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基于工序的裝配式鋼結(jié)構(gòu)樓板施工碳排放研究

基于工序的裝配式鋼結(jié)構(gòu)樓板施工碳排放研究

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基于工序的裝配式鋼結(jié)構(gòu)樓板施工碳排放研究


黃祖堅1,2  周浩2,3  余娟1,2  林波榮1,2

1. 清華大學(xué)建筑學(xué)院,北京 100084

2. 清華大學(xué)生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點實驗室,北京 100084

3. 清華大學(xué)城市治理與可持續(xù)發(fā)展研究院,北京 100084


黃祖堅, 周浩, 余娟, 等. 基于工序的裝配式鋼結(jié)構(gòu)樓板施工碳排放研究[J]. 工業(yè)建筑, 2024, 54(1): 147-155.


摘  要


基于裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程施工過程特點,提出基于工序的施工碳排放計算方法,以某多層鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心項目為例驗證方法的可行性,獲得鋼結(jié)構(gòu)樓板樓承板、剪力釘、鋼筋和混凝土工程共10項施工工序碳排放基礎(chǔ)參數(shù)。以單位平方米樓板面積碳排放為計量單位,所得鋼結(jié)構(gòu)樓板施工總碳排放為0.7595 kgCO2/m2,該值相當(dāng)于樓板建材隱含碳排放的1.64%。碳排放貢獻(xiàn)由大到小依次為混凝土工程(0.4778 kgCO2/m2)、鋼筋工程(0.1815 kgCO2/m2)、剪力釘工程(0.0671 kgCO2/m2)、樓承板工程(0.0331 kgCO2/m2)。施工過程能源/物料消耗產(chǎn)生碳排放分別占比72.6%、27.4%,產(chǎn)生的直接、間接、隱含碳排放分別占比62.9%、9.7%和27.4%。基于研究提出的計算方法,所得結(jié)果可識別主要碳排放源,有利于追溯鋼結(jié)構(gòu)工程施工高碳排放環(huán)節(jié)并制定減排措施。對于文中案例,單項碳排放占比超過5%的施工工序有混凝土預(yù)拌、鋼筋綁扎、混凝土泵送和剪力釘焊接,這4項共產(chǎn)生了樓板施工總碳排放的88.9%。


引  言


根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心報告,我國2021年民用建筑建造碳排放約16億 t CO2,占全社會總碳排放的14%[1]。建筑建造是我國落實“雙碳”目標(biāo)的重要領(lǐng)域。2021年10月,國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動方案》(國發(fā)〔2021〕23號),部署推動碳達(dá)峰行動的重點任務(wù),其中在城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域強(qiáng)調(diào)“推廣綠色低碳建材和綠色建造方式,加快推進(jìn)新型建筑工業(yè)化,大力發(fā)展裝配式建筑,推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅……”[2]。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計,2021年,全國新開工裝配式建筑面積7.4億 m2,較2020年增長18%,占總新建建筑面積的24.5%。其中裝配式鋼結(jié)構(gòu)新開工建筑面積2.1億 m2,占新開工裝配式建筑面積的28.8%[3]。根據(jù)中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會統(tǒng)計,我國2020年鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量為0.89億 t,相比于2015年的0.51億 t增長了74.5%,生產(chǎn)的鋼結(jié)構(gòu)中,60%用于房屋建筑,主要為高層和超高層的文旅、公共建筑和工業(yè)建筑[4]。2021年,全國裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件企業(yè)數(shù)量達(dá)1122家,比2020年的946家增長了18.6%。反映出我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)和工程應(yīng)用均呈較快發(fā)展的態(tài)勢[5]。


建筑全生命周期碳排放涉及建材生產(chǎn)、運輸建造、運行、拆除及回收再利用的各個階段。已有研究表明裝配式建筑在特定階段的低碳優(yōu)勢。Mao等對比深圳兩棟中高層住宅,結(jié)果表明裝配式建筑隱含碳排放336 kg(CO2e)/m2,低于傳統(tǒng)現(xiàn)澆方案的368 kg(CO2e)/m2,除構(gòu)件運輸外,裝配式建筑在構(gòu)件生產(chǎn)、建筑施工及拆除、建筑垃圾處理等階段均更低碳[6]。Dong等的案例則表明減碳效果與裝配率存在正相關(guān)關(guān)系[7]。相比于建材生產(chǎn)和建筑運行階段,建筑建造階段對建筑全生命周期碳排放總量的貢獻(xiàn)比重較小,但由于在相對較短的時間內(nèi)集中排放完,因此其單位時間碳排放強(qiáng)度高[8],對實現(xiàn)建筑低碳轉(zhuǎn)型也具有重要作用。


當(dāng)前,業(yè)界普遍定性地認(rèn)為裝配式鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場施工階段可減少能耗、施工垃圾和污染物排放,并降低碳排放。但由于缺乏統(tǒng)一的計算方法和系統(tǒng)邊界,不同案例研究定量結(jié)果存在大幅差異。作者梳理了國內(nèi)外7項研究共18個鋼結(jié)構(gòu)施工碳排放計算案例,統(tǒng)一以單位建筑面積碳排放量對計算結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)案例提供的最大值和最小值之間存在2個數(shù)量級的差異。具體地,Su等研究中國多層和高層鋼結(jié)構(gòu)住宅案例,所得施工碳排放為30~38 kgCO2/m2[9]。Li等針對中國低層鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究案例,所得施工碳排放為0.7~3.59 kgCO2/m2[10]。Balasbaneh等在馬來西亞的低層鋼結(jié)構(gòu)住宅案例研究中,所得碳排放計算結(jié)果為0.65 kgCO2/m2[11]。Vitale等對意大利低層鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究案例,所得施工碳排放計算結(jié)果是8.62 kgCO2/m2[12]。Moncaster等計算英國多層鋼結(jié)構(gòu)住宅案例,所得施工碳排為0.22~14.67 kgCO2/m2[13]。Scheuer等對美國一棟多層鋼結(jié)構(gòu)教育建筑進(jìn)行施工碳排放的計算,結(jié)果為18.49 kgCO2/m2[14]。Nadoushani等計算美國3組共9項低層和高層鋼結(jié)構(gòu)的原型建筑,所得施工碳排為8.4~10.6 kgCO2/m2[15]。


造成上述不同案例之間計算結(jié)果存在巨大差異的原因,一方面在于不同案例建筑功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計、以及所在地施工所消耗能源、物料的碳排放強(qiáng)度存在客觀不同;另一方面在于不同案例計算方法不一致。例如,加拿大Cole的案例研究中,應(yīng)用建筑碳排放計算軟件AthenaTM,并通過案例數(shù)據(jù)調(diào)研,計算施工階段CO2、CO、NOx和CH4溫室氣體排放量,調(diào)研數(shù)據(jù)項目包括現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備能耗、建材及機(jī)械設(shè)備運輸、工人往返交通、以及現(xiàn)場混凝土模板等臨時項目,所得鋼結(jié)構(gòu)施工碳排放為0.4~1.0 kgCO2/m2[16],該值在建筑總隱含碳排放中占比3%~6%。但同樣是在北美針對鋼結(jié)構(gòu)施工碳排放的研究,美國Guggemos等在其案例中,計算結(jié)果大幅高于Cole的上述值,對于施工能耗,其計算結(jié)果為418 MJ/m2,遠(yuǎn)高于Cole的3~7 MJ/m2;對于這一差異,Guggemos認(rèn)為Cole僅統(tǒng)計了壓縮機(jī)、鉆頭、焊接等輕型機(jī)器,而Guggemos還統(tǒng)計了重型機(jī)械如起重機(jī)和叉車的能耗[17]。


系統(tǒng)量化建筑碳排放是其低碳轉(zhuǎn)型的前提,我國計算建筑施工碳排放的依據(jù)是國標(biāo)GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)針對一般性建筑,提出以機(jī)械臺班數(shù)量乘以各機(jī)械單位臺班能源用量的方法,計算各分部分項工程和措施項目實施過程產(chǎn)生的碳排放[18]。該方法要求在施工過程中,投入大量人力對工地進(jìn)行數(shù)據(jù)跟進(jìn)和統(tǒng)計分析。相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆體系,裝配式鋼結(jié)構(gòu)在構(gòu)件生產(chǎn)和現(xiàn)場施工方面具有明顯的工序分類和構(gòu)成,且經(jīng)過多年發(fā)展已形成相對成熟和標(biāo)準(zhǔn)化的做法,作者團(tuán)隊致力于探索基于工序的碳排放計算方法,以工序為基本單元為裝配式鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)和工程應(yīng)用進(jìn)行碳排放計測,前期完成了裝配式鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制作階段的碳排放測試,獲得了鋼結(jié)構(gòu)制作階段工序碳排放基礎(chǔ)參數(shù)[19]。本研究進(jìn)一步探索現(xiàn)場施工工序的碳排放計測方法,在一個鋼結(jié)構(gòu)樓板施工項目中驗證這一方法的可行性,獲得施工工序碳排放參數(shù),為相關(guān)研究提供方法參考和基礎(chǔ)參數(shù)支持。


01

案  例 


1.1 鋼結(jié)構(gòu)工程概況

項目為某數(shù)據(jù)中心,為多層丙類廠房,建筑面積約3.9萬 m2,平面尺寸133 m×91.6 m,地上3層,高度23.9 m。項目于2023年4月開工,2023年6月完成結(jié)構(gòu)封頂。


1.2 樓板工程

樓板的實施涉及樓承板、剪力釘、鋼筋和混凝土4項工程。樓承板工程通過汽車吊和塔吊吊送至相應(yīng)樓層,通過樓承板班組進(jìn)行樓層內(nèi)運輸、擺放、對位、扣合、校正等,而樓承板就位后,采用手把焊在其兩端與主梁交接、及中間與次梁對位的位置通過點焊固定。樓承板固定后,在其與主梁、次梁交接部位,由剪力釘班組以穿透焊的方式固定剪力釘(又稱焊釘)。完成剪力釘焊接后,由鋼筋工程班組鋪設(shè)鋼筋,采用直筋,于樓承板鋼筋正交方向插縫串聯(lián)樓承板,并通過鐵絲綁扎固定。最后,由混凝土攪拌站通過混凝土罐車運輸預(yù)拌混凝土到工地,由停留在工地的泵車負(fù)責(zé)泵送至相應(yīng)樓層,工人通過遙控將輸送管指定到工作部位,傾注混凝土并由工人完成整平、磨平及后續(xù)澆水養(yǎng)護(hù)等操作。


02

方  法


2.1 碳排放測試對象和邊界界定

測試對象為1.2節(jié)所述鋼結(jié)構(gòu)樓板工程施工工序碳排放,其系統(tǒng)邊界界定為施工現(xiàn)場因鋼結(jié)構(gòu)樓板建造需要而發(fā)生的能源和物料消耗所產(chǎn)生的碳排放,既包括由于柴油、電力消耗產(chǎn)生的直接和間接碳排放,也考慮焊接、鋼筋綁扎等物料消耗帶來的隱含碳排放(圖1)。

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圖1 樓板施工工序、碳排放源及碳排放類型


2.2 碳排放數(shù)據(jù)采集方法

基于2.1節(jié)對碳排放源的梳理,對各類能源、物料消耗,采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集方法。其中電力的采集,使用了自主研發(fā)的能耗監(jiān)測系統(tǒng)(power monitoring system,PMS);柴油在混凝土預(yù)拌和泵送工序中消耗,這部分由于工序外包,使用的混凝土攪拌車不固定用于本工地,而是根據(jù)送貨單要求往返于不同工地和混凝土攪拌站,為此,前往混凝土攪拌站調(diào)研攪拌車油耗經(jīng)驗數(shù)值;物料包含多種類型,在現(xiàn)場記錄相應(yīng)物料類型、規(guī)格和使用量(表1、圖2)。


表1 碳排放源及數(shù)據(jù)采集方法

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圖2 施工現(xiàn)場碳排放數(shù)據(jù)采集照片


2.3 能源、物料碳排放因子取值方法

能源、物料消耗量須通過其碳排放因子換算為相應(yīng)碳排放,本研究中,電力碳排放因子采用生態(tài)環(huán)境部公布的2022年度全國電網(wǎng)平均碳排放因子;柴油和汽油的碳排放因子根據(jù)國標(biāo)GB/T 51366—2019提供的參考值進(jìn)行換算;物料無法從數(shù)據(jù)庫或規(guī)范中找到參考值,因此根據(jù)其主要化學(xué)成分進(jìn)行推算。本案例消耗的能源、物料的碳排放因子取值方法和結(jié)果如表2所示。


表2 能源、物料碳排放因子取值方法與結(jié)果

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03

結(jié)  果


3.1 樓承板工程

采用鋼筋桁架樓承板,樓承板由底模作為承托混凝土和鋼筋的底面,在樓承板生產(chǎn)階段,已在底模之上、縱向方向安裝有上弦鋼筋、下弦鋼筋和腹桿鋼筋,同時在兩端焊接有支座水平和豎向鋼筋。樓承板由工廠運輸至施工工地后,由汽車吊或塔吊提升至相應(yīng)樓層,工人通過人力將樓承板運輸?shù)街付ò惭b位置進(jìn)行安裝。如圖3所示,樓承板安裝過程涉及對位、對扣、調(diào)平、焊接等不同布置,其中產(chǎn)生碳排放是通過手把焊進(jìn)行的焊接工序。該工序的任務(wù)在于將樓承板兩端支座豎向鋼筋的底端固定于與其交接的鋼結(jié)構(gòu)主梁上表面,同時也在樓承板與次梁交接部位,將腹桿鋼筋底部與鋼結(jié)構(gòu)次梁上表面進(jìn)行連接固定。


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圖3 樓承板工程施工照片


樓承板兩端支座豎向鋼筋與主梁、及腹桿鋼筋與次梁之間通過手把焊進(jìn)行點焊。測試現(xiàn)場共記錄焊條消耗70根,與PMS記錄的耗電量進(jìn)行匹配,所得每根焊條耗電量的中位數(shù)(第一分位數(shù)~第三分位數(shù))Q2(Q1~Q3)值為0.1070(0.0928~0.1260) kW·h/根,相當(dāng)于1.06(0.92~1.25) kW·h/100個焊點(圖4)。按國家電網(wǎng)電力平均碳排放因子0.5703 kgCO2/(kW·h)換算,所得樓承板焊接工序碳排放Q2(Q1~Q3)值為0.60(0.52~0.71) kgCO2/100個焊點。樓承板焊接過程使用電焊條,導(dǎo)致部分隱含碳排放。在現(xiàn)場記錄的70根焊條樣本中,每根用于5~15個焊點,焊條使用量Q2(Q1~Q3)值為10.1(9.09~12.5)根/100點,根據(jù)前述表2的焊條碳排放因子取值,可得電焊條消耗帶來的隱含碳排放為0.72(0.65~0.90) kgCO2/100點。


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圖4 PMS記錄的焊條焊接耗電量測試結(jié)果


再以100 m2樓板面積作為功能單元,樓承板每榀間隔20 cm,考慮主梁之間有3根次梁,主梁之間間距10 m,次梁之間間距2.5 m,可得100 m2樓板所需手把焊250個。據(jù)此計算所得單位面積樓板樓承板焊接電力消耗產(chǎn)生的碳排放為0.0151(0.0131~0.0178) kgCO2/m2樓板。樓承板手把焊導(dǎo)致的隱含碳排放為0.0180(0.0163~0.0225) kgCO2/m2樓板。測試結(jié)果如表3所示。


表3 鋼結(jié)構(gòu)樓板樓承板工程施工工序碳排放測試結(jié)果

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3.2 剪力釘工程

剪力釘又稱焊釘、螺柱,用于加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)主、次梁與混凝土之間的連接,該工序在樓承板安裝完成之后,在樓承板底模之上,通過熔透焊方式連接剪力釘?shù)撞颗c鋼結(jié)構(gòu)主、次梁的上表面,這一過程也同時強(qiáng)化樓承板與鋼結(jié)構(gòu)主、次梁之間的連接(圖5)。


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圖5 剪力釘工程施工照片


焊接方式為熔透焊,焊接過程與瓷環(huán)配套使用。測試現(xiàn)場共記錄剪力釘851個,每個剪力釘在數(shù)秒內(nèi)完成焊接,考慮PMS數(shù)據(jù)采集時間間隔為1 min,將剪力釘進(jìn)行分組,所得100組樣本。與PMS記錄的耗電量進(jìn)行匹配,所得每個剪力釘焊接的耗電量的Q2(Q1~Q3)值為0.0205(0.0178~0.0220) kW·h/個(圖6)。換算所得剪力釘焊接工序碳排放Q2(Q1~Q3)值為1.17(1.02~1.26) kgCO2/100個剪力釘。


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圖6 PMS記錄的剪力釘焊接耗電量測試結(jié)果


同3.1節(jié),以100 m2樓板面積作為功能單元,可得100 m2樓板所需剪力釘400個。據(jù)此計算所得單位面積樓板剪力釘焊接電力消耗產(chǎn)生的碳排放為0.0468(0.0407~0.0503) kgCO2/m2。每根剪力釘焊接消耗一個瓷環(huán),根據(jù)前述表2的瓷環(huán)碳排放因子取值,導(dǎo)致的隱含碳排放為0.0203 kgCO2/m2樓板。測試結(jié)果如表4所示。


表4 鋼結(jié)構(gòu)樓板剪力釘工程施工工序碳排放測試結(jié)果

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3.3 鋼筋工程

鋼筋工程涉及鋼筋調(diào)直與定長、螺紋剝肋、折彎和連接的不同工序,其中連接包含綁扎和焊接兩種方式。對于本項目的樓板工程,鋼筋用于串聯(lián)和加固樓承板,使用的工序包含鋼筋調(diào)直和綁扎(圖7)。鋼筋直徑Φ=8 mm,通過鋼筋調(diào)直機(jī)調(diào)直,并同時定長為8 m的直筋。工人通過人力將直筋正交串聯(lián)樓承板,并通過鐵絲與上、下弦鋼筋綁扎。現(xiàn)場記錄了43根鋼筋調(diào)直過程,歸為12組,測試結(jié)果表明:調(diào)直每根鋼筋耗電量Q2(Q1~Q3)值為0.0165(0.0162~0.0220) kW·h/根,相當(dāng)于2.06(2.03~2.75) kW·h/km。按國家電網(wǎng)電力平均碳排放因子0.5703 kgCO2/kW·h換算,所得鋼筋調(diào)直工序碳排放Q2(Q1~Q3)值為1.18(1.16~1.57)kgCO2/km鋼筋。


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圖7 鋼筋工程施工照片


鋼筋綁扎采用的扎絲為火燒鐵絲,20號,直徑0.9 mm,長40 cm。鋼筋在與鋼桁架樓承板的上、下弦交界處進(jìn)行綁扎,節(jié)點間距為20 cm,因此1000 m鋼筋消耗扎絲約5000條,計算所得鋼筋綁扎由扎絲導(dǎo)致的隱含碳排放為16.97 kgCO2/km。


再以100 m2樓板面積作為功能單元,考慮鋼筋連接鋼筋桁架樓承板的上、下弦鋼筋,鋼筋間距為20 cm,相當(dāng)于在樓承板自帶鋼筋的基礎(chǔ)上,每m2補(bǔ)充鋼筋2×5=10 m鋼筋。據(jù)此計算所得單位面積樓板鋼筋調(diào)直和綁扎工序的碳排放分別為0.0118(0.0116~0.0157) kgCO2/m2樓板和0.1697 kgCO2/m2樓板。測試結(jié)果如表5所示。


表5 鋼結(jié)構(gòu)樓板鋼筋工程施工工序碳排放測試結(jié)果

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3.4 混凝土工程

混凝土工程涉及施工機(jī)器包括混凝土攪拌車、泵車、混凝土整平機(jī)(濕作業(yè))、混凝土磨平機(jī)(干作業(yè)),其中攪拌車和泵車消耗柴油,而整平機(jī)和磨平機(jī)消耗汽油(圖8)。混凝土攪拌車和泵車的業(yè)主均為20 km外的混凝土攪拌站,其中,攪拌車根據(jù)送貨單任務(wù),每次去往不同工地,因此無法具體跟蹤由于本工地導(dǎo)致的油耗量。為此,前往攪拌站調(diào)研經(jīng)驗數(shù)值,調(diào)研所得攪拌車每次加油300 L,每完成15單任務(wù)需加一次油,每次運輸15~20 m3混凝土,據(jù)此計算攪拌車油耗量為1.00~1.33 L/m3。泵車停留在工地,通過柴油產(chǎn)生動力驅(qū)動液壓泵,通過布料桿和運輸管將混凝土輸送到預(yù)定位置,根據(jù)經(jīng)驗值油耗量約為0.5~0.6 L/m3。


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圖8 混凝工程施工照片


混凝土澆筑過程中使用平衡式激光混凝土整平機(jī),消耗柴油,作業(yè)過程中單層平面(面積12182.8 m2)共加2次油,每次30~40 L,據(jù)此計算所得混凝土整平機(jī)油耗量為4.925×10–3~6.567×10–3 L/m2。混凝土澆筑待干燥過程中采用混凝土磨平機(jī)打磨面層,消耗柴油,作業(yè)過程中每次加油2 L,可打磨500~600 m2混凝土表面,據(jù)此計算所得混凝土磨平油耗量為3.333×10–3~4.000×10–3 L/m2。調(diào)研結(jié)果如表6所示。


表6 鋼結(jié)構(gòu)樓板混凝土工程施工工序碳排放調(diào)研結(jié)果

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04

討  論


4.1 鋼結(jié)構(gòu)樓板工程施工碳排放分析

將第3節(jié)中樓板各施工工序碳排放計測結(jié)果計量單位統(tǒng)一為樓板面積,上述鋼結(jié)構(gòu)樓板施工總碳排放為0.7595 kgCO2/m2樓板。如表7所示,本案鋼結(jié)構(gòu)樓板建材隱含碳排放為4.6294 kgCO2/m2,鋼結(jié)構(gòu)樓板工程施工碳排放相當(dāng)于其1.64%。樓板建材隱含碳排放的計算參考GB/T 51366—2019的建議,對鋼筋桁架樓承板、剪力釘和鋼筋考慮使用后回收,折減了50%的碳排放。


表7 鋼結(jié)構(gòu)樓板建材隱含碳排放計算結(jié)果

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鋼結(jié)構(gòu)樓板分部分項工程碳排放如表8、圖9所示,碳排放貢獻(xiàn)由大到小依次為:混凝土工程、鋼筋工程、剪力釘工程、樓承板工程,分別貢獻(xiàn)了總碳排放的62.9%、23.9%、8.8%、4.4%。其中單項施工工序碳排放占比超過5%的有:混凝土預(yù)拌(41.1%)、鋼筋綁扎(22.3%)、混凝土泵送(19.4%)、剪力釘焊接(6.2%)。


表8 鋼結(jié)構(gòu)樓板工程施工工序碳排放測試結(jié)果匯總

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圖9 鋼結(jié)構(gòu)樓板工程施工工序碳排放構(gòu)成


鋼結(jié)構(gòu)樓板施工碳排放源是各類能源和物料消耗,其中能源消耗、物料消耗產(chǎn)生碳排放分別為0.5515,0.2080 kgCO2/m2,占比72.6%和27.4%。具體地,由大到小依次為:柴油、扎絲、電力、瓷環(huán)、汽油和焊條,分別貢獻(xiàn)了60.4%、22.3%、9.7%、2.7%、2.5%和2.4%。產(chǎn)生的碳排放類型有:直接>隱含>間接,分別貢獻(xiàn)了62.9%、27.4%和9.7%,如圖10所示。


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圖10 鋼結(jié)構(gòu)樓板工程施工碳排放源與碳排放類型


4.2 基于工序的鋼結(jié)構(gòu)工程施工碳排放計算方法

相比于建材生產(chǎn)和建筑運行階段,國內(nèi)外對建筑建造階段碳排放關(guān)注不足,缺乏相關(guān)研究。國內(nèi)GB/T 51366—2019規(guī)定建筑碳排放須計入建造階段,并提供了建造階段碳排放計算方法。總體思路是通過施工現(xiàn)場各機(jī)械工作時間(以臺班數(shù)為統(tǒng)計單位)與各機(jī)械單位臺班能源用量經(jīng)驗值的乘積來累計施工現(xiàn)場各類能源使用量,再通過能源碳排放因子換算為相應(yīng)碳排放。但實際應(yīng)用中,該方法操作難度大,主要體現(xiàn)在施工現(xiàn)場機(jī)械臺班數(shù)量難以獲取。一方面,實際施工總包單位只支出管理團(tuán)隊駐場,工地各分部分項工程多分包給當(dāng)?shù)貙I(yè)施工單位,而各施工分包單位使用的機(jī)械可能同時服務(wù)于多個工地,因此施工總包和分包單位均無法提供某一工地的機(jī)械臺班數(shù)據(jù);另一方面,即便對于固定在施工現(xiàn)場的機(jī)械,僅能統(tǒng)計各類機(jī)械數(shù)量,并不能明確各機(jī)械實際工作時間即臺班數(shù)量。此外,由于統(tǒng)計方法問題,該方法先統(tǒng)計各類機(jī)械的能源消耗,再換算為碳排放,而由于同一機(jī)械可能同時服務(wù)于不同分部分項工程的施工,例如塔吊可同時用于主梁、次梁、樓板等物料的垂直運輸,這種方法只能得出碳排放總量和各類能源消耗產(chǎn)生的碳排放,無法往回追溯產(chǎn)生碳排放的相應(yīng)施工過程,因此不能支持發(fā)現(xiàn)施工碳排放主要來源并制定減碳策略。


本研究提出基于工序的施工碳排放計測方法,適應(yīng)裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程建造過程特點。在實際操作層面,該方法可避免施工現(xiàn)場由于工程外包而無法采集部分能源、物料消耗數(shù)據(jù)的問題;通過預(yù)先計測好的施工工序碳排放基礎(chǔ)參數(shù),結(jié)合建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)件生產(chǎn)階段項目資料,可快速完成碳排放計算。同時,在計算結(jié)果方面,可識別鋼結(jié)構(gòu)工程各分部分項工程及各施工工序產(chǎn)生碳排放的比重,從而有助于確定鋼結(jié)構(gòu)工程施工主要碳排放源,進(jìn)行不同工序之間的比較并對施工方案進(jìn)行低碳優(yōu)化。


05

結(jié)  論


本研究基于裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工過程特點,提出以工序為基本單位的施工碳排放計算方法,在一個多層鋼結(jié)構(gòu)建筑樓板工程施工項目中驗證了方法的可行性,完成了對鋼結(jié)構(gòu)樓板樓承板、剪力釘、鋼筋和混凝土工程共10項施工工序碳排放基礎(chǔ)參數(shù)的計測,獲得的施工工序碳排放基礎(chǔ)參數(shù)可支持相似鋼結(jié)構(gòu)樓板施工碳排放的計算。


研究提出的計算方法,所得結(jié)果可識別主要碳排放源和產(chǎn)生碳排放類型。以單位平方米樓板面積碳排放為計量單位,本案鋼結(jié)構(gòu)樓板施工總碳排放為0.7595 kgCO2/m2,該值相當(dāng)于樓板建材隱含碳排放的1.64%。施工過程能源、物料消耗產(chǎn)生碳排放分別占比72.6%、27.4%,產(chǎn)生的直接、間接、隱含碳排放分別占比62.9%、9.7%、27.4%。碳排放貢獻(xiàn)由大到小依次為混凝土工程(0.4778 kgCO2/m2)、鋼筋工程(0.1815 kgCO2/m2)、剪力釘工程(0.0671 kgCO2/m2)、樓承板工程(0.0331 kgCO2/m2)。單項施工工序碳排放占比超過樓板施工總碳排放5%的有混凝土預(yù)拌、鋼筋綁扎、混凝土泵送、剪力釘焊接4項,共產(chǎn)生了樓板施工總碳排放的88.9%。表明該方法有助于追溯鋼結(jié)構(gòu)工程施工高碳排放環(huán)節(jié)并進(jìn)行施工方案和構(gòu)造節(jié)點的低碳優(yōu)化。


作者簡介

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林波榮,清華大學(xué)建筑學(xué)院副院長、長聘教授,生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點實驗室主任,中國建筑學(xué)會建筑物理分會副理事長,國際建筑性能模擬協(xié)會Fellow,2020年科學(xué)探索獎獲獎?wù)撸逃刻仄附淌冢瑖医艹銮嗄昕茖W(xué)基金獲得者,國家高層次人才特殊支持計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,2020/2021/2022年Elsevier中國高被引學(xué)者,入選了World’s Top 2% Scientists,全國夏安世杰出教授獎獲得者。長期致力于綠色建筑環(huán)境營造與節(jié)能基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究,已發(fā)表SCI論文100余篇,H-index45。作為第一完成人獲國家科技進(jìn)步獎二等獎1項、省部級科技一等獎4項。

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黃祖堅,主要從事建筑碳排放計算與低碳設(shè)計研究,構(gòu)建了基于工序的建材生產(chǎn)和建造碳排放精細(xì)化計測方法,應(yīng)用于鋼、混凝土、竹、木典型結(jié)構(gòu)建材產(chǎn)品生產(chǎn)及工程應(yīng)用碳排放計算和低碳工程設(shè)計實踐,服務(wù)國家建筑低碳轉(zhuǎn)型事業(yè)。主持縱向科研項目12項,出版科學(xué)出版社、Springer Nature專著4部,以第一作者發(fā)表Engineering、J. Clean. Prod.期刊等論文30余篇,授權(quán)專利10項,獲省部級科技進(jìn)步一等獎1項、哲學(xué)社科獎1項、工程設(shè)計獎3項,2023年獲“清華大學(xué)優(yōu)秀博士后獎”。


(責(zé)任編輯:何雯麗)



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[責(zé)任編輯:Susan]

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