?基于 LCA 的特大橋梁全壽命碳排放特征分析

摘要：加深水區(qū)特大橋梁防護(hù)工程復(fù)雜，工程施工周期長，其全壽命碳排放特征對于控碳減碳至關(guān)重要。本文采用LCA分析方法，對肇明高速西江特大橋進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)材料的碳排放在橋梁建設(shè)總碳排放中占比最大，為95.7%，分項工藝中的碳排放熱點(diǎn)為集中加工懸澆箱梁焊接鋼筋，材料的碳排放熱點(diǎn)為HRB400鋼筋，機(jī)械的碳排放熱點(diǎn)為Φ2500mm以內(nèi)回旋鉆機(jī)。施工方可以通過優(yōu)化設(shè)計方案，使用低碳排放材料和清潔能源等方式減少橋梁建設(shè)階段在分項工藝、材料和機(jī)械方面的碳排放，其中材料的碳排放應(yīng)該作為施工方的減排重點(diǎn)。關(guān)鍵詞：交通碳排放；施工建設(shè)碳排放；生命周期評價；橋梁工程；特大橋梁0引言交通行業(yè)作為重要的人類社會生產(chǎn)活動之一，消耗了約1/3的全球能源，并排放出了大量的二氧化碳。我國的交通碳排放占比大且未來十幾年內(nèi)預(yù)計增速十分快，節(jié)能減排形勢十分嚴(yán)峻。橋梁建設(shè)作為一種極其消耗資源和能源的工程，不僅會使用大量碳排放因子大的材料、能源，在其施工建設(shè)階段中也會排出大量的二氧化碳從橋梁工程生命周期評估（LifeCycleAssessment，LCA）的角度，分析了在橋梁設(shè)計、原材料生產(chǎn)加工、現(xiàn)場施工、運(yùn)營維護(hù)及廢棄這5個階段的碳排放，得出了各個施工過程中的碳排放占比情況。將橋梁的全生命周期劃分為規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)和廢棄拆除四個階段，在此基礎(chǔ)上提出減排率的概念，以此作為橋梁碳排放定量評估的指標(biāo)。從建材生產(chǎn)、施工、加固維修三個階段對日本的橋梁碳排放進(jìn)行了研究，得出建材生產(chǎn)階段排放量最多的結(jié)論。Nathman和美國加州路面研究中心合作，以路面工程為研究對象，開發(fā)了基于道路生命周期的碳排放計算模型PaLATE，將生命周期劃分為六個階段。提出了基于歸因全壽命周期評價（ALCA）的公路生命周期碳排放分析的理論框架和方法體系，將生命周期劃分為建設(shè)、運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)三個階段，并基于分單位、分部、分項分析單元的公路建設(shè)工程計量方法，復(fù)合碳排放因子（背景數(shù)據(jù)）、實(shí)際工程量（實(shí)景數(shù)據(jù)）與工程定額，構(gòu)建了“分單位-分部-分項”結(jié)構(gòu)化的公路建設(shè)階段碳排放測算模型?，F(xiàn)有的大量文獻(xiàn)都對交通行業(yè)碳排放進(jìn)行了大量的探討，然而對橋梁生命周期的碳排放研究還處于探索階段，尚無成熟的計算方法。因此，有必要對橋梁生命周期碳排放進(jìn)行系統(tǒng)分析并發(fā)展相應(yīng)的定量計算方法。1西江特大橋工程概況1.1肇明高速項目基本概況肇明高速公路是粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的重點(diǎn)項目，主線+機(jī)場支線總里程約120km，主線起點(diǎn)至大灣互通路段設(shè)計速度100km/h、大灣互通至終點(diǎn)路段及機(jī)場支線設(shè)計速度為120km/h，按雙向6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，項目全段共有橋梁115座。機(jī)場支線是肇明高速與江肇高速的聯(lián)絡(luò)線，位于珠三角樞紐（廣州新）機(jī)場以北，連接多條高速通道，是新干線機(jī)場集疏運(yùn)通道。1.2西江特大橋基礎(chǔ)概況肇明高速西江特大橋全長約2400m，跨越G321和西江江面，橋面采用雙向六車道設(shè)計，跨江段（2×16.6m），其余位置為2×16.5m，設(shè)計速度100km/h。本橋起點(diǎn)接大山頂隧道，終點(diǎn)接楊梅隧道，均采用搭板與隧道共建，橋位處水面寬闊，約700m，橋梁軸線與流水流向基本正交，橋址處河寬約680m，最大水深28.3m，深槽位于河道中間偏左。主橋上部構(gòu)造采用掛籃懸澆施工，下部構(gòu)造采用鉆孔灌注樁，左線第5孔（右線第4孔）上跨國道321，交叉樁號ZK43+036.27，G321規(guī)劃為六車道一級路，要求凈空不低于5.5m；第6~11孔跨越西江，設(shè)計洪水位17.86m，最高通航水位15.81m，西江河道規(guī)劃為內(nèi)河Ⅰ級航道，采用雙孔單向通航；第12孔上跨鄉(xiāng)道Y391及千畝堤圍；13號橋墩采用160型伸縮縫，6、10號橋墩采用400型伸縮縫，其余分聯(lián)墩臺采用80型伸縮縫。西江特大橋所在區(qū)域為西江水系，區(qū)內(nèi)水系比較發(fā)育，河流縱橫密布，匯水面積大，有西江、新興江等河流。西江是珠江的主干流，平均年徑流總量為2277億m3，4~9月為豐水期，12月~來年3月為枯水期，現(xiàn)為Ⅱ級航道，規(guī)劃內(nèi)河Ⅰ級航道，路線經(jīng)過區(qū)域?qū)傥鹘缡字琳貞c段，規(guī)劃通航3000噸級船舶。區(qū)域年降雨量為1649mm，在雨季（4~9月）集中了80%，年暴雨（≥50mm）日數(shù)5.3天，雨季期間集中了92%，一日最大降水量216.3mm，出現(xiàn)在臺風(fēng)季節(jié)的9月，降水是地下水的主要補(bǔ)給源。橋梁跨江段左岸在1.5~6.4m岸坡標(biāo)高范圍內(nèi)，采用砼聯(lián)鎖式植草護(hù)坡，6.4m至坡頂標(biāo)高范圍內(nèi)，采用空心磚植草防護(hù)，防護(hù)范圍涵蓋左右線橋梁外邊緣上下游的50m處；右岸在1.5~7.75m岸坡標(biāo)高范圍內(nèi)，采用砼聯(lián)鎖式植草護(hù)坡，7.75~11m標(biāo)高范圍內(nèi)，采用空心磚植草防護(hù)，11m至坡頂標(biāo)高范圍內(nèi)直接在原坡面采用植草防護(hù)，防護(hù)范圍從上游加固設(shè)計處至下游左線橋梁外邊緣100m處。為了提高橋梁的排水能力，在樁號K44+679.7~K44+739.7范圍內(nèi)將排水管加密至3m。項目建設(shè)過程中所用到的主要材料有：鋼材、水泥、石料等，而項目沿線路網(wǎng)發(fā)達(dá)，交通運(yùn)輸便利，各料場點(diǎn)與高速公路、國省道、縣道等公路相通，運(yùn)輸較方便，各種材料的運(yùn)輸和獲取都十分便捷。石料可以從附近的長順石場、磨刀坑石場等花崗巖料場獲取，也可使用西江北岸石頭窩、九源隧道等花崗巖隧道開挖后的石料；項目用水可直接從西江獲取，同時沿線電網(wǎng)密布，各地方電力供應(yīng)充足，工程用電的獲取也十分方便；鋼材、水泥等則可依靠便捷的交通線網(wǎng)從當(dāng)?shù)厥袌鲑徺I。2基于LCA的橋梁工程全生命周期碳排放評價模型的理論及方法2.1生命周期評價（LCA）介紹生命周期評價（LCA）起源于20世紀(jì)60年代，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）將全壽命周期評價（LifeCycleAssessment）定義為“一種匯總和評估某一產(chǎn)品、活動、技術(shù)或服務(wù)系統(tǒng)在其整個生命周期過程中所有的投入和產(chǎn)出對環(huán)境造成的潛在影響的方法”[8]。該定義常用來分析某一產(chǎn)品、工藝、活動或服務(wù)系統(tǒng)從原材料獲取到產(chǎn)品的制造、使用、維護(hù)和回收報廢的整個生命周期內(nèi)有關(guān)環(huán)境變化，通過對全過程中的能量和物質(zhì)的消耗進(jìn)行評估，來考察一種產(chǎn)品、工藝、活動或服務(wù)系統(tǒng)對環(huán)境所造成的影響。雖然生命周期評價通常關(guān)注的是對環(huán)境造成的影響和變化，不包含社會經(jīng)濟(jì)因素，但是卻可以結(jié)合有關(guān)的社會和經(jīng)濟(jì)評價工具方法，對社會經(jīng)濟(jì)活動進(jìn)行一個較完整的評價。全壽命周期評價主要分為歸因全壽命周期評價（AttributionalLCA，ALCA）和歸果全壽命周期評價（ConsequentialLCA，CLCA）兩種[9-10]。歸因全壽命周期評價（ALCA）主要對生命周期內(nèi)與環(huán)境相關(guān)的物質(zhì)、能量流進(jìn)行分析評價，以時間為主要依據(jù)，分析周期內(nèi)各要素與環(huán)境之間的消耗與排放，在清單分析時通常對總消耗和排放以及各項總消耗、各項總排放進(jìn)行分析。本文主要分析的是橋梁工程建設(shè)階段中的材料、機(jī)械和分項分工程的消耗與排放數(shù)據(jù)，因此，采用按時間進(jìn)程排序和直接對環(huán)境影響進(jìn)行評價的歸因全壽命周期評價（ALCA）。2.2橋梁生命周期的劃分ISO指出生命周期評價包括3個步驟：評價對象和范圍的確定、清單分析、影響評價。目前國內(nèi)學(xué)者結(jié)合生命周期的相關(guān)文獻(xiàn)和理論，對公路的生命周期進(jìn)行了許多的定義和階段劃分。大多數(shù)研究把項目工程的全生命周期分為規(guī)劃設(shè)計階段、材料生產(chǎn)階段、材料運(yùn)輸階段、物化階段、運(yùn)營維護(hù)階段和報廢回收階段這六個階段，并經(jīng)常把材料的運(yùn)輸階段并入物化階段或材料生產(chǎn)階段，其中絕大部分碳排放來源于原材料、物化階段[3]。而由于橋梁的設(shè)計階段很少有碳排放的產(chǎn)生，且運(yùn)營階段過于復(fù)雜、時間跨度大，橋梁的報廢回收則遠(yuǎn)在“雙碳”政策實(shí)現(xiàn)的時間節(jié)點(diǎn)之后，所以本文主要研究橋梁生命周期中材料的開采、加工、運(yùn)輸和施工過程中的材料運(yùn)輸與使用的碳排放情況。并將橋梁生命周期按時間序列分為三個階段：物化階段、橋梁使用階段和拆除階段。對于現(xiàn)有的其他研究中的材料生產(chǎn)和材料運(yùn)輸階段，將其作為物化階段的一部分來進(jìn)行分析，并將建設(shè)階段中的整體排放分為材料碳排放、機(jī)械碳排放和按工程分部分項分工藝的碳排放來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。橋梁工程生命周期的階段劃分、建設(shè)階段的范圍劃分和碳排放示意圖如圖1所示。圖1橋梁建設(shè)階段范圍劃分Fig.1Bridgeconstructionstagescopedivision2.3建設(shè)階段碳排放的邊界界定和核算方法建設(shè)階段的碳排放主要包括材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)奶寂欧牛┕ぶ袡C(jī)械的使用所造成的碳排放和材料使用造成的碳排放，這些排放都可以統(tǒng)合在施工工序的碳排放之中進(jìn)行總體分析。2.3.1單位工程分部分項角度下的碳排放計算橋梁工程物化階段碳排放量化和工程計價具有相似性，可以依據(jù)工程計價的分部分項方式對建設(shè)階段中單項工藝的施工碳排放進(jìn)行量化，從而進(jìn)行碳排放分析，而受各處施工環(huán)境不同的影響，每一個分項工程項目所在地的環(huán)境氣候、地質(zhì)、水文都不太一致，橋梁工程建設(shè)單項工程的碳排放占比也有所不同。因此本研究引入工程計價分單位、分部、分項工程的劃分標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)橋梁工程建設(shè)階段碳排放量計量結(jié)構(gòu)化，其中標(biāo)準(zhǔn)工藝部分的分類參照《公路工程預(yù)算定額》，詳細(xì)分類情況如下。（1）公路項目本文中的公路項目指的是包含橋梁工程、路基工程和路面工程等全部組成部分的一整段或分段的建設(shè)項目。（2）橋梁工程和路基工程、路面工程、臨時工程等同為單位工程級別。（3）分部工程分部工程是單位工程的組成部分，一般按單位工程中的主要結(jié)構(gòu)和部位來劃分。（4）分項工程在分部工程的劃分的基礎(chǔ)上，按照施工方法、工程部位、材料、質(zhì)量要求和施工難易程度劃分。（5）標(biāo)準(zhǔn)工藝在分項工程的基礎(chǔ)上，按照《公路工程預(yù)算定額》的相關(guān)規(guī)范，細(xì)化到具體建設(shè)的操作部分。按照《公路工程預(yù)算定額》的相關(guān)規(guī)范對單位工程進(jìn)行項目劃分之后，依據(jù)施工段的橋梁工程部分的數(shù)據(jù)，運(yùn)用編程語言提取項目施工單項工程的各個項目施工量，然后對項目排放進(jìn)行分析，得到排放最高的幾類施工工藝。在這個過程中，單項項目的總排放已經(jīng)包含了材料與機(jī)械的排放情況。具體計算見公式（1）。式中，Efm為分項目工藝的碳排放總量；Vi為單個項目i的施工總單位量；efl為某一分項目工藝的單位施工量中，對應(yīng)工藝所消耗掉的對應(yīng)材料或機(jī)械的碳排放因子；vl為某一分項目工藝的單位施工量中，對應(yīng)工藝所消耗的材料投入量或者機(jī)械的臺班數(shù)。2.3.2材料碳排放的界定和核算從ALCA的角度對橋梁工程建設(shè)階段材料有關(guān)的碳排放進(jìn)行分析和界定，主要包括從原材料的提取、生產(chǎn)、加工到運(yùn)輸至工地過程中所造成的碳排放。近年來國際上對施工建設(shè)領(lǐng)域的碳排放核算方法眾多，包括宏觀分析和針對單項工藝的微觀角度分析，主要包括物料平衡法、直接測算法和排放因子法。物料平衡法是根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對某系統(tǒng)整體碳的輸入、輸出和庫存進(jìn)行整體平衡計算的一種方法。排放因子法在計算上可看作物料平衡法的簡化方法，二氧化碳排放量為二氧化碳排放活動數(shù)據(jù)與排放因子等系數(shù)的乘積。本文采用碳排放因子法，從長安大學(xué)王元慶教授團(tuán)隊自主研發(fā)的排放因子庫中進(jìn)行查詢，結(jié)合肇明施工段中的橋梁工程施工部分?jǐn)?shù)據(jù)，對使用的材料進(jìn)行碳排放測算。具體計算見公式（2）。式中，E1為建設(shè)階段的材料碳排放（包括材料的制造及使用）；Mi為第i類材料的使用量；EFi為第i類材料的碳排放因子（該碳排放因子可表征材料制造和使用過程中的全部碳排放）2.3.3建設(shè)階段機(jī)械碳排放的界定和核算機(jī)械的碳排放主要來自于燃料、能源與電力的生產(chǎn)和使用，按照LCA，既包含使用階段產(chǎn)生的碳排放，也包括獲取時的碳排放。在橋梁施工中，機(jī)械碳排放主要涉及機(jī)械臺班消耗量和單位機(jī)械臺班所消耗的能源量，機(jī)械臺班消耗量可根據(jù)《公路工程預(yù)算定額》和實(shí)際施工數(shù)據(jù)得到，單位機(jī)械臺班所消耗的能源量可以查詢《全國統(tǒng)一施工機(jī)械臺班費(fèi)用編制規(guī)則》。本階段機(jī)械的碳排放核算也采用排放因子法來進(jìn)行計算，查詢自研數(shù)據(jù)庫中能源的碳排放因子，利用施工段中的橋梁工程建設(shè)部分?jǐn)?shù)據(jù)計算，如公式（3）所示。式中，E2為建設(shè)階段機(jī)械的總碳排放量；EFi（i=1，2，3，4，5）為機(jī)械使用過程中消耗的五種能源（柴油、汽油、電、重油、煤炭）的碳排放因子。（該碳排放因子表征了能源獲取、運(yùn)輸和使用過程中的全部碳排放）；Ni（i=1，2，3，4，5）為經(jīng)定額換算下使用五種能源施工的機(jī)械所完成的定額工程量；Tji（j=1，2，3，4，5）為使用對應(yīng)五種能源之一施工的機(jī)械完成單位定額工程量下的臺班消耗量；Cji（j=1，2，3，4，5）為使用對應(yīng)五種能源之一施工機(jī)械作業(yè)單位臺班下對應(yīng)的能源消耗量。這部分?jǐn)?shù)據(jù)中包含了材料運(yùn)輸至施工段時產(chǎn)生的碳排放，在最終計算時將與施工機(jī)械的碳排放同時計算，但分開統(tǒng)計。3西江特大橋施工建設(shè)實(shí)例分析3.1橋梁建設(shè)材料、機(jī)械和運(yùn)輸碳排放比例分析肇明高速西江特大橋全長約2400m，為雙向6車道設(shè)計，橋面總面積約為八萬平方米，總碳排放排放達(dá)27.47萬噸。平均每車道建設(shè)碳排放為4.58萬噸，橋梁建設(shè)每公里碳排放為11.1萬噸，每平方米橋面碳排放為3.4噸。毛健人等[13]認(rèn)為在任何情況下，事物的主要結(jié)果只取決于一小部分因素。這個思想也可以被用于分析橋梁建設(shè)階段材料、機(jī)械和運(yùn)輸?shù)奶寂欧耪急惹闆r。分析材料、機(jī)械和運(yùn)輸在建設(shè)階段中的碳排放數(shù)據(jù)，可以得到碳排放占，如圖2所示。圖2西江特大橋碳排放占比Fig.2CarbonemissionratioofXijiangBridge3.2分部分項工藝碳排放分析從LCA的角度出發(fā)，依據(jù)對《公路工程預(yù)算定額》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對總體項目進(jìn)行分部分項分工藝的分類后，可以按照單位項目的施工段位置進(jìn)行總體和分工程的工藝碳排放分析。將肇明高速西江特大橋施工段中所有分項工藝的碳排放運(yùn)用編程工具進(jìn)行提取和計算后，獲得了所有不同工藝施工總量，將其乘以對應(yīng)的經(jīng)過機(jī)械和材料消耗后的工藝碳排放因子，即可獲得對應(yīng)的分項工藝碳排放情況。在獲取所有的分項工藝碳排放數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序累加，選取占比較大的幾類材料進(jìn)行帕累托分析，得到碳排放分析圖如圖3所示。圖3按工序劃分碳排放分析圖Fig.3Carbonemissionanalysischartbyprocess數(shù)據(jù)分析的結(jié)果顯示，碳排放占比最高的工藝為集中加工懸澆箱梁焊接鋼筋，為13.0%，從第六項工藝開始，單工藝碳排放占比有一個較大的的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)前的6項工藝占據(jù)了117個總工藝碳排放的49.2%。這6個工藝依次為：集中加工懸澆箱梁焊接鋼筋、連續(xù)剛構(gòu)懸澆段箱梁混凝土、回旋潛水鉆Φ250cm以內(nèi)起重機(jī)配吊斗砼、集中加工薄壁墩高40m以內(nèi)主筋鋼套筒連接、水深20m以內(nèi)埋設(shè)鋼護(hù)筒、集中加工主筋鋼套筒連接。以上工藝應(yīng)納入重點(diǎn)考察的碳排放熱點(diǎn)，可以考慮優(yōu)化加工工藝或其他手段著重對其進(jìn)行優(yōu)化減排。3.3材料碳排放分析將全工程中所有消耗的材料運(yùn)用編程工具進(jìn)行提取和計算后，獲得了所有不同材料的消耗量，將其乘上碳排放因子后，即可獲得對應(yīng)材料部分的全工程碳排放情況。在獲取所有的材料碳排放數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序累加，選取占比較大的幾類材料進(jìn)行帕累托分析后，得到碳排放圖如圖4所示。圖4材料碳排放分析圖Fig.4Materialcarbonemissionanalysischart數(shù)據(jù)分析的結(jié)果顯示，水泥類和鋼筋類在所有材料的總碳排放中占比最大，共占比78.9%，其中HRB400鋼筋的占比最大，達(dá)45.7%。材料碳排放的累計百分比的第2個較大拐點(diǎn)在鋼絞線處，拐點(diǎn)前的5個材料占據(jù)了63個材料碳排放的84.9%。這5個材料依次為：HRB400鋼筋、52.5級水泥、32.5級水泥、42.5級水泥、鋼絞線。這5類材料應(yīng)納入施工方和企業(yè)設(shè)計時的碳排放控制重點(diǎn)，可以通過優(yōu)化制造工藝及設(shè)計來減少使用或使用低排放的同類替換材料達(dá)到減碳控碳的目標(biāo)。3.4機(jī)械碳排放分析和材料的分析類似，將全工程中所有機(jī)械的臺班消耗運(yùn)用編程工具進(jìn)行提取和計算后，獲得了所有不同機(jī)械的臺班的消耗量，將其乘以對應(yīng)能源消耗的碳排放因子后，即可獲得對應(yīng)的機(jī)械部分的全工程碳排放情況。在獲取所有的機(jī)械碳排放數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行排序累加，進(jìn)行碳排放分析，得到碳排放結(jié)果如圖5所示。圖5機(jī)械排放碳排放分析圖Fig.5Mechanicalemissioncarbonemissionanalysischart數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，Φ2500mm以內(nèi)回旋鉆機(jī)在所有機(jī)械的總碳排放中占比最大，達(dá)24.8%，從第11個機(jī)械開始，機(jī)械碳排放累計百分比出現(xiàn)了1個較大的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)前的11種機(jī)械占據(jù)了50種機(jī)械總碳排放的78.4%。這11種機(jī)械依次為：Φ2500mm以內(nèi)回旋鉆機(jī)、數(shù)控立式鋼筋彎曲中心、32kV·A以內(nèi)交流電弧焊機(jī)、Φ150mm以內(nèi)電動多級水泵、25t以內(nèi)汽車式起重機(jī)、6m3以內(nèi)混凝土攪拌運(yùn)輸車、50kN以內(nèi)單筒慢動電動卷揚(yáng)機(jī)、12t以內(nèi)汽車式起重機(jī)、12t內(nèi)80m高塔式起重機(jī)、100m3/h以內(nèi)混凝土攪拌船和30kN以內(nèi)單筒慢動電動卷揚(yáng)機(jī)。這11種機(jī)械應(yīng)納入施工方和企業(yè)設(shè)計時的碳排放控制重點(diǎn)，其中，應(yīng)重點(diǎn)對Φ2500mm碳排放情況進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化。3.5運(yùn)輸碳排放占比分析進(jìn)行機(jī)械碳排放分析的同時，分析機(jī)械運(yùn)輸材料時的排放數(shù)據(jù)，如圖6所示。圖6運(yùn)輸機(jī)械碳排放占比Fig.6Carbonemissionratiooftransportmachinery數(shù)據(jù)分析的結(jié)果顯示，100t以內(nèi)