基坑混凝土支撐及H 型鋼支撐體系全壽命周期碳排放量計算與分析

袁青云，孫旻

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200112）

0 引言

在城市化進程的不斷推進下，我國建筑業發展迅猛，導致建筑能耗總量持續增長。據《中國建筑能耗研究報告（2020）》[1]統計，2018 年全國建筑全過程能耗和碳排放總量分別占全國總消耗量的46.5%和51.3%。近年來，減少碳排放、積極應對全球氣候問題已成了國際共識，“雙碳”背景下，建筑業亟待實現綠色轉型。

城市建筑的基坑在開挖中，一般需要設計并建造基坑內支撐以減少開挖卸荷對基坑周邊環境的影響，從而保護原有城市建（構）筑物。基坑內支撐為臨時結構物，于基坑開挖前安裝好，在地下室板完工后即進行拆除。相較于建筑主體結構來說，基坑的臨時支撐結構使用壽命短，對其全壽命周期的碳排放進行測算，有助于建筑業節能和控制碳排放。

根據建筑材料的不同，現有的基坑內支撐可以分為鋼筋混凝土內支撐以及預制鋼結構支撐。因混凝土材料優秀的抗壓承載能力，鋼筋混凝土內支撐體系廣泛應用于基坑內支撐的施工中，但在基坑施工完畢后，現場澆筑的混凝土支撐構件需要進行拆除，而混凝土的回收可再利用率較低，便會產生較多的建筑垃圾。預制鋼結構支撐體系利用鋼管或型鋼等鋼構件作為基坑的內支撐[2]，在基坑施工結束后可對預制鋼支撐構件進行拆除并回收再利用，過程中產生的建造廢棄物較少，對于控制建筑物總的建造碳排放量更加友好。近年來，國家大力推行綠色施工和低碳減排，基于預制鋼結構優越的可回收性能，越來越多的基坑內支撐工程采用預制鋼結構體系替換傳統的鋼筋混凝土體系，但較少有研究對兩種結構體系對環境的實際影響進行量化計算和分析。因此，對兩種結構體系的全生命周期碳排放量進行量化計算和分析對比具有重要研究意義。

關于建筑碳排放計算模型的研究大多基于生命周期理論，Leif Gustavsson 等[3]將建筑全生命周期定義為原料生產、建筑施工、建筑運行以及拆除四個階段，同時利用排放因子法對各個階段的CO2排放量進行分部計算。劉娜[4]根據建筑行業的特點，將規劃設計階段加入到對建筑全生命周期碳排放的研究中。建筑全生命周期碳排放計算方法主要包括實測法、物料平衡法以及碳排放因子法[4]，Jonas Nassen 等[5]對比了物料平衡法和碳排放因子法，發現碳排放因子法適用于單個建筑碳排放測算，而物料平衡法則偏向于分析建筑社區碳排放。Ambrose Dodoo[6]、陳文娟[7]、李興福[8]、龔志起[9]等則對不同種類建筑材料在生產運輸階段、使用及回收等階段的碳排放進行了計算。而針對建造施工過程的碳排放，Catarina[10]的研究發現施工階段的碳排放占據建筑全壽命周期碳排放量的20%；王建軍[11]建立了基于定額的單位能耗和碳排放因子的建筑建造碳排放計算模型，并以鋼筋分項工程為例，具體說明了模型的計算方法。

為了定量對比單位工程量的鋼筋混凝土支撐與H 型鋼支撐體系的碳排放量，本文基于建筑全壽命周期理論，從規劃設計、建材生產與運輸、建造施工、使用以及拆除回收五個階段對兩種支撐的碳排放進行計算。計算模型首先明確了每個階段的時間、生產要素以及場地范圍等計算邊界；然后根據《建筑碳排放計算標準》[12]確認各種燃料、建材以及運輸的碳排放因子，針對兩種支撐的施工過程，結合《全國統一建筑工程基礎定額》[13]、《全國統一施工機械臺班費用定額》[14]以及文獻中的工程數據[15]，從材料生產與運輸、施工機械以及施工場內運輸等方面分別對基坑混凝土支撐和H 型鋼支撐的碳排放量進行計算；最后，將對應工程量的兩種基坑支撐的碳排放量進行對比，分析全壽命周期內的基坑混凝土支撐和H 型鋼支撐的碳排放量，力求為基坑設計與施工提供更多的碳排放量數據，為建筑產業的綠色減排提供數據支撐與優化建議。

1 碳排放計算模型及計算邊界

1.1 碳排放因子法

碳排放因子是指生產或消耗單位質量物質中產生的碳生成及排放數量，是對二氧化碳氣體排放量進行表征的重要參數[6]。

碳排放因子法通過將碳排放因子和生產建造的工程量相結合，從而對整個項目產生的二氧化碳氣體進行總體測算，是政府間氣候變化專門委員會（IPCC）于1996 年提出的碳排放估算方法[16]。對于常見建筑工程項目來說，可以根據《全國統一建筑工程基礎定額》 得到單位工程量所需的機械臺班消耗量，并依據《全國統一施工機械臺班費用定額》得出單位機械臺班能源消耗量，再根據單位能源消耗量的碳排放因子數據得到n 個單項工程的碳排放量，即得出整體工程的碳排放總量[11]。

式中，Fi——某種能源的碳排放因子。

因此，在進行工程的碳排放計算時，首先要確認計算碳排放所在的時間范圍和計算內容，然后根據生產時間范圍內的計算內容查得機械臺班數量及單位機械臺班的能源消耗量，通過單位能源的碳排放因子即可計算出工程總的碳排放量。

1.2 碳排放計算模型的對象及邊界

1.2.1 計算對象

建筑物全生命周期可分為規劃設計階段、建材生產及運輸階段、建造施工階段、使用階段以及拆除回收階段等五個階段[4]。因此，針對每個階段的碳排放重點對計算對象進行統計，并單獨計算五個階段中所有單個項目的能源消耗及碳排放量，最后再進行累積，建筑全生命周期的碳排放總量的計算公式可按如下所示[16]：

式中，C——建筑全生命周期碳排放總量（kg）；C1——規劃設計階段碳排放總量（kg）；C2——建材生產及運輸階段碳排放總量（kg）；C3——建造施工階段碳排放總量（kg）；C4——使用階段碳排放總量（kg）；C5——拆除回收階段碳排放總量（kg）。

1.2.2 計算邊界

計算模型的系統邊界包括時間邊界、要素邊界以及場地邊界[11]。在利用碳排放公式進行計算時，首先要對計算邊界進行明確。本文針對基坑混凝土支撐和預制H 型鋼支撐體系的實際使用場景，對兩種支撐全生命周期的碳排放進行計算。如圖1 中對時間邊界的示意，碳排放總量計算模型的時間邊界從規劃設計階段開始，到結構的拆除結束，其中包含了材料的生產運輸、場地內施工以及正常使用階段等，而建筑拆除后需要二次加工并進行循環使用的階段不在本次全壽命周期的考慮范圍內。

圖1 碳排放計算模型及其計算邊界

生產要素包括人工、機器、材料三個種類。其中，施工人員產生的碳排放不計入建造過程碳排放[11]，而規劃設計階段的碳排放量C1主要來源于人工排放，且總量較小，因此在本文中不作考慮。施工機械包含了以下類型的機械：①建材場外運輸；②場內的水平及垂直運輸；③建材場內二次加工及現場安裝；④使用階段機械；⑤結構拆除機械等。材料包含了建造過程中使用的所有建筑材料，其中，可拆除并直接進行循環使用的材料需要考慮其循環使用的次數。

1.3 碳排放因子確定

根據標準《建筑碳排放計算標準》（GBT 51366—2019）[12]中給出的計算建議值，表1 中給出三類主要燃料、四種建材生產、建材汽車運輸1km 的碳排放因子以及建材的標準回收系數。

表1 燃料、建材生產以及運輸的碳排放因子匯總表

2 兩種支撐碳排放量計算

對鋼筋混凝土結構內支撐和預制型鋼結構內支撐在全生命周期內單位工程量碳排放進行計算，首先要確定兩種支撐在生產、建造以及拆除等工程階段中將產生碳排放的具體計算類目；然后依據《全國統一建筑工程基礎定額》[13]、《全國統一施工機械臺班費用定額》[14]、《建筑碳排放計算標準》[12]和文獻中的調研數據[15]，確定單位工程量的所有類目對應的工程量數值；最后，根據碳排放的來源，將工程量與對應的碳排放因子相乘，其總和即為碳排放總量。

2.1 兩種支撐全生命周期碳排放計算類目

建筑的全生命周期碳排放總量計算主要包括以下五個階段，每個階段混凝土支撐及H 型鋼支撐需要考慮的項目類型匯總于表2。

表2 建筑施工階段碳排放計算類目

（1）規劃設計階段碳排放總量

規劃設計階段只有人產生的碳排放，因此，在本文計算中，此階段的碳排放量都作0 考慮。

（2）建材生產及運輸階段碳排放總量

建材生產及運輸階段包含生產與運輸兩個過程產生的碳排放。對于鋼筋混凝土支撐，根據其建造材料需要對混凝土、鋼筋以及模板分別計算；對于H 型鋼支撐，需要考慮H 型鋼構件的加工及構件運輸。

（3）建造施工階段碳排放總量

建造施工階段主要是將建材通過施工機械建造成為對應的建筑結構的過程。混凝土支撐施工中包含了混凝土工程、鋼筋工程及模板工程的施工機械和場內運輸產生的碳排放；對于H 型鋼支撐，其安裝過程中采用螺栓連接，安裝階段產生的碳排放量很少，故忽略，主要考慮H 型鋼構件的場內運輸。

（4）使用階段碳排放總量

使用階段主要考慮維持結構正常運轉所需的機械產生的碳排放量，混凝土支撐使用階段無需特殊儀器進行運維，所以此階段不作考慮；H 型鋼支撐需要利用液壓伺服千斤頂保持支撐軸力水平，需要計入相應的機械碳排放。

（5）拆除回收階段碳排放總量

拆除回收階段的碳排放主要包括拆除施工所消耗能源產生的二氧化碳排放及建筑廢棄物運輸過程中產生的二氧化碳排放。在基坑施工完畢后，需要對混凝土支撐進行切割拆除并分類進行回收和填埋，此過程中需要考慮拆除機械以及回收運輸產生的碳排放量；而對于H 型鋼支撐，其拆除過程只涉及場內運輸以及回收至中轉場地的場外運輸過程。

2.2 各分項工程數據來源

在本文所建立的建筑碳排放模型的計算中，需要混凝土支撐和鋼支撐在其生命周期內各階段的資源使用量以及運輸、器材的用量數據，表3、表4 分別給出了混凝土支撐和H 型鋼支撐各階段的計算數據大小以及數據來源。另外，根據資料中對現有H 型鋼支撐項目進行的統計結果可知，在設置基坑內支撐時，相同情況下，1t H 型鋼支撐可以替換2.2m3的混凝土支撐[15]。基坑內支撐是基坑開挖過程中的一個臨時結構物，在形成地下室板底閉合時即可拆除，因此，其使用時長一般在3 個月以內。

表3 混凝土支撐生命周期各階段數據及其來源[12-15]

表4 鋼支撐生命周期各階段數據及其來源

2.3 各分項工程碳排放因子計算

基坑的混凝土支撐，現場建造過程根據材料劃分可以分為混凝土工程、鋼筋工程及模板工程三個分項工程。其中，商業預拌混凝土工程的現場施工內容主要包括混凝土的攪拌及振搗；鋼筋工程主要是鋼筋的調直、切割、彎曲以及鋼筋網焊接；模板工程中需要現場對模板進行切割。而在拆除階段，需要使用手持式風動鑿巖機對鋼筋混凝土支撐梁進行切割，其動力裝置為電動空氣壓縮機。但混凝土支撐在使用過程中無需其他器械進行變形等控制，因此在使用階段沒有碳排放計算項。

H 型鋼支撐在施工中主要通過螺栓進行連接，因此其安裝和拆除過程沒有大型施工機械的使用，但是在其使用過程中，需要利用液壓伺服千斤頂保持支撐軸力水平，以控制基坑周邊變形。因此，對H 型鋼支撐機械的碳排放計算只需考慮其使用過程中的液壓伺服千斤頂產生的碳排放。

依據全國統一建筑工程基礎定額和建筑碳排放計算標準，將單位數量的兩種支撐在全生命周期中各階段采用的施工機械、臺班數量以及產生的碳排放量匯總于表5 中。

表5 兩種支撐分項工程機械對應碳排放因子

除了施工機械以外，混凝土、鋼筋、模板以及型鋼在運輸到場地之后，根據其情況需要在場地內進行再加工，并對完工的預拌混凝土、鋼筋籠以及成型模板進行場內運輸和吊裝，四種材料場內運輸產生的碳排放量計算如表6 所示。

表6 兩種支撐場內運輸碳排放

3 兩種支撐方式全壽命周期碳排放對比與分析

根據第二節中對鋼筋混凝土支撐、型鋼支撐的碳排放計算類目的確定以及各分項工程的工程量數據，結合對應的碳排放量數據，對兩種支撐全生命周期單位材料的碳排放因子進行匯總與計算，具體計算過程見表7。從表中結果可知，單位體積的混凝土支撐在全生命周期內產生的碳排放量是單位重量型鋼支撐的2.22 倍。

表7 兩種支撐全壽命周期碳排放量計算匯總表

根據鋼支撐體系應用于上海汶水路靜安府、南京國際博覽中心和鄭州綜合交通樞紐等項目的統計結果，在采用鋼支撐部分或全部代替混凝土支撐的基坑工程中，每噸新型H 型鋼支撐可對應替換2.2m3的混凝土支撐[15]，因此，考慮到實際工程中兩種支撐的工程總量的對應關系，可以得到型鋼支撐體系總的碳排放量是對應混凝土支撐的20%。

按照材料生產、運輸（場外及場內運輸）以及施工機械對兩種支撐的碳排放量來源進行分析，可得到圖2。可以看出，材料生產環節是單位材料的混凝土支撐碳排放的主要來源，占比約為70%，而其施工機械僅占排放總量的11%。對于型鋼支撐來說，考慮到型鋼構件在施工前后的運輸距離都較遠（500km），所以其碳排放量主要來源于運輸，占比達到了70%。鋼材在生產中產生的碳排放因子較高，但因為型鋼支撐的高回收率和周轉性質，因此在單個項目中均攤的材料損耗所產生的碳排放量較小。

圖2 兩種支撐單位材料碳排放組成對比

根據產生碳排放的階段不同，將混凝土支撐與H 型鋼支撐的碳排放總量進行對比，對比結果如圖3 所示。從圖中可以看出，建材生產與運輸階段是兩種支撐碳排放量最大的階段。尤其對于混凝土支撐來說，其較差的回收性使得建材生產和運輸階段產生的碳排放量占比非常大，達到了其全生命周期的73%，因此，對混凝土支撐來說，優化其回收再利用途徑可有效減少其碳排放量。對于型鋼支撐來說，其建材生產及運輸階段和拆除回收階段的碳排放量都較高，主要是由于其遠距離運輸引起的，因此，優化運輸距離或減少運輸車輛的碳排放可有效減少型鋼支撐全生命周期的碳排放量。

圖3 全生命周期兩種支撐各階段碳排放量對比

對比H 型鋼支撐與等價的混凝土支撐在四個階段的碳排放量，型鋼支撐只有使用階段的碳排放量相對較高，說明型鋼支撐相比混凝土支撐來說，在全生命周期上的碳排放優勢明顯，是國家雙碳政策下基坑內支撐施工的一個更優選擇。

4 結論

（1）依據全壽命周期碳排放計算模型中的五個階段，根據碳排放量對其作適當簡化，明確了每個階段的碳排放計算邊界。

（2）根據施工工藝及建造流程對基坑混凝土支撐及預制H 型鋼支撐的全壽命過程中產生碳排放的類目進行梳理，結合碳排放計算標準及基礎定額，給出了每個分項工程碳排放因子的計算過程及結果。

（3）分別對兩種支撐單位材料碳排放量類目的組成進行分析，原材料生產和周轉過程中的運輸分別是混凝土支撐和鋼支撐碳排放的主要來源，占比都約為70%。

（4）對比H 型鋼支撐與等價混凝土支撐全生命周期所有階段的碳排放量，型鋼支撐只在使用階段的碳排放量更高，其碳排放總量約為混凝土支撐的20%。因此，型鋼支撐在全生命周期上的碳排放優勢更大，是基坑內支撐綠色減碳的一個更優選擇。