混凝土结构建设期及环境影响

帅小根，李惠强华中科技大学土木工程与力学学院，武汉(430074)E-mail：[e-mail]摘要：本文采用国际环境毒理和化学学会（SETAC）的环境影响评价体系和美国标准和技术研究院开发的BEES评价软件的十二类环境影响指标建立钢筋混凝土结构环境影响评价体系，对工程建设及资源消耗带来的环境影响进行定量评价。以武汉某大学一栋四层、总建筑面积为12800m2的餐厅工程为研究对象，根据实际工程的工程量清单，汇总计算出该工程中各种建筑材料使用量，按照BEES软件计算出单位建筑面积对应的十二类环境影响潜值，并按照我国的各类环境影响标准化基准值将其进行了标准化和加权分析。结果显示了项目在实体建造中资源、能源消耗及污染物排放对环境影响的量值及类型：该工程单位建筑面积总环境影响负荷为18.448×10－2人当量。其中原材料阶段环境影响占总负荷的97.3％，此阶段最主要的环境影响是致癌人类健康；在材料的运输和施工阶段最主要的类型是全球变暖，其次是酸化和化石燃料消耗；由于使用的装修材料所含的污染性延续到使用阶段,其环境影响最主要的类型是室内空气质量，其次是光化学烟雾。研究结果对建筑工程设计和施工建造阶段环境影响定量评价具有参考价值。关键词：生命周期评价；环境影响；BEES；钢筋混凝土结构中图分类号：TU1，X820.31．引言当今世界人口的增长和人类物质活动规模的增大，使得地球的资源和环境遭受了前所未有的破坏。建筑业消耗大量的自然资源且对环境造成沉重的负面影响。在欧洲，建筑业消耗约28～45％的整体能源消耗量，而且对应于不同的国家，近2/3的能耗是使用于住宅建筑中。在大不列颠，建筑业消耗了接近一半的能源和一半的CO2排放量。在美国，由于取暖，通风，室内空气质量和照明而产生的能量消耗了约40％的石油燃料[1]。在澳大利亚，建筑物每年在建设和使用过程中所消耗的能量和排出的温室气体达到了全国总量的30%～40%[2]。从世界范围来看，当代建设活动消耗的能源约占总能源的50％，占自然资源总量的40％，同时成为昀主要的污染源，大约有50％的温室效应、20％的空气污染、40％的水源污染由建设活动而生，建筑造成的垃圾占人类活动垃圾总量的40％[3]。长期以来，由于我国在开发建设中对资源的过度占用和环境的破坏污染，使资源的稀缺性日益明显，生态环境急剧恶化[4,5]。据粗略统计，每年用于住宅建设消耗的物质占我国物质产品的10％以上，其中木材消耗占我国消耗总量的20％，水泥占47％，钢材占14％，玻璃占40％[6]。由于长期沿袭粗放的经济增长模式，中国资源消耗高、污染物排放量大，单位工业产值的污染排放强度为发达国家的8～10倍，主要污染物排放量仍然远远超过环境承载能力。据有关部门估计，水环境方面，化学需氧量排放量超过环境承载能力80％以上；大气环境方面，二氧化碳排放量超过环境承载能力60％以上；固体废弃物和生活垃圾污染突出；自然生态系统仍在退化，生物多样性衰退的情况还未得到根本扭转[7]。我国正处于城市高速发展阶段，随着城市化进程，每年大约有1300万左右农业人口转为城镇人口，城镇建筑面积1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20050487017）的资助。和基础设施必然增加，因此将会对环境、生态造成更大的负面影响。目前建设项目的环境影响研究主要分为三个方面，如图1所示：（1）对项目建造过程和投入使用后可能造成的周边生态环境影响进行分析和评估，当前主要是通过建设项目环境影响评价来完成这项工作；（2）建设项目在使用运行阶段的资源、能源消耗对环境的影响，如当前强势推行的建筑节能减排，通过建筑节能设计、围护结构保温隔热、供热及制冷设备节能减排等来控制；（3）建筑项目实体建造所需的资源、能源消耗及污染物排放对环境的影响。这一方面主要与建筑选型、建筑的体量、装修的耗材、建造与管理的方式有关。以往的研究大多是主要建筑材料在生产制造阶段的环境影响[8,9]，因而这方面系统的定量评价研究仍不足，其原因一方面是我国缺乏各种建筑材料和建筑施工活动对环境影响的定量评价数据，另一方面就是环境影响定量评价体系的多元化和复杂性，需要对多种不同类型的环境影响进行标准化和加权评估。本文主要介绍在这方面所作的探讨性研究。图1建设项目环境影响的研究范围Fig.1Theresearchscopeofenvironmentalimpactforconstructionproject本文主要采用国际环境毒理和化学学会（SETAC）环境影响评价体系和美国标准和技术研究院开发的BEES(BuildingforEnvironmentalandEconomicSustainability,BEES）[10]软件的十二类环境影响指标建立全生命周期环境影响评价体系，对钢筋混凝土结构进行定量环境影响评价。首先运用BEES软件计算出各种建筑材料（制品）的环境影响清单；然后，在我国现有的统计资料下建立了十二类环境影响的标准化基准值和权重；昀后通过评价体系计算出该工程实体建造的资源、能源消耗及污染物排放对环境影响的量化值和类型，以期对建筑工程设计和施工建造阶段环境影响定量评价提供参考依据。．生命周期评价与BEES评价软件生命周期为一种产品从原料开采开始，经过原料加工、产品制造、产品包装、运输和销售，然后由消费者使用和维修，昀终报废或再循环的整个过程[11]。因此，建筑工程的生命周期是指从建筑材料的生产、运输，建筑的规划、设计、施工，建筑的使用与运营，昀终拆除及建筑垃圾的回收再利用的整个过程。ISO14040将生命周期评价分为互相联系、不断重复进行的四个步骤：目的与范围确定、清单分析、影响评价和结果解释。2.1研究目的与范围确定现阶段我国建筑主要是钢筋混凝土结构，尤其是在民用建筑中非常普遍。本文以武汉某大学的一个钢筋混凝土结构餐厅工程为研究对象，功能单位采用1m2建筑面积。通过分析建筑建造过程中不同阶段对环境影响的相对大小，找出环境影响的主要因子，从而改进建筑材料生产和建筑施工工艺，探讨进行绿色建造的方法与途径。研究范围就是确定产品系统边界。在BEES软件中按每种建筑材料确定了系统边界，包括主要原料和辅助原料从采掘到生产、使用、报废等过程，如普通水泥砂浆制品的环境影响分析系统边界如图2所示。对于钢筋混凝土框架结构整体的系统边界按照各种建筑材料集成来确定。图2普通硅酸盐水泥砂浆系统边界Fig.2SystemboundaryofPortlandcementmortar2.2清单分析清单分析是对产品、工艺或活动在其整个生命周期阶段的资源、能源消耗和向环境的排放（包括废气、废水、废渣及其他释放物）进行数据量化分析。清单分析的核心是确定产品功能单位的系统输入和输出。清单分析的结果通常用清单表的形式来表示。由于我国整个建筑业和相应的建筑材料企业都还没有建立详细而全面的环境影响清单，所以本研究运用BEES评价软件计算出相应的建筑材料（制品）的环境影响清单。BEES软件考虑了以下12类环境影响：全球变暖、酸化（雨）、水体富营养作用、资源枯竭、标准空气污染、动植物生存地改变、室内空气品质、水资源消耗、臭氧层破坏、光化学烟雾、人体有毒物和生态环境有毒物。此外，它还能计算建筑制品的内含能量，包括不可再生内含能量和可再生内含能量。2.3生命周期影响评价清单分析结果，只是表达了各种输入和输出的相对数值大小，数值大并不一定等价于对环境的影响也大，因为各种排放因子对生态系统和环境变化的影响量值不同。因此，需要进行生命周期影响评价（LifeCycleImpactAssessment，即LCIA），说明各种环境交换的相对重要性，将清单分析的结果转化为既容易理解，又能反映环境影响潜值的指标。本文采用国际上常用的国际环境毒理和化学学会（SETAC）建立的方法，将LCIA分为分类、标准化和加权评估三个步骤，如图3所示。（1）分类是将清单分析的结果划分到影响类型的过程。例如：CO2，CH4等温室气体都归类于全球变暖。特征化是针对所确定的环境影响类型对数据进行分析和定量化，计算各种环境排放物对各种环境影响类型的潜在贡献，即环境影响潜值。BEES中采用面向环境问题的当量因子法计算不同环境影响类型的影响潜值。根据清单分析数据查找对应的当量系数计算其各种环境影响潜值，如全球变暖影响潜值是将所有分类清单结果转化为等量CO2值。（2）数据标准化有两个目的：一是对各种影响类型的相对大小提供一个可比较的标准，标准化后的各类环境影响结果都是以标准人当量为单位，数据具有了可比性；二是为进一步进行评估提供依据。具体过程是首先确定每种环境影响类型的标准人当量基准，然后由环境影响潜值除以相应的标准人当量基准得到标准化后的各类影响。图3LCIA模型方法框架Fig.3LCIAmodelframework十二类环境影响包括了全球性影响、区域性影响和局域性影响。全球性的环境影响采用BEES软件中的标准化基准值；而区域性和局域性的环境影响，本文采用我国的有关文献和统计年鉴数据计算武汉地区的标准化基准值。各环境影响的标准化基准值如表1所示，以2000年为基准年[12]。中国定量化的标准人当量基准反映了我国每人针对某种环境影响潜值的平均负担。环境影响标准化基准权重酸化（mgH＋）2295986mgH＋/（人·年）a3标准空气污染（microDALY）2857microDALY/（人·年）a9生态毒性（g2,4-D）81647g2,4-D/（人·年）b7富营养化（gN）20384gN/（人·年）a6化石燃料消耗（MJ）35309MJ/（人·年）b10全球变暖（gCO2）10481928gCO2/（人·年）a29动植物栖息地改变（T&E）0.00335T&E/（人·年）b6室内空气质量（gVOC）35108gVOC/（人·年）b3臭氧破坏（gCFC-11）74gCFC-11/（人·年）a2光化学烟雾（gNOx）151500gNOx/（人·年）b4水（L）472000L/（人·年）a8非致癌健康影响（gC7H8）2542008623gC7H8/（人·年）c5致癌健康影响（gC6H6）80364gC6H6/（人·年）c8注：a为根据杨建新等人的《产品生命周期评价方法及应用》；b为根据BEES软件中的标准化基准值；c为根据《中国统计年鉴2001》[13]和《中国环境年鉴2001》[14]。（3）环境影响加权。标准化的结果是在以各种影响的相对重要性是一样为基准，然而实际上并不是如此。因此根据各种环境影响和资源消耗的重要性，当前社会对其认识和关注程度，对标准化后的环境影响潜值和资源消耗潜值进行加权，从而评价出相对影响潜值的大小。BEES软件提供了三种参考权重系数，分别为等值权重、美国环保局科学咨询委员会参考权重和BEES研究小组参考权重，同时也可以由使用者视情选取，本文选用BEES研究小组参考权重，如表1所示。（4）计算环境影响负荷。经加权后的各种环境影响潜值具有了可比性，而且也反映了它们的相对重要性，因此可以将其综合为一个简单的指标，称为环境影响负荷，反映了所研究产品在其整个生命周期中对环境系统的压力大小，单位为标准人当量，即每年每人平均造成的环境影响潜值。2.4生命周期解释根据LCA前几个阶段的研究或清单分析的发现，以客观、科学的方式来分析结果、解释局限性并提出符合研究目的和范围要求的初步结论以及合理建议。3．工程实例分析3.1工程数据资料武汉某大学餐厅