蘇 醒，張 旭，孫永強

（1.同濟大學(xué) 暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克?，上?00092；2.同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092）

鋼結(jié)構(gòu)住宅具有產(chǎn)業(yè)化程度高、施工周期短、投資回收快等幾大優(yōu)點，在我國得到了較快的發(fā)展.但是，多層、高層鋼結(jié)構(gòu)住宅究竟熟優(yōu)孰劣，行業(yè)內(nèi)始終沒有達(dá)成共識.一方面，高層鋼結(jié)構(gòu)住宅能夠提供更多的居住面積，減少占地面積；另一方面，層數(shù)越多的建筑必然對建筑樁基及結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求更為嚴(yán)格，建材耗量也會相應(yīng)增加.目前國內(nèi)外幾乎沒有對建筑體量與生命周期能耗間關(guān)系的研究.已有的建筑生命周期評價研究中，建筑材料消耗量一般都是根據(jù)建筑圖紙進(jìn)行估算，所得到的結(jié)果可能會受到統(tǒng)計數(shù)據(jù)精確度的影響.

本文以都江堰某鋼結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)內(nèi)3幢不同層數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)住宅為研究對象，跟蹤調(diào)研各幢建筑建造過程中的建材消耗量以及建材上游來源，利用建筑生命周期清單分析軟件分析建筑結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、施工過程的物化能耗以及生命周期環(huán)境排放，比較不同建筑體量對建筑生命周期環(huán)境性能的影響.

1 清單模型

1.1 研究對象

本文以都江堰某鋼結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)內(nèi)3幢不同層數(shù)建筑為研究對象，研究分析不同體量鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的生命周期能耗及環(huán)境排放.相關(guān)參數(shù)如表1所示.

1.2 研究邊界

建筑生命周期可以解耦為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和建筑使用階段3個部分，每個部分都是一個存在單獨生命周期的產(chǎn)品，都包含著能源和材料兩條分析主線.本文將主要分析建筑部品的生命周期能耗和環(huán)境排放.建筑結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)是由各類建筑材料及建筑構(gòu)件通過現(xiàn)場施工拼裝而成，因此建筑部品的生命周期是由建筑材料或建筑構(gòu)件生產(chǎn)、運輸、現(xiàn)場施工、拆除回收等過程組成，其生命周期流程如圖1所示.各個部分的能源消耗及環(huán)境排放加上能源上游的能源消耗及環(huán)境排放即為建筑部品的生命周期能耗及環(huán)境排放［1］.

表1 住宅相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of residential buildings

圖1 建筑部品的生命周期流程Fig.1 Building component life cycle

1.3 功能單位及分析參數(shù)

建筑物的生命周期清單模型分析參數(shù)包括能源消耗、資源消耗、溫室氣體排放和主要污染物排放.溫室氣體由CO2，CH4，N2O 和CFC 組成；主要污染物包括CO，NOx，PM10和SOx［2］.功能單位為1m2建筑面積.

2 清單分析數(shù)據(jù)來源及處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

建筑生命周期清單分析需要收集兩大類數(shù)據(jù)，一類是能源系統(tǒng)清單分析數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，包括能源上游階段中能源生產(chǎn)、能源轉(zhuǎn)換、能源運輸?shù)冗^程中的能耗及排放相關(guān)數(shù)據(jù).這類數(shù)據(jù)種類繁多，很難針對具體的建筑去追溯調(diào)查其所用能源在上游階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，一般都采用國家層面上的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行替代，本文中這類數(shù)據(jù)來自最近幾年的權(quán)威文獻(xiàn)［3－5］.

另一類是與具體研究對象密切相關(guān)的參數(shù)，如建筑建造過程中各部品的原材料消耗量以及這些建材生產(chǎn)、運輸過程中涉及到的能耗類型、能耗大小、運輸方式、運輸距離、施工過程能耗等數(shù)據(jù).這類數(shù)據(jù)大部分是結(jié)合實地調(diào)研與現(xiàn)場施工部門提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)整理得到，部分?jǐn)?shù)據(jù)如建材生產(chǎn)階段、運輸工具的能耗等數(shù)據(jù)難以全部通過調(diào)研獲得，則采用相關(guān)文獻(xiàn)中行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)［6－7］替代.

2.2 調(diào)研統(tǒng)計結(jié)果

通過實地調(diào)研，得到了不同體量鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建材耗量及各自的施工量，如表2～4所示.

表2 不同體量鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)部分材料耗量Tab.2 Structure materials consumption of buildings with different volumes

表3 不同體量鋼結(jié)構(gòu)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分材料耗量Tab.3 Envelope materials consumption of buildings with different volumes

表4 3種體量鋼結(jié)構(gòu)住宅的施工量Tab.4 Engineering quantities of steel construction buildings with three kinds of volumes

2.3 一些數(shù)據(jù)假設(shè)及數(shù)據(jù)處理方法

從表2可以看出，鋼結(jié)構(gòu)建筑工程里所用的鋼材產(chǎn)品主要為鋼筋、鋼梁、鋼柱和鋼板4大類，其中鋼筋來源于當(dāng)?shù)剀堜搹S，而后3類則是將鋼板從外地某大型鋼廠運輸?shù)蕉冀弋?dāng)?shù)?，然后通過冷彎、焊接、鉆孔等方式加工成鋼構(gòu)件，最后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行裝配，其生命周期流程如圖2所示.與鋼筋相比，增加了加工過程和從煉鋼廠運到加工廠的運輸過程，因此這兩部分的能耗要單獨計算.鋼板生產(chǎn)及其上游開采、運輸?shù)哪芎臄?shù)據(jù)采用大型鋼廠提供的數(shù)據(jù)，部分無法獲得的數(shù)據(jù)用國家層面上的數(shù)據(jù)代替.

鋼鐵相關(guān)產(chǎn)品的回收率較高，尤其是型鋼類構(gòu)件，實際工程里建筑用鋼構(gòu)件里的鋼材可能是礦石經(jīng)高爐轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)得到，也可能是廢鋼經(jīng)電爐［8］生產(chǎn)而成.為了能為業(yè)界提供數(shù)據(jù)支撐，在本研究中考慮平均水平，原鋼和回收鋼的比例按照宏觀數(shù)據(jù)計算，在生命周期清單分析中參照文獻(xiàn)［1］中的方法進(jìn)行處理.施工階段的能源消耗參考文獻(xiàn)［9］中的計算方法進(jìn)行計算，最終再通過BESLCI計算出生命周期物化能耗和環(huán)境排放數(shù)據(jù).

圖2 鋼構(gòu)件生命周期流程Fig.2 Research flow of building steel member life cycle

3 清單分析結(jié)果

將調(diào)研數(shù)據(jù)及查閱的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)代到BESLCI軟件里進(jìn)行計算，得到建筑結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、施工階段的生命周期能耗及環(huán)境排放.如表5所示.

表5 建筑結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位建筑面積生命周期能耗及排放清單Tab.5 Life cycle inventory of frame and envelope of different buildings

4 結(jié)果討論

圖3為3類住宅建筑里各類建材以及施工過程中的生命周期物化能耗，可以看出，鋼構(gòu)件、混凝土、水泥、鋼筋是鋼結(jié)構(gòu)建筑部品生命周期中能耗最大的4個部分，僅鋼構(gòu)件、混凝土和水泥的生命周期能耗就占到鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑部品生命周期能耗的60%以上.因此，優(yōu)化這幾類建材生產(chǎn)工藝，降低其生產(chǎn)能耗是降低建筑部品生命周期能耗的關(guān)鍵.

圖3 3類住宅生命周期能耗詳細(xì)清單Fig.3 Detailed life cycle energy consumption of three residential buildings

對于不同體量的住宅來說，其各部分能耗比例又有所差異.比較3類不同體量住宅，隨著建筑層數(shù)的增加，鋼構(gòu)件（型鋼）的能耗份額逐漸增加，由17%增長到23%，而水泥與混凝土的總能耗份額則相應(yīng)減少，由6層建筑的45%降低為18層建筑的39%.究其原因是因為鋼結(jié)構(gòu)住宅承重結(jié)構(gòu)主要為鋼梁、鋼柱等型鋼構(gòu)件，樓層數(shù)越高，對承重結(jié)構(gòu)的要求越嚴(yán)格，因此鋼構(gòu)件耗量越大.

鋼結(jié)構(gòu)建筑施工階段能耗僅占整個建筑部品生命周期能耗的5%左右，施工階段CO2排放所占份額則更少，僅占到整個建筑部品生命周期的3%左右.而建筑使用階段的能耗及排放一般占整個建筑生命周期能耗的70%左右，因此施工階段的能耗和排放在整個建筑生命周期里所占比例將更低，約為1%左右，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)混凝土住宅的2.5%［9］，體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住宅施工能耗小的優(yōu)勢.

通過比較還可發(fā)現(xiàn)，3類住宅結(jié)構(gòu)部分的能耗高于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗，1號，2 號，3 號分別高出12%，23%和18%；而結(jié)構(gòu)部分CO2排放要低于相應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，分別低14%，5%和12%.說明在同樣能耗條件下，鋼鐵產(chǎn)品的碳排放量要低于水泥，這也從側(cè)面反映了鋼結(jié)構(gòu)建筑在低碳方面的優(yōu)越性.

比較3類住宅建筑部品單位面積生命周期能耗和CO2排放，分?jǐn)偟絾挝唤ㄖ娣e，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑部品單位建筑面積的生命周期能耗僅高于多層和中高層建筑的5%，18層的3號樓的單位建筑面積生命周期CO2排放與6層的1號樓相當(dāng)，如果考慮減少了占地面積這一顯著優(yōu)點，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑還是具有較廣的發(fā)展空間.

5 研究結(jié)果比較

在與國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果進(jìn)行比較時，由于各學(xué)者研究對象所處氣候區(qū)差異較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計要求各異，因此只對結(jié)構(gòu)部分生命周期能耗、生命周期CO2排放及結(jié)構(gòu)部分生命周期能耗占建筑部品生命周期能耗的比例進(jìn)行分析比較.

圖4是本文研究結(jié)果與文獻(xiàn)［10］瑞典鋼結(jié)構(gòu)住宅案例的比較.可以看出，瑞典鋼結(jié)構(gòu)案例住宅單位建筑面積結(jié)構(gòu)生命周期能耗僅為1號住宅的52%，而生命周期CO2排放更僅為1號住宅的21%.分析原因，本文較文獻(xiàn)［10］多考慮了能源上游階段的能耗及排放，并且瑞典的能源結(jié)構(gòu)、能源污染物排放強度、住宅設(shè)計及建造流程與國內(nèi)有一定差別.

國內(nèi)外關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑生命周期評價的案例分析較少，挑選國內(nèi)外幾個學(xué)者所研究的鋼結(jié)構(gòu)辦公建筑生命周期能耗分析結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表6所示.從單位建筑面積結(jié)構(gòu)生命周期能耗結(jié)果來看，各學(xué)者研究結(jié)果差異較大，尤其文獻(xiàn)［12］中的研究結(jié)果小于其他國家，原因在于各研究學(xué)者的生命周期研究邊界不同，許多研究中并未考慮能源開采、生產(chǎn)、運輸?shù)壬嫌坞A段的間接能耗，另外各國能源生產(chǎn)、建筑材料生產(chǎn)、運輸水平不同，也會導(dǎo)致整個生命周期能耗產(chǎn)生較大差異.

圖4 與瑞典鋼結(jié)構(gòu)案例住宅的比較Fig.4 Comparison with a steel－construction residential building in Sweden

表6 不同學(xué)者鋼結(jié)構(gòu)建筑生命周期能耗研究結(jié)果對比Tab.6 Comparison of life cycle energy consumption among different researches

文獻(xiàn)［13］的研究對象為上海某鋼結(jié)構(gòu)辦公建筑，研究邊界定義與本研究相同，但其單位建筑面積生命周期能耗僅是1號住宅的59%，主要原因歸納如下：①本文是基于建筑耗材詳單進(jìn)行分析的，而文獻(xiàn)［13］僅考慮了主要耗材；②鋼結(jié)構(gòu)住宅單位建筑面積的鋼耗量要大于鋼結(jié)構(gòu)辦公建筑，文獻(xiàn)［13］統(tǒng)計數(shù)據(jù)為61.5 kg·m－2，而本文1號、2號、3號住宅分別為96.3，107.5，120.9 kg·m－2.

從結(jié)構(gòu)部分占建筑部品生命周期能耗的比例來看，本文研究對象由于屬于地震災(zāi)后重建項目，結(jié)構(gòu)部分設(shè)計相對保守，結(jié)構(gòu)所消耗建材較多，因此這部分的能耗比例均高于50%，而文獻(xiàn)［14－15］所研究的新西蘭地區(qū)氣候溫和，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要求較低，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分耗材較少，相應(yīng)結(jié)構(gòu)部分的能耗比例較大.從表6中文獻(xiàn)［11］對3類不同層數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)建筑生命周期研究結(jié)果亦可看出，與本文研究結(jié)果類似，同一氣候區(qū)建筑的結(jié)構(gòu)部分能耗比例與建筑體量大小并無明顯的線性規(guī)律可循，而且不同體量建筑的結(jié)構(gòu)部分能耗比例波動也不大，因此可認(rèn)為建筑體量對結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分能耗的比例影響不大，影響整個建筑部品生命周期能耗和CO2排放的主要參數(shù)是由氣候區(qū)所決定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型.

6 結(jié)論

（1）鋼構(gòu)件、混凝土和水泥的生命周期能耗占鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑部品生命周期能耗的60%以上，層數(shù)增加，鋼構(gòu)件能耗比例上升，混凝土和水泥的能耗比例下降.

（2）由于鋼結(jié)構(gòu)建筑施工過程簡單，施工生命周期能耗僅為常規(guī)結(jié)構(gòu)住宅的50%左右.

（3）體量對鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑部品的生命周期環(huán)境影響不大.

（4）建筑是一個包含多個子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，劃定合理的研究邊界是提高建筑生命周期評價結(jié)果可靠度與可比性的重要條件.

［1］ 蘇醒，張旭.基于LCA的上海典型辦公建筑窗墻比及窗戶材料優(yōu)化配置［J］.建筑科學(xué)，2008，24（6）：66.SU Xing，ZHANG Xu.LCA－based optimization of window－wall ratio and window materials of typical office building in Shanghai［J］.Building Science，2008，24（6）：66.

［2］ 黃志甲.建筑物能量系統(tǒng)生命周期評價模型與案例研究［D］.上海：同濟大學(xué)機械工程學(xué)院，2003.HUANG Zhijia.The model and case study of the life cycle assessment of building energy system［D］.Shanghai：Tongji University.College of Mechanical Engineering，2003.

［3］ 中國建筑材料聯(lián)合會.中國建筑材料工業(yè)年鑒2009［M］.北京：中國建筑材料工業(yè)年鑒社，2010.China Building Material Council.Yearbook of China building material industry 2009［M］.Beijing：China Building Materials Industry Press，2010.

［4］ 中國電力年鑒編委會.2009中國電力年鑒［M］.北京：中國電力出版社，2010.China Electric Power Yearbook Editorial Committee.China electric power yearbook 2009［M］.Beijing：China Electric Power Press，2009.

［5］ 中國能源年鑒編委會.中國能源年鑒2005／2006［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.China Energy Statistical Yearbook Editorial Committee.China energy statistical yearbook 2005／2006［M］.Beijing：Science Press，2007.

［6］ 陳文娟，聶祚仁，王志宏.中國平板玻璃生命周期清單與特征化［J］.中國建材科技，2006，25（3）：54.CHEN Wenjuan，NIE Zuoren，WANG Zhihong.Life cycle inventory and characterization of flat glass in China［J］.China Building Materials Science ＆Technology，2006，25（3）：54.

［7］ 王超，丁光輝.粉煤灰混凝土生命周期評價初步研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33（1）：39.WANG Chao，DING Guanghui.Preliminary study on life cycle assessment of concrete containing fly ash［J］.Industrial Safety And Environmental Protection，2007，33（1）：39.

［8］ 劉江龍.環(huán)境材料導(dǎo)論［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1999.LIU Jianglong.Introduction to environmental material［M］.Beijing：Metallurgy Industry Press，1999.

［9］ 仲平.建筑生命周期能源消耗及其環(huán)境影響研究［D］.成都：四川大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2005.ZHONG Ping.Study of building life－cycle energy use and relevant environmental impacts ［D］.Chengdu：Sichuan University. College of Environmental Science and Engineering，2005.

［10］ Asa Jonsson，Thomas Bjorklund，Anne－Marie Tillman.LCA of concrete and steel building frames［J］.International Journal of LCA，1998（4）：216.

［11］ Oka T，Suzuki M，Konnya T.The estimation of energy consumption and amounts of pollutants due to the construction of buildings［J］.Energy and Buildings，1993（19）：303.

［12］ Cole R J，Kernan P C.Life－cycle energy use in office buildings［J］.Building and Environment，1996（34）：307.

［13］ SU Xing，ZHANG Xu，GAO Jun.Inventory analysis of LCA on steel－and concrete－construction office buildings［J］.Energy and Buildings，2008（40）：1188.

［14］ Honey B G，Buchanan A H.Environmental impacts of the new zealand building［R］.Cantabury：University of Cantabury，1992.

［15］ Buchanan A H，Honey B G.Energy and carbon dioxide implications of building construction［J］.Energy and Buildings，1994（20）：205.