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装配式建筑到底有多节能?

2016年09月28日 12:10  来源:中国地暖网  人气:878

为破解能源资源短缺矛盾,突破建筑业管理粗放和劳动密集的发展瓶颈,我国自1999年开始推进住宅预制装配式发展模式。住宅预制装配式的涵义是采用工业化生产方式来建造住宅,提高生产效率,降低成本,减少排放。住宅预制装配式多为预制装配式住宅,其建造施工过程较现浇住宅在资源能源节约、生态环境保护方面具有优势,而预制装配式住宅与现浇住宅进行节能减排和碳排放对比测算具有重要现实价值。

本文结合国际能源署研究框架协议之终端用能:建筑与社区节能ANNEX57《建筑构造过程能耗及碳排放评价》课题成果,对预制装配与现浇两种模式的节能减排进行比较研究,研究测算对象和框架,拟定研究模型,并在分析测算数据基础上提出建议。

一、国内外研究现状

预制装配式住宅在欧洲、北美和亚洲日本应用较为广泛,发展相对成熟、完善,对预制装配式住宅的节能减排效果也进行了一定的研究。欧盟的ecoinvent数据库是全球领先的生命周期清单数据来源。英国建筑研究所ENVEST软件,从设计阶段开始对建筑环境和资金两个方面进行衡量。美国环保局开发的BEES的计算过程包括原材料采购、制造、运输、安装、使用、回收利用和废物处理阶段,得出环境影响和经济效益。日本建筑师学会发布《建筑物的生命周期评价指南》并开发了计算软件。根据以上国家对建筑建造过程节能减排的研究,发达国家对预制装配式住宅建造阶段的研究多集中于材料节约和废弃物减量两个方面。

我国预制装配式建筑节能减排和温室气体排放研究尚处于起步阶段,在数据库建设和量化计算研究方面与国外尚有一定差距。王志宏教授主持的;材料环境协调技术及其应用研究取得了水泥、钢铁、陶瓷、建筑涂料等典型建筑材料环境影响数据。李小东等人提出基于建筑物生命周期碳排量的评价框架和方法。尚春静等人界定了建筑生命期的碳排放核算范围,明确了物化阶段包括材料生产、运输以及施工设备的能源消耗。王蕴以万科工业化实验楼为例,分析能耗和资源损耗。诸英霞对预制装配式建造模式较现浇建造模式在节能、节水、节地和环保方面的优势进行定性分析。纪颖波从建造过程的节地、节材和使用过程的节能、节水对预制装配式住宅优势进行可预测分析。

二、两类住宅测评

方案针对预制装配式和现浇方式住宅项目,对预制构件生产厂、商品混凝土搅拌站、预制装配式住宅施工现场和现浇住宅施工现场等环节,收集建筑工程材料和能源的消耗数据,对数据进行分类统计和对比研究,从资源消耗、生态破坏方面进行分析,得出两类住宅综合环境效益比较结论。

1、测评项目概况

选择京投万科新里程二期项目,本项目位于房山区长阳镇水碾屯村10-03-21地块。地块总用地面积为40603㎡,容积率为2.0,地上总建筑面积81206m2。其中1#、2#、4#、5#、7#、8#六栋为产业化住宅,地上总建筑面积为59424㎡。1#楼地上建筑面积8413㎡,地上13层,建筑高度36.4m;2#、4#、5#楼地上建筑面积9243㎡,地上12层,建筑高度33.6m;7#、8#楼地上建筑面积11641㎡,地上15层,建筑高度42m。1#、2#、4#、5#、7#、8#楼采用装配整体式剪力墙结构体系,抗震等级为二级。外墙板采用预制夹心保温外墙板,保温板为50厚阻燃型挤塑聚苯板。钢筋竖向连接方式采用钢筋套筒灌浆连接。

本文研究的数据及其监测针对该项目多个标准层的构件生产、运输、吊装施工安装过程。该项目产业化部分与现浇部分各方参建单位均相同,在同一施工现场内,避免由于管理措施、技术水平和材料供应的差异造成数据影响。

2、测评内容

将预制装配式和现浇住宅在制作方式、施工工艺上存在差异的部件作为重点比较对象,包括外墙、楼板、楼梯、阳台、飘窗、空调板和阳台装饰板。确定预制装配式住宅评价范围包括预制构件生产环节、施工安装。现浇住宅评价范围包括材料加工过程和现场施工安装过程。

3、测评数据分析

设计方和施工方对住宅施工影响责任有所不同。各类主要建筑材料由设计方决定,施工方决定影响因素包括:非投入结构的钢材、木材、水资源等施工辅助材料;施工机械设备运行消耗的汽油、柴油、电等能源消耗;施工过程产生的各类固体废弃物。上述两部分构成基础数据收集资料。设计环境数据可通过设计文件获取,施工环境影响数据可通过对构件生产工艺、现场装配工序进行系统分级和单元过程分解来进行收集。

具体包括:

建筑材料和构配件使用量:各类建筑材料、部品、构配件的投入量。

施工辅助材料及构配件:由施工方案确定的、非投入于结构中的钢材、木材、施工安装及外装修周转材料的消耗量等。

资源及能源消耗:施工运输、安装及外装修过程中消耗的水资源及各类机械运行消耗的汽油、柴油、电等。

固体废弃物:由于施工洒落、切割、拆除、丢弃、损坏产生的各类固体废弃物。

大气排放:施工机械运行、各类能源消耗引起的有害气体排放。

4、测评布点

设立四个监测点:预制构件生产厂、商品混凝土搅拌站、预制装配式住宅施工现场和现浇住宅施工现场。

制构件生产厂:资源消耗包括水资源和各类材料的消耗。能源消耗包括生产设备耗油量和耗电量。水资源消耗通过生产水表计量和工作量测算相结合的方法测量;各类一次性投入材料的消耗量通过工程量清单和材料投入清单获得。

商品混凝土搅拌站:资源消耗包括水资源和各类材料消耗。能源消耗包括生产设备的耗油量和耗电量。水资源消耗量根据厂方生产记录确定;各类一次性投入材料的消耗量通过工程量清单和材料投入清单获得。

预制装配式住宅施工现场:消耗主要包括水资源消耗以及各类施工辅助材料、构配件和周转材料的消耗量。能源消耗包括各类施工机械的耗油量和耗电量。水资源的消耗量通过生产水表计量和工作量测算相结合的方法测量;各类一次性投入材料的消耗量通过工程量清单和材料投入清单获得。

现浇住宅施工现场:资源消耗包括水资源消耗以及各类施工辅助材料、构配件和周转材料的消耗量。能源消耗包括各类施工机械的耗油量和耗电量。水资源的消耗量通过生产水表计量和工作量测算相结合的方法测量。

依托测评方案进行分析比较,找出我国预制装配式住宅发展尚需改进之处。本测评不涉及住宅使用和拆除阶段,也不包括施工人员生活能耗和生活垃圾。

三、两类住宅材料消耗比较分析

按照钢筋工程、混凝土工程、模板工程、运输工程和外装修工程分类统计,得出两种不同建造模式住宅主要材料消耗量。各类数据按照单位面积消耗量测算。

1、钢筋工程资源、能源消耗量分析

资源消耗 包括构成工程实体的结构钢筋用量、施工过程中措施钢筋和钢质预埋件的投入量。

能源消耗 包括结构钢筋、措施钢筋的加工耗电量以及钢质预埋件的加工、安装耗电量。

钢筋工程资源、能源消耗见表1。

▲ 钢筋工程资源、能源消耗数据表

2、混凝土工程资源、能源消耗量分析

资源消耗 包括预制构件生产和施工现场混凝土的消耗量;水资源消耗量包括现浇混凝土和预制构件的养护用水量以及施工机具的清洗用水量。

能源消耗 主要包括混凝土浇筑过程中的空压机和振捣器的耗电量、混凝土泵送车的耗油量、预制构件蒸汽养护锅炉耗煤量。为便于比较,将各类能源折算为标准煤消耗量。

混凝土工程资源、能源消耗见表2。

▲ 混凝土工程资源、能源消耗数据表

混凝土消耗方面:由于预制装配式预制外强采用夹心保温,墙体增加了50mm厚的混凝土保护层,而现浇住宅采用外墙粘贴保温板方式,只需10mm砂浆保护层。因此预制装配式住宅较现浇住宅混凝土用量偏大。

水资源消耗方面:由于构件厂在生产预制构件时采用的蒸汽养护,能较好控制养护时间和输气量,而施工现场采用人工浇水养护,用水量较难控制。因此,现浇模式平均用水量偏多。

能源消耗方面:

耗油量。施工现场混凝土浇筑依靠混凝土泵送车,而预制构件生产不产生油耗,因此现浇工程耗油量偏高。

耗电量。耗电量主要来自空压机和振捣器。空压机主要用于混凝土浇筑之前的模板清理。预制装配式住宅混凝土用量要高于现浇住宅,振捣器工作时间较长,耗电量较大。所以,预制装配式住宅混凝土工程耗电量偏高。

耗煤量。因预制构件需蒸汽养护,所以预制装配式住宅混凝土工程耗煤量高于现浇住宅。

3、模板工程资源、能源消耗量分析

模板工程分为木模板工程和钢模板工程两部分。前者包括木质模板和木方消耗量,后者包括钢质模板及钢质辅助杆件、扣件消耗量。模版工程资源、能源消耗见表3。

测评项目中木模板周转次数约为3。钢模板在现场施工中循环次数较多,根据全国统一建筑工程基础定额编制说明,大钢模板周转次数为200次,组合式钢模板由不同构件组成,主要构件周转次数为50~120次,考虑未来构件钢模板周转次数会增加,本研究将构件厂和施工现场的钢模板周转次数均设定为100次。

▲ 模版工程资源、能源消耗数据

一是预制构件减少了预制装配式住宅的木模板用量。预制构件制作全部使用钢模板,且构件安装需要大量支撑杆件,导致预制装配式住宅钢模板用量高于现浇住宅。

二是预制装配式住宅由于木模板用量较现浇住宅少,木模板的加工能耗少,能耗节省优势明显。同时,由于预制装配式住宅钢模板用量较现浇住宅大,因此钢模板的加工能耗较高。

4、外装修工程

外装修工程主要是保温施工。

根据帕累托80%原则,测算对象主要包括保温板、砂浆、粘结材料等。预制装配式住宅外墙夹心保温与结构使用寿命相同,为50年,而现浇住宅外墙外保温设计使用年限为25年。在计算中,取现浇住宅保温材料用量和施工能耗的两倍与预制装配式住宅进行对比。外装修工程资源、能源消耗见表4。

▲ 外装修工程资源、能源消耗数据

一是现浇外墙外保温采用EPS保温板,而预制构件夹心保温采用XPS保温板。由于XPS板厚度小于EPS板厚度,而两种板容重相近,因此预制装配式住宅保温板用量较少。

二是预制外墙XPS保温板通过阻热性能非常好的玻璃纤维连接件和结构混凝土连接在一起,不需粘接材料,同时混凝土保护层代替砂浆保护层,因此,预制装配式住宅保温板粘结材料和砂浆的用量较少。

三是现浇住宅外保温施工电动吊篮需要耗电,而预制构件保温板人工铺贴,不产生耗电量。

预制装配式住宅保温板、粘结材料、砂浆节省量和耗电量方面优势明显。

5、运输工程

运输工程分为场外运输和场内运输。

场外运输 包含各类建筑材料和构配件的运输,由于场外运输能耗与货物产地、运输路线、载重量、司机习惯关系密切,故测评不考虑场外运输。

场内运输 主要包括构件厂龙门吊运行和施工现场塔吊运行耗电量。预制装配式住宅多为大型构件吊装,而现浇住宅施工往往是将钢筋、混凝土等材料多次吊装,增加塔吊平移和空载升降次数,所以,现浇住宅塔吊用电量较预制装配式住宅明显增高。

运输工程资源、能源消耗见表5。

▲ 运输工程资源、能源消耗数据

6、施工废弃物

混凝土剪力墙结构建造废弃物包括钢材、木材、混凝土块、砂浆、保温材料等。本测评只对废弃钢材、混凝土、砂浆、保温材料进行测算。施工废弃物数据见表6。

一是钢材废弃物主要包括钢筋截料和破损扣件两部分。预制构件厂对钢筋截料回收后用于预埋件制作,所以,预制装配式住宅钢筋废弃量低于现浇住宅。

二是预制构件生产过程混凝土损耗量很小,混凝土废弃量低于现浇住宅。

三是砂浆废弃主要来自施工现场的外墙外保温施工,现浇住宅砂浆废弃量较大。

四是由于竖向施工操作面复杂、材料保护、工人操作水平和环保意识等不到位,导致现浇住宅保温板废弃量较大。如表6所示。

▲ 施工废弃物数据表

四、建造阶段碳排放比较

综合环境影响评价因素包括气候变暖、臭氧层破坏、酸化、富营养化等多个方面。本文重点针对碳排放影响因子进行数据比较。将现浇住宅和预制装配式住宅单位面积物资能源消耗,统一折算为碳排放指标,如表7所示。

▲ 碳排放数据表

五、结论和建议

1、研究结论

材料消耗

一是预制装配式住宅措施钢筋用量偏少,但构件预埋件偏高。综合计算,预制装配式住宅钢材用量略有节省。预制装配式住宅总钢材加工能耗节约优势不明显。若提高构配件标准化水平和构件厂钢模板周转次数,可有效降低预制装配式住宅钢材消耗量。

二是预制装配式住宅比现浇住宅外墙增加50mm的混凝土保护层,导致预制装配式住宅单位平方米混凝土用量较现浇住宅高。

三是预制装配式住宅在生产过程中采用周转次数高的钢模板替代木模板,同时叠合板起到模板作用,较大程度节约了木模版。如提高构件预制率会更大幅度地节省木材。

四是预制装配式住宅采用蒸汽养护,水用量控制严谨,比现浇模式节约水资源。

五是砂浆消耗。预制装配式住宅不需要砂浆及粘结材料。若提高外墙预制率,可进一步节省此类材料用量。

六是保温材料消耗。预制装配式住宅夹心保温材料寿命远高于现浇住宅;同时,外保温板材较薄,可有效节约保温板用量。

能源消耗

电耗方面

主要在四个方面有区别。

一是在场内运输方面,电耗差异最主要来源为运输工程的塔吊使用。预制装配式住宅多是大型构件吊装,而现浇住宅是将钢筋、混凝土等各类材料分多次吊装,现浇住宅塔吊用电量偏多。

二是在装修工程方面,预制装配式住宅预制外墙采用夹心保温,不需要使用电动吊篮。

三是现浇住宅木模板使用量大,加工能耗增加。

四是混凝土工程中预制装配式住宅混凝土消耗量较大,空压机振捣器工作量较大,耗电量增加。

所以,现浇住宅比预制装配住宅耗电量增加较大。

油耗和煤耗方面

现浇住宅混凝土浇筑使用泵车进行垂直向上浇筑,需要消耗大量柴油。而预制装配式住宅现场吊装主要是消耗电能。预制装配式住宅预制构件蒸汽养护中锅炉运行消耗煤,现浇住宅采用自来水养护,不消耗煤。

总之,从资源消耗水平上看,预制装配式住宅的优势主要体现在砂浆、木材、保温板及其他材料用量上,而在钢材、混凝土等主材消耗方面相比现浇住宅尚无优势。从能源消耗和废弃物产生量方面看,预制装配式住宅较现浇住宅具有明显优势。

2、发展建议

通过规模化发挥预制装配式住宅的节能减排效益

从测评和各地已完成的预制装配式住宅项目的建造和运行情况看,预制装配式住宅的经济、社会和环境效益明显,但目前我国预制装配式住宅面积总量还比较小,预制装配式住宅建设应成片开发,形成规模,才能充分体现预制装配式住宅的节能减排效益。

加大预制装配式住宅的标准化研究

预制装配式住宅规模化建设的前提是标准化,应从设计阶段就综合考虑标准化、集成化和集约化理念,引导叠合楼板、内外墙板、楼梯板、阳台板等预制构配件的系列化开发、规模化生产,促进预制装配式住宅项目建设工期缩短、成本降低以及运营管理效率提高,确保节能减排综合效益。

研究改革现行工程建设管理制度和模式

从管理角度而言,应尽快对与预制装配式建设模式相配套的部品生产、工程计价、招标投标、开工许可、工程监理、工程验收等环节进行建设管理制度改革探索,完善不同建造施工环节顺畅连接,减少现场工作量。

培养专业的预制装配式住宅的施工队伍

目前掌握预制装配式住宅设计、施工、管理能力的专业人员还比较缺乏,应注重能力建设,通过完善职业教育、加强人员培训等多种形式培养熟练的预制装配式施工队伍,达到提升效率、节约工期、减少时间成本的目的。

(完)
 
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