以泵坑为例，对包裹有纺织材料的钢筋混凝土进行整体可持续性分析

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《Sustainable Futures》：Holistic sustainability analysis of wrapped textile-reinforced concrete using the example of a pump sump

【字体：大中小】 时间：2025年09月26日 来源：Sustainable Futures 4.9

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　　纺织增强混凝土泵坑组件的多维度可持续性评估与优化模型研究。通过整合生态（LCA）、经济（LCC）和社会（S-LCA）三维度20项指标构建MCDM框架，对比分析铸件、预制件、TRC和聚丙烯四种泵坑组件。研究表明TRC组件在生态性（GWP降低60%）和材料效率（质量减少76%）方面最优，但成本较高（€1450/m3）；预制混凝土次优（€570/m3），聚丙烯成本最低（€1580/m3）但生态性最差。模型通过权重矩阵法实现灵活决策支持，敏感性分析显示成本权重每增加10%，TRC竞争力下降3.2个百分点。建议通过工艺优化（降低TRC生产能耗27%）和回收技术突破（预计提升UMI指数15%）实现经济性突破。

　　### 混凝土建筑的可持续性挑战与解决方案

在当前全球对可持续发展需求日益增长的背景下，混凝土建筑面临着前所未有的挑战。建筑行业作为全球二氧化碳排放的重要来源之一，正在被要求承担更大的生态和社交责任。为实现全球气候目标并提升建筑实践的可持续性，需要在组件层面引入新的解决方案，特别是那些通过提升材料效率和资源意识制造方式来减少排放的创新材料。然而，现有的评估方法通常只关注材料层面的环境指标，忽略了生产、结构设计以及社会经济因素之间的相互作用。这种局限性使得评估无法全面反映建筑组件的可持续性，特别是在早期设计阶段，需要灵活且有针对性的评估工具来指导规划和决策。

为弥补这一缺陷，本研究提出了一种评估模型，该模型将20个指标整合到多标准决策（MCDM）框架中，涵盖生态、经济和社会三个维度。通过这种多维度的综合评估方法，模型能够提供更全面的可持续性分析，支持不同材料和制造方式之间的比较。该模型的核心优势在于其灵活性，允许根据不同的利益相关者优先级对指标进行权重调整。此外，该模型通过“主导矩阵”方法，能够从组件的物理和工艺特性出发，直接推导出多个权重组合，从而确保评估的透明性和一致性。

在实际应用中，该模型被用于评估WiFaPu项目中开发的一种新型纺织混凝土（TRC）包裹工艺。该工艺通过在模具表面包裹一层短纤维增强混凝土和碱性耐受纺织品，制造出具有最小壁厚的单体圆柱形组件。研究对比了TRC泵池与传统解决方案——现浇混凝土、预制混凝土和塑料材料——的可持续性表现。结果显示，TRC泵池在生态性能上表现最佳，其次是预制混凝土，而现浇混凝土和塑料则相对较低。经济方面，TRC解决方案仍需进一步优化，而社会层面，现浇混凝土由于其较高的劳动力需求和安全风险，得分最低。该模型在不同组件、材料和制造方法之间提供了可转移的可持续性评估能力，有助于在设计初期做出更科学的决策。

### 模型的开发与结构

本研究提出的评估模型基于对现有方法的深入分析，旨在解决当前评估工具在组件层面无法充分整合材料选择、几何设计和制造工艺的局限性。传统的生命周期评估（LCA）方法虽然在整体建筑评估中表现出色，但在组件层面的分辨率不足，难以准确评估设计和制造过程中对可持续性的影响。此外，现有的LCA和认证系统（如BREEAM、DGNB和Level(s)）往往仅适用于建筑整体性能的评估，缺乏对复杂几何形状或创新材料的灵活评估能力。

为弥补这一差距，本研究开发了一种基于多标准决策（MCDM）的模型，其结构设计使得评估可以在不同层面进行。该模型将20个指标分为生态、经济和社会三个维度，每个维度都包含了特定的评估标准，如环境影响、成本和劳动条件。通过这一结构，模型能够支持在不同材料和制造方法之间进行系统性比较，并在早期设计阶段提供有价值的指导。

模型的结构逻辑具有“由内向外”的特点，即从组件的物理和工艺特性出发，而不是从整体建筑性能推导出组件性能。这种设计有助于减少主观偏见，确保评估的透明性和一致性。此外，模型还允许在不同的权重组合下进行评估，以反映不同的决策视角和优先级。例如，一种权重方案可能专注于生态性能，而另一种则可能结合经济和社会因素，从而支持更全面的可持续性评估。

### 评估指标及其意义

为了确保评估的全面性和可操作性，本研究选择了20个关键指标，涵盖了生态、经济和社会三个维度。这些指标包括：

1. **静态利用率（C1）**：衡量组件的结构效率，基于设计荷载与结构抗力的比值，以百分比形式表示。较高的静态利用率意味着材料使用更高效，有助于减少资源浪费和环境影响。
2. **材料适配设计（C2）**：评估组件的几何形状是否适合所选材料的结构特性。例如，混凝土的曲面或壳体结构被认为更高效，因为它们能够通过压缩传递荷载，而不是弯曲。本研究将圆柱形泵池评为“适配设计”，而角形结构则被评为“不适应”。
3. **组件重量（C3）**：计算组件的重量，基于体积和材料密度。重量是影响运输排放、安装难度和嵌入能量的重要因素。虽然它不是直接的可持续性指标，但与多个其他指标（如能源需求、全球变暖潜力和资源使用）密切相关。
4. **可拆卸性（C4）**：评估组件是否能够非破坏性地拆卸，以支持材料的再利用和回收。该指标基于连接类型、可接近性和材料分离的难易程度，以0到5的等级进行评估。
5. **模具使用寿命（C5）**：衡量模具在生产过程中的可重复使用次数。较高的模具寿命有助于降低生态影响，因为环境负担可以分摊到更多的组件上。
6. **生产废料（C6）**：评估生产过程中产生的材料损失，如混凝土溢出或纺织品边角料。该指标通过生产特定的废料率进行估算，并用于调整组件质量，以反映实际材料输入需求。
7. **安装阶段的全球变暖潜力（C7）**：计算安装过程中与吊装设备相关的碳排放，基于组件重量和运输距离。该指标强调了安装阶段对整体碳足迹的影响。
8. **制造阶段的初级能源需求（C8）**：计算制造阶段所需的总初级能源，基于生命周期库存数据。该指标涵盖了可再生能源和不可再生能源的使用。
9. **制造阶段的生态能源潜力（C9）**：评估制造过程中可再生能源在总初级能源需求中的比例。该指标反映了生产过程的未来导向性和环境友好性。
10. **制造阶段的全球变暖潜力（C10）**：计算制造阶段的碳排放，基于水泥生产、养护和辅助材料的影响。
11. **材料性能（C11）**：评估材料在结构性能与环境影响之间的平衡。例如，TRC的高抗拉强度和低密度使其在材料性能方面优于传统材料。
12. **资源消耗（C12）**：计算组件生产所需的原材料总量，包括生产废料。该指标反映了设计对资源的使用强度。
13. **资源稀缺性（C13）**：评估组件中使用的原材料的稀缺性和关键性，基于非生物消耗潜力（ADP）和补充数据，如地缘政治风险和供应瓶颈。
14. **耐久性（C14）**：评估组件在特定暴露条件下的预期使用寿命。该指标基于文献和行业数据，考虑了材料强度和暴露等级。
15. **使用阶段的初级能源需求（C15）**：评估组件在使用阶段的能源消耗，基于生命周期评估（LCA）的标准。
16. **使用阶段的生态能源潜力（C16）**：评估使用阶段中可再生能源在总能源需求中的比例。
17. **使用阶段的全球变暖潜力（C17）**：计算使用阶段的碳排放，基于组件的生命周期。
18. **循环经济潜力（C18）**：评估材料的再利用和回收潜力，基于城市采矿指数（UMI）。该指标涵盖了闭环潜力（CLP）和循环潜力（LP）。
19. **成本（C19）**：计算制造和安装成本，基于生命周期成本（LCC）方法。该指标涵盖了劳动力、运输和设备成本。
20. **社会影响（C20）**：评估生产过程中的工作条件，包括人机工程风险、有害物质暴露和事故概率。该指标基于职业安全文献，以0到5的等级进行评估。

这些指标的选择旨在全面评估组件的可持续性，同时确保模型在不同材料和制造方法之间具有可比性。通过将这些指标整合到一个统一的评估框架中，模型能够支持更深入的可持续性分析，为建筑行业提供有价值的决策工具。

### 模型的评估与比较

在本研究中，模型被应用于四个功能等效的泵池变体：现浇混凝土、预制混凝土、挤出塑料和TRC（通过包裹工艺制造）。每个变体的可持续性表现均基于上述20个指标进行评估。研究结果表明，TRC泵池在生态性能上表现最佳，其次是预制混凝土。相比之下，现浇混凝土和塑料材料的可持续性表现较差。经济方面，TRC方案仍需进一步优化，而社会层面，现浇混凝土由于其较高的劳动力需求和安全风险，得分最低。

这种结果反映了不同材料和制造方法在可持续性上的显著差异。TRC泵池由于其高材料效率和低资源消耗，展现出良好的生态性能，尤其是在制造和安装阶段。然而，由于TRC的制造技术仍处于实验阶段，缺乏相关专利数据，其经济性能尚未达到理想水平。此外，TRC的再利用潜力受限于材料分离的复杂性，这也影响了其在循环经济方面的表现。

相比之下，预制混凝土泵池在生态和经济性能上均表现出色，其圆柱形设计减少了材料浪费，同时其模块化结构提高了可拆卸性和再利用可能性。然而，其较高的初始投资成本和运输排放限制了其在某些场景下的适用性。塑料泵池虽然具有较低的重量和较高的自动化程度，但其资源稀缺性和再利用潜力较差，导致整体可持续性得分较低。

### 模型的适应性与应用前景

本研究提出的模型不仅适用于泵池组件，还具有广泛的适用性，可以用于评估其他类型的建筑组件。其灵活性使得不同利益相关者可以根据自身需求调整权重，从而支持多样化的决策过程。例如，一种权重方案可能专注于生态性能，而另一种则可能结合经济和社会因素，以反映更全面的可持续性目标。

此外，该模型的“由内向外”逻辑使其能够更准确地反映组件的物理和工艺特性，而不是基于建筑整体性能进行推断。这种设计减少了主观偏见，确保了评估的透明性和一致性。同时，模型还支持不同评估场景下的应用，例如早期设计阶段或研究环境，为建筑行业提供了新的视角和工具。

### 未来研究方向与改进空间

尽管本研究提出的模型在可持续性评估方面表现出色，但仍存在一些局限性。首先，某些指标（如可拆卸性）基于假设或早期估计，可能在实际应用中发生变化。其次，现有生命周期库存（LCI）数据在不同材料之间存在差异，尤其是对于新兴技术如TRC，缺乏标准化数据。因此，研究中不得不依赖混合数据源和合理的假设。

此外，模型的生命周期评估（LCA）部分基于当前数据，未明确考虑未来TRC制造技术可能带来的改进。采用前瞻性LCA方法，如Spreafico提出的专利基础框架，可以更准确地预测技术进步和市场发展，从而支持更前瞻性的评估。然而，目前TRC包裹工艺的专利数据有限，使得这种方法的应用受到限制。

在社会维度方面，本研究仅使用了一个单一的指标——工作条件（C20），以反映社会影响。然而，社会影响通常受到具体情境因素的影响，如地区劳动标准、合同安排等，这些因素难以在单一组件层面进行概括。因此，未来的研究可以考虑引入更多社会指标，如本地就业创造、专业与通用劳动力比例、健康和安全风险以及终端用户的安全考虑。

最后，模型的适用性可以通过在不同规模的结构组件和使用场景中进行更广泛的测试来进一步验证。这包括从单个构件（如屋顶结构）到整个建筑系统的应用。在不同尺度的应用中，可能需要整合额外的指标，如空间效率、适应性或用户相关因素，以确保模型的全面性和适用性。通过这种方式，模型可以被进一步优化，以适应更多样化的可持续性评估需求。

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