基于LCA的高原地区装配式建筑物化阶段环境影响研究

杨 徽 龚志起

(青海大学土木工程学院 西宁 810016)

作为我国国民经济重要支柱产业的建筑业，随着基础设施建设速度与城市化进程的加快，在得到蓬勃发展的同时也带来了日益严重的环境问题。据统计，全球40%的能源消耗与三分之一的温室气体排放都归因于建筑业[1]。而青海作为生态薄弱地区，如何均衡发展与环境两者之间的关系尤为重要。近年来，装配式建筑由于其施工速度快、安全性高等优点，受到国家的大力推广，相继颁发了《关于促进建筑业持续健康发展的意见》、“十三五装配式建筑行动方案”等一系列政策文件发展装配式建筑，但位于高原地区的青海现仅有两家企业从事装配式建筑相关活动。因此，为实现高原地区建筑业快速转型，促进装配式建筑高速发展，定量评价装配式建筑的环境影响是必要的。

目前，国内针对此类建筑环境影响大多集中于研究装配式建筑建造过程中的碳排放[2-3]，也有部分学者对装配构件的环境影响进行了分析[4]，但系统的量化装配式建筑环境影响研究较少。为促进装配式建筑在高原地区快速发展，文章采用生命周期方法，将装配式建筑物化阶段分为原料获取、构件生产、物流运输及现场装配4个过程，并在影响评价中针对区域性环境影响基于青海省进行标准化，系统定量的评价了高原地区装配式建筑物化阶段环境影响，为优化施工工艺提供依据，为评价装配式建筑提供数据支持。

1 装配式建筑生命周期评价

生命周期评价(LCA)方法起源于1969年美国可口可乐公司对不同饮料容器的资源消耗与环境排放所作分析，是研究产品或过程环境影响的工具，被广泛应用于建筑业[5]、制造业[6]等领域。文章利用ISO与SETAC定义的生命周期评价框架建立了适用于高原地区的装配式建筑生命周期分析系统见图1，具体步骤如下：

图1 装配式建筑生命周期评价

1.1 目标与研究范围

对于建筑产品而言，其使用维护阶段周期长，环境数据存在较大的不确定并且难以测量。因此，文章定义系统边界如图1阴影部分所示，即原料开采到现场装配完成阶段，目的是量化高原地区装配式混凝土结构建筑物化阶段的环境影响，为制定节能减排措施提供依据。

1.2 清单分析

清单分析即对装配式建筑物化阶段中各个过程的资源、能源及环境排放数据进行量化归类，依照装配式建筑工业化生产的特点，将其物化阶段分为原料准备、构件生产、运输及现场装配四大阶段。其中运输阶段包括两部分，一部分为材料从生产厂地运输到构件厂，另一部分为构件生产完成运输到施工现场。

1.3 生命周期影响评价

生命周期影响评价是对清单数据加以汇总分析，得到一个客观准确值的过程。文章采用“中点法”按照以下步骤进行环境影响评价。

1.3.1 分类、特征化

基于CML、EPS、Eco-indicator 95等方法，依据装配式建筑物化阶段消耗的资源、能源类型及环境排放物质将环境影响分为 10类，依照ISO中规定的特征化因子将清单分析数据进行归类，如式(1)。

(1)

式中，EP(i)为第i种环境影响特征化值，Cij为第i种环境影响类型中的第j种物质的消耗量或排放值，Mj为第j种物质对第i种环境影响的特征化因子。

1.3.2 标准化

为了更好地比较每类环境影响潜值的相对大小，对各类环境影响潜值提供统一的标准即标准化，文章采用1990年人均当量基准值，见式(2)。

E(i)=EP(i)/N(i)

(2)

式中，E(i)为第i种环境影响标准化值，N(i)为第i种环境影响人均当量值，计算方法如式(3)。

N(i)=EP(i)1990/p1990

(3)

式中，EP(i)1990为1990年第i种环境影响特征化值，p1990为1990年对应地区的人口，为体现中国与高原地区特点，依据ISO中环境影响的分类体系，对于全球性、区域性和局域性环境影响依次基于全球、中国和青海进行计算。

1.3.3 加权

经上述特征化与标准化后得到各类型环境影响潜值，为综合评价产品环境影响，需要将不同的环境影响类型加权汇总，以便决策者更好的理解。目前，常见的加权方法有目标距离法、社会支付意愿及层次分析法等，目标距离法不能确定各环境影响类型之间的相对重要性，社会支付意愿着重依靠与环境税，故文章采用层次分析法计算总环境影响潜值，如式(4)。

(4)

式中，NP为各环境影响潜值总和，W(i)为第i种环境影响类型权重因子。

2 案例研究

以青海省海东市某装配式混凝土结构建筑为例，实地调研并跟踪监测其施工过程与构件生产过程获得资源、能源消耗及环境排放数据。该宿舍楼建筑面积约10792.64m2，建筑中墙、楼板、柱、梁及楼梯均采用预制形式，相应的其构件生产厂占地36892.00m2，月平均产量达到736.74m3。

2.1 目标与范围

为量化装配式建筑物化阶段中资源、能源消耗与环境排放，对优化施工过程提供数据支持。定义功能单元为1m2装配式混凝土结构建筑，在系统边界物化阶段即从原料获取到建造完成过程中的资源、能源消耗以及环境排放均基于1m2装配式混凝土结构建筑进行计算。

2.2 数据来源

清单数据来源基于以下形式：预制混凝土构件厂中环境排放通过测量设备实地跟踪监测，材料消耗查阅材料清单及走访专业技术人员得出，电量与天然气量根据月生产构件体积与月消耗量计算，周转材料如钢模板利用实际投入量除周转次数得出；运输阶段的能源消耗利用走访调研司机及相应工作人员，环境排放通过查阅文献获得；构件安装过程中环境排放利用测量设备实地跟踪监测，材料消耗查阅材料清单与走访专业技术人员得出，耗油耗电根据设备单位工作量的消耗数量乘以总工作量，周转材料如钢模板通过实际投入量除周转次数计算；材料开采、生产等上游数据通过查阅文献及借鉴GaBi中数据库得出。

由于建筑物化阶段涉及的原材料与过程众多，故假设：原材料消耗只考虑钢筋、混凝土、砂浆、保温材料及木材主要材料；运输工具统一采用8t柴油卡车。

2.3 生命周期清单

通过查阅文献获得木材、钢筋、混凝土、砂浆、保温材料等建筑材料以及电、天然气、柴油等能源，在开采、生产过程的上游数据[7-11]，计算1m2装配式混凝土结构建筑在原料获取阶段、运输阶段、构件生产及装配阶段的输入输出数据如表1。其中输入指生产过程中需要的各项原材料与能源，输出为生产过程中排放的废水、有害气体及固体废弃物。

2.4 生命周期环境影响评价

根据表1中装配式建筑物化阶段清单中消耗的资源、能源及环境排放数据，将其分为10类环境影响类型，并利用式(1)～(4)，进行特征化、标准化及加权计算得到1m2装配式混凝土结构建筑物化阶段环境影响潜值见表2。

表2 1m2装配式混凝土结构建筑物化阶段环境影响潜值

续表

3 结果与讨论

1m2装配式混凝土结构建筑物化阶段中10类环境影响百分比如图2所示，固体废弃物、化石能源、矿石及淡水资源消耗为环境影响的主要类型，所占比值高达总环境影响的82.21%。其主要原因是由于建造装配式混凝土结构建筑过程中消耗了大量的钢筋、混凝土、石油、淡水、电等资源，而生产钢筋、混凝土过程中需要众多的资源与能源，并且钢筋生产过程中会排放大量的固体废弃物，这为固体废弃物、化石能源、矿石及淡水资源消耗为主要环境影响类型的一个重要原因。

图2 十类环境影响百分比

不同阶段的环境影响潜值见图3，横坐标为物化阶段中划分的四个过程，纵坐标环境影响潜值，经标准化后无量纲单位。其中原料获取过程产生的环境影响最大，构件生产与装配过程次之，运输过程最小。产生上述结果的主要原因在于物化阶段中消耗了大量的材料，导致原料获取过程的环境影响远远大于其他过程。同时在此次案例研究中，预制构件厂距施工现场的值仅为2km，这将造成运输过程环境影响潜值最小的结果。

不同阶段环境影响潜值比较如图4所示，各类环境影响主要在原料获取过程发生，但在其他三个过程中化石能源消耗占据了主导地位。这主要是因为建筑物在物化阶段中消耗了大量的建筑材料，导致原料获取过程的环境影响潜值远远大于其他三个过程，而在其他三个过程中，主要消耗为电、油及天然气，均将造成化石能源消耗增大。

图3 不同阶段环境影响潜值 图4 不同阶段环境影响潜值比较

综上所述，在保证功能的前提下，建议在构件生产过程尽量减少钢筋的使用，并且提倡用环境影响小的材料代替。其次，原料生产过程中应采用清洁生产技术，从而大幅降低固体废弃物的产生。同时也可看出构件厂与施工现场距离的重要性，构件厂位置的选择不可忽视。

4 结语

文章提出了一种基于LCA的高原地区预制装配式建筑评价方法，对资源、能源消耗与环境排放清单数据进行分析，选择LCA的中点法，通过分类、表征、标准化及加权，目的是定量评价装配式建筑在物化阶段中的环境影响，并将此方法应用于评价青海省海东市某预制装配式混凝土结构建筑物化阶段，研究结果为分析高原地区装配式建筑提供参考，为评价我国装配式建筑环境影响提供数据支持。在未来的研究中，生命周期评价系统边界的进一步研究可以扩展到早期设计、产品使用及最终处理阶段。此外，其他生命周期评价模型与终点指标也可用于高原地区装配式建筑环境评估。