混凝土橋和鋼橋全壽命周期生態環境評價

王 瓊

(同濟大學橋梁工程系，上海 200092)

土木工程活動是人類作用于生態環境最重要的生產活動之一，也是消耗自然資源最大的生產活動之一。用于土木工程的材料，其生產、加工、運輸、組裝和建成后維持其功能必須的資源和能源，還有建筑在使用和拆除過程中產生的污染廢棄物的處理等等，都對周圍生態環境產生極大的影響。因此，土木工程作為國民經濟的支柱產業，既要大力發展，以滿足經濟、社會發展的需要，又要注重環境保護、資源節約，推行可持續發展戰略［1］。

橋梁工程作為土木工程的重要一支，同樣需要關注環境問題，分析橋梁建設對生態環境的影響［2］。在橋梁建設中，最常見的兩種建筑材料就是鋼材和混凝土。在實際應用中，橋梁工程人員普遍接受這種概念，大跨徑橋梁做鋼橋經濟，小跨徑橋梁做混凝土橋經濟。而對于中等跨徑橋梁兩者的差異并不顯著。特別在橋梁方案比選時，對于使用混凝土還是鋼材，設計工程師常常難以取舍［3，4］。一方面，混凝土的價格低廉，建成后的維修養護比較低，但是混凝土橋相對笨重，回收利用率低，材料抗拉強度很小，當其跨徑增大以后，由于其材料本身的局限性，實際并不經濟。另一方面，鋼材可以回收利用，拉壓強度都比較高，體態輕盈，能夠輕松滿足大跨徑橋梁的需求，但是其一次建設費用比較高，而且建成后需要定期養護。所以，對于中等跨徑，既可以采用混凝土又可以采用鋼材建設的梁橋，研究哪種建筑材料在生態環境方面更占優勢，有一定的意義。同時，這方面的研究也可以為橋梁的設計人員在面臨橋梁方案比選時提供一個指導性建議。

1 全壽命周期評價

1990年國際環境毒理學和化學學會(SETAC)對全壽命周期評價(Life Cycle Assessment)的定義為:“全壽命周期評價是一種通過對產品、生產工藝及活動的物質、能量的利用及造成的環境排放進行量化和識別而進行環境負荷評價的過程;是對評價對象能量和物質消耗及環境排放進行環境影響評價的過程;也是對評價對象改善其環境影響的機會進行識別和評估的過程［5］。”全壽命周期環境評價包括產品、工藝過程或活動的整個階段，即原材料的開采、加工，產品的制造、運輸、分配使用、重新利用、維持、循環以及最終處理。1993年，SETAC提出的LCA方法論框架，將全壽命周期生態環境評價的基本結構歸納為四部分:目標和范圍的界定、清單分析、影響評價和改善評價。全壽命周期評價的第一步是確定研究目的與界定研究范圍，這一部分包括研究目的、范圍、功能單位的確定和結果的質量保證程序。清單分析是全壽命周期評價基本數據的一種表達，是進行全壽命周期影響評價的基礎。它包括為實現特定的研究目的對所需數據的收集，它基本上是一份關于所研究系統的輸入和輸出的數據清單。全壽命周期影響評價是將全壽命周期清單分析得到的各種排放物對現實環境影響進行定性定量的評價，即確定產品系統的物質、能量交換對其外部環境的影響，這是全壽命周期評價最重要的階段，也是最困難的階段。最后全壽命周期改善評價的作用就在于能通過產品工藝或活動的全壽命周期中物質和能量的輸入、輸出的考察和分析，提出一些資源消耗和污染排放的改進措施，以利于減少環境污染負荷和資源消耗。

2 生態環境評價指標

適應于橋梁的全壽命周期中的物質和能量的輸入及輸出，歸納評價指標為三個方面:資源消耗、能源消耗和碳排放。

2.1 資源消耗

資源消耗就是建筑所用建筑材料在生產過程中消耗的天然礦產資源的數量，是依據生產單位建材所需的各種原材料的實際數量的總和。

以全壽命周期的觀點，計算建筑材料資源消耗、能源消耗和碳排放時必須考慮建筑材料的可再生性。材料的可再生性指材料受到損壞，但經加工處理后可作為原料循環再利用的性能。對于鋼材，鋼筋與型鋼具備可再生性，其可回收系數見表1［6］。而混凝土則不具備這個性能。考慮再生利用性后的資源消耗可用式(1)計算。對于混凝土和鋼材的單位資源消耗計算結果見表2。

資源消耗=單位建材資源消耗量×(1－可回收系數)(1)

表1 可再生材料的可回收系數

表2 單位建材資源消耗量 t/t

2.2 能源消耗

從全壽命周期評價“從搖籃到墳墓”的理念，能源消耗指標應包括建筑全壽命周期的每個階段，每個階段能源消耗主要分為建筑材料的內在能源和機械設備消耗。建筑全壽命周期的能源總能耗可用式(2)表示:

建材生產能耗Emanu是單位建筑材料生產過程中消耗的能量，包括開采原材料以及原材料加工生產過程中使用的化石燃料以及其他形式的能源消耗的總和。考慮建材的可回收性能，其能源消耗可用式(3)計算。

能源消耗=單位建材生產能耗×(1－可回收系數)+

查閱資料，我國回收鋼材重新加工的能耗約為其原始生產能耗的20%～50%，這里取為40%計算，得到考慮可回收后混凝土和鋼材的單位建材生產能源消耗結果見表3。建造施工能耗Econs是建筑在建造施工階段消耗的能源，主要來自施工機械的能源消耗和材料運輸的能源消耗。其計算方法為:

其中，j為采用施工方法的種類數;pj為每種施工方法的工作量;Pj為該種施工方法的單位能耗;i為建筑物所使用的建材種類數;mi為不同建材的使用量;Di為不同建材的運輸距離;Ti為不同運輸方式單位建材的能耗。不同施工方式的單位能耗如表4所示，不同建材運輸方式的單位能耗如表5所示［7］。

表3 單位建材能源消耗量

表4 建筑物不同施工方式的單位能耗

表5 單位建材的運輸能耗

使用能耗Eserv是建筑在正常使用階段產生的能耗，主要是內部機電消耗的能源。由于橋梁的特殊性，這一階段的能耗可以忽略不計。

拆除處置能耗Edisp是建筑在其壽命終期，使用機械拆除，并對拆除的廢建材進行處置時消耗的能源。本階段與建筑建造施工階段類似，其能源消耗也可以分解為不同的施工方式和廢建材的運輸。由于我國建筑拆除處置所使用能耗的數據十分匱乏，參考日本建筑學會AIJ-LCA的數據，估計本階段的能源消耗約為新建施工階段能耗的10%［8］。

2.3 碳排放

在建筑物的全壽命周期各階段中，能量消耗中燃料燃燒后廢棄物的排放所引起的環境污染是最為嚴重的，它涉及到溫室效應、大氣污染、水污染等。我國大部分能源是以燃燒礦物燃料或固體燃料獲取的，所以溫室效應可以以碳排放量為指標，以CO2作為基準，其他污染物根據其造成溫室效應的影響，折算為CO2當量來衡量。其折算因子如表6所示。單位建材開采生產的污染物環境排放如表7所示［9，10］。建材生產階段考慮可回收性能時，其碳排放可用式(5)計算，回收再生產的碳排放取為原碳排放的40%。

建材碳排放=單位建材碳排放×(1－可回收系數)+

其他階段的碳排放主要是能源獲取時燃燒煤、燃料油或天然氣所產生的。因此其排放量可以根據各階段的能源消耗來簡單估算。由于其他階段的能源消耗主要為建造施工過程的消耗，而施工中消耗的大多是燃料油，所以采用燃料油的熱值和其燃燒排放的CO2來計算，為86 kg/GJ。

表6 污染物的碳當量折算因子

表7 單位建材開采生產的污染物排放

3 算例

3.1 簡支梁橋

兩座跨徑40 m的簡支梁橋，橋寬11.5 m，荷載標準為公路—1級。一座使用預應力混凝土建造，采用T梁截面，主梁高度2.1 m，寬度2.3 m。另一座使用鋼材建造，采用懸臂式雙箱結構，箱體高度2 m，寬度3 m，間隔2 m。代入數據，分別計算它們的全壽命周期資源消耗、能源消耗和碳排放指標，其全壽命周期生態環境評價結果如表8所示，繪制兩座橋的三個指標比較圖如圖1所示。

表8 40 m跨徑簡支梁橋的全壽命周期生態環境評價

圖1 40 m跨徑簡支混凝土橋與鋼橋全壽命周期生態環境評價指標比較

3.2 連續梁橋

連續梁橋，橋寬33.1 m，荷載標準為公路—1級。一座使用混凝土建造，跨徑118m。主梁采用單箱單室分幅變梁高預應力混凝土連續剛構，梁高4.0 m～6.5 m，線性變化，變化段長度30 m。箱梁頂板寬16.05 m，厚30 cm～50 cm，底板厚30 cm～80 cm，腹板厚50 cm～90 cm。另一座使用鋼材建造，跨徑110 m。主梁采用單箱雙室整幅等梁高箱箱梁，梁高4.5 m，頂板挑臂的長度為5.5 m，橫肋間距2.5m，實腹式橫隔板間距10m。由于跨徑接近，將混凝土橋的數據按跨徑換算為110 m，以方便與鋼橋的數據作比較。代入數據，分別計算它們的全壽命周期資源消耗、能源消耗和碳排放指標，其全壽命周期生態環境評價結果如表9所示，繪制兩座橋的三個指標比較圖如圖2所示。

表9 110 m跨徑連續梁橋的全壽命周期生態環境評價

4 結語

本文提出了采用資源消耗、能源消耗和碳排放作為全壽命周的樁長。在確定樁徑、樁長時，應充分考慮填土層分布較厚地段，回填土層對樁側摩阻力的不利影響(如對樁基的負摩阻問題)。

5 結語

1)填土勘察應注重前期調查，并針對不同的建(構)筑物特點、施工工法，重點查明填土的不良特性。2)本文闡述了某填土區域的填土物質組成、平面分布、厚度分布以及工程特性，為填土地基處理設計提供了充分的依據。3)在填土地基處理上，應根據施工方法，結合技術、經濟以及環境影響等多方面因素，綜合考慮，選取合理的處理方法。

［1］張宏偉.填土地基勘察與評價［J］.山西建筑，2008，34(18):113-114.

［2］GB 50307-2012，城市軌道交通巖土工程勘察規范［S］.

［3］黃昌乾，張建青，陳昌彥.人工填土的勘察與評價［J］.工程勘察，2010(S1):187-191.

［4］蘇志剛，郭明田，李海坤.北京地區雜填土場地巖土工程勘察探討［J］.工程勘察，2008(S2):34-36.

［5］李志忠.雜填土地基處理方法比較與擇定［J］.山西建筑，2009，35(25):142-143.