模块化与传统高层建筑全生命周期碳排放评估

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Comparative life-cycle carbon assessment of modular and conventional high-rise building construction

　　

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  生命周期碳评估比较了模块化建筑与传统建筑。
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  模块化建筑每单位面积的生命周期碳排放低5.6%。
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  模块化建筑每单位面积的生产阶段碳排放低8.2%。
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  模块化建筑每单位面积的寿命终结阶段碳排放低14.5%。
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  碳排放对重复使用和运输假设较为敏感。

引言

全球变暖加剧了极端天气事件的频率和严重程度，减少温室气体（GHG）排放以实现碳中和已成为国际共同目标[[1], [2], [3]]。《巴黎协定》明确规定将全球气温升高控制在2°C以下，并努力将其限制在1.5°C。建筑业作为主要能源消耗行业，约占全球碳排放的39%，对气候变化贡献显著[[4], [5], [6], [7], [8]]。因此，该行业必须优先采取减少能源使用和温室气体排放的措施[[9], [10], [11], [12], [13]]。

模块化建筑是一种基于体量式预制的工厂化建筑方法[[14], [15], [16]]。它将建筑分解为三维体量模块，在受控的工厂条件下进行完全预制；该预制涵盖了结构制造和室内装修。这些模块随后运抵工地，利用工程连接系统组装成一体化建筑。每个模块作为一个独立的结构单元和自包含的功能空间，类似于建筑界的"乐高积木"，将标准化大规模生产与设计灵活性相结合[[17], [18], [19], [20]]。通过将工作流程从工地转移到工厂，该范式克服了传统现场施工的许多限制，推进了建筑过程的工业化[[21], [22], [23], [24]]。

此前有少数研究对模块化建筑的隐含碳排放进行了系统评估，部分研究还进行了模块化建筑与传统建筑的对比分析。表1总结了文献中报道的模块化建筑生命周期评估（LCA）研究，重点列出了项目地点、建筑类型、系统边界、功能单位、方法论和寿命终结处理方式。Zhang等人[25]开发了一个多层级时空隐含碳评估模型，从摇篮到施工结束阶段研究了钢结构模块化高层住宅的隐含碳，并与传统混凝土建筑进行了对比分析，以阐明能否以及如何实现隐含碳减排。这些发现可为模块化建筑的系统性脱碳实践提供指导。Wu等人[26]建立了一个多层级分析框架，从摇篮到使用结束阶段检查和对比了体量式模块化建筑（VMC）与预制板材建筑（PC）的隐含碳，整合了时间和空间维度，并提出了针对性的低碳优化建议。这些发现既可作为高层VMC隐含碳研究的有价值参考，也为将VMC纳入碳市场提供了支持，从而助力行业层面的碳减排工作。Zhang等人[27]对比了一栋混凝土模块化高层建筑和一栋预制板材建筑从摇篮到施工结束阶段的隐含碳。结果表明，混凝土模块化建筑在生产和运输阶段可降低14.6%的隐含碳，但由于双层板问题，施工阶段的隐含碳增加了20%。Wen等人[28]对比了一栋钢结构模块化建筑和一栋混凝土模块化建筑的隐含碳。钢结构模块化建筑从摇篮到施工结束阶段的隐含碳比混凝土模块化建筑高248.67 kg CO₂e/m²。然而，钢结构模块化建筑在寿命终结阶段展现出更大的碳减排潜力，其减排量是混凝土模块化建筑的4倍以上。Wei等人[29]以启德社区隔离设施（CIF）项目为案例，对比了模块化集成建筑（MiC）和传统建筑从摇篮到施工结束阶段的隐含碳。MiC方法产生了46,024 t CO₂e的隐含碳，比传统建筑相关的58,005 t CO₂e降低了20.7%。Jang等人[30]分析了韩国一栋模块化住宅建筑在材料生产阶段的隐含碳，并与同等规模的传统住宅建筑进行了对比。模块化建筑材料的隐含碳总量为135,787 kg CO₂e，与传统钢筋混凝土建筑相比，材料生产阶段减少了36%。

尽管这些研究从某些方面评估了模块化建筑的碳减排优势，但模块化建筑与传统建筑在整个生命周期——包括运营和寿命终结阶段——的碳排放差异仍然不明确。模块化建筑的一个核心优势是其易于拆卸和重新组装，这可以实现较高的回收率，从而带来额外的碳减排效益。Zhang等人[31]利用LCA方法建立了模块化建筑寿命终结阶段的碳排放模型，并以香港一栋高层钢结构模块化住宅建筑进行了验证。结果表明，该案例建筑在寿命终结阶段的碳排放为-764.40 kgCO₂e/m2，显示出显著的碳减排潜力。然而，尽管该研究填补了模块化建筑寿命终结阶段碳排放方面的空白，但并未讨论模块化建筑在整个生命周期的总碳排放方面是否仍具有优于传统建筑的碳减排优势。总之，在一致的项目背景下评估功能性可比的高层模块化建筑与传统建筑（包含运营和寿命终结阶段）的现有证据仍然有限。

本研究采用基于过程的LCA方法，系统评估了采用模块化方法和传统方法建造的高层建筑从摇篮到寿命终结的碳排放。此外，现有研究主要采用案例研究方法进行碳排放评估，但所选的对比案例很少在结构布局、功能要求等方面实现一致性，这给碳排放评估带来了一定程度的不确定性。为避免这一问题，本文选取烟台的两栋高层建筑作为案例研究对象。这两栋建筑由同一家承包商开发，具有高度可比性的建筑布局和功能配置。本文对这两栋建筑进行了生命周期碳排放对比评估，并基于计算结果分析了模块化建筑的碳减排效果。最后，对影响模块化建筑碳减排效率的运输距离、模块重复使用率和模块重复使用频率进行了敏感性分析，并据此提出了针对性的碳减排建议。

章节摘要

研究方法

本研究采用了结合LCA与案例研究的综合方法。LCA方法旨在系统评估和量化建筑在整个生命周期内的碳排放，涵盖原材料开采、生产、运输、施工、运营和最终废弃物处理的完整过程[40]。国际标准化组织（ISO）将LCA过程分为四个步骤：目标与范围定义、生命周期清单

案例研究

选取烟台的一个建设项目作为案例研究（表5和图1）。该项目由裙楼和两座塔楼（A塔楼和B塔楼）组成。总建筑面积为116,896.73 m2，建筑高度为78.4 m。建筑共20层地上楼层和4层地下楼层，设计使用寿命为50年。A塔楼采用中建国际控股有限公司独立研发的"MiC模块与钢框架支撑"结构体系

生产阶段

A塔楼在生产阶段的碳排放主要来自两个来源：MiC模块所用材料和现场施工所用材料。MiC模块材料和现场施工材料的碳排放分别为154.93 kgCO₂e/m²和622.74 kgCO₂e/m²，总计777.67 kgCO₂e/m²。现场施工材料的碳排放占比超过75%，是该阶段的主要贡献因素。

生产阶段碳减排效果分析

材料生产阶段是建筑生命周期碳排放的主要贡献因素，通常占总量的40%~50%。模块化建筑在该阶段的碳减排潜力主要来自材料使用效率的提高。与传统现场施工相比，后者受环境和管理因素影响较大，因此材料损耗率更高，而模块化建筑采用精确切割技术，可以

结论

本研究采用基于过程的LCA方法，评估了模块化建筑与传统高层建筑从摇篮到寿命终结的碳排放，建立了涵盖生产、运输、施工、运营和寿命终结阶段的计算模型。选取烟台的一栋模块化高层建筑和一栋传统钢框架高层建筑进行了案例研究，以验证计算模型并分析碳排放的差异

CRediT作者贡献声明

Hongyuan Wei：数据整理，撰写——初稿，撰写——审阅与编辑。 Qiong Wang：监督指导，项目管理。 Baojun Zhao：监督指导，项目管理。 Ke Cao：可视化，调查研究，撰写——审阅与编辑。 Yanbo Wang：概念构思，方法论，验证，撰写——审阅与编辑。

作者声明

Hongyuan Wei：数据整理，撰写——初稿，撰写——审阅与编辑。 Ke Cao：可视化，调查研究，撰写——审阅与编辑。 Qiong Wang：监督指导，项目管理。 Baojun Zhao：监督指导，项目管理。 Yanbo Wang：概念构思，方法论，验证，撰写——审阅与编辑。

CRediT作者贡献声明

Hongyuan Wei：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，数据整理。 Qiong Wang：监督指导，项目管理。 Baojun Zhao：监督指导，项目管理。 Ke Cao：撰写——审阅与编辑，可视化，调查研究。 Yanbo Wang：撰写——审阅与编辑，验证，方法论，概念构思。

Hongyuan Wei|Qiong Wang|Baojun Zhao|Ke Cao|Yanbo Wang