裝配式建筑碳足跡評價及減排策略綜述

摘要：從裝配式建筑發展、碳足跡測算及評價、碳排放量研究現狀、碳足跡評價體系4個方面，對國內外裝配式建筑碳足跡評價進行梳理。研究表明，傳統建筑碳足跡測算以生命周期法、投入-產出法、實測法及質量平衡法為主，而排放因子法作為國際碳足跡測算最有效方法，因碳足跡因子庫的建設滯后而難以推廣使用，因此建立地域動態碳足跡因子庫是進一步完善碳足跡測算的重要內容；裝配式建筑的碳足跡研究主要集中在技術層面，并未深入到物化階段，導致碳足跡規律研究不到位，應建立全生命周期的碳足跡測算模型，以獲得更加準確的碳足跡規律，為實現碳減排提供技術支持；現有研究都是以大環境視角為主，對于戶型與碳足跡的關系的研究力度較小，亟須對裝配式建筑全生命周期內碳足跡測算標準、碳足跡測算系統等方面開展深入研究，且從各種類型建筑物和不同戶型角度進行研究，進一步促進建筑全面降低能耗與碳排放量，為裝配式建筑碳足跡評價及節能減排策略的研究提供參考。

關鍵詞：雙碳目標；裝配式建筑；碳足跡測算；碳減排

0 引言

溫室氣體的排放導致全球氣候變暖，海平面上升，地球極端天氣災害頻發，嚴重影響生物多樣性。2020年9月，我國在聯合國大會上提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和的“雙碳”目標。“雙碳”目標的提出對于我國建筑業的創新發展既是挑戰，也是機遇。建筑行業作為我國的支柱產業，存在產業鏈長、資源消耗大、能耗高、碳排放量大、建造方式粗放等問題，需進一步地綠色創新發展。目前，為全面降低能耗與碳排放，建筑行業亟須在良好的外部環境的支持下，建立貫穿建筑全生命周期的全局觀，科學規劃各個環節的能耗與排放，研究如何在“雙碳”目標下實現工程全生命周期低碳發展。

目前，裝配式建筑作為我國大力推廣應用的建筑形式，與傳統建筑相比，能更好地提供節能減排、穩定持久的發展環境。本文從裝配式建筑發展、碳足跡測算及評價、碳排放量研究現狀、碳足跡評價體系4個方面對裝配式建筑碳足跡進行評價研究，并探索其節能減排的關鍵環節，本研究具有重要的理論和實踐意義。

在理論層面，研究裝配式建筑節能減排可以加強對建筑行業可持續發展的認知，可以更好地評估和量化裝配式建筑對環境的影響，深入研究其減排潛力和效益；在實踐層面，裝配式建筑使用標準化、工廠化生產和裝配流程，比傳統建筑更高效、更節能，可以減少建筑過程中的能耗、材料浪費及碳排放量。此外，裝配式建筑還能更好地集成可再生能源系統、智能控制系統和高效節能設備，進一步減少運營階段的能源消耗。通過推廣應用裝配式建筑，可以在全球范圍內大幅降低建筑行業的碳排放量，為實現全球氣候變化目標做出重要貢獻。

1 裝配式建筑碳足跡評價研究

1.1 裝配式建筑發展現狀

裝配式建筑施工就是將原本在施工現場進行預制的建筑構件轉移到獨立的預制生產車間生產，按照規則要求生產后將預制構件再送至施工現場進行組裝的施工技術。裝配式建筑施工主要應用于混凝土結構、鋼結構和木質結構的建筑項目中。本文重點對混凝土結構的裝配式建筑施工進行研究。

裝配式建筑源于歐洲。“二戰”結束后，隨著經濟的逐步復蘇，房屋建筑市場開始崛起，在發展過程中衍生出了裝配式建筑^[1]。當時法國屬于機械化水平較高的國家，其建設工程的現代化生產走在世界前列，在建筑行業中重點圍繞裝配框架結構方向進行研究；丹麥在建筑行業中率先推出模數化建筑；瑞典是世界上第一個構建裝配式建筑的國家，同時針對裝配式建筑的通風系統進行了研究分析；德國將裝配式建筑應用到多層建筑中，利用預制水泥疊合板系統進行建筑物的裝配，并逐步實現居住房屋向信息技術下的產業化發展，讓居住環境更加智能化、智慧化^[2]；日本在裝配式建筑的構件制造中走在世界前列，堅持以預制構件為主導的建筑設計，將房屋中2/3的建筑構件都利用預制構件進行組裝^[3]；新加坡將新的科學技術應用到裝配式建筑中，但新加坡不屬于地震區域，從而建造房屋時未考慮房屋的防震問題^[4]。這些新技術和新工藝的應用有效推動了建筑工業化的發展。

雖然國內對裝配式建筑的運用時間較短，但研究成果相對較多。趙麗坤等^[5]研究發現，裝配式建筑在我國的建筑行業中逐步被重視，尤其在設計階段的應用較多，在該階段加大了構件的設計、管線的優化設計及裝修的一體化設計等，但在國家級行業未針對裝配式建筑的施工標準和設計標準制定完善的規范。隨著BIM技術的廣泛應用，裝配式建筑施工質量、組裝質量得到明顯提升，從而進一步加快了我國建筑行業對裝配式建筑的推廣速度。在未來建筑發展中，BIM技術對裝配式建筑的設計、施工及運維管理都會發揮出重要作用。任曉宇等^[6]從中國建筑行業的可持續發展體系視角進行了討論，認為裝配式施工建筑能夠貫穿到設計環節、運輸環節、施工環節及使用環節等環節，從經濟、社會、環境資源等方面對49項評估指數進行了分析，將這些分析后的評估指數進行歸一化處理，對不同的評估指數進行權重賦值，為裝配式建筑在行業可持續發展構建了完善的評估體系。

1.2 裝配式建筑碳足跡測算及評價研究

1.2.1 碳足跡概念的相關研究

基于化學學科，碳屬于化學元素中的內容，從流向方向來看，碳分為碳匯和碳源兩種模式。碳匯即將碳進行吸收，減少大氣中的碳量；碳源即碳的對外排放，增加大氣中的碳量^[7]。碳足跡是在生態足跡概念下提出的定義，用于對碳排放量的有效計算，也是人在全生命周期內排放到自然環境中的碳量。在國際上，對于碳足跡的定義是人在自然環境中生存和發展所排放出的二氧化碳量在生態土地面積上的占比，用“碳面積”作為計量單位進行衡量。付偉等^[8]從社會系統層面進行分析，認為碳足跡是人們活動中具體排出的碳量。每個學者研究的角度不同，從而對碳足跡的定義也存在一定的偏差。前者的解釋主要從碳足跡的本質層面進行分析，認為碳足跡是化石燃料經過燃燒從而產生的二氧化碳總量^[9]；后者的解釋主要從宏觀和微觀層面認為碳足跡是人們在成長、發展、生活過程中排出的二氧化碳總量。

1.2.2 碳足跡測算及評價

從方向視角對碳足跡進行測算的方法分為自上而下和自下而上兩種。前者主要從廣義角度進行分解計算，得出碳排放量的最終數據；后者主要從狹義角度進行結算，對社會上不同產品消費、消耗時產生的碳排放量進行計算。與自上而下的方法相比，自下而上的測算方法適用性差。從使用方法視圖分析，碳足跡分為系統性和非系統性兩種方法。前者又可以分為生命周期計算法和投入產出計算法；后者分為實測法、質量平衡法、排放因子法等。具體分析如下：

（1）生命周期法。生命周期法出現于約1960年，最初用于對生態環境的管理。朱強等^[10]立足生命周期理論視角進行分析，選取國內有機米生命周期過程中的碳排放量，同時還對比了非有機米的碳排放量。田沛佩等^[11]利用生命周期法對國內不同地區的化肥使用過程中碳排放量進行研究，對我國近10年化肥使用后的碳排放量變化過程進行跟蹤。

（2）投入-產出法。投入產出法出現在世界各國的銀行業，計算銀行的投入與產出的情況，了解產品投入后對能源或其他內容的消耗數據，從而對排出的二氧化碳數據進行直接或間接的測算。Munday等 ^[12]利用該方法對澳大利亞的建筑行業進行研究，分析建筑工程全生命周期中的碳足跡。徐麗等^[13]對1997—2016年我國西北地區的居民生活碳足跡進行了計算。

（3）實測法。實測法主要對排放源進行測算，通過對排出氣體的速度、流量及濃度等指標的分析，測出碳排放總量。該方法的實用性較差，應用范圍較窄，主要應用于生態環境的監測，包括森林生態、農業生態的碳排放量的測算^[14]。

（4）質量平衡法。質量平衡法重點應用于工業化生產方面，或者對工業化生產局部環節的碳排放量進行核算。從能量守恒定律角度分析，質量平衡法可以對企業的整個生產過程、工藝流程及環境治理等不同層面的氣體排放量進行測算，在企業或工業行業中應用比較廣泛^[15]。

（5）排放因子法。排放因子法的應用范圍較為廣泛，既可以在社會生產方面進行應用，也可以在生活不同方面及工業化流程方面應用，該方法被國際上列為碳足跡測算的最有效的方法，也叫作IPCC法。Fu等 ^[16]采用該方法對云南省2008—2017年的碳排放量進行核算分析，發現該地區的碳排放量存在先升后降的特點，說明當地的碳排放量比較大。雖然這種方法能夠準確計算碳排放量，但無法計算消費活動中隱藏的碳排放量。

1.3 裝配式建筑碳排放量研究現狀

裝配式建筑的碳排放量主要為全生命周期內釋放出的二氧化碳總量。發達國家針對裝配式建筑的碳排放量問題研究時間較長，研究成果較多，尤其是對混凝土裝配式建筑的碳排放量研究內容較為全面。Oriol^[17]通過對比傳統建筑和裝配式建筑的能源消耗數據，得出裝配式建筑節能減排效果能夠提升50%左右。Tavares 等^[18]研究了木質結構的裝配式建筑在施工過程中基本不會產生二氧化碳，鋼結構的裝配式建筑產生的二氧化碳數量較少；而混凝土結構的裝配式建筑產生的二氧化碳最高，排放量也最大。Aye 等^[19]分析了裝配式建筑構件的利用情況與回收情況，并對全生命周期的裝配式建筑碳排放總量及能源消耗情況進行了研究，得出裝配式建筑構件制作的能源消耗比傳統建筑低19%，而構件在使用時對能源的消耗比傳統建筑低49%。Sojobi等^[20]研究發現，在裝配式建筑中應用節能環保材料會減少施工過程中的建筑垃圾數量，也會降低碳排放量，建議施工企業加大節能減排材料的應用，有效降低裝配式建筑的碳排放量。Naji等^[21]研究了混凝土結構下的裝配式建筑全生命周期的碳足跡，發現如果將保溫材料應用到裝配式建筑構件生產中，能夠使碳排放量降低89%。Ismail等^[22]發現通過對裝配式建筑的碳排放過程進行不健全監督，利用減排技術和減排材料能夠幫助企業制定合理的減排手段，有利于裝配式建筑的持續發展。

我國從1960年開始學習蘇聯等國家的工業化建造技術，也逐步建設預制構件生產企業，這類企業的數量逐漸增加，部分區域構建了裝配式建筑工程項目。但在1960—1990年，受國內環境因素的影響，國內裝配式建筑的發展速度受限。2011年，裝配式建筑再次興起，這主要得益于國家對裝配式建筑的大力推廣，并出臺諸多政策，明確了裝配式建筑的發展目標和方向，因此，我國的裝配式建筑施工企業數量逐漸增加，并在不同地區建設出了許多示范性項目。李靜等^[23]采用量化分析法對裝配式建筑物化階段進行碳足跡分析，發現在裝配式建筑中使用節能環保材料能夠降低二氧化碳排放量，有效推動碳減排。與傳統的建筑模式相比，裝配式施工技術能夠有效控制碳排放量，但碳減排的空間還有待提升。孫艷麗等^[24]重點研究了裝配式建筑生產階段的碳排放問題，通過篩選具體的關鍵指標進行碳足跡分析，得出目前裝配式建筑減排效果還有較大提升空間，尤其是生產過程中的減排技術還需要優化，以提高節能減排的最大化。為實現節能減排，必須配備專業的技術人才，制定明確規章制度，進一步提高碳減排管理水平。李楠等^[25]以萬科建筑為研究對象，收集建筑的相關數據，分析工業化住宅的能耗情況，研究發現，工業住宅比傳統建筑的能耗消耗量低20%，而混凝土結構和鋼結構的建筑比傳統建筑的能耗低60%，同時，施工過程中的木材損耗率、建筑垃圾產生率也低80%。Yue等^[26]利用生命周期法研究了27個裝配式建筑的碳足跡，然后與傳統建筑進行了對比，發現預制裝配式建筑所使用的材料可減少15.6%碳排放量。

通過梳理國內外學者對裝配式建筑碳排放量問題的研究能夠看出，混凝土結構的裝配式建筑碳排放量與傳統的建筑相比更低，排放量的空間還有很大的提升，尤其是要重點關注構件生產階段，通過優化工藝技術、提高資源利用率等措施減少碳排放量，讓裝配式建筑得到更好的發展。

1.4 裝配式建筑碳足跡評價體系研究

Bonamente等^[27]對于裝配式建筑的碳足跡研究選用生命周期方法，選取意大利的某所混凝土裝配式建筑，通過構建數據化模型分析該建筑全生命周期內的碳足跡，結果顯示，建筑物在使用時碳排放量較多，通過利用裝配式建筑施工技術能夠降低施工過程中建筑垃圾中60%的碳排放量；Tumminia等^[28]通過對建筑物的能量進行模擬計算，對相關數據進行了驗證，從而能夠計算出建筑物全生命周期的能量值；Cao等^[29]重點分析了傳統建筑和裝配式建筑對環境的破壞情況，通過數據對比發現，裝配式建筑對能源的依賴度較低，對生態環境的破壞性較低，而且對能源的利用率較高；Ya^[30]利用生命周期評價法對中國香港住宅進行了碳足跡分析，并對比了裝配式建筑和傳統建筑的碳排放量數據，發現利用裝配式技術施工的建筑，約減少碳排放量10%/m²。

朱百峰等^[31]主要分析裝配式建筑預制構件在預制、安裝過程中對生態環境的破壞及影響，構建了評價體系，通過設置模型對不同的指標進行權重賦值，從而得出裝配式建筑的環境效益評價結果；吳水根等^[32]重點分析了裝配式建筑工程物化階段碳足跡問題，結合施工現狀對物化階段的碳排放量測算工具進行了梳理，同時研究得出施工階段的碳排放量在全生命周期中最高；李文峰等^[33]從經濟、生態和社會三個方面進行具體分析，認為綠色價值可以通過材料使用效率、質量及對環境污染情況體現。

2 結語

裝配式建筑推廣應用的關鍵是在其生命周期內保證經濟、社會、環境和資源等內外部因素之間具有一定的協調和可持續性，同時這也與建筑產業的穩步發展與技術升級密切相關。

本文針對裝配式建筑碳足跡評價的問題，通過對國內外學者不同視角的研究分析，總結出裝配式建筑碳足跡評價存在的不足，并對其未來發展趨勢提出以下三點建議：

（1）排放因子法作為國際碳足跡測算的最有效方法，因國內碳排放因子庫的建設滯后而難以推廣使用，因此建立地域動態碳排放因子庫是進一步完善碳排放測算的重要內容。

（2）當前裝配式建筑碳足跡的研究主要集中在技術層面，并沒有深入到物化階段，導致碳足跡規律研究不到位，應建立全生命周期的碳足跡測算模型，以獲得更為準確的碳足跡規律，為實現碳減排提供技術支持。

（3）當前的研究都是從宏觀環境角度進行分析，對于戶型與碳排放關系的研究力度較小，亟須對裝配式建筑全生命周期內碳足跡測算標準、碳足跡測算系統等方面開展深入研究；從各種類型建筑物和不同戶型角度進行研究，進一步促進建筑全面降低能耗與碳排放量，為裝配式建筑碳足跡評價及節能減排策略的研究提供參考。

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收稿日期：2023-08-14

作者簡介：

李貴（1988—），男，工程師，國家注冊一級建造師，研究方向：工程管理、綠色建筑。

梅益（1974—），男，教授，博士，研究方向：智能制造工藝及設備、制造業信息化、數值模擬技術。