宋 陽 劉 浩 趙 奕

(1．東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110004;2．沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧沈陽110044;3．沈陽大學(xué)基建處，遼寧沈陽110044;4．沈陽大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，遼寧沈陽110044)

民用建筑生命周期固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力

宋 陽1劉 浩2，3趙 奕4

(1．東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110004;2．沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧沈陽110044;3．沈陽大學(xué)基建處，遼寧沈陽110044;4．沈陽大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，遼寧沈陽110044)

降低民用建筑生命周期固體廢棄物排放帶來的資源環(huán)境壓力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐步走上資源減量化和環(huán)境減壓化的軌道，是全社會面臨的共同問題。本文借用生態(tài)足跡方法和能值分析方法，構(gòu)建了民用建筑生命周期各階段固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力計算模型，并以沈陽市圖書館為例，進(jìn)行了實證研究。結(jié)果表明:廢棄水泥排放引起的資源環(huán)境壓力分別占施工階段生態(tài)足跡的48．56%，占使用與維護(hù)階段生態(tài)足跡的82．78%，占拆除及廢棄建材處置階段生態(tài)足跡的56．73%;而廢棄商品混凝土排放造成的資源環(huán)境壓力在施工階段生態(tài)足跡和拆除及廢棄建材處置階段生態(tài)足跡中的比例分別為31．90%和37．26%;就生命周期各階段而言，拆除及廢棄建材處置階段固體廢棄物排放的資源占用足跡最大，占總足跡的92．91%，使用與維護(hù)階段資源占用足跡最小，占總足跡的1．06%。因此，民用建筑在生命周期各階段削減固體廢棄物排放量的重點是減少水泥和商品混凝土的用量，多開發(fā)可替代混凝土結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)形式的民用建筑。

民用建筑;生命周期;固體廢棄物;資源環(huán)境壓力;生態(tài)足跡

建筑垃圾是城市固體廢物的主要組成部分，我國建筑垃圾的數(shù)量已占到城市垃圾總量的30%－40%。據(jù)對磚混結(jié)構(gòu)、全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)等建筑的施工材料損耗的粗略統(tǒng)計，在每萬平米建筑的施工過程中，僅建筑垃圾就會產(chǎn)生500－600 t;而每萬平米拆除的舊建筑，將產(chǎn)生7 000－12 000 t建筑垃圾［1］。這些建筑垃圾排放量大、種類較多，再利用價值很低而且難以降解，大多數(shù)只能運往郊區(qū)露天堆放或按照普通垃圾填埋處理，不僅占用了大量土地、改變土壤特性、污染周圍環(huán)境，而且還擠占了生活垃圾的填埋空間，大大縮短垃圾填埋場的使用壽命，如不妥善處理，這些廢棄物將成為一種嚴(yán)重的公害［2］。本文對與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的民用建筑生命周期各類固體廢棄物排放進(jìn)行分類，借助生態(tài)足跡方法和能值分析方法，構(gòu)建度量固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力計算模型，并以沈陽市圖書館為例展開實證研究。為采取有效措施將固體廢棄物排放帶來的資源環(huán)境壓力控制在自然承受能力范圍內(nèi)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐步走上資源減量化和環(huán)境減壓化的軌道提供有益的借鑒。

1 民用建筑生命周期

1．1 民用建筑

建筑物按照使用性質(zhì)，通?？梢苑譃樯a(chǎn)性建筑，即工業(yè)建筑、農(nóng)業(yè)建筑;非生產(chǎn)性建筑，即民用建筑。其中，民用建筑由居住建筑和公共建筑組成，居住建筑包括住宅建筑和宿舍建筑;公共建筑包括教育建筑、辦公建筑、科研建筑、文化建筑、商業(yè)建筑、體育建筑、醫(yī)療建筑、交通建筑、司法建筑、紀(jì)念建筑、園林建筑、綜合建筑等［3］。

1．2 生命周期

1．2．1 目標(biāo)和范圍的確定

考察民用建筑的生命周期，就是將民用建筑看作產(chǎn)品，運用工業(yè)產(chǎn)品生命周期方法進(jìn)行分析的過程。盡管任一建筑都可能包含幾十種基本材料和大約上千件單獨的產(chǎn)品，每種產(chǎn)品都有各自的使用壽命和各不相同的生產(chǎn)、維護(hù)和處置方法，但從系統(tǒng)論的思想出發(fā)，這些產(chǎn)品所形成的建筑卻始終按照相同的軌跡經(jīng)歷著自身的生命周期階段［4］。本文將民用建筑生命周期劃分為四個階段，即原料開采及建材生產(chǎn)階段、施工階段、使用與維護(hù)階段、拆除及廢棄建材處置階段，這個過程伴隨著各類資源占用和各類廢棄物排放以及產(chǎn)生巨大的環(huán)境壓力。因此，計算民用建筑生命周期固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力也就是計算各類廢棄建筑材料的資源環(huán)境壓力。

1．2．2 清單分析

在確定目標(biāo)和范圍的基礎(chǔ)上便可收集數(shù)據(jù)清單，這是對已設(shè)定的民用建筑生命周期各類固體廢棄物排放進(jìn)行定量化的技術(shù)過程。它對系統(tǒng)邊界內(nèi)輸入輸出參數(shù)或邊界參數(shù)進(jìn)行定量描述，包括消耗的建筑材料種類、工程量、廢棄比例等等。這些數(shù)據(jù)絕大部分可從施工圖紙或預(yù)算書、決算書中直接得到，不能直接得到的可通過估算或查閱相關(guān)資料獲得。

2 民用建筑生命周期固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力計算模型

民用建筑生命周期中固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力主要考慮施工階段和使用與維護(hù)階段因施工工藝損耗或施工、修繕維護(hù)管理不善等原因建筑材料廢棄的資源環(huán)境壓力，拆除與廢棄建材處置階段建筑垃圾排放的資源環(huán)境壓力。而建筑材料在原料開采及建材生產(chǎn)階段的固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力因數(shù)據(jù)缺乏，本文未予考慮。因此，民用建筑生命周期固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力計算模型由三個部分組成，具體如下:

式中，EFsw表示生命周期固體廢棄物排放的資源占用足跡;EFswc表示施工階段固體廢棄物排放的資源占用足跡;EFswu表示使用與維護(hù)階段固體廢棄物排放的資源占用足跡;EFswd表示拆除及廢棄建材處置階段固體廢棄物排放的資源占用足跡。

2．1 施工階段

當(dāng)建筑材料i工程量單位以重量(t、kg)表示，固體廢棄物排放的資源占用足跡計算模型如下:

當(dāng)建筑材料i工程量單位以體積(m3)表示，通過建筑材料的表觀密度將工程量轉(zhuǎn)化為重量單位表示，固體廢棄物排放的資源占用足跡計算模型如下:

式中，k表示土地的類型;γk表示第類土地的等量因子，取值具體見表1;ERR(Emergy/radio)表示能值/貨幣比率，單位為sej/，根據(jù)研究區(qū)域民用建筑施工時間取表2中數(shù)值;EPA(Emergy per area)表示研究區(qū)域的能值密度，單位為sej/hm2，根據(jù)研究區(qū)域民用建筑竣工時間取表2中數(shù)值;n表示所使用建筑材料種類;mki表示建筑材料i的使用量或價格，通常以面積(m2)、體積(m3)、重量(t或kg)或價格)表示;δki表示在施工過程中因施工工藝損耗或施工管理不善等原因建筑材料i被廢棄的比例，所用參數(shù)見表3;ρki表示單位建筑材料i的表觀密度，單位為 kg/m3，所用參數(shù)見表 3;STEki(Solar transformity of Emergy)表示建筑材料i的太陽能值轉(zhuǎn)換率，單位為sej/kg，所用參數(shù)見表3。

表 1 等量因子 ［5－6］Tab．1 Equivalent factor

表2 遼寧省能值密度和能值/貨幣比率［7－8］Tab．2 Emergy per area and emergy/ radio in Liaoning province

表2 遼寧省能值密度和能值/貨幣比率［7－8］Tab．2 Emergy per area and emergy/ radio in Liaoning province

年份Year能值密度Emergy per area(1016sej/hm2)能值/貨幣比率Emergy/Y radio(1011sej/Y )1999 2．32 8．53 2000 2．53 8．37 2001 2．67 8．18 2002 2．83 8．01 2003 3．08 7．96 2004 3．39 7．93 2005 3．69 7．25

2．2 使用與維護(hù)階段

民用建筑在使用過程中，根據(jù)不同建筑材料的使用壽命，需要對民用建筑進(jìn)行維護(hù)和修繕，固體廢棄物排放的資源占用足跡與施工階段計算方式相近。

當(dāng)建筑材料i工程量單位以重量(t、kg)表示，固體廢棄物排放的資源占用足跡計算模型如下:

表3 建筑材料的常用數(shù)據(jù)［7－16］Tab．3 Frequently-used data of building materials

當(dāng)建筑材料i工程量單位以體積(m3)表示，通過建筑材料的表觀密度將工程量轉(zhuǎn)化為重量單位表示，固體廢棄物排放的資源占用足跡計算模型如下:

式中，Bki表示不同建筑材料的使用壽命，單位為年(a)，具體取值見表運算結(jié)果向上取整數(shù)，表示扣除民用建筑在使用前建筑材料消耗外，民用建筑在使用與維護(hù)階段因維護(hù)和修繕再次使用材料i的次數(shù)。以涂料為例，其使用壽命為10年，在建筑的整個生命周期當(dāng)中，除了投入使用前所消耗涂料外，還需要考慮另外4次的維護(hù)修繕使用。

表4 常用建材或構(gòu)件的使用壽命［9－10］Tab．4 Life of common building materials or components

2．3 拆除及廢棄建材處置階段

本階段主要考慮建筑垃圾排放即不可回收廢舊建材排放所引起的環(huán)境壓力，根據(jù)建筑材料i工程量單位的不同，采取不同的計算模型。

當(dāng)建筑材料i工程量單位以重量(t、kg)表示，固體廢棄物排放的資源占用足跡計算模型如下:

當(dāng)建筑材料i工程量單位以體積(m3)表示，通過建筑材料的表觀密度將工程量轉(zhuǎn)化為重量單位表示，固體廢棄物排放的資源占用足跡計算模型如下:

式中，Rki表示廢舊建材的回收比例，取值見表5。

表5 常用廢舊建材的回收利用比率［11］Tab．5 Recycling ratio of common wasted building materials

3 實證研究

3．1 變量選取與數(shù)據(jù)整理

本文以民用建筑分類中公共建筑－沈陽市圖書館為例。該建筑占地面積13 380 m2，總建筑面積40 269 m2，其中，地上 31 434 m2，地下 8 834 m2，主樓高度 33．0 m，地下一層地上九層，容積率0．84，綠化率53．17%。根據(jù)《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》，本工程為一類高層建筑，耐火等級為Ⅰ級。建筑采用新型復(fù)合型保溫節(jié)能墻體設(shè)計，減少粘土磚用量。結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土組合梁，壓型鋼板與混凝土組合樓板。抗震設(shè)防類別為丙類，安全等級Ⅱ級，設(shè)計使用年限50年。

本文選取了商品混凝土、水泥、墻地面材料、鋼材、砂石、玻璃及制品、石材、其它金屬、涂料和各種非金屬管材等共計10類近20種主要且常用的建筑材料(各種原材料的消耗如表6所示)作為分析對象，基于上述模型，考察比較沈陽市圖書館在施工階段、使用與維護(hù)階段、拆除及廢棄建材處置階段各類建筑材料固體廢棄物排放的資源占用足跡。并比較該建筑在生命周期各階段的資源環(huán)境壓力。

表6 沈陽市圖書館主要建筑材料消耗清單Tab．6 Consumption inventory of main building materials of Shenyang Municipal Library

3．2 施工階段的資源環(huán)境壓力

施工階段各類建筑材料固體廢棄物排放的資源占用足跡計算結(jié)果見圖1所示。由圖可知，固體廢棄物排放的資源占用總足跡為169．00 hm2，水泥、商品混凝土、鋼材和墻地面材料是本階段固體廢棄物排放的資源占用主要組成部分，排放足跡分別為 82．07 hm2，53．91 hm2，14．49 hm2，13．69 hm2，分別占本 階段總足 跡的 48．56%，31．90%，8．57%和 8．10%。

圖1 施工階段固體廢棄物排放的資源占用足跡構(gòu)成Fig．1 Footprint composition of solid waste emission’s resources consumption in the construction phase

3．3 使用與維護(hù)階段的資源環(huán)境壓力

使用與維護(hù)階段固體廢棄物排放的資源占用總足跡為29．74 hm2，圖2列出了各類建筑材料固體廢棄物排放的資源占用足跡構(gòu)成。如圖所示，廢棄的水泥排放達(dá)到24．62 hm2，占本階段固體廢棄物排放的資源占用足跡的82．78%。因此，控制修繕維護(hù)所需水泥用量是降低本階段固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力的主要措施。

圖2 使用與維護(hù)階段固體廢棄物排放的資源占用足跡構(gòu)成Fig．2 Footprint composition of solid waste emission’s resources consumption in the usage and maintenance

3．4 拆除及廢棄建材處置階段的資源環(huán)境壓力

拆除及廢棄建材處置階段產(chǎn)生的建筑垃圾是民用建筑生命周期固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力的主要組成部分，根據(jù)公式8－10，計算得到了本階段固體廢棄物排放的資源占用足跡為2 604．16 hm2。組成固體廢棄物排放的各類建筑材料所產(chǎn)生的環(huán)境壓力如圖3所示，其中，水泥的排放足跡最大，為1 477．23 hm2，占本階段排放足跡的56．73%;其次為商品混凝土的排放足跡，達(dá)到970．43 hm2，占本階段排放足跡的37．26%;墻地面材料排放足跡為111．15 hm2，占本階段排放足跡的4．27%;其余7類建筑材料排放足跡之和為45．35 hm2。因此，削減建筑垃圾的排放量的重點是減少水泥和商品混凝土的用量。

圖3 拆除及廢棄建材處置階段固體廢棄物排放的資源占用足跡構(gòu)成Fig．3 Footprint composition of solid waste emission’s resources consumption at the stages of handling the dismantled and abandoned building materials

3．5 生命周期各階段的資源環(huán)境壓力

將上述三個階段固體廢棄物排放的資源占用足跡匯總，得到民用建筑生命周期固體廢棄物排放的資源占用足跡構(gòu)成情況。其中，拆除及廢棄建材處置階段固體廢棄物排放的資源占用足跡最大，達(dá)到2 604．16 hm2，占生命周期總足跡的92．91%;施工階段資源占用足跡為169．00 hm2，占生命周期總足跡的6．03%;使用與維護(hù)階段則最小，為 29．74 hm2，占生命周期總足跡的 1．06%。

4 結(jié)論

為更全面地反映各類固體廢棄物排放對生態(tài)環(huán)境造成的綜合壓力，本文把生態(tài)足跡方法與能值分析方法相結(jié)合，構(gòu)建了測度民用建筑生命周期各階段固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力計算模型，使固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力度量有了共同的計算基礎(chǔ)和可比性，實現(xiàn)了對固體廢棄物排放的資源環(huán)境壓力全面量化。實證研究的結(jié)果表明，廢棄的水泥排放和廢棄的商品混凝土排放是構(gòu)成生命周期各階段固體廢棄物排放的主要組成部分，也是引起固體廢棄物排放資源環(huán)境壓力的源頭。因此，民用建筑在生命周期各階段削減固體廢棄物排放量的重點是減少水泥和商品混凝土的用量，多開發(fā)可替代混凝土結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)或組合結(jié)構(gòu)形式的民用建筑。

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Resource-environmental Pressure Caused by Solid Waste Discharge from Civil Building Life-cycle

SONG Yang1LIU Hao2，3ZHAO Yi4
(1．College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang Liaoning 110004，China;2．College of Architectural and Civil Engineering，Shenyang University，Shenyang Liaoning 110044，China;3．Campus Construction and Management Department，Shenyang University，Shenyang Liaoning 110044，China;4．College of Economics，Shenyang University，Shenyang Liaoning 110044，China)

It is a common social task to reduce the resource-environmental pressure caused by solid waste discharge from civil building life-cycle and to promote resource reduction and environmental decompression．By methods of ecological footprint and emergy analysis and taking Shenyang Library as an example，resource-environmental pressure calculating model for solid waste discharge from each period of life-cycle is built for case analysis．The result shows that resource-environmental pressure caused by waste cement discharge accounts for 48．56%of ecological footprint in constructing period，and 82．78%in use and maintenance period and 56．73%in dismantled and discarded building material disposal period，while resource-environmental pressure caused by waste ready-mixed concrete discharge accounts for 31．90%of ecological footprint in constructing period and 37．26%in dismantled and discarded building material disposal period．In periods of life-cycle，resource-occupied footprint of solid waste discharge in dismantled and discarded building material disposal period accounts for the largest proportion with 92．91%of the whole and in use and maintenance period for the smallest proportion with 1．06%．Thus the emphasis of cutting down the solid waste discharge amount in periods of life-cycle of civil building is to reduce the application amount of cement and ready-mixed concrete，and to develop more civil buildings with steel structure which is substitutable for concrete structure or with combined structure．

civil building;life-cycle;solid waste;resource-environmental pressure;ecological footprint(EF)

F062．1

A

1002－2104(2012)04－0040－06

10．3969/j．issn．1002－2104．2012．04．008

2011－12－10

宋陽，博士生，主要研究方向為資源與生態(tài)經(jīng)濟(jì)。

劉浩，博士，講師，主要研究方向為綠色建筑、資源與生態(tài)經(jīng)濟(jì)。

遼寧省科學(xué)技術(shù)計劃(編號:2011230008);沈陽市科學(xué)技術(shù)項目計劃(編號:F11－264－1－14)。

(編輯:張 英)