謝婉君，李曉娟，楊 婷，林金錯，黃身州，徐禮盛

（1.福建農(nóng)林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350108；2.福州諾成工程項目管理有限公司，福建 福州350108，E-mail：57243753@qq.com）

生物物種的減少、極端變化的天氣，海平面上升等全球變暖問題，對自然生態(tài)環(huán)境造成了重大影響[1]。建筑業(yè)消耗的能源占能源總量的40%，其產(chǎn)生的二氧化碳排放占全球碳排放總量的三分之一[2]。為減少碳排放，中國正大力發(fā)展裝配式建筑。裝配式建筑的發(fā)展增加了施工現(xiàn)場建筑設(shè)備的使用，其排放可能對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。城市地區(qū)的建筑密度大、高度高，嚴重阻礙了建筑設(shè)備排放的二氧化碳的擴散和減少，這對周圍環(huán)境造成嚴重污染。這一過程在炎熱的夏季尤為突出，因此對建筑施工過程中的碳排放進行核算，并采取積極措施減少排放是很有必要的。

目前國內(nèi)外學者對裝配式建筑碳排放的研究中，多數(shù)從生命周期的角度出發(fā)進行分析，如高宇等[3]定量測算了裝配式建筑中生命周期不同階段及不同構(gòu)件的碳排放量。李靜等[4]將建筑全生命周期的碳排放活動歸結(jié)為能源、建筑材料、機械的碳排放。然而，施工階段消耗了大量的資源，使用了多種類型的建筑和運輸設(shè)備，在相對較短的時間內(nèi)排放了大量的溫室氣體。施工階段碳排放的研究中，F(xiàn)ang 等[5]采用隨機森林算法在早期設(shè)計階段預測施工階段的碳排放。Sandanayake 等[6]通過兩個案例估計和比較建筑物基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)施工階段的碳排放變化。Nasab 等[7]使用生命周期的方法，評估高層建筑施工階段碳排放碳足跡及所有來源，包括建筑材料的制造和提取、建筑材料的運輸、建筑設(shè)備、建筑周圍植被覆蓋和建筑垃圾的運輸。華珊等[8]使用BIM 技術(shù)測算建筑施工階段碳排放量，并結(jié)合實際案例，為低碳建筑的發(fā)展及環(huán)境管理提供科學依據(jù)和理論支撐。還有部分學者[9～11]對建筑施工階段的碳排放影響因素進行了研究。

綜上所述，學者對裝配式建筑碳排放的研究取得積極進展，但針對施工階段碳排放的系統(tǒng)性研究成果較少，對裝配式建筑施工階段碳排放核算存在較大的研究空間。施工過程碳排放主要是各種機械設(shè)備消耗及各施工工藝的消耗，其大小主要由建筑材料的用量和種類、建筑結(jié)構(gòu)形式、施工設(shè)備和施工方法等決定。本文采用碳排放系數(shù)與工程量清單相結(jié)合的方式，構(gòu)建裝配式建筑施工階段碳排放核算模型，通過實例研究，從建筑材料、施工階段機械臺班、施工工藝等方面探究減排路徑。

1 裝配式建筑施工階段碳排放核算基礎(chǔ)

1.1 施工階段碳排放核算系統(tǒng)邊界

施工階段是指整個工程施工項目從開工開始到竣工驗收為止的階段。施工階段的碳排放研究從施工整體的角度出發(fā)，研究施工過程與其相關(guān)活動所產(chǎn)生的直接碳排放和間接碳排放。施工階段的生命周期是從施工場地平整開始，到施工項目竣工為止所包含的土方工程、地基與基礎(chǔ)工程、主體結(jié)構(gòu)、建筑屋面、建筑裝飾裝修等全部施工過程。本文將施工階段的碳排放進行整合，劃分為土石方、樁基工程、一般土建工程和裝飾裝修工程。裝配式建筑的吊裝工藝已包含在一般土建工程中。

1.2 CO2 當量計算方法

溫室氣體主要包括CO2、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳化合物、全氟碳化合物、六氟化硫六種[12]。在計算碳排放量時，通常轉(zhuǎn)換為CO2當量，如甲烷等溫室氣體的重量乘以其全球變暖潛力值（GWP），可轉(zhuǎn)換為標準化的CO2當量。本文主要針對CO2、CH4、N2O 這3 種溫室氣體進行核算。最新的氣專委第六次評估報告[13]發(fā)布的數(shù)據(jù)提供了最新的科學排放概況，顯示了3 個評估時間范圍內(nèi)溫室氣體的全球變暖潛力值，如表1 所示。

表1 3 種主要長期存在的溫室氣體的全球變暖潛力值（GWP）

1.3 碳排放因子的確定

碳排放因子又稱碳排放系數(shù)，是指在技術(shù)、經(jīng)濟和管理條件下每種統(tǒng)計產(chǎn)品的平均CO2排放量[14]。選擇合適的碳排放因子是對施工過程碳排放進行準確量化的必要前提。裝配式建筑施工階段的碳排放主要來自建筑材料、能源及人工碳排放因子。

2 裝配式建筑施工階段碳排放核算模型

2.1 核算方法

裝配式建筑碳排放核算方法主要有：投入產(chǎn)出法和碳排放系數(shù)法。投入產(chǎn)出法數(shù)據(jù)來源廣泛，獲取精準的數(shù)據(jù)困難較大。碳排放系數(shù)法是IPCC 提出的第一種碳排放評估方法，利用“活動水平數(shù)據(jù)×排放因子”得到的數(shù)值作為碳排放量。該方法通俗易懂、清晰明了，方法理論較為統(tǒng)一，權(quán)威性較高，故選取該方法進行碳排放的核算。

2.2 施工階段碳排放核算模型

依據(jù)工程量清單對裝配式建筑施工過程碳排放值進行量化處理，在裝配式建筑施工階段的碳排放研究對象為施工階段耗用的建筑材料、使用的機器設(shè)備及所需人員[15]。根據(jù)碳排放系數(shù)法，結(jié)合工程量清單，建立裝配式建筑施工階段碳排放核算模型，如下式所示。

式中，W總指裝配式建筑施工階段的碳排放總量；W1指樁基工程所產(chǎn)生的碳排放量；W2指土石方工程所產(chǎn)生的碳排放量；W3指一般土建工程所產(chǎn)生的碳排放量；W4指裝飾裝修工程所產(chǎn)生的碳排放量。

以土石方工程為例進行核算分析如下：

式中，Cx指裝配式建筑施工階段第x個清單所產(chǎn)生的碳排放量（x=1，2，3，...，m）；Gxy指裝配式建筑施工階段第x個清單內(nèi)第y個定額的工程量；Qxy指裝配式建筑施工階段第x個清單內(nèi)第y個定額每單位產(chǎn)生的碳排放量（y=1，2，3，...，n）。

式中，Mxy指裝配式建筑施工階段第x個清單內(nèi)第y個定額所耗用建筑材料產(chǎn)生的碳排放量；Exy指裝配式建筑施工階段第x個清單內(nèi)第y個定額所使用的機械設(shè)備產(chǎn)生的碳排放量；Er指人工碳排放因子；n指人工工日數(shù)；Myi指第y個定額中第i種建筑材料的消耗量（i=1，2，3，...，p）；GWPi指第i種建筑材料的碳排放因子；s指第i種建筑材料的回收系數(shù)；Eyj指第y個定額中第j種機械設(shè)備的消耗量（j=1，2，3，...，q）；GWPj指第j種機械設(shè)備的碳排放因子。

2.3 碳排放評價指標

進行碳排放核算的目的是為了量化和評價各階段和各過程的碳排放量，以期為碳減排提出相應的策略。

（1）各階段的碳排放評價模型。為了對裝配式建筑各個階段的碳排放進行對比研究，需要求出各階段碳排放在整個生命周期中所占的比重，計算公式為：

式中，φi為裝配式建筑各階段的碳排放比率（%）；Pi為裝配式建筑第i個階段的碳排放（tCO2）；i為裝配式建筑全生命周期的6 個階段。

（2）單位造價碳排放強度。

式中，UG為裝配式建筑單位造價碳排放強度（kgCO2/萬元）；W為裝配式建筑施工階段碳排放總量（kgCO2）；G為裝配式建筑總造價（萬元）

（3）單位面積碳排放強度。

式中，UA為裝配式建筑單位面積碳排放強度（kgCO2/m2）；W為裝配式建筑施工階段碳排放總量（kgCO2）；A為裝配式建筑總面積（m2）

2.4 碳排放因子和數(shù)據(jù)的獲取

碳排放因子和活動水平數(shù)據(jù)的選擇對最終的核算結(jié)果會產(chǎn)生很大影響。裝配式建筑施工階段的碳排放主要來自不同建筑設(shè)備使用的柴油、燃氣、電力等燃料。其數(shù)據(jù)主要來源于《建筑碳排放計算標準》（GBT51366-2019）。活動水平數(shù)據(jù)可以從現(xiàn)場施工記錄或預算和結(jié)算文件中獲得。本文基于案例研究的實地調(diào)查，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合BIM 建模，以完成詳細的碳排放測算。

3 實證分析

為進一步研究裝配式建筑施工階段的碳排放模式，提高研究的準確性和可信度，選擇漳州市某小區(qū)1#～6#住宅樓項目進行實證分析。案例的建筑面積約11987m2，建筑基底面積約為3476m2，均為最高30 層、層高2.8m。其中，1#～3#的建筑類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，4#～6#的建筑類型為剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑設(shè)計使用年限50 年，抗震設(shè)防烈度為7 度，綠化面積占68%。

3.1 碳排放核算研究

根據(jù)碳排放因子和實際工程案例的施工數(shù)據(jù)收集，可計算出1#～6#的碳排放，如表2 所示。

表2 1#～6#住宅樓碳排放情況匯總

由表2 可知，不同樓之間的碳排放總量存在差異。為考察不同樓號施工階段碳排放的變化，本文對碳排放量進行分析。施工階段一般土建工程產(chǎn)生的碳排放量占碳排放總量的比例最大，高達80%～87%，裝飾裝修工程產(chǎn)生的碳排放總量約占施工階段碳排放總量15%～20%，土石方工程產(chǎn)生的碳排放量占比最小，僅0.1%～1%。

3.2 評價指標分析

為比較不同建筑類型的碳排放，根據(jù)式（7）和式（8）計算出單位造價碳排放強度和單位面積碳排放強度。圖1 為單位造價碳排放強度范圍，在2622～2816kgCO2/萬元，平均值為2749.33kgCO2/萬元。圖2 為單位面積碳排放強度范圍，在623～770 kgCO2/m2，平均值為671kgCO2/m2。

圖1 單位造價碳排放強度

圖2 單位面積碳排放強度

3.3 預制率對施工階段碳排放的影響

現(xiàn)澆建筑的施工方式與預制裝配式的施工模式有所不同，兩種施工方式下，引起碳排放差異的主要分部分項工程包括混凝土工程、鋼筋工程、模板工程三大類。

預制率的高低直接影響施工階段碳排放的總量。為進一步研究預制率對施工階段碳排放的影響，本文設(shè)置不同的預制率水平，針對兩種結(jié)構(gòu)的工程案例碳排放進行分析，結(jié)果如圖3 和圖4 所示。分析發(fā)現(xiàn)，混凝土工程和鋼筋工程的碳排放隨著預制率的升高而增加，且混凝土的碳排放增幅更大。造成這種現(xiàn)象的原因可能是預制構(gòu)件在安裝過程中人工、材料的消耗量更大，從而產(chǎn)生了更多的碳排放。而鋼筋工程的碳排放隨預制率變化的幅度極小，可忽略不計。模板工程的碳排放隨預制率的升高而顯著下降。這是因為在預制裝配式的施工方式時，預制構(gòu)件采用的是高周轉(zhuǎn)、低排放的鋁膜板，這大大降低了碳排放，因而成為碳減排的主要方式之一。

圖3 不同預制率框架剪力墻結(jié)構(gòu)的碳排放

圖4 不同預制率剪力墻結(jié)構(gòu)的碳排放

3.4 碳排放規(guī)律分析

為更深入的研究工程造價、總建筑面積與碳排放總量的關(guān)系，利用SPSS 軟件分別對工程造價、建筑面積與碳排放總量的關(guān)系進行趨勢分析。

3.4.1 工程造價與碳排放總量的關(guān)系

針對6 棟住宅樓項目工程造價的碳排放量進行線性分析，得到裝配式建筑施工階段的工程造價與裝配式建筑施工階段的碳排放總量之間的一元線性回歸方程如下：

式中，y為裝配式建筑施工階段碳排放總量（kgCO2）；x為工程造價（萬元）。

由表3 可知，經(jīng)調(diào)整后的R2為0.917，表明裝配式建筑施工階段碳排放總量與工程造價有一定的關(guān)聯(lián)性。采用SPSS 軟件對獲得的一元線性回歸方程進行顯著性分析，然后對碳排放總量和工程進行相關(guān)性分析。

表3 模型匯總b

模型的顯著性可以通過P 值（Sig）來進行判定，若Sig 值小于0.05，則判定為因素關(guān)系顯著，反之則為不顯著。模型的相關(guān)性則通過Person 相關(guān)性系數(shù)進行判定，若相關(guān)系數(shù)大于0.7，則判定因素之間為強相關(guān)。由表4 和表5 可知，Sig 值為0.002，小于0.05，則工程造價與裝配式建筑施工階段的碳排放總量關(guān)系顯著；相關(guān)關(guān)系值為0.966，大于0.7，則工程造價與裝配式建筑施工階段的碳排放總量為強關(guān)系。故工程造價與裝配式建筑施工階段的碳排放總量之間存在著較為明顯的線性關(guān)系。

表4 工程造價與碳排放總量的顯著性分析

表5 工程造價與碳排放總量的相關(guān)性分析

3.4.2 建筑面積與碳排放總量的關(guān)系

針對6 棟住宅樓項目建筑面積的碳排放量進行線性分析，得到裝配式建筑的建筑面積與裝配式建筑施工階段的碳排放總量之間的一元線性回歸方程如下：

式中，y為裝配式建筑施工階段碳排放總量（kgCO2）；x為建筑面積（m2）。

由表6 可知，經(jīng)調(diào)整后的R2為0.749，表明裝配式建筑的建筑面積與裝配式建筑施工階段的碳排放總量之間有一定的關(guān)聯(lián)性。采用SPSS 軟件對獲得的一元線性回歸方程進行顯著性分析，然后對碳排放總量和工程進行相關(guān)性分析。

表6 模型匯總b

由表7 和表8 可知，Sig 值為0.016，小于0.05，則建筑面積與裝配式建筑施工階段的碳排放總量關(guān)系顯著；相關(guān)關(guān)系值為0.894，大于0.7，則建筑面積與裝配式建筑施工階段的碳排放總量為強關(guān)系。故建筑面積與裝配式建筑施工階段的碳排放總量之間存在著較為明顯的線性關(guān)系。

表7 建筑面積與碳排放總量的顯著性分析

表8 建筑面積與碳排放總量的相關(guān)性分析

3.5 結(jié)果討論

在本項目中，裝配式建筑單位面積的碳排放強度在676.69 kgCO2/m2左右波動，與其他研究結(jié)果相比，現(xiàn)澆建筑施工階段的碳排放強度為693.814 kgCO2/m2[14]。因此減少了17.124kgCO2/m2，相當于3.29%。由此可見，裝配式建筑相較于傳統(tǒng)建筑，具有顯著的減排潛力。裝配式建筑施工階段的碳排放總量與工程造價、建筑面積兩個指標有很強的線性關(guān)系。兩個線性回歸方程建立了以碳排放總量為因變量的定量關(guān)系，可用于估算裝配式建筑項目的施工階段的碳排放總量。同時，可為施工階段其他分部分項工程碳排放的核算提供參考方法和數(shù)值。

4 建議

（1）建筑材料方面。隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，我國對建筑材料的需求量急劇上升。若在施工階段開始注重對建筑材料的選擇和對環(huán)境的保護工作，二氧化碳排放總量將大幅度下降。建議使用如巖棉板、加氣混凝土、中空玻璃等保溫隔熱效果好的建筑材料，降低施工階段建筑的碳排放量。

（2）施工階段機械臺班方面。考慮在符合條件的范圍內(nèi)，選擇最小功率的機械設(shè)備，進一步減少建設(shè)施工階段機械臺班排放的二氧化碳的含量；發(fā)展新型可再生的能源，如風能、太陽能、潮汐能等。同時，可著力研發(fā)新型的機械設(shè)備，從而減少柴油、汽油等燃料使用量。

（3）施工工藝方面。制定合理的工程施工進度方案，對施工人員進行合理的調(diào)配。一個工作面上安排最佳人員和施工機械設(shè)備的數(shù)量，提高機械設(shè)備及建筑材料的利用效率，減少不必要的浪費。盡量減少安排人員在夜間進行施工，減少照明設(shè)備的使用，采用新型節(jié)能的照明設(shè)備，降低建筑施工過程中的碳排放。

（4）建筑設(shè)計方面。在裝配式建筑設(shè)計方面，可對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行合理的優(yōu)化。在技術(shù)與經(jīng)濟相支持的情況下，選擇最經(jīng)濟適用的房屋結(jié)構(gòu)，從而減少對施工材料、機械臺班的使用；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循合理、科學、經(jīng)濟、適用的設(shè)計理念，為建筑施工單位設(shè)計出一個最佳的結(jié)構(gòu)方案。

（5）相關(guān)政策規(guī)范方面。政府可不斷完善關(guān)于建設(shè)低碳環(huán)保建筑的規(guī)章制度，形成一個嚴謹科學的低碳發(fā)展法律體系。通過頒布綠色節(jié)能建筑相關(guān)的法律條例來約束施工企業(yè)對綠色建筑的建造，樹立建筑行業(yè)的綠色標準，引起相關(guān)企業(yè)對減少排放二氧化碳的重視。同時，政府可制定出具有一定激勵作用的相關(guān)政策，促使建筑單位建設(shè)低碳綠色環(huán)保型的建筑，以此來推動建筑行業(yè)向低碳綠色環(huán)保型轉(zhuǎn)型升級。

5 結(jié)語

本文采用碳排放系數(shù)法，結(jié)合工程量清單計算方法，建立裝配式建筑施工階段碳排放測算模型，并根據(jù)實際案例進行分析，得到裝配式建筑施工階段碳排放的主要來源?？蔀槲磥硎┕るA段減排路徑提供相關(guān)的參考。本文所建立的碳排放核算模型，分為土石方工程、樁基工程、一般土建工程和裝飾裝修工程，但只能用于施工階段的碳排放核算，不適用于全生命周期。同時，本文的研究以福建某一案例為例，具有地域性，后期的研究需要考慮地域問題及施工周圍環(huán)境對碳排放總量的影響。根據(jù)各地區(qū)環(huán)境等一系列因素的不同，因地制宜的提出相應的減排路徑。