裝配式住宅與現澆住宅物化階段碳排放量化分析

董素紅 崔 健

自我國明確提出“2030 年前實現碳達峰，2060 年前實現碳中和”目標以來，節能減碳理念已快速融入國民經濟發展和人民生活的各方面。相關統計資料顯示，全球范圍內，建筑領域全產業過程中消耗了全球30%～40%的能源，并同時貢獻了40%的碳排放量[1]，因此積極實現建筑業節能減排具有重要意義。

隨著裝配式公共建筑在國內大范圍內推廣應用，裝配式住宅建筑也逐漸慢慢推廣開來。目前，國內外許多學者進行了裝配式建筑全生命周期碳排放量相關研究，如高宇等[2]構建了裝配式建筑生命周期評價模型，并運用該模型系統核算了深圳市某裝配式建筑的總碳排放量；韓宇恒等[3]通過碳排放系數法對不同裝配率的裝配式建筑碳排放量測算與分析，得出碳排放量隨裝配率的升高而降低的客觀規律；曹西等[4]以18 層典型鋼筋混凝土剪力墻住宅建筑為研究對象，得到在建筑的物化階段，裝配式建筑相比現澆建筑單位面積可以減少碳排放量7.67 kg，不足之處是未考慮施工階段人工碳排放量；Tim 等[5]研究得出調整裝配式木結構墻體結構可顯著降低一次能源消耗量、運營碳排放量和隱含碳排放量；Almeida 等[6]以葡萄牙波爾圖的一個社會住房家庭建筑為案例，指出預制模塊化對于減少隱含碳排放量具有顯著成效。

大量實例證明，裝配式建筑在節能減碳方面具有顯著成效，但是建筑碳排放量測算至今尚無統一的計算方法，各學者在裝配式建筑方面研究方法多種多樣、研究內容和研究角度略有不同。

一般的住宅建筑設計，其使用年限為50 年，運行時間長，另外根據許多學者研究可知運行階段裝配式建筑與傳統現澆建筑碳排放相差不大，故本文選取建筑物化階段為測算邊界，提出基于“BIM+定額”的碳排放量測算方法，以同一地區不同建造模式的剪力墻結構為例，探究裝配式住宅與現澆住宅物化階段碳排放量。

因此，基于不同裝配率下碳排放量不同，本文所提的裝配式建筑預制構件主要包括疊合樓板、預制樓梯，故本案例計算結果能夠為綠色建筑節能減排提供參考價值。

1 裝配式住宅的概念及優點

1.1 裝配式住宅的概念

裝配式住宅指把建筑的全部或部分構件（如樓板、外墻、內墻、梁、柱、樓梯、陽臺等）在構件預制加工廠內按照設計圖紙進行大規模的批量生產，然后運輸到施工現場，通過現場機械吊裝將構件拼裝成具備使用功能的建筑物，它包括結構的裝配、外部維護系統及設備管線等，是一項復雜的系統工程。

1.2 裝配式住宅的優點

與傳統現澆住宅相比，裝配式住宅具有環保、耐久等優勢，施工工期短、能耗低、抗震性能更強，更符合新形勢下綠色建筑的要求，已成為建筑行業發展的新趨勢。

1）縮短工期。預制構件在加工廠內生產，運輸到施工工地進行吊裝拼接作業，混凝土澆筑、砌筑、抹灰等濕作業大量減少，而且受天氣影響小，施工作業效率更高，可大大縮短施工時間。

2）減少質量通病。由于構件是標準化設計，精度較高，可以提高施工質量，最大限度減少質量通病。

3）節能環保。裝配式可以大大減少建筑垃圾和污水排放，降低建筑施工噪聲，有利于我國城市健康、低碳以及綠色發展。

4）節約勞動力。施工現場機械化作業，可大幅度減少現場施工人員及管理人員配備數量，降低成本。

2 建筑物化階段碳排放量分析

2.1 建筑全生命周期概念與劃分

建筑全生命周期指從建筑原材料開采到建筑拆除處置的全過程，各個環節都會產生溫室氣體排放（圖1），目前計算建筑全生命周期碳排放量時，對上述過程所屬階段的劃分有多種形式，而國內外大多數學者和國際標準一般將建筑全生命周期分解為4 個階段：建材生產運輸、建筑施工建造、建筑運行以及建筑拆除回收[7]，其中建材生產運輸和建筑施工建造常統稱為建筑物化階段。

圖1 建筑全生命周期碳排放示意圖（來源：作者自繪）

2.2 住宅物化階段碳排放系統的邊界確定

本文為深入研究裝配式住宅與現澆住宅物化階段碳排放量，將建筑物化階段細化為建材及構件生產階段、建材及構件運輸階段、建筑施工建造3 個階段。

1）建材及構件生產階段。該階段指原材料的獲取，首先原材料從大自然中開采，然后運輸至材料加工廠進行生產與加工，該階段碳排放主要考慮原材料開采、建材或構件生產所產生碳排放。本文將用于預制構件生產部分的建筑材料稱為II 類建筑材料，其余的歸為I 類建筑材料。建材生產階段碳排放主要包括了I 類和II 類建筑材料生產碳排放量、預制構件生產碳排放量以及II 類建筑材料運輸碳排放量。

2）建材及構件運輸階段。該階段主要指將加工廠內生產的材料、構配件運送到施工現場內，該階段碳排放主要考慮運輸過程中消耗的柴油、汽油、天然氣等能源碳排放。

3）建筑施工建造階段。該階段主要指將運到施工現場的材料、構配件等，通過現場澆筑、安裝、拼裝等施工作業，形成建筑物，時間邊界為從項目開工建設至項目竣工驗收。該階段碳排放主要考慮施工設備等消耗的能源及現場施工人工所產生的碳排放。本文主要考慮現場施工區域，不考慮辦公區、生活區。

3 住宅物化階段碳排放量測算方法

3.1 建筑全生命周期碳排放量測算方法分析

目前，建筑全生命周期碳排放量測算方法主要包括投入產出法、實測法、混合法和排放系數法。產出法和實測法需要收集現場實際大量數據，涉及面廣、耗時長、操作繁瑣；混合法則是綜合考慮投入產出法和實測法；排放系數法因具有需要的數據量小、操作便利、適用性強、可信度高等特點而得到普遍運用。

但是，以上幾種方法均是對全生命周期的各個階段進行單獨計算。參考以上方法，本文選用基于“BIM+定額”的碳排放系數法，即首先根據設計圖紙建立BIM，得到主要構件的工程量，然后根據廣聯達等計價軟件套定額，得到人材機（人員、材料、機械設備的簡稱）匯總表，同時，根據碳排放計算模型，測算建筑物化階段碳排放量。

3.2 住宅物化階段碳排放量計算模型

本文以碳排放系數法構建符合實際項目的碳排放量計算模型，為住宅建筑物化階段碳排放測算奠定基礎。住宅物化階段碳排放總量計算模型為：

式中：Scount為物化階段碳排放總量；S1為建筑材料、預制構件及其原材料生產階段碳排放量；S2為建筑材料及預制構件運輸過程碳排放量；S3為建筑施工階段碳排放量。以上數據單位均為kgCO2e。

建筑材料、預制構件及其原材料生產階段碳排放量計算模型為式（2）：

式中：S11為I 類建筑材料生產階段碳排放量；S12為II 類建筑材料，即預制構件部分建筑材料生產階段碳排放量；S13為II 類建筑材料運輸階段碳排放量；S14為預制構件生產階段碳排放量，S11、S12、S13、S14單位均kgCO2e；n為自然數；qi、qi'分別為I 類、II 類建筑材料消耗量；βi為建筑材料碳排放因子；mi為II 類建筑材料重量，單位t；li為II 類建筑材料運輸距離；k為考慮返程空車系數，取0.67；λi為運輸碳排放因子，單位kgCO2e/（t·km）；Vi為預制構件消耗規模；δi為預制構件生產階段碳排放系數。

運輸階段碳排放量的計算模型式為：

式中：S21為I 類建筑材料運輸過程中產生的碳排放量；S22為預制構件運輸過程中產生的碳排放量，S21、S22單位均為kgCO2e；mi'為I 類建筑材料重量，單位為t；Mi為預制構件重量，單位t；Li、Li'為預制構件、I 類建筑材料運輸距離，單位均為m。

建造施工階段碳排放量計算模型如式（4）所示：

式中：S31為預制構件現場施工產生的碳排放量；S32為除預制構件安裝工程外現場施工過程中產生的碳排放量，S31、S32單位均為kgCO2e；W、Wi'為預制構件、非預制構件部分現場施工所使用的能源量，其單位均為kg；WD、WD'為預制構件、非預制構件部分現場施工所消耗的電量，其單位均為kWh；WR、WR'為預制構件、非預制構件部分現場施工所需要的人工，單位為工日；δ為電網平均二氧化碳排放因子；η為人工碳排放因子。

為了便于對比不同建筑、不同類型結構的建筑碳排放情況，本文以單位建筑面積碳排放量作為計算指標，式（5）為建筑物化階段碳排放量計算模型：

式中：S0為單位建筑面積碳排放量，單位為kgCO2e/m2；A為建筑面積，單位為m2。

3.3 碳排放因子選擇

碳排放因子是影響碳排放測算的重要因素，對計算結果至關重要。本文涉及的碳排放因子主要包括化石能源碳排放因子、電力碳排放因子、主要建材碳排放因子、人工碳排放因子、運輸碳排放因子等。其中，化石能源碳排放因子通過化石能源的單位熱值含碳量、氧化率、平均低位發熱量等參數計算得到，主要化石能源碳排放因子如表1 所示。本文電力碳排放因子選用中華人民共和國國家發展和改革委員會發布的2012 年中國區域電網平均二氧化碳排放因子（表2）；主要建材碳排放因子、運輸碳排放因子分別參考《建筑碳排放計算標準》GB/T 51366-2019 附錄D、附錄E；人工碳排放因子參考焦雙健等[8]“一種全壽命周期公路碳計量方法及其應用”中有關不同類型勞動者的人工碳排放數據，本文按照中度勞動類型確定每工日人工碳排放量為2.42 kgCO2e/人工日；參考曹靜等[9]關于不同預制構件生產階段機器運行產生的碳排放，同時，本文按照單位立方疊合板碳排放11.93 kgCO2e/m3、單位立方預制樓梯碳排放11.93 kgCO2e/m3測算預制構件生產過程中產生的碳排放。

表1 化石能源碳排放因子

表2 2012 年中國區域電網平均二氧化碳排放因子單位：kgCO2e/（kW·h）

4 住宅物化階段碳排放量測算案例

4.1 案例基本情況介紹

案例一為裝配式混凝土住宅建筑，該項目位于山東省棗莊市，裝配式剪力墻結構，高度53.10 m，總建筑面積為12274.28 m2，地上18 層，地下2 層。預制構件為預制樓梯、疊合樓板，其中疊合樓板用于3 ～17 層客廳、餐廳、臥室和電梯前廳，其余是現澆樓板。

案例二為現澆混凝土住宅建筑，該項目位于山東省棗莊市，剪力墻結構，建筑高度為23.758 m，占地面積541.45 m2，總建筑面積為4647.61 m2，地上7 層，地下2 層。

4.2 應用案例計算結果及分析

根據碳排放量測算模型式（1）可測算得出2 種建造方式住宅物化階段單位面積碳排放量結果（表3）。根據表3 計算可知，裝配式住宅碳排放量相對于傳統現澆住宅總體減少了20.16 kgCO2e/m2。其中，建材生產階段，裝配式住宅碳排放量比傳統現澆住宅減少了33.10 kgCO2e/m2，這是因為雖然裝配式住宅在建材生產階段多了預制構件加工流程，但是預制構件在生產廠標準化生產、規模化生產可以節約混凝土、鋼筋用量，而且預制構件表面平整度高可以減少抹灰砂漿用量，因此原材料碳排放減少；建材運輸階段，裝配式住宅碳排放量比傳統現澆住宅增加了11.22 kgCO2e/m2，這是因為裝配式住宅增加了預制構件運輸，因此增加了能源碳排放；施工階段，裝配式住宅碳排放量相對于傳統現澆住宅增加了1.72 kgCO2e/m2，這是因為裝配式住宅預制構件吊裝過程增加了能源、用電消耗，因此增加了碳排放量。

表3 現澆住宅與裝配式住宅單位面積碳排放量對比單位：kgCO2e/m2

住宅物化階段各過程碳排放量占比如圖2、圖3 所示。根據圖2 和圖3 可知裝配式住宅和現澆住宅物化階段各個過程碳排放量相似，都是建材生產階段碳排放量大，約占物化階段碳排放量總數的90%；建筑施工建造階段其次；建材運輸階段的碳排放量最小。

圖2 裝配式住宅物化階段碳排放量占比（來源：作者自繪）

圖3 現澆住宅物化階段碳排放量占比（來源：作者自繪）

建材生產階段各類建材碳排放量對比如圖4、圖5 所示。從圖4 和圖5可以直觀看出，裝配式住宅建筑與傳統現澆建筑在建材生產階段碳排放的主要來源是混凝土、鋼筋，是它們控制碳排放量的主要選擇對象。其中，裝配式住宅建筑建材生產階段，混凝土、鋼筋碳排放量占比最大，分別是39%、35%，二者共占主要材料碳排放量的74%；其次是水泥、砂漿、竹膠板，分別占比6%、5%、5%；其他材料碳排放量占比合計10%。 傳統現澆住宅建筑建材生產階段混凝土、鋼筋碳排放量占比最大，分別是44%、31%，二者共占主要材料碳排放量的75%；其次是加氣混凝土砌塊、水泥、擠塑聚苯板，分別占比9%、4%、3%；其他材料碳排放量占比合計9%。

圖4 裝配式住宅建材生產階段各類建材碳排放量占比（來源：作者自繪）

圖5 現澆住宅建材生產階段各類建材碳排放量占比（來源：作者自繪）

5 結語

本文提出了基于“BIM+定額”的碳排放量測算方法，以裝配式住宅與現澆住宅2 個實際案例，通過BIM建模及廣聯達計價軟件得到人材機匯總表，并根據碳排放測算模型進行了物化階段碳排放量對比分析，該方法適用于工程設計、施工、竣工等任意階段，雖然BIM 建模獲取的人材機能耗與實際情況略有偏差，但是能更加高效、便捷地獲取數據，為物化階段碳排放測算打下良好基礎。

裝配式建筑的裝配率不同，分析結果也不同，但整體上裝配式住宅要比傳統現澆住宅碳排放量少。通過2種構造方式住宅物化階段碳排放量對比分析，可以得出裝配式住宅在綠色、低碳、可持續發展方面具有更大的優勢，其還具有安全、造價低、工期短等優點，因此隨著我國各個省市的高質量發展，裝配式住宅將是未來建筑領域發展的一種趨勢。