产、运输及装配过程中总环境影响潜值为581.5元，全生命周期成本由 LCC及外部性成本、非施工成本和收入组成[7]。外部性成本包括造成环境影响产生的成本即环境成本，结合表 3，得到环境成本占生命周期成本比例为22%。其主要原因在于，此次案例研究，只考虑了预制叠合板材料的主要构成，并且成本计算中并未将管理费、利润等费用纳入范畴，这将造成生命周期成本偏低，相应的环境成本比例偏大。另一方面，也证明了环境成本的重要性，必须认真思考。

2.5.3 目标距离法与WTP评价结果对比分析

采用目标距离法与 WTP加权计算环境影响潜值。在资源消耗方面，均为矿石资源消耗潜值大于淡水资源消耗潜值。在生态破坏方面，基于目标距离法评价中酸化潜值大于气候变暖潜值，但基于WTP计算结果相反。造成这种差异的主要原因为目标距离法确定权重时 CO2的指标采用的是单位GDP 减排量，而SO2采用总减排量。

2.6 生命周期成本分析评价

基于表2，得出1 m3预制叠合板，现阶段直接成本比例如图4所示，生命周期成本如图5所示。

图4 直接成本百分比

图5 预制叠合板生命周期成本

由图4可知，材料费在直接成本中所占比例最大，高达43.91%。人工费、厂房基建摊销费及运输费次之，分别为23.88%、8.57%和8.04%。其他费用之和仅为15.6%，相对较低。造成这种情况的原因主要是由于在叠合板建造过程中消耗了大量的钢筋，钢筋产生的费用占据了材料费的一半以上。同时PC厂未形成系统的流水作业线，机械化程度低，生产主要依靠人力，导致构件产量低，这也是人工费和厂房基建摊销费比例高的一个重要原因。

如图5所示，原料获取过程中成本最大，其次为构件生产与装配过程，运输过程成本最小。主要原因是生产过程中投入大量材料，这将导致材料费上升即原料获取过程成本增大。而人工费为其他过程的主要费用。因此，企业提高资源利用率对降低材料费有极大帮助。此外，提高装配构件机械化程度，对提高产量以减少人工费与摊销费至关重要。

2.7 生态效率

环境影响潜值无单位，成本以货币为单位，环境与成本属于不同量纲。为计算生态效率，引入2019年青海省人均GDP值48981元，使成本标准化，即可通过式（8）得到生态效率。为验证结果的可靠性，同时采用社会支付意愿计算预制叠合板环境影响潜值，得到生态效率如表6所示。

表6 预制叠合板生命周期生态效率

通过目标距离法和WTP加权分别计算LCA，与 LCC集成得到生态效率均为运输过程最大，装配与构件生产过程次之，原料获取过程最小。即在保证功能的前提下，原料获取过程环境负荷最大。

综上所述，在量化装配叠合板综合效益时，需给予原料获取过程足够的重视。企业应加强生产管理，优化钢筋、混凝土、PVC等原料开采、生产过程中施工工艺，提高资源、能源的使用效率。同时企业应增强装配构件产业化、机械化程度，促进生态效率的提高，最终达到环境经济双赢局面。

3 结语

本文以1 m3预制叠合板为研究对象，定义系统边界为为原料获取到构建装配完成，采用 LCA与LCC方法得到在不同的生命周期阶段，成本结果的变化趋势与环境影响的变化趋势基本一致。固体废弃物、矿石资源及化石能源是环境影响的主要类型，分别占比为56.54%、13.57%和10.60%。环境成本占活动成本的比值达到22.91%。并基于生态效率将LCA与LCC集成，综合评价装配构件效益。为提高研究的可靠性，分别采用目标距离法和社会支付意愿权重计算环境影响潜值，结果显示生态效率均为：运输过程最大，构件装配和生产过程次之，原料获取过程最小。此方法可用于评价青藏高原同类产品。同时案例结果为企业优化施工工艺提供数据支持，为综合评价装配式建筑提供依据。但因预制厂中多种工艺交叉进行，测量得到的噪音存在多种干扰源，未考虑噪音的环境影响，后续研究可考虑将这些纳入评价装配构件的环境影响范畴。此外，对生命周期的进一步研究可以扩展到使用维护阶段与最终处置阶段。