王銀輝, 蔣建男, 謝含軍, 周朝陽(yáng), 馬佳星,4*

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074; 2.浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院, 寧波 315100; 3.寧波市政工程建設(shè)集團(tuán)股份有限公司, 寧波 315012; 4.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院, 天津 300350)

溫室氣體過(guò)度排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)已受到中外社會(huì)的廣泛關(guān)注[1]。根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)測(cè)算,為實(shí)現(xiàn)1.5 ℃乃至2 ℃控溫目標(biāo),全球必須在2050年左右達(dá)到二氧化碳凈零排放[2]。中國(guó)積極響應(yīng)聯(lián)合國(guó)的號(hào)召,將力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]。據(jù)IPCC調(diào)查,2019年全球建筑業(yè)碳排放量為120億t,占全球碳排放比重為21%[4]。根據(jù)中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)能耗專(zhuān)委會(huì)發(fā)布的《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告(2021)》顯示,2019年中國(guó)建筑業(yè)碳排放量為49.97億t,占全國(guó)碳排放比重為50.6%。可以看到,中國(guó)建筑業(yè)碳排放量占全球建筑業(yè)碳排放量的比重高達(dá)42%,占全球碳排放量的比重為9%。建筑業(yè)是中國(guó)的碳排放大戶,其具有大量建設(shè)、大量消耗以及大量排放的特點(diǎn),因此對(duì)其進(jìn)行碳排放追蹤和控制十分必要。橋梁作為一種常見(jiàn)的公共建筑,其在全壽命周期內(nèi)將產(chǎn)生大量碳排放。截至2021年年末,中國(guó)公路橋梁總數(shù)已超96.11萬(wàn)座,長(zhǎng)度達(dá)7 380.21萬(wàn)m,已建成的各式橋梁在跨徑和數(shù)量上均位居世界前列。對(duì)橋梁工程進(jìn)行碳排放分析與控制有助于建筑業(yè)盡快實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

橋梁工程全壽命周期碳排放研究受到了中外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Zhou等[5]通過(guò)軟件針對(duì)一座三塔斜拉橋的環(huán)境影響進(jìn)行了分析,利用馬爾可夫鏈等研究方法對(duì)23 680多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明:斜拉橋在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段對(duì)全球變暖潛能值的貢獻(xiàn)最大。Hammervold等[6]對(duì)挪威地區(qū)的木拱橋、鋼箱梁橋和混凝土箱梁橋進(jìn)行了環(huán)境影響研究。結(jié)果表明:材料生產(chǎn)階段的碳排放對(duì)環(huán)境的影響最大。王一帆[7]運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)法建立了橋梁全壽命周期環(huán)境影響定量評(píng)價(jià)模型,并依托混凝土箱梁橋進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段對(duì)環(huán)境影響最大,報(bào)廢拆除階段對(duì)環(huán)境影響最小。李小嬌[8]建立了簡(jiǎn)化的懸索橋全壽命周期碳排放核算模型,并依托實(shí)際工程進(jìn)行了核算與分析。結(jié)果表明:建材準(zhǔn)備階段產(chǎn)生的碳排放量最大,施工階段產(chǎn)生的碳排放量最小。以上研究為橋梁工程的減碳控碳做出了一定貢獻(xiàn)。但由于研究過(guò)程中系統(tǒng)邊界、碳排放源、碳排放因子以及碳排放模型公式的差異,各學(xué)者的研究成果往往具有不同的量綱和單位,難以直接對(duì)其進(jìn)行比對(duì)分析。因此,就需要對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,消除因指標(biāo)不同而產(chǎn)生的不利影響,使各指標(biāo)處于同一數(shù)量級(jí),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的充分挖掘利用。

現(xiàn)金流量理論是關(guān)于現(xiàn)金、現(xiàn)金流量以及自由現(xiàn)金流量的理論,是企業(yè)管理層進(jìn)行短期和中長(zhǎng)期投資決策的重要手段。其中現(xiàn)金流量是指投資項(xiàng)目在其整個(gè)壽命周期內(nèi)所發(fā)生的現(xiàn)金流入與流出的數(shù)量。在對(duì)現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)歸一化的基礎(chǔ)上可借鑒現(xiàn)金流量理論,將橋梁全壽命周期各階段碳排放量抽象為流值,并依據(jù)現(xiàn)金流量圖繪制碳排放流量圖,從而更加直觀地反映出橋梁全壽命周期各時(shí)點(diǎn)碳排放的流入與流出情況。

綜上所述,在大量橋梁碳排放數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型的橋梁碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,模擬碳排放流以研究不同類(lèi)型橋梁在其全壽命周期各時(shí)點(diǎn)碳排放的分布特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比分析碳排放流的終值,為橋梁選型提供科學(xué)依據(jù),助力橋梁工程的低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展。

1 研究思路與研究方法

1.1 全壽命周期階段劃分

橋梁工程全壽命周期是指橋梁從“搖籃-墳?zāi)埂钡囊粋€(gè)正向過(guò)程。這一過(guò)程一般可分為設(shè)計(jì)規(guī)劃、原材料開(kāi)采加工、建材生產(chǎn)、預(yù)制構(gòu)件加工、建材(構(gòu)件)運(yùn)輸、施工建造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、報(bào)廢拆除以及回收利用9個(gè)階段。其中設(shè)計(jì)規(guī)劃階段產(chǎn)生的碳排放量占橋梁全壽命周期碳排放總量的比重最低,故在全壽命周期碳排放核算中可以忽略不計(jì)[9]。為便于碳排放分析,本文將整個(gè)橋梁工程的壽命周期劃分為3個(gè)階段,即物化階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段以及拆除報(bào)廢階段,如圖1所示。其中物化階段是指橋梁建造完成之前的所有階段[10],包括建材準(zhǔn)備階段和施工階段。

圖1 橋梁工程全壽命周期階段劃分Fig.1 Phase division of bridge engineering full life cycle

1.2 系統(tǒng)邊界界定

本文所劃分的系統(tǒng)邊界如圖2所示。其中,物化階段可分為建材準(zhǔn)備階段和施工階段。建材準(zhǔn)備階段的碳排放主要來(lái)源于原材料的消耗、運(yùn)輸工具以及機(jī)械設(shè)備所消耗的能源。施工階段的碳排放主要來(lái)源于現(xiàn)澆施工、預(yù)制裝配式構(gòu)件施工過(guò)程中各種機(jī)械設(shè)備所消耗的能源以及施工現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)用水和用電。運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放可進(jìn)一步分為運(yùn)營(yíng)過(guò)程產(chǎn)生的碳排放和維護(hù)過(guò)程產(chǎn)生的碳排放。運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放主要由橋梁照明消耗的電能產(chǎn)生,維護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放主要由橋梁構(gòu)件的維修與替換產(chǎn)生。拆除報(bào)廢階段的碳排放主要來(lái)源于拆除橋梁的機(jī)械設(shè)備、運(yùn)輸建筑垃圾的運(yùn)輸工具以及處理建筑垃圾的機(jī)械設(shè)備對(duì)能源的消耗。在橋梁全壽命周期中如采取了減碳控碳措施,則還需要考慮減少的碳排放。若在橋梁主體設(shè)置綠化,則還需考慮植物吸收而減少的碳排放;若對(duì)建材進(jìn)行回收利用,則需要考慮因回收而減少的碳排放。

圖2 橋梁工程全壽命周期碳排放范圍Fig.2 Carbon emission range of bridge engineering full life cycle

1.3 碳排放流的定義

現(xiàn)金流量圖采用帶箭頭的直線段在時(shí)間坐標(biāo)軸上來(lái)表示現(xiàn)金流發(fā)生的時(shí)間、大小和方向,可直觀反映工程建設(shè)項(xiàng)目全壽命周期資金的活動(dòng)規(guī)律,并可用于計(jì)算方案的凈現(xiàn)值、凈年值、凈終值、內(nèi)部收益率以及動(dòng)態(tài)投資回收期等動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在分析橋梁全壽命周期各階段碳排放時(shí),可模擬現(xiàn)金流按年反映碳排放的流入與流出,即橋梁碳排放流,單位為cf。

現(xiàn)金流量與碳排放流量?jī)烧咧g既相互聯(lián)系又存在區(qū)別。從研究時(shí)限看,兩者都存在“建設(shè)期”和“運(yùn)營(yíng)期”;從流向看,兩者都存在流入與流出的情況;從研究目的看,兩者都是為了進(jìn)行方案的比選和優(yōu)化;從評(píng)價(jià)的原則看,兩者計(jì)算的流量都是針對(duì)項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)各階段進(jìn)行時(shí)間價(jià)值的考慮。兩者的區(qū)別首先在于碳排放流量主要表現(xiàn)為流出,次要表現(xiàn)為流入;而現(xiàn)金流量主要表現(xiàn)為流入,次要表現(xiàn)為流出。其次,現(xiàn)金流量通常用于評(píng)價(jià)方案的現(xiàn)值,而碳排放流量應(yīng)用于評(píng)價(jià)其終值[11]。

由于橋梁工程在建材生產(chǎn)加工、材料運(yùn)輸、施工建造過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放具有短期、集中的特點(diǎn),故本文研究對(duì)碳排放流進(jìn)行模擬時(shí)將物化階段作為橋梁全壽命周期的零時(shí)點(diǎn),選取第1年到第n年區(qū)間作為運(yùn)營(yíng)周期,并將第n年作為拆除報(bào)廢的時(shí)間點(diǎn)。

1.4 矩陣的歸一化

常用的歸一化方法有線性比例歸一化、極差變換法、標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)歸一化、向量歸一化以及和積法[12-13]。其中和積法常用于矩陣歸一化,在對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)更具優(yōu)越性。因此,選取和積法對(duì)橋梁碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化操作。其計(jì)算步驟如下:首先基于現(xiàn)有研究成果建立碳排放矩陣,而后對(duì)碳排放矩陣中的元素進(jìn)行列歸一、行求和,最后對(duì)和向量進(jìn)行歸一,從而得到不同類(lèi)型橋梁的碳排放流。

2 碳排放流計(jì)算模型

為比較和分析不同類(lèi)型橋梁全壽命周期碳排放的差異,需要建立橋梁工程全壽命周期靜態(tài)和動(dòng)態(tài)碳排放流模型。其中靜態(tài)碳排放流模型是將各個(gè)階段的碳排放流進(jìn)行累加;動(dòng)態(tài)碳排放流模型則還需要考慮碳排放的時(shí)間價(jià)值。兩者相結(jié)合可更好地指導(dǎo)低碳橋型的選擇。

2.1 靜態(tài)碳排放流模型

橋梁工程全壽命周期碳排放流由物化、運(yùn)營(yíng)維護(hù)以及拆除報(bào)廢3個(gè)階段的碳排放流組成,如式(1)所示。

Cfjt,k=fwh,k+nfyw,k+fcb,k

(1)

式(1)中:Cfjt,k為第k種類(lèi)型橋梁的靜態(tài)碳排放流總量;fwh,k為第k種類(lèi)型橋梁物化階段的碳排放流;fyw,k為第k種類(lèi)型橋梁運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段每年的碳排放流;fcb,k為第k種類(lèi)型橋梁拆除報(bào)廢階段的碳排放流;k為橋梁類(lèi)型,即簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋、拱橋、懸索橋以及斜拉橋;n為第k種類(lèi)型橋梁的設(shè)計(jì)使用年限。

為便于直觀比對(duì),在計(jì)算fwh,k時(shí),對(duì)歸一化后的結(jié)果乘以1 000擴(kuò)大系數(shù),使原數(shù)據(jù)由三位小數(shù)化為整數(shù)。在計(jì)算fyw,k以及fcb,k時(shí),還需考慮3個(gè)階段之間的比例關(guān)系。

2.2 動(dòng)態(tài)碳排放流模型

社會(huì)折現(xiàn)率是社會(huì)對(duì)資金時(shí)間價(jià)值的估量,代表占用社會(huì)資金所應(yīng)獲得的最低收益率。在計(jì)算橋梁全壽命周期碳排放流量終值時(shí),應(yīng)從國(guó)民經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)考察工程項(xiàng)目對(duì)于環(huán)境的影響。通過(guò)引入社會(huì)折現(xiàn)率i,建立式(2)所示的橋梁全壽命周期動(dòng)態(tài)碳排放流模型來(lái)體現(xiàn)碳排放隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的變化。

(2)

式(2)中:Cfdt,k為第k種類(lèi)型橋梁的動(dòng)態(tài)碳排放總流;i為社會(huì)折現(xiàn)率。

在橋梁碳排放研究初期,學(xué)者們?cè)谶M(jìn)行碳排放核算時(shí)多未考慮碳排放的時(shí)間價(jià)值,而是簡(jiǎn)單地將各階段的核算數(shù)據(jù)進(jìn)行累加。由此得到的核算結(jié)果僅表征了當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。而社會(huì)經(jīng)濟(jì)是動(dòng)態(tài)發(fā)展的,并非一成不變。隨著越來(lái)越多的學(xué)者意識(shí)到這一問(wèn)題,碳排放的時(shí)間價(jià)值也愈加受到重視?，F(xiàn)階段研究多認(rèn)為碳排放時(shí)間價(jià)值與社會(huì)折現(xiàn)率相關(guān)[14]。碳排放的社會(huì)折現(xiàn)率應(yīng)該包含無(wú)風(fēng)險(xiǎn)自由率和氣候改變風(fēng)險(xiǎn)[15],溫日琨等[16]依據(jù)國(guó)外的研究并結(jié)合中國(guó)國(guó)情,確定無(wú)風(fēng)險(xiǎn)自由率為2%,氣候改變風(fēng)險(xiǎn)為1.5%。因此社會(huì)折現(xiàn)率取3.5%。

3 全壽命周期各階段的碳排放流

根據(jù)李小嬌[8]和張?zhí)斐絒17]對(duì)橋梁全壽命周期碳排放的研究,將數(shù)據(jù)整理如表1所示。將橋梁工程全壽命周期劃分為物化、運(yùn)營(yíng)維護(hù)以及拆除報(bào)廢3個(gè)階段開(kāi)展碳排放流研究,所涵蓋的橋型包括簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋、拱橋、懸索橋以及斜拉橋,并針對(duì)每種橋型選擇3個(gè)案例。由于不同的橋型所涉及的材料、機(jī)械設(shè)備、能源等均存在一定差異,需要對(duì)表1所示的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

表1 案例橋梁全壽命周期各階段的碳排放量Table 1 Bridge carbon emissions at different stages of full life cycle

3.1 物化階段碳排放流

(3)

(4)

3.2 運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳排放流

(5)

(6)

表2展示了各案例橋梁在物化階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段以及拆除報(bào)廢階段之間的碳排放比例關(guān)系。

表2 案例橋梁全壽命周期各階段碳排放占比Table 2 Proportion of carbon emissions in each stage of case bridge full life cycle

將案例橋梁全壽命周期各階段碳排放占比的平均值作為該橋型全壽命周期各階段碳排放占比,如表3所示。

表3 不同橋型全壽命周期各階段的碳排放占比Table 3 Carbon emission proportion of different bridge types in various stages of full life cycle

(7)

3.3 拆除報(bào)廢階段碳排放流

(8)

(9)

與運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的計(jì)算方法相似,f′cb需要乘以比例系數(shù)αcb才能得到fcb。其中αcb1=0.86/45.19=0.019,同理可得αcb2=0.032,αcb3=0.026,αcb4=0.028,αcb5=0.048,αcb6=0.039。因此可以得到不同橋型拆除報(bào)廢階段的碳排放流向量Fcb,即

(10)

4 全壽命周期碳排放流量圖

在繪制碳排放流量圖時(shí)以碳排放流出為正,箭頭方向朝上;以碳排放流入(被吸收)為負(fù),箭頭方向朝下。本文研究選取的案例橋梁在其全壽命周期內(nèi)的碳排放均為流出。這主要是因?yàn)橄嚓P(guān)學(xué)者在核算建材生產(chǎn)階段的碳排放量時(shí)采用了考慮回收率的碳排放因子,因而在核算拆除報(bào)廢階段的碳排放量時(shí)就未重復(fù)考慮因材料回收而減少的碳排放[8,17]。其次是因?yàn)橹脖坏墓烫剂?流入)占橋梁工程全壽命周期碳排放總量的比重很小,可以忽略不計(jì)[18]。

4.1 簡(jiǎn)支梁橋全壽命周期碳排放流

根據(jù)物化階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段以及拆除報(bào)廢階段碳排放流向量,結(jié)合簡(jiǎn)支梁橋全壽命周期各個(gè)時(shí)點(diǎn),繪制簡(jiǎn)支梁橋碳排放流量圖,如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)支梁橋碳排放流量圖Fig.3 Carbon emission flow diagram of simply supported beam bridge

將數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)可得簡(jiǎn)支梁橋全壽命周期靜態(tài)碳排放總流為45.009 cf,動(dòng)態(tài)碳排放總流為883.095 cf。

4.2 連續(xù)梁橋全壽命周期碳排放流

根據(jù)物化階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段以及拆除報(bào)廢階段碳排放流向量,結(jié)合連續(xù)梁橋全壽命周期各個(gè)時(shí)點(diǎn),繪制連續(xù)梁橋碳排放流量圖,如圖4所示。

圖4 連續(xù)梁橋碳排放流量圖Fig.4 Carbon emission flow diagram of continuous girder bridge

將數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)可得連續(xù)梁橋全壽命周期靜態(tài)碳排放總流為264.728 cf,動(dòng)態(tài)碳排放總流為4 853.203 cf。

4.3 剛構(gòu)橋全壽命周期碳排放流

根據(jù)物化階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段以及拆除報(bào)廢階段碳排放流向量,結(jié)合剛構(gòu)橋全壽命周期各個(gè)時(shí)點(diǎn),繪制剛構(gòu)橋碳排放流量圖,如圖5所示。

圖5 剛構(gòu)橋碳排放流量圖Fig.5 Carbon emission flow diagram of rigid frame bridge

將數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)可得剛構(gòu)橋全壽命周期靜態(tài)碳排放總流為684.016 cf,動(dòng)態(tài)碳排放總流為12 446.639 cf。

4.4 拱橋全壽命周期碳排放流

根據(jù)物化階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段以及拆除報(bào)廢階段碳排放流向量,結(jié)合拱橋全壽命周期各個(gè)時(shí)點(diǎn),繪制拱橋碳排放流量圖,如圖6所示。

圖6 拱橋碳排放流量圖Fig.6 Carbon emission flow diagram of arch bridge

將數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)可得懸索橋全壽命周期靜態(tài)碳排放總流為218.508 cf,動(dòng)態(tài)碳排放總流為4 529.216 cf。

4.5 懸索橋全壽命周期碳排放流

根據(jù)物化階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段以及拆除報(bào)廢階段碳排放流向量,結(jié)合懸索橋全壽命周期各個(gè)時(shí)點(diǎn),繪制懸索橋碳排放流量圖,如圖7所示。

圖7 懸索橋碳排放流量圖Fig.7 Carbon emission flow diagram of suspension bridge

將數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)可得懸索橋全壽命周期靜態(tài)碳排放總流為461.288 cf,動(dòng)態(tài)碳排放總流為10 180.505 cf。

4.6 斜拉橋全壽命周期碳排放流

根據(jù)物化階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段以及拆除報(bào)廢階段碳排放流向量,結(jié)合斜拉橋全壽命周期各個(gè)時(shí)點(diǎn)(年),繪制斜拉橋碳排放流量圖,如圖8所示。

將數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)可得斜拉橋全壽命周期靜態(tài)碳排放總流為598.778 cf,動(dòng)態(tài)碳排放總流為8 963.715 cf。

5 碳排放結(jié)果對(duì)比分析

5.1 全壽命周期單位面積碳排放對(duì)比分析

將案例橋梁?jiǎn)挝幻娣e碳排放的平均值作為該橋型的單位面積碳排放,計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同橋型單位面積碳排放Fig.9 Carbon emission per unit area of different bridge types

從圖9可知不同橋型全壽命周期單位面積碳排放從大到小排序依次為拱橋、剛構(gòu)橋、連續(xù)梁橋、懸索橋、簡(jiǎn)支梁橋、斜拉橋。其中拱橋的單位面積碳排放最大,主要原因是鋼管混凝土拱橋在建造時(shí)需要將鋼管內(nèi)填充大量混凝土,導(dǎo)致其橋面以上空間產(chǎn)生大量碳排放,從而增大了單位面積碳排放。懸索橋和斜拉橋的單位面積碳排放相對(duì)較小,主要原因是懸索橋和斜拉橋的橋面面積較大,并且橋梁主體一般采用鋼結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的碳排放量較少。

5.2 碳排放流結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)碳排放流量圖(圖3～圖8)可以看到,不同橋型全壽命周期的碳排放在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上存在著差異。這些差異可以通過(guò)碳排放流予以體現(xiàn)。對(duì)上述3個(gè)階段的靜態(tài)碳排放流及動(dòng)態(tài)碳排放總流進(jìn)行分析,結(jié)果如下。

物化階段的碳排放流從大到小依次為剛構(gòu)橋(292)、懸索橋(281)、斜拉橋(171)、拱橋(118)、連續(xù)梁橋(115)、簡(jiǎn)支梁橋(22)。剛構(gòu)橋、懸索橋以及斜拉橋在物化階段的碳排放流遠(yuǎn)大于拱橋、連續(xù)梁橋以及簡(jiǎn)支梁橋。剛構(gòu)橋、懸索橋以及斜拉橋這3種橋型的跨越能力較強(qiáng),跨徑一般較大,構(gòu)造較為復(fù)雜,在建造過(guò)程中需要消耗大量的建筑材料以及投入大量的施工機(jī)械和運(yùn)輸設(shè)備。其中剛構(gòu)橋一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼-混組合結(jié)構(gòu),在建造過(guò)程中鋼筋和混凝土用量巨大。而懸索橋和斜拉橋主橋一般采用鋼箱梁和鋼桁梁的型式,引橋一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。在同等荷載作用下,鋼結(jié)構(gòu)可以減少材料用量,減輕主體自重,并且裝配化程度較高,在施工過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放較少。拱橋、連續(xù)梁橋以及簡(jiǎn)支梁橋這3種橋型的跨越能力較弱,跨徑一般較小,構(gòu)造較為簡(jiǎn)單,對(duì)建筑材料和機(jī)械設(shè)備的需求量相對(duì)較小。

運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳排放流從大到小依次為斜拉橋(4.199)、剛構(gòu)橋(3.864)、懸索橋(1.620)、連續(xù)梁橋(1.464)、拱橋(0.981)、簡(jiǎn)支梁橋(0.228)。運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段產(chǎn)生的碳排放主要由景觀照明設(shè)備消耗電能產(chǎn)生的碳排放及橋梁維修翻新過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放構(gòu)成。斜拉橋和剛構(gòu)橋在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳排放流較大的主要原因在于景觀照明設(shè)備數(shù)量多,照明功率大,因而會(huì)消耗較多電能。此外,在日常維護(hù)過(guò)程中替換構(gòu)件的數(shù)量也較多,因此在建材準(zhǔn)備和施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。其中懸索橋在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放流遠(yuǎn)小于斜拉橋和剛構(gòu)橋的主要原因是3座案例懸索橋中有1座懸索橋與其他2座懸索橋的碳排放規(guī)律不一致,其在物化階段的碳排放占比偏大,在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放占比偏小,最終導(dǎo)致本文的懸索橋這一橋型在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放流計(jì)算結(jié)果偏小。

拆除報(bào)廢階段碳排放流從大到小依次為懸索橋(18.288)、斜拉橋(7.878)、剛構(gòu)橋(5.616)、連續(xù)梁橋(3.328)、拱橋(2.408)、簡(jiǎn)支梁橋(0.209)。懸索橋、斜拉橋以及剛構(gòu)橋的體量較大,在拆除報(bào)廢時(shí)需要大量機(jī)械設(shè)備進(jìn)行作業(yè),會(huì)產(chǎn)生大量碳排放。此外,拆除之后需要較多的運(yùn)輸工具將建筑垃圾運(yùn)輸?shù)嚼盥駡?chǎng)進(jìn)行填埋或者回收利用廠進(jìn)行二次處理。而垃圾填埋場(chǎng)距橋梁所在地通常較遠(yuǎn),因此在運(yùn)輸過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量碳排放。

不同類(lèi)型橋梁的靜態(tài)碳排放總流從大到小依次為剛構(gòu)橋(684.016)、斜拉橋(598.778)、懸索橋(461.288)、連續(xù)梁橋(264.728)、拱橋(218.508)、簡(jiǎn)支梁橋(45.009)。不同類(lèi)型橋梁的動(dòng)態(tài)碳排放總流從大到小依次為剛構(gòu)橋(12 446.639)、懸索橋(10 180.505)、斜拉橋(8 963.715)、連續(xù)梁橋(4 853.203)、拱橋(4 529.216)、簡(jiǎn)支梁橋(883.095)?？梢钥吹?各橋型靜態(tài)及動(dòng)態(tài)碳排放總流的大小排序具有相似規(guī)律。靜態(tài)碳排放總流呈上述排序的原因在于剛構(gòu)橋、斜拉橋以及懸索橋的跨徑和體量較大且附屬設(shè)施眾多,因此在物化、運(yùn)營(yíng)維護(hù)以及拆除報(bào)廢3個(gè)階段內(nèi)產(chǎn)生的碳排放流均大于體量較小的連續(xù)梁橋、拱橋以及簡(jiǎn)支梁橋。在動(dòng)態(tài)碳排放總流的排序中懸索橋超越斜拉橋位居第二,其他橋型的位次不變。這是由于,盡管斜拉橋在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的碳排放流大于懸索橋,但是后者在物化以及拆除報(bào)廢階段的碳排放流大于前者。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入動(dòng)態(tài)碳排放流模型后可得,懸索橋的碳排放總流更大。因此,在對(duì)橋梁工程碳排放進(jìn)行研究時(shí),應(yīng)將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)碳排放流進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,從當(dāng)前和未來(lái)兩個(gè)維度來(lái)審視國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)于碳排放的影響。

6 結(jié)論

基于全壽命周期理論,將橋梁工程全壽命周期劃分為物化、運(yùn)營(yíng)維護(hù)以及拆除報(bào)廢3個(gè)階段,并借鑒現(xiàn)金流量理論,對(duì)6種橋型的全壽命周期碳排放流進(jìn)行了研究,得出如下結(jié)論。

(1)物化階段碳排放流最大的是剛構(gòu)橋(292),最小的是簡(jiǎn)支梁橋(22);運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳排放流最大的是斜拉橋(4.199),最小的是簡(jiǎn)支梁橋(0.228);拆除報(bào)廢階段碳排放流最大的是懸索橋(18.288),最小的是簡(jiǎn)支梁橋(0.209)。

(2)剛構(gòu)橋、斜拉橋以及懸索橋的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)碳排放總流遠(yuǎn)大于連續(xù)梁橋、拱橋以及簡(jiǎn)支梁橋。因此剛構(gòu)橋、斜拉橋以及懸索橋在全壽命周期內(nèi)具有更大的碳減排潛力。

(3)6種橋型的動(dòng)態(tài)碳排放總流遠(yuǎn)大于其靜態(tài)碳排放總流,比值區(qū)間為[14∶23]。由此可見(jiàn),碳排放的時(shí)間價(jià)值已經(jīng)成為不可忽視的重要因素。故對(duì)橋梁工程碳排放進(jìn)行研究時(shí),應(yīng)妥善考慮碳排放的時(shí)間價(jià)值,以發(fā)展的眼光衡量碳排放對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的長(zhǎng)期影響。

(4)橋梁工程全壽命周期碳排放流主要為流出,流入很少。每個(gè)階段產(chǎn)生的碳排放尚未能實(shí)現(xiàn)正負(fù)抵消,即“碳中和”及“零排放”的目標(biāo)。故需要對(duì)橋梁工程的節(jié)能減排給予持續(xù)關(guān)注,深入研究低碳建材、裝配化施工等減碳技術(shù)。

(5)不同橋型全壽命周期單位面積碳排放從大到小排序依次為拱橋、剛構(gòu)橋、連續(xù)梁橋、懸索橋、簡(jiǎn)支梁橋、斜拉橋。

此外,需要指出的是,由于當(dāng)前文獻(xiàn)中關(guān)于各類(lèi)橋型的碳排放數(shù)據(jù)還較少,基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的計(jì)算分析結(jié)果難免存在一定的局限。為實(shí)現(xiàn)具有統(tǒng)計(jì)意義的碳排放流分析,需持續(xù)推進(jìn)案例研究,進(jìn)一步完善橋梁碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)。