重慶地區裝配式建筑物化階段節能減排效益分析

何開遠，曹勇，沈舒偉，唐毅，陳潔，劉浩

（1 中機中聯工程有限公司，重慶400039；2 重慶市綠色建筑與建筑產業化協會，重慶401147）

0 引言

在我國提出“2030 年碳達峰，2060 年碳中和”目標的背景下，建筑行業的節能減排得到極大重視。據統計，2019 年建筑行業相關碳排放量占全社會總碳排放的比例約為38%，其中建筑建造階段占比為16%[1]，建筑成為了直接和間接碳排放的主要責任領域之一。裝配式建筑憑借“兩提兩減”（提高質量、提升效率，減少對用工的依賴以及節能減排）的優勢受到廣泛關注，被認為是實現建筑行業可持續發展的有效途徑之一[2]。

目前國內學界已經從不同角度對裝配式建筑在節能減碳方面的貢獻開展了一些研究。陳瑩、朱嬿基于LCA 理論，建立了包含建材生產、施工建造、運營維護和拆除處置整個生命周期的能耗排放計算模型，分析了裝配式建筑相較于傳統現澆建筑在材料、能耗及固廢等排放上的優勢[3]。王廣明、文林峰、劉美霞等通過對不同城市的裝配式建筑與現澆建筑進行對比分析，形成裝配式建筑定量的增量成本與節能減排效益數據[4]。高宇、李政道等分析得出裝配式建筑材料生產階段、運輸階段及施工階段的碳排放占比情況，材料生產階段比例最高，達88%，運輸階段次之，為11%，施工階段僅為1%[5]。

現有研究對裝配式建筑與現澆建筑在物化階段（建材生產、運輸及建造階段）節能減排量的實證分析較少，更缺乏對同一建筑在不同裝配率水平下節能減排的量化分析。基于此，本文以重慶地區量大面廣的裝配式混凝土建筑為研究對象，基于工程量清單數據，利用碳排放因子法，建立碳排放測算模型，量化分析不同類型不同裝配率下的建筑節能減排效益，為今后重慶市裝配式建筑的發展提供數據支撐。

1 研究方法

目前在國際學術領域，關于碳排放量的常用計算方法有生命周期評價法（LCA）[6]、實測法[7]、模型法[8]以及排放系數法，如表1 所示。

表1 碳排放計算方法的對比分析

通過表1 分析可知，生命周期法計算全面，但數據可獲得難度較大；實測法結果最準確，但需投入較大的人力物力，且計算數據缺少代表性；模型法的信息數據需求量大，且模型建立難度較高。因此，本文利用排放系數法，基于工程量清單對裝配式建筑的資源消耗進行對比分析，并結合排放因子法對建筑物化階段碳排放量進行計算，量化裝配式建筑的節能減排效益。

物化階段是建設產品的形成階段，這一階段產生的碳排放來源包括三個方面，分別是建材生產、建材運輸和施工建造階段，對應的碳排放邊界范圍與計算公示如表2 所示。

表2 建筑物化階段碳排放計算公式

2 研究對象與數據來源

2.1 研究對象

本次研究選擇高層居住建筑、多層居住建筑、高層公建（醫院病房樓）、多層公建（中小學教學樓）四個典型建筑類型，參考《重慶市裝配式建筑裝配率計算細則（2021 版）》，設定50%裝配率和65%裝配率兩種情境，與傳統現澆建筑的數據分別進行對比分析。

2.2 工程量基礎數據來源

結合重慶市山地建筑特點和抗震設防烈度要求，裝配式建筑案例技術路線基于“標準化、模數化、通用化”的設計方法，按照“先水平、后豎向，先非承重、后承重”的原則，重點采用預制內隔墻，樓板、樓梯、陽臺板、空調板等水平構件采用預制構件，外圍護墻預制圍護墻與保溫、隔熱一體化，高精度模板施工工藝，全裝修，集成衛生間等裝配式技術。不同類型不同裝配率建筑的技術與傳統混凝土建筑的技術差異如表3 所示。

表3 裝配式建筑與傳統混凝土建筑的技術差異

案例工程量統計表均以單棟樓為例，涵蓋各類建材、機械用量、人工用量等。同時對不同類型不同裝配率的裝配式建筑材料用量進行分析，并在此基礎上分別對建材生產、建材運輸以及施工建造階段的直接碳排放量（不包括間接碳排放）進行統計計算。

2.3 碳排放因子數據來源

碳排放因子是指將能源及材料消耗量與二氧化碳排放相對應的系數，用于量化建筑物不同階段相關活動的碳排放[9]。建材碳排放因子優先引用國家相關部門、國內研究機構以及國內文獻資料中統計的材料碳排放因子，表4 為按照數據來源，材料、能源種類進行分類整理應用于數據分析中的主要碳排放因子數據。

表4 碳排放因子匯總

3 數據分析與減排效益

3.1 工程量數據分析

為量化分析裝配式建筑的資源用量，本文基于工程量清單數據，將不同類型不同裝配率的裝配式建筑與傳統現澆建筑對建筑施工材料與建造階段的鋼筋、混凝土、模板、砂漿消耗比例進行了統計，如表5 所示。

低裝配率建筑總體上鋼筋用量消耗更大，高層居住建筑增加鋼筋用量最少，約3%左右。增加部分主要包含兩個方面：一是疊合板增加了桁架鋼筋及桁架加強筋，且配筋一般為雙層雙向，提高了含鋼量；二是裝配式預埋件帶來了鋼材用量增加[5]。但隨著裝配式建筑的規模化、標準化的提升，鋼制預埋件部分的鋼筋用量將對應下降，且預制構件的工業化生產也會降低鋼材損耗率。

裝配式建筑相較于傳統現澆建筑，單位面積混凝土用量大，尤其是高層居住建筑混凝土增加用量達到7%以上。增加的部分主要是由于疊合樓板增加了約30mm 的樓板厚度，導致混凝土消耗量增加。

傳統現澆建造方式采用的模板是木模板，裝配式建造方式采用的模板大多是鋁模板。根據表5 所示，裝配式建筑較傳統現澆建筑的單位面積模板用量小，尤其是高裝配率的高層居住建筑模板用量節約比例達到了86%，減少幅度顯著。減少部分主要包含兩個方面：一是疊合板等預制構件在現場施工過程中也可以起到模板的作用，減少了木模板用量；二是預制構件在生產過程中鋁模板的周轉可使用次數要高于木模板。

表5 主要建筑材料用量和節約比例匯總表

裝配式建筑抹灰砂漿節約量約45%～55%，砌筑砂漿節約量約12.42%～33.3%，節約量隨著裝配率的增加而增加，且裝配式居住建筑砌筑砂漿的節約量相比于公共建筑有所增加。減少部分主要包含三個方面：一是裝配式建筑非砌筑內隔墻采用成品大板，無需砌筑砂漿，且表面平整度較高，刮膩子即可，減少了抹灰砂漿使用；二是裝配式建筑外圍護預制墻采用精確蒸壓加氣混凝土砌塊（灰縫≤3mm），與現澆建筑外圍護墻采用普通蒸壓加氣混凝土砌塊相比，砌塊使用量基本一致，但減少了砌塊間的砌筑砂漿使用量；三是裝配式集成廚衛，地面、墻面采用干式工法，也可大幅減少抹灰砂漿使用。

鋼筋 （kg/m2） 51.80 50.42 46.83 -10.61% -7.67%混凝土（m3/m2） 0.32 0.32 0.31 -2.50% -1.67%模板 （m2/m2） 1.62 1.17 2.30 29.53% 49.17%砌筑砂漿 （m3） 30.33 26.44 34.63 12.42% 23.66%多層公建抹灰砂漿 （m3） 37.64 33.60 68.52 45.07% 50.97%

3.2 節能減排效益分析

3.2.1 物化階段不同裝配率碳減排分析

裝配式建筑的物化階段單位建筑面積碳排放量計算結果為236.11 ～295.19kgCO2/m2，對不同類型不同裝配率建筑物化階段單位面積碳排放量進行橫向比較分析：相比于傳統現澆建筑，低裝配率（50%）建筑在物化階段的單位建筑面積碳減排量約17.16 ～18.38kgCO2/m2，減排比例約6.04%～8.01%；高裝配率（65%）建筑在物化階段的單位建筑面積碳減排量約21.57 ～24.90kgCO2/m2，減排比例約7.59%～8.79%，如圖1所示。由此可以看出，裝配式建筑相比于傳統現澆建筑，在建筑物化階段存在一定程度的節能減排效果，且隨著裝配率的提升而增加。

圖1 裝配式建筑物化階段碳排放量

3.2.2 建筑不同階段碳排放量占比分析

根據縱向比較建筑在不同階段的碳排放量可知，在建筑物化過程中建材生產階段碳排放量最高，占比達85%以上；其次是現場施工階段，占比為6%～9%；建材運輸階段碳排放占比為5%～6%（表6）。

表6 裝配式高層居住建筑不同階段的碳排放量計算結果

建材運輸 14.27 13.96施工建造 18.71 16.81物化階段合計 252.15 250.00

以裝配式高層居住建筑不同階段的碳排放量計算結果為例，不同裝配率情境下單位面積碳排放量約250.0 ～252.15kgCO2/m2，其中建材生產階段的碳排放量占比約86.92%～87.69%，如圖2 所示。因此建材生產階段減排潛力較大，可通過深化設計方案，合理選用具有低碳排放因子的綠色建材，以減少裝配式建筑物化階段碳排放量。

圖2 裝配式高層居住建筑不同階段碳排放量占比

3.2.3 建筑施工階段碳減排分析

根據相關文獻[13]顯示，裝配式建筑相較于傳統現澆建筑，在現場施工階段有較大的節能減排優勢。經測算，裝配率在50%情境下，單位建筑面積碳排放量為17.92 ～19.09kg/m2，相比于傳統建筑的減排比例約為12.17%～24.72%；裝配率在65%情境下，單位建筑面積碳排放量16.11 ～17.26kg/m2，減排比例約為21.07%～33.2%，如圖3 所示。建筑施工階段的碳排放來源主要包含施工機械、模板、施工用水，通過數據分析發現，相比于傳統建筑，裝配式建筑的施工機械的碳減排比例約為5.6%～21.0%，施工用水的碳減排比例約為25.0%～40.1%，模板的碳減排比例約為86.87%～97.83%。

圖3 施工階段碳排放量數據圖

3.2.4 不同類型的裝配式建筑碳減排分析

總體上，高層建筑因標準化、模數化程度高，碳減排效果比多層建筑減排明顯，多層的單位面積碳減排量比高層減少了8.36%～25.56%。在同等裝配率情境下，高層建筑減排效果相近，尤其是高裝配率情境下，高層公共（醫療）建筑碳減排量最高，單位面積碳排放量減少24.90kg/m2。而多層公共（中學）建筑的碳減排量最低，高裝配率的多層公共（中學）建筑單位面積碳排放量減少21.57kg/m2，如圖4 所示。因此可以看出，高層建筑采用裝配式后，節能減排效果更加明顯，即裝配式建筑在標準層多及模數化高的建筑中優勢突出，節能減排效益更明顯。

圖4 不同類型的裝配式建筑單位面積碳減排量

4 結論

通過對裝配式混凝土建筑的物化階段節能減排效益的研究，得出如下結論：

（1）裝配式建筑物化階段碳排放量為236.11～295.19kgCO2/m2，較傳統現澆混凝土結構體系，低裝配率（50%）建筑減排比例約為6.04%～8.01%，高裝配率（65%）建筑減排比例約為7.59%～8.79%，節能減排效果隨著裝配率提升而增加，且裝配式高層建筑的節能減排效果更加突出；

（2）裝配式建筑建材生產階段的碳排放量最高，占比高達85%以上；其次是現場施工階段，約占6%～9%；建材運輸階段碳排放占比5%～6%；

（3）較傳統現澆建筑，裝配式建筑的混凝土、鋼筋用量略微增加，但模板、砂漿用量大幅減少，其中抹灰水泥砂漿節約比例達到40%以上，砌筑水泥砂漿節約比例可達10%～30%，且節約量隨著裝配率的提高而增加；

（4）建材生產階段碳減排潛力較大，可通過深化設計方案，合理選用具有低碳排放因子的綠色建材，以減少裝配式建筑物化階段碳排放量。

裝配式混凝土建筑較傳統的混凝土建筑節能減排效益明顯，但目前仍處于發展初期，還面臨市場的參與度不高、建設單位積極性不強、技術路線不夠優化、產業配套及產業鏈不夠齊全等問題，需后續出臺相關的政策、管理文件、技術標準、產業配套等，以更好支撐裝配式建筑的健康發展。