2021年度進展25：橋梁工程碳足跡評估和減碳措施研究

2021年度進展25：橋梁工程碳足跡評估和減碳措施研究引言全球氣候變化形勢嚴峻，自2010年以來，中國已成為全球最大的能源消費國，碳排放量急劇增長[1]，給環(huán)境帶來了巨大壓力。建筑行業(yè)對能源的消耗不可忽視，并且伴隨有相當(dāng)?shù)奶寂欧帕?，預(yù)計2030年建筑業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體將占全社會排放量的25%[2]。中國實施積極應(yīng)對氣候變化的國家戰(zhàn)略，宣布碳達峰、碳中和的目標和愿景。隨著我國低碳、綠色建筑的推廣和普及，橋梁工程的低碳、綠色和可持續(xù)性已成為發(fā)展的潮流。在標準規(guī)范方面，許多國家自20世紀90年代開始，就相繼頒布了低碳建筑的評價體系，如英國的BREEAM、美國的LEED、德國的DGNB、澳大利亞的NABERS、日本的CASBEE等，這些體系相對較為成熟，影響力大。國內(nèi)相關(guān)研究相對比較滯后，2012年重慶市城鄉(xiāng)建委組織編制了國內(nèi)首部針對低碳建筑評價的《低碳建筑評價標準》[3]；2019年中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在原有標準的基礎(chǔ)上，編制了最新的《綠色建筑評價標準》[4]；2021年中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部編制了《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》[5]。在理論研究方面，作者通過CNKI檢索系統(tǒng)搜索到“建筑科學(xué)與工程”學(xué)科下主題包含“碳足跡”或“碳排放”的中文文獻共有3600余篇，中文文獻發(fā)表時間主要集中在最近十年之內(nèi)；通過ScienceDirect檢索系統(tǒng)搜索到“建筑與建筑材料”、“建筑與環(huán)境”等分類下主題包含“碳足跡”的文獻共有2000余篇，并且最近五年的文獻數(shù)量明顯增加，2021年發(fā)表的文獻數(shù)量達到了500余篇。綜合而言，中文文獻相比外文文獻發(fā)表量小，且涉足方向較狹窄，需進一步推進該領(lǐng)域的深入研究。

圖1文獻發(fā)表年度趨勢及主題組成對橋梁工程碳足跡評價體系及碳足跡控制措施開展研究具有理論價值及現(xiàn)實意義，但是橋梁工程碳足跡領(lǐng)域客觀、系統(tǒng)的評價方法的缺失，也制約了低碳橋梁的規(guī)范化和標準化建設(shè)。出于以上考慮，本文從碳足跡評估和減碳措施兩個方面出發(fā)，歸納總結(jié)了橋梁工程碳足跡評估和減碳措施研究進展。1

橋梁碳足跡評估研究進展近年來，“碳足跡”這個新生詞語開始頻頻出現(xiàn)，已作為一種評估碳排放量的概念引起學(xué)術(shù)界、公眾和政府部門的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外的研究主要圍繞碳足跡的概念、碳足跡核算方法等方面的研究展開。1.1碳足跡的概念碳足跡（CarbonFootprint，CF）通常被用作評價二氧化碳排放量或者按二氧化碳當(dāng)量計算的溫室氣體排放量的指標[6]。Hammond[7]在Nature上發(fā)表文章稱碳足跡是一個人或者一項活動所產(chǎn)生的“碳重量”?？滤l(fā)[8]研究認為碳足跡是一項活動（或一種服務(wù)）進行的過程中直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或其他溫室氣體排放量，或是產(chǎn)品的生命周期各階段累計產(chǎn)生的二氧化碳或其他溫室氣體排放量用二氧化碳等價表示。隨著學(xué)界對碳足跡的深入研究，隱含碳的概念被提出，并且隱含碳與建筑業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。馮祥玉[9]在研究中介紹，建筑業(yè)處于社會經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈的下游，但是建筑業(yè)需要大量化石能源和進行大量生產(chǎn)活動，而這些中間產(chǎn)品都從上游產(chǎn)業(yè)鏈中輸入，從生命周期角度出發(fā)，隨上游產(chǎn)品輸入到建筑業(yè)的隱含碳應(yīng)歸屬于建筑業(yè)的碳排放范疇。倫敦能源轉(zhuǎn)型計劃強調(diào)，建筑業(yè)“從搖籃到墳?zāi)埂钡闹虚g碳排放可高達整個生命周期碳排放的50%。由此可見，橋梁作為建筑產(chǎn)品的一部分，對橋梁進行全生命周期的測算，是精確計算橋梁碳排放量的基礎(chǔ)，也是根據(jù)不同生命周期階段提出減排措施的前提。1.2碳足跡核算方法低碳橋梁評價的一個重要特點就是以橋梁全生命周期為研究對象[10]。根據(jù)生命周期評價（LifeCycleAssessment,LCA）中邊界條件劃分、評價尺度、計算方法的不同，生命周期評價方法可分為三種（圖2）：一是以“自下而上”的過程分析法為基礎(chǔ)發(fā)展而來的過程生命周期評價法（Process-BasedLCA,PLCA）；二是以“自上而下”的投入產(chǎn)出法為基礎(chǔ)發(fā)展而來的經(jīng)濟投入產(chǎn)出生命周期評價法（Economicinput-outputLCA,EIO-LCA）；三是將PLCA法和EIO-LCA法結(jié)合使用的混合生命周期評價法（HybridLCA,HLCA）。下面首先對生命周期評價理論進行介紹。

圖2不同尺度碳足跡方法和應(yīng)用示意圖[11]1.2.1生命周期評價生命周期評價是一種評價產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)能源消耗和環(huán)境影響的可持續(xù)方法論。國際標準化組織（ISO）對生命周期評價法的定義是：匯總和評估一個產(chǎn)品或服務(wù)體系在其整個生命周期的所有投入，以及產(chǎn)品對環(huán)境造成的和潛在的影響的方法。LCA突出強調(diào)產(chǎn)品的“生命周期”,早期曾被形象地稱為“從搖籃到墳?zāi)埂痹u價。LCA方法如今主要應(yīng)用在建筑、煤電、出口領(lǐng)域。橋梁作為一種特殊的建筑產(chǎn)品其生命周期主要分為5個階段：橋梁的設(shè)計、原材料的生產(chǎn)加工、現(xiàn)場的施工、橋梁的運營和維護、橋梁的廢棄（見圖3）。

圖3橋梁生命周期階段劃分[12]1.2.2過程生命周期評價法過程生命周期評價法（Process-BasedLCA,PLCA）是以過程分析為基本出發(fā)點，通過對系統(tǒng)內(nèi)單元過程的物質(zhì)、能量流進行清單分析，進而核算產(chǎn)品系統(tǒng)碳足跡的方法。以建筑單體碳足跡為例，在生命周期概念出現(xiàn)之前，最早的建筑碳排放只考慮施工和運行階段由于化石能源燃燒直接排放的溫室氣體。但這種核算方法研究范圍過小，不能真實反映建筑全生命周期中所有的環(huán)境影響。20世紀末，隨著LCA概念的興起，研究者開始考慮建材生產(chǎn)、建筑所耗電能的獲取等過程中的間接溫室氣體排放，即現(xiàn)在的PLCA法。PLCA法雖然在絕對末端計量的基礎(chǔ)上有了相當(dāng)?shù)倪M步，但仍局限于部分相關(guān)過程的部分排放，屬于相對末端計量的范疇。目前橋梁的碳排放計算方法主要參考建筑領(lǐng)域的碳排放計算方法。根據(jù)《建筑碳排放計量標準》[13]規(guī)定，常用的一般有兩種：清單統(tǒng)計法和信息模型法。1）清單統(tǒng)計法清單統(tǒng)計法計量按照碳排放單元過程進行碳排放數(shù)據(jù)的匯編與量化，需要采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括單元過程中反應(yīng)能源、資源和材料消耗特征的活動水平數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的碳排放因子。應(yīng)用最廣泛的排放因子是IPCC編制的國家溫室氣體清單以及對應(yīng)排放系數(shù)，它可以被用來計算各種溫室氣體的排放量,確定各種溫室氣體對氣候變化的貢獻程度,。IPCC推薦采用全球暖化潛值(GlobalWarmingPotential,GWP)進行量化。清單統(tǒng)計法中也應(yīng)用了排放因子法的計算公式為：碳排放量=活動數(shù)據(jù)×排放因子在清單統(tǒng)計法的應(yīng)用方面：劉沐宇等[12]提出在橋梁生命周期過程中，對溫室氣體的排放情況進行定量分析，通過乘以相應(yīng)的全球變暖潛勢，將其換算成二氧化碳當(dāng)量（CO2-eq）作為碳排放的定量分析結(jié)果。并以武漢市南太子湖大橋為案例，進行生命周期碳排放計算。張振浩等[14]從不確定性的角度對橋梁建設(shè)期間所產(chǎn)生的碳排放量進行了研究。結(jié)合清單分析法與排放因子系數(shù)法，并根據(jù)能源碳排放因子的低限值和高限值，建立了橋梁建設(shè)期間碳排放計算模型。王龍龍等[15]結(jié)合橋梁工程特點，確定了橋梁LCA的評價邊界與范圍，并且大量收集、整合、完善橋梁工程中基本建筑材料、能源、加固材料的輸入輸出清單。通過對一座承載能力不足的簡支梁橋T型梁的進行加固計算，確定了橋梁的最優(yōu)加固方案。武文杰等[16]基于生命周期理論，通過目的和范圍確定，清單分析，能耗、碳排放及費用計算，結(jié)果分析與評價四個步驟，對橋梁不同方案的能耗和碳排放進行定量分析計算。Y.Itoh和T.Kitagawa[17]嘗試性地將LCA方法應(yīng)用于橋梁的開發(fā)，研究了日本橋梁CO2的排放與消耗，結(jié)果顯示建筑材料的制造環(huán)節(jié)對環(huán)境的影響最多。并且建筑材料的碳排放因子需要通過規(guī)范、采訪、試驗測試等多種途徑來確定。KristineEk等[18]用LCA法對混凝土板框架橋和土-鋼組合橋進行了評估。JulienPedneault等[19]從生命周期成本和環(huán)境影響兩個角度對比了鋁-鋼組合橋面和鋼-混組合橋面，一定程度上證明了鋁橋面生命周期成本和環(huán)保方面的優(yōu)越性。

圖4特定范圍下混凝土橋面板和鋁橋面板的LCC和LCA結(jié)果對比[19]實例研究表明LCA法能夠識別不同的生命周期階段中影響最大的關(guān)鍵指標和關(guān)鍵要素。并且使用實際的材料碳排放系數(shù)非通用數(shù)據(jù)集，可進一步提高環(huán)境及社會評估結(jié)果的準確性。2）信息模型法信息模型法是指以信息模型為載體，計算、管理項目全生命周期各階段消耗的能源、資源和材料等數(shù)據(jù)并進行核算，得到碳足跡的方法。在信息模型法的應(yīng)用方面：華虹等[20]針對公共建筑低碳設(shè)計和碳排放計量的需要，構(gòu)建了基于BIM的公共建筑低碳設(shè)計分析方法和碳排放計量模型，為建筑低碳設(shè)計提供了實證參考。王上[21]基于BIM模型對成都市一棟住宅的性能進行了系統(tǒng)研宄，并借助計量數(shù)據(jù)詳細地分析了碳排放不同階段的特征，為節(jié)能減排提供具體措施。李雪梅等[22]對新鄉(xiāng)市某住宅樓進行了分析，結(jié)合BIM技術(shù)計算其全生命周期碳排放量，證明將BIM技術(shù)與建筑碳排放相結(jié)合，能快速直觀的反映碳排放量。S.Kaewunruen等[23]以東溝大橋為案例研究，提出了一種創(chuàng)新的6DBIM方法，將3D模型信息與時間表、成本估算和橋梁項目生命周期碳足跡分析相結(jié)合。證明了BIM技術(shù)在整個橋梁基礎(chǔ)設(shè)施生命周期的可行性。M.Dupuis等[24]提出了一種新的數(shù)據(jù)層和格式，用于在BIM模型開發(fā)的早期自動執(zhí)行LCA計算，以更好地實現(xiàn)LCA過程的自動化。

圖5東溝大橋BIM模型和橋梁上部結(jié)構(gòu)造價-碳排放計劃表[23]綜上，兩個方法的不同之處在于：清單統(tǒng)計法是以常規(guī)方式設(shè)計建造及運行管理的項目的碳排放計算方法；信息模型法是針對以信息模型為載體，進行信息采集、階段信息傳遞及信息核算的項目的碳排放計算方法。兩個方法的共性在于它們都屬于過程生命周期法，理論上可以真實反映橋梁全生命周期中所有的環(huán)境影響，但是由于其存在對數(shù)據(jù)來源要求高、邊界條件界定存在主觀性、有截斷誤差等問題，其可操作性和規(guī)范化推廣普及存在一定的挑戰(zhàn)。1.2.3經(jīng)濟投入產(chǎn)出生命周期評價法投入產(chǎn)出法（I-O法）最早是由經(jīng)濟學(xué)家華西里·列昂惕夫（WassilyLeontief）在1936年[25]提出的，以輔助制造業(yè)計劃。該法主要通過編制供應(yīng)鏈中所有采購和活動的投入產(chǎn)出表和建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，反映經(jīng)濟系統(tǒng)各個部門（產(chǎn)業(yè)間）的關(guān)系。I-O理論很古老，并且因為其計算能力和數(shù)據(jù)可用性有限，所以它的應(yīng)用受到了幾十年的限制。1997年卡內(nèi)基梅隆大學(xué)在投入產(chǎn)出法的基礎(chǔ)上，結(jié)合生命周期評價法，開發(fā)了經(jīng)濟投入產(chǎn)出生命周期評估（EIO-LCA）法，這一方法得到了廣泛的應(yīng)用。在經(jīng)濟投入產(chǎn)出生命周期評價法的應(yīng)用方面：關(guān)軍等[26]采用投入產(chǎn)出生命周期評價模型評估建筑業(yè)能耗，分析部門間聯(lián)系、部門能源強度和建筑業(yè)規(guī)模等因素在建筑業(yè)能耗中的敏感性，提出了責(zé)任系數(shù)以判斷部門在降低建筑業(yè)能耗中的責(zé)任。張智慧[27]提出關(guān)聯(lián)碳排放的概念，利用投入產(chǎn)出分析計算間接碳排放。評價結(jié)果顯示：建筑業(yè)碳排放影響力巨大，尤其具有很強的碳排放拉動能力。祁神軍和張云波[28]運用EIO-LCA法，建立了基于能源消耗的產(chǎn)業(yè)碳排放強度模型和建筑業(yè)碳足跡模型，核算了我國建筑業(yè)1995~2009年期間碳排放的分布特征。陳進道[29]構(gòu)建了建筑行業(yè)碳排放投入產(chǎn)出模型和結(jié)構(gòu)分解模型，詳細地分析和討論了建筑行業(yè)碳排放的變化趨勢和組成特征。杜強等[30]根據(jù)我國建筑業(yè)碳排放特點對2005—2014年各省建筑業(yè)直接與間接碳排放進行了系統(tǒng)核算，并結(jié)合各省碳排放特征進行了分組分析。Nassen等[31]使用自上而下的投入產(chǎn)出分析評估瑞典建筑業(yè)，然后將這些自上而下的結(jié)果分解為部門和活動。T.Hong等[32]定義了IO-LCA模型和HybridLCA模型，并使用這兩種LCA模型對三個公寓樓群和三個教育設(shè)施的二氧化碳排放量進行了評估。證明IO-LCA法可用于評估初始規(guī)劃階段建筑物的二氧化碳排放，并且具有相當(dāng)高的準確性。綜上，經(jīng)濟投入產(chǎn)出生命周期評價法的優(yōu)勢和短板都很明顯。如果能得到部門劃分很細的投入產(chǎn)出表,這種方法很適宜對一個企業(yè)、地區(qū)或者行業(yè)進行環(huán)境影響分析,但這一方法顯然不適合對單個產(chǎn)品進行生命周期評價。1.2.4混合生命周期評價法混合生命周期評價(HybridLCA,HLCA)是指將PLCA和IO-LCA結(jié)合使用的方法。該方法由Bullard等在20世紀70年代第一次石油危機之后提出，主要用于能源投入產(chǎn)出分析。在混合生命周期評價法的應(yīng)用方面：Zhang等[33][34]對PLCA和IO-LCA進行了比較分析并提出了一種結(jié)合兩種方法優(yōu)點的混合方法，并在研究中用混合投入產(chǎn)出方法分析了中國建筑行業(yè)全生命周期能耗和碳排放，證明這種方法可以提高建筑施工中隱含碳數(shù)據(jù)的準確性和精細度。Guan等[35]開發(fā)了一種基于輸入-輸出的混合LCA模型來量化建筑隱含碳排放，表明，混合LCA不僅確保了完整的評估邊界，而且通過用更精確的物理分析過程提高了結(jié)果的可靠性。K.Dixit等[36]對基于輸入-輸出的混合生命周期評價模型進行了適當(dāng)改進，計算了五座高校建筑的初始內(nèi)涵能源，得到了更完整、可靠和適用于于研究的結(jié)果。綜上，混合生命周期評價法結(jié)合了前兩種方法的優(yōu)點,它將工藝過程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為投入產(chǎn)出分析數(shù)據(jù)進行量化分析。盡管HLCA的開發(fā)旨在解決PLCA和EIO-LCA的缺點，但是由于它缺乏有效的數(shù)據(jù)庫支持，還必須依賴經(jīng)濟投入產(chǎn)出表，因此其實際應(yīng)用仍然相當(dāng)有限。1.2.5PLCA、EIO-LCA、HLCA的對比從數(shù)據(jù)要求、數(shù)據(jù)不確定性、系統(tǒng)邊界、人力及時間需求和應(yīng)用簡便性來看，PLCA法多面向單一工程材料或建設(shè)項目,EIO-LCA法更適用于區(qū)域范圍內(nèi)建筑業(yè)碳排放核算。PLCA、EIO-LCA以及HLCA方法都各不相同，很難斷定其中哪種方法具有絕對的優(yōu)越性，因此這些方法的選擇需要結(jié)合具體的研究目標和范圍、數(shù)據(jù)質(zhì)量以及時間長短。表1PLCA、EIO-LCA、HLCA的對比類別PLCA法EIO-LCA法HLCA特點針對性強，對具體對象給出詳細評價結(jié)果。完整性強，對部門層面的強度數(shù)據(jù)進行評價。結(jié)合了針對性和完整性，在保證完整性的基礎(chǔ)上不斷提高精確性。數(shù)據(jù)要求數(shù)據(jù)要求高，使用評價對象的過程清單數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收集需要無限遞推，不可避免的存在截斷誤差，數(shù)據(jù)也可能也存在滯后性。數(shù)據(jù)要求較低，基于投入產(chǎn)出表中部門平均數(shù)據(jù)，存在數(shù)據(jù)平均化帶來的誤差。數(shù)據(jù)要求較低，主要基于投入產(chǎn)出表。邊界確定具有主觀性，一般根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量確定。具有客觀性，整個部門、區(qū)域、國家經(jīng)濟系統(tǒng)。具有客觀性，整個部門、區(qū)域、國家經(jīng)濟系統(tǒng)。評價尺度微觀（產(chǎn)品、項目）宏觀（部門、區(qū)域、國家）宏觀微觀國內(nèi)外學(xué)者通過不同角度研究了碳足跡的定義、計算方法，通過對現(xiàn)有相關(guān)研究的總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的橋梁碳足跡研究存在以下特點：（1）在橋梁碳足跡核算方法上，當(dāng)核算對象為一個或若干個橋梁時，PLCA法是目前最常用的方法，而當(dāng)核算對象為部門或產(chǎn)業(yè)時，EIO-LCA法和HLCA法是比較常用的方法。（2）在碳足跡的概念上，目前尚無統(tǒng)一的定義。盡管生命周期法因為其可以量化橋梁各階段排放與能源消耗的特點，已被公認為評估橋梁乃至建筑行業(yè)環(huán)境影響的最可靠方法，但是生命周期法的計算邊界、排放系數(shù)等方面都有待進一步的完善，許多研究案例或多或少的采用了另一個案例或者平均數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，這大大降低了生命周期法的準確度。因此，該方法的推廣和數(shù)據(jù)庫的完善不僅需要橋梁從業(yè)人員，也需要上游企業(yè)的共同努力。（3）在研究內(nèi)容上，橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)設(shè)施，消耗了大量的能源，但是國內(nèi)對橋梁的碳排放研究相當(dāng)有限。僅有的研究也主要集中在公路橋梁上，幾乎沒有關(guān)于鐵路橋梁的研究。同時針對宏觀尺度的研究在數(shù)量上相比微觀尺度的研究還較為欠缺。2

橋梁減碳措施研究進展2.1橋梁設(shè)計階段在設(shè)計階段，優(yōu)化現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，在保證質(zhì)量的情況下減少材料用量是目前的研究重點。但由于現(xiàn)有橋梁體系相對成熟，新穎結(jié)構(gòu)施工難度較大，目前還缺乏針對橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的深入探討。方圓[37]等介紹了蕪湖長江公路二橋建設(shè)過程中采用的菱形截面分肢柱式塔、四索面分體鋼箱梁、雙層同向回轉(zhuǎn)鞍座等一系列新型結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了超大跨徑橋梁技術(shù)創(chuàng)新，同時大大節(jié)省了鋼材和高強混凝土的用量，獲得了理想節(jié)能減排效果。劉兆印[38]分析了大跨徑斜拉橋采用不同的主梁設(shè)計方案時建設(shè)的消耗情況，結(jié)果顯示輕型組合梁相對傳統(tǒng)鋼主梁具有一定的成本優(yōu)勢。徐雙[39]基于生命周期理論，對武漢市羅家港橋在不同的結(jié)構(gòu)材料下的碳排放進行了對比分析。結(jié)果表明在同等條件下與普通混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁相比，鋼混組合結(jié)構(gòu)無論在建材生產(chǎn)還是施工階段，碳排放都要更低。Collings[40]以英國的一座中等河橋為例，對比了梁、拱、斜拉三種結(jié)構(gòu)方案在施工期間的能源使用和碳排放。Horvath[41]等利用生命周期清單分析法對比了鋼和鋼混組合橋的環(huán)境影響。結(jié)果顯示對于特定結(jié)構(gòu)設(shè)計，鋼混組合橋具有更少的環(huán)境影響，但鋼橋在回收利用階段的優(yōu)勢也不可忽視。Liu等[43]通過建立橋梁大數(shù)據(jù)集，確定了橋梁設(shè)計參數(shù)、環(huán)境和成本之間的相關(guān)性，從而為設(shè)計橋梁設(shè)計建立了一個可持續(xù)性設(shè)計框架。

圖6橋梁設(shè)計參數(shù)和可持續(xù)要素的相關(guān)性[43]2.2原材料生產(chǎn)階段原材料生產(chǎn)階段的減排研究主要集中于新材料開發(fā)和生產(chǎn)工藝變革兩方面。陳凱祥[42]使用活性氧化鎂來替代傳統(tǒng)硅酸鹽水泥,研究表明砌塊的抗壓強度及耐久性能均優(yōu)于傳統(tǒng)水泥砌體。殷臻[44]提出使用重組竹材料一定程度上替代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料，并對竹質(zhì)橋梁構(gòu)件的連接構(gòu)造做了相關(guān)研究。錢剛[45]等關(guān)注于新型綠色低碳橋梁纜索鋼用線材的研發(fā)，并成功應(yīng)用于滬蘇通跨長江公鐵兩用斜拉大橋。張平[46]等對低品質(zhì)粉煤灰和礦粉進行機械、化學(xué)雙重活化,制備出一種綠色低碳型復(fù)合礦物摻合料，不僅節(jié)約水泥用量，而且混凝土強度還有一定的提升。張立明[47]等利用活化（煅燒）煤矸石制備LC3低碳水泥，對其性能進行了深入研究，結(jié)果表明，該新型混凝土力學(xué)性能能達到傳統(tǒng)的礦渣改性混凝土的水平。Turner[48]等考慮開采、運輸、生產(chǎn)、養(yǎng)護與澆筑環(huán)節(jié)，對聚合物混凝土與普通混凝土的碳排放進行了對比，結(jié)果表明聚合物混凝土可降低碳排放約9%。Barcelo[49]等對水泥熟料生產(chǎn)的碳排放進行了詳細研究，結(jié)果表明在保證水泥早期強度等特性的前提下，改變水泥熟料成分可有效降低生產(chǎn)碳排放。2.3現(xiàn)場施工階段由于施工過程的復(fù)雜性、相關(guān)計算方法的不完善性，有關(guān)施工過程減排的研究較少，現(xiàn)有研究主要關(guān)注點在于施工方案的優(yōu)化和對比上。其中，由于預(yù)制拼裝技術(shù)相對于傳統(tǒng)施工具有施工質(zhì)量高，速度快，能顯著減少現(xiàn)場施工量等優(yōu)點而備受推崇。Mao[50]等以深圳市兩棟建筑為案例，對預(yù)制裝配式和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)建造過程碳排放進行了分析。結(jié)果表明，盡管預(yù)制構(gòu)件的運輸對裝配式結(jié)構(gòu)的減排有不利影響，但總體上仍可降低碳排放近10%。王繼全[51]對全預(yù)制裝配式橋梁建造技術(shù)進行了剖析，列舉已經(jīng)施工完成及正在施工的案例，整理和歸納了橋梁上部、下部、附屬預(yù)制類型及連接方式，提出了目前比較適合我國發(fā)展的裝配式技術(shù)方案。楊偉軍[52]等對土方工程施工過程中不同機械施工方案對碳排放量及功能單位碳足跡進行了詳細的計算與對比。張振浩[53]等以河南一座波形鋼腹板PC組合箱梁橋為研究對象，對比了滿堂支架法與頂推法施工中碳排放差異，結(jié)果表明，鋼腹板PC組合箱梁橋采用頂推法施工比采用滿堂支架法施工更環(huán)保。2.4橋梁運營階段運營階段的碳排放主要來自三部分：1）橋梁維護。2）路燈的電力消耗。3）運營期間行駛于橋梁上的車輛。Hui-BingXie等[54]提出了一種基于遺傳算法的橋梁維護方案優(yōu)化框架，以最大安全性，最小生命周期成本和環(huán)境影響為優(yōu)化對象，結(jié)果表明合理進行預(yù)防性維護可以顯著降低橋梁生命周期環(huán)境影響。

圖7橋梁LCC和LCEI評估的系統(tǒng)框架[54]鄒驥[55]等指出，要控制中國汽車交通帶來的溫室氣體排放，就要運用一系列技術(shù)手段和政策手段控制汽車保有量、降低汽車平均行駛里程、提高單車的燃油經(jīng)濟性水平和降低汽車排放水平。李麗[56]等納米二氧化鈦漿液進行放大處理并噴灑在混凝土路面上，結(jié)果表明經(jīng)過光催化組分處理的混凝土路面對汽車排放尾氣中氮氧化物有較明顯的去除效果。劉進宇[57]等對比分析了高壓鈉燈、發(fā)光二極管（LED）燈和太陽能發(fā)光二極管（LED）的性價比，并系統(tǒng)研究且舉例說明了太陽能發(fā)光二極管（LED）路燈在公路、隧道、橋梁上應(yīng)用的優(yōu)勢。FarnazRaeisi[58]將橋梁健康監(jiān)測（SHM）儀器和技術(shù)應(yīng)用于橋梁管理，研究了SHM的應(yīng)用對二氧化碳排放的影響?？紤]到材料生產(chǎn)和施工所產(chǎn)生的排放，假設(shè)采用SHM將橋梁的使用壽命延長5-10年，那么橋梁改造所產(chǎn)生的二氧化碳排放量將減少9-17%。

圖8

SHM系統(tǒng)對減少二氧化碳排放的長期影響[58]2.5廢棄物回收階段關(guān)于回收利用的減排研究主要集中于金屬材料與混凝土。現(xiàn)階段，我國建筑垃圾的綜合利用率不足5%，處理方式相對單一，與歐美發(fā)達國家之間尚存在較大差距[59]。再生混凝土的研究工作最早始于歐洲，美國、日本等國家，面向二戰(zhàn)后重建中廢棄混凝土的重新利用問題，開展了一系列研究，研究成果為再生混凝土的應(yīng)用提供了科學(xué)支撐。1982年，美國將再生粗骨料納入《混凝土骨料標準（ASTMC-33-82）》中，并鼓勵使用再生骨料混凝土。1998年，德國頒布了《混凝土再生骨料應(yīng)用指南》，德國建筑垃圾回收利用率達到90%以上。1991年日本頒布了“資源重新利用促進法”法案，以保證建筑垃圾回收利用率。1997年，日本頒布了“利用再生骨料和再生混凝土規(guī)范”，目前日本建筑垃圾再循環(huán)利用率超過95%。為促進及保障建筑垃圾資源化利用，我國也頒布了一系列國家標準及行業(yè)標準，如：《混凝土用再生粗骨料（GB/T25177-2010）》、《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程（JGJ/T240-2011）》、《再生骨料混凝土耐久性控制技術(shù)規(guī)程（CECS385-2014）》等。2016年，國務(wù)院發(fā)布了《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，提出要大力發(fā)展建筑垃圾和建筑廢物資源化再生利用技術(shù)以及開發(fā)新型再生建筑材料應(yīng)用技術(shù)等。再生混凝土技術(shù)作為一種新的綠色環(huán)保型科技為廢棄建筑垃圾的循環(huán)再利用提供了有力支撐。然而，由于再生混凝土的力學(xué)性能指標普遍低于普通混凝土，嚴重制約了其在實際工程中的應(yīng)用。為提升再生混凝土性能，國內(nèi)外學(xué)者提出了纖維再生混凝土及鋼管再生混凝土，并對其力學(xué)性能及耐久性能開展了廣泛的研究?？刹鹦对O(shè)計（DesignforDeconstruction，DFD）的設(shè)計方法變得越來越重要，DFD產(chǎn)品[60][61]由于其可拆卸性而易于維修、更換和回收[60]，降低了橋梁的生命周期成本和排放。

圖9

新型可拆卸鋼混組合連接件[60]楊慶國[63]等對舊混凝土回收利用的可行性進行了深入研究，結(jié)果表明舊水泥混凝土破碎后的粗集料不僅滿足要求，而且配置的混凝土相比普通混凝土性能有一定提高。張韋倩[64]通過工程實例指出再生骨料在道橋方面的應(yīng)用對節(jié)能和溫室氣體減排效果良好。Yan[65]等認為，回收利用鋼材和鋁材等金屬材料可以減少50%以上的排放，是減排過程中不可忽視的因素。Chau[66]等對高層混凝土結(jié)構(gòu)辦公建筑的生命周期碳排放進行了分析，并指出回收建筑垃圾和廢棄資源可分別實現(xiàn)減排5.9%和3.2%。綜合國內(nèi)外的文獻，可以發(fā)現(xiàn)近年來的減排研究主要有以下特點：（1）預(yù)制裝配技術(shù)工期短、質(zhì)量好，施工效率高，環(huán)境污染低，克服了我國長期以來采用現(xiàn)澆施工的種種弊端，得到了政府和學(xué)界的大力推廣。目前，有很多地方出臺了預(yù)制裝配施工的規(guī)范，對各個環(huán)節(jié)做出了詳盡的說明。隨著國家統(tǒng)一行業(yè)標準的出臺以及各種關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)突破，我國將進一步與國際工程界相接軌，實現(xiàn)全面的