2021年度進(jìn)展25：橋梁工程碳足跡評(píng)估和減碳措施研究

2021年度進(jìn)展25：橋梁工程碳足跡評(píng)估和減碳措施研究引言全球氣候變化形勢(shì)嚴(yán)峻，自2010年以來，中國已成為全球最大的能源消費(fèi)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(duì)能源的消耗不可忽視，并且伴隨有相當(dāng)?shù)奶寂欧帕浚A(yù)計(jì)2030年建筑業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體將占全社會(huì)排放量的25%[2]。中國實(shí)施積極應(yīng)對(duì)氣候變化的國家戰(zhàn)略，宣布碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面，許多國家自20世紀(jì)90年代開始，就相繼頒布了低碳建筑的評(píng)價(jià)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(duì)較為成熟，影響力大。國內(nèi)相關(guān)研究相對(duì)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(duì)低碳建筑評(píng)價(jià)的《低碳建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[3]；2019年中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在原有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，編制了最新的《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[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(xiàn)共有3600余篇，中文文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)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(xiàn)共有2000余篇，并且最近五年的文獻(xiàn)數(shù)量明顯增加，2021年發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量達(dá)到了500余篇。綜合而言，中文文獻(xiàn)相比外文文獻(xiàn)發(fā)表量小，且涉足方向較狹窄，需進(jìn)一步推進(jìn)該領(lǐng)域的深入研究。

圖1文獻(xiàn)發(fā)表年度趨勢(shì)及主題組成對(duì)橋梁工程碳足跡評(píng)價(jià)體系及碳足跡控制措施開展研究具有理論價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義，但是橋梁工程碳足跡領(lǐng)域客觀、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法的缺失，也制約了低碳橋梁的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。出于以上考慮，本文從碳足跡評(píng)估和減碳措施兩個(gè)方面出發(fā)，歸納總結(jié)了橋梁工程碳足跡評(píng)估和減碳措施研究進(jìn)展。1

橋梁碳足跡評(píng)估研究進(jìn)展近年來，“碳足跡”這個(gè)新生詞語開始頻頻出現(xiàn)，已作為一種評(píng)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(píng)價(jià)二氧化碳排放量或者按二氧化碳當(dāng)量計(jì)算的溫室氣體排放量的指標(biāo)[6]。Hammond[7]在Nature上發(fā)表文章稱碳足跡是一個(gè)人或者一項(xiàng)活動(dòng)所產(chǎn)生的“碳重量”?？滤l(fā)[8]研究認(rèn)為碳足跡是一項(xiàng)活動(dòng)（或一種服務(wù)）進(jìn)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(jì)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(jià)表示。隨著學(xué)界對(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈的下游，但是建筑業(yè)需要大量化石能源和進(jìn)行大量生產(chǎn)活動(dòng)，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(jì)劃強(qiáng)調(diào)，建筑業(yè)“從搖籃到墳?zāi)埂钡闹虚g碳排放可高達(dá)整個(gè)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(duì)橋梁進(jìn)行全生命周期的測(cè)算，是精確計(jì)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(píng)價(jià)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是以橋梁全生命周期為研究對(duì)象[10]。根據(jù)生命周期評(píng)價(jià)（LifeCycleAssessment,LCA）中邊界條件劃分、評(píng)價(jià)尺度、計(jì)算方法的不同，生命周期評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(jì)投入產(chǎn)出生命周期評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)法（HybridLCA,HLCA）。下面首先對(duì)生命周期評(píng)價(jià)理論進(jìn)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(píng)價(jià)生命周期評(píng)價(jià)是一種評(píng)價(jià)產(chǎn)品整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)生命周期評(píng)價(jià)法的定義是：匯總和評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品或服務(wù)體系在其整個(gè)生命周期的所有投入，以及產(chǎn)品對(duì)環(huán)境造成的和潛在的影響的方法。LCA突出強(qiáng)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(píng)價(jià)。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(gè)階段：橋梁的設(shè)計(jì)、原材料的生產(chǎn)加工、現(xiàn)場(chǎng)的施工、橋梁的運(yùn)營和維護(hù)、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(píng)價(jià)法過程生命周期評(píng)價(jià)法（Process-BasedLCA,PLCA）是以過程分析為基本出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)系統(tǒng)內(nèi)單元過程的物質(zhì)、能量流進(jìn)行清單分析，進(jìn)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(yùn)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(shí)反映建筑全生命周期中所有的環(huán)境影響。20世紀(jì)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(duì)末端計(jì)量的基礎(chǔ)上有了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步，但仍局限于部分相關(guān)過程的部分排放，屬于相對(duì)末端計(jì)量的范疇。目前橋梁的碳排放計(jì)算方法主要參考建筑領(lǐng)域的碳排放計(jì)算方法。根據(jù)《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定，常用的一般有兩種：清單統(tǒng)計(jì)法和信息模型法。1）清單統(tǒng)計(jì)法清單統(tǒng)計(jì)法計(jì)量按照碳排放單元過程進(jìn)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(dòng)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(duì)應(yīng)排放系數(shù)，它可以被用來計(jì)算各種溫室氣體的排放量,確定各種溫室氣體對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)程度,。IPCC推薦采用全球暖化潛值(GlobalWarmingPotential,GWP)進(jìn)行量化。清單統(tǒng)計(jì)法中也應(yīng)用了排放因子法的計(jì)算公式為：碳排放量=活動(dòng)數(shù)據(jù)×排放因子在清單統(tǒng)計(jì)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(duì)溫室氣體的排放情況進(jìn)行定量分析，通過乘以相應(yīng)的全球變暖潛勢(shì)，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?yàn)榘咐?，進(jìn)行生命周期碳排放計(jì)算。張振浩等[14]從不確定性的角度對(duì)橋梁建設(shè)期間所產(chǎn)生的碳排放量進(jìn)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(jì)算模型。王龍龍等[15]結(jié)合橋梁工程特點(diǎn)，確定了橋梁LCA的評(píng)價(jià)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(duì)一座承載能力不足的簡支梁橋T型梁的進(jìn)行加固計(jì)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(fèi)用計(jì)算，結(jié)果分析與評(píng)價(jià)四個(gè)步驟，對(duì)橋梁不同方案的能耗和碳排放進(jìn)行定量分析計(jì)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(duì)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(yàn)測(cè)試等多種途徑來確定。KristineEk等[18]用LCA法對(duì)混凝土板框架橋和土-鋼組合橋進(jìn)行了評(píng)估。JulienPedneault等[19]從生命周期成本和環(huán)境影響兩個(gè)角度對(duì)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(duì)比[19]實(shí)例研究表明LCA法能夠識(shí)別不同的生命周期階段中影響最大的關(guān)鍵指標(biāo)和關(guān)鍵要素。并且使用實(shí)際的材料碳排放系數(shù)非通用數(shù)據(jù)集，可進(jìn)一步提高環(huán)境及社會(huì)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。2）信息模型法信息模型法是指以信息模型為載體，計(jì)算、管理項(xiàng)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(jìn)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(duì)公共建筑低碳設(shè)計(jì)和碳排放計(jì)量的需要，構(gòu)建了基于BIM的公共建筑低碳設(shè)計(jì)分析方法和碳排放計(jì)量模型，為建筑低碳設(shè)計(jì)提供了實(shí)證參考。王上[21]基于BIM模型對(duì)成都市一棟住宅的性能進(jìn)行了系統(tǒng)研宄，并借助計(jì)量數(shù)據(jù)詳細(xì)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(duì)新鄉(xiāng)市某住宅樓進(jìn)行了分析，結(jié)合BIM技術(shù)計(jì)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?yàn)榘咐芯?，提出了一種創(chuàng)新的6DBIM方法，將3D模型信息與時(shí)間表、成本估算和橋梁項(xiàng)目生命周期碳足跡分析相結(jié)合。證明了BIM技術(shù)在整個(gè)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(dòng)執(zhí)行LCA計(jì)算，以更好地實(shí)現(xiàn)LCA過程的自動(dòng)化。

圖5東溝大橋BIM模型和橋梁上部結(jié)構(gòu)造價(jià)-碳排放計(jì)劃表[23]綜上，兩個(gè)方法的不同之處在于：清單統(tǒng)計(jì)法是以常規(guī)方式設(shè)計(jì)建造及運(yùn)行管理的項(xiàng)目的碳排放計(jì)算方法；信息模型法是針對(duì)以信息模型為載體，進(jìn)行信息采集、階段信息傳遞及信息核算的項(xiàng)目的碳排放計(jì)算方法。兩個(gè)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(shí)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(duì)數(shù)據(jù)來源要求高、邊界條件界定存在主觀性、有截?cái)嗾`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(jì)投入產(chǎn)出生命周期評(píng)價(jià)法投入產(chǎn)出法（I-O法）最早是由經(jīng)濟(jì)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(jì)劃。該法主要通過編制供應(yīng)鏈中所有采購和活動(dòng)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(jì)系統(tǒng)各個(gè)部門（產(chǎn)業(yè)間）的關(guān)系。I-O理論很古老，并且因?yàn)槠溆?jì)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(píng)價(jià)法，開發(fā)了經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出生命周期評(píng)估（EIO-LCA）法，這一方法得到了廣泛的應(yīng)用。在經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出生命周期評(píng)價(jià)法的應(yīng)用方面：關(guān)軍等[26]采用投入產(chǎn)出生命周期評(píng)價(jià)模型評(píng)估建筑業(yè)能耗，分析部門間聯(lián)系、部門能源強(qiáng)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(jì)算間接碳排放。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：建筑業(yè)碳排放影響力巨大，尤其具有很強(qiáng)的碳排放拉動(dòng)能力。祁神軍和張?jiān)撇╗28]運(yùn)用EIO-LCA法，建立了基于能源消耗的產(chǎn)業(yè)碳排放強(qiáng)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(jìn)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(xì)地分析和討論了建筑行業(yè)碳排放的變化趨勢(shì)和組成特征。杜強(qiáng)等[30]根據(jù)我國建筑業(yè)碳排放特點(diǎn)對(duì)2005—2014年各省建筑業(yè)直接與間接碳排放進(jìn)行了系統(tǒng)核算，并結(jié)合各省碳排放特征進(jìn)行了分組分析。Nassen等[31]使用自上而下的投入產(chǎn)出分析評(píng)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(dòng)。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(duì)三個(gè)公寓樓群和三個(gè)教育設(shè)施的二氧化碳排放量進(jìn)行了評(píng)估。證明IO-LCA法可用于評(píng)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(zhǔn)確性。綜上，經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出生命周期評(píng)價(jià)法的優(yōu)勢(shì)和短板都很明顯。如果能得到部門劃分很細(xì)的投入產(chǎn)出表,這種方法很適宜對(duì)一個(gè)企業(yè)、地區(qū)或者行業(yè)進(jìn)行環(huán)境影響分析,但這一方法顯然不適合對(duì)單個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)。1.2.4混合生命周期評(píng)價(jià)法混合生命周期評(píng)價(jià)(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(jì)70年代第一次石油危機(jī)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(píng)價(jià)法的應(yīng)用方面：Zhang等[33][34]對(duì)PLCA和IO-LCA進(jìn)行了比較分析并提出了一種結(jié)合兩種方法優(yōu)點(diǎn)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(zhǔn)確性和精細(xì)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(píng)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(duì)基于輸入-輸出的混合生命周期評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，計(jì)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(píng)價(jià)法結(jié)合了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn),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(jìn)行量化分析。盡管HLCA的開發(fā)旨在解決PLCA和EIO-LCA的缺點(diǎn)，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(jì)投入產(chǎn)出表，因此其實(shí)際應(yīng)用仍然相當(dāng)有限。1.2.5PLCA、EIO-LCA、HLCA的對(duì)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(shí)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(xiàng)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(duì)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(biāo)和范圍、數(shù)據(jù)質(zhì)量以及時(shí)間長短。表1PLCA、EIO-LCA、HLCA的對(duì)比類別PLCA法EIO-LCA法HLCA特點(diǎn)針對(duì)性強(qiáng)，對(duì)具體對(duì)象給出詳細(xì)評(píng)價(jià)結(jié)果。完整性強(qiáng)，對(duì)部門層面的強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合了針對(duì)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(píng)價(jià)對(duì)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?cái)嗾`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(gè)部門、區(qū)域、國家經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。具有客觀性，整個(gè)部門、區(qū)域、國家經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。評(píng)價(jià)尺度微觀（產(chǎn)品、項(xiàng)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(jì)算方法，通過對(duì)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(diǎn)：（1）在橋梁碳足跡核算方法上，當(dāng)核算對(duì)象為一個(gè)或若干個(gè)橋梁時(shí)，PLCA法是目前最常用的方法，而當(dāng)核算對(duì)象為部門或產(chǎn)業(yè)時(shí)，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?yàn)槠淇梢粤炕瘶蛄焊麟A段排放與能源消耗的特點(diǎn)，已被公認(rèn)為評(píng)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(jì)算邊界、排放系數(shù)等方面都有待進(jìn)一步的完善，許多研究案例或多或少的采用了另一個(gè)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(zhǔn)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(duì)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(shí)針對(duì)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(jìn)展2.1橋梁設(shè)計(jì)階段在設(shè)計(jì)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(diǎn)。但由于現(xiàn)有橋梁體系相對(duì)成熟，新穎結(jié)構(gòu)施工難度較大，目前還缺乏針對(duì)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(shí)現(xiàn)了超大跨徑橋梁技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)大大節(jié)省了鋼材和高強(qiáng)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(jì)方案時(shí)建設(shè)的消耗情況，結(jié)果顯示輕型組合梁相對(duì)傳統(tǒng)鋼主梁具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。徐雙[39]基于生命周期理論，對(duì)武漢市羅家港橋在不同的結(jié)構(gòu)材料下的碳排放進(jìn)行了對(duì)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?yàn)槔?，?duì)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(duì)比了鋼和鋼混組合橋的環(huán)境影響。結(jié)果顯示對(duì)于特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shì)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(jì)參數(shù)、環(huán)境和成本之間的相關(guān)性，從而為設(shè)計(jì)橋梁設(shè)計(jì)建立了一個(gè)可持續(xù)性設(shè)計(jì)框架。

圖6橋梁設(shè)計(jì)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(qiáng)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(duì)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(duì)低品質(zhì)粉煤灰和礦粉進(jìn)行機(jī)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(qiáng)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(duì)其性能進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，該新型混凝土力學(xué)性能能達(dá)到傳統(tǒng)的礦渣改性混凝土的水平。Turner[48]等考慮開采、運(yùn)輸、生產(chǎn)、養(yǎng)護(hù)與澆筑環(huán)節(jié)，對(duì)聚合物混凝土與普通混凝土的碳排放進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明聚合物混凝土可降低碳排放約9%。Barcelo[49]等對(duì)水泥熟料生產(chǎn)的碳排放進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)果表明在保證水泥早期強(qiáng)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(chǎng)施工階段由于施工過程的復(fù)雜性、相關(guān)計(jì)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(diǎn)在于施工方案的優(yōu)化和對(duì)比上。其中，由于預(yù)制拼裝技術(shù)相對(duì)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(chǎng)施工量等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇。Mao[50]等以深圳市兩棟建筑為案例，對(duì)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(jìn)行了分析。結(jié)果表明，盡管預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸對(duì)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(duì)全預(yù)制裝配式橋梁建造技術(shù)進(jìn)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(duì)土方工程施工過程中不同機(jī)械施工方案對(duì)碳排放量及功能單位碳足跡進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算與對(duì)比。張振浩[53]等以河南一座波形鋼腹板PC組合箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)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(yùn)營階段運(yùn)營階段的碳排放主要來自三部分：1）橋梁維護(hù)。2）路燈的電力消耗。3）運(yùn)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(hù)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(duì)象，結(jié)果表明合理進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)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(píng)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(yùn)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(jì)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(jìn)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(duì)汽車排放尾氣中氮氧化物有較明顯的去除效果。劉進(jìn)宇[57]等對(duì)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(jià)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(shì)。FarnazRaeisi[58]將橋梁健康監(jiān)測(cè)（SHM）儀器和技術(shù)應(yīng)用于橋梁管理，研究了SHM的應(yīng)用對(duì)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(duì)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?，F(xiàn)階段，我國建筑垃圾的綜合利用率不足5%，處理方式相對(duì)單一，與歐美發(fā)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)（ASTMC-33-82）》中，并鼓勵(lì)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(dá)到90%以上。1991年日本頒布了“資源重新利用促進(jìn)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(jìn)及保障建筑垃圾資源化利用，我國也頒布了一系列國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)普遍低于普通混凝土，嚴(yán)重制約了其在實(shí)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(duì)其力學(xué)性能及耐久性能開展了廣泛的研究。可拆卸設(shè)計(jì)（DesignforDeconstruction，DFD）的設(shè)計(jì)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(duì)舊混凝土回收利用的可行性進(jìn)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(shí)例指出再生骨料在道橋方面的應(yīng)用對(duì)節(jié)能和溫室氣體減排效果良好。Yan[65]等認(rèn)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(duì)高層混凝土結(jié)構(gòu)辦公建筑的生命周期碳排放進(jìn)行了分析，并指出回收建筑垃圾和廢棄資源可分別實(shí)現(xiàn)減排5.9%和3.2%。綜合國內(nèi)外的文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)近年來的減排研究主要有以下特點(diǎn)：（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(tái)了預(yù)制裝配施工的規(guī)范，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)做出了詳盡的說明。隨著國家統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)以及各種關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)突破，我國將進(jìn)一步與國際工程界相接軌，實(shí)現(xiàn)全面的