住房翻新中可拆卸隔墙组件的生命周期评估：一种离散事件模拟方法

《ENERGY AND BUILDINGS》：Life cycle assessment of disassemblable partition components in housing refurbishment: A discrete event simulation approach

　　•基于DEM的动态生命周期评估能够捕捉到在可拆卸设计分区中的材料替换情况。•可拆卸设计分区在翻新过程中可能会增加碳排放。•较高的搬迁频率有助于最大化碳减排效益。•可拆卸设计分区的碳减排效果更多取决于“使用方式”而非“终结方式”。

引言
据统计，中国2000年之前的住宅中有约30亿平方米需要翻新[1]。这些现有住宅的结构完整性基本保持良好，但其布局往往设计不合理，再加上建筑设施的退化以及功能需求的变化[2]，这些问题严重缩短了建筑的使用寿命。因此，有必要对这些现有住宅进行有针对性的改造。然而，翻新过程会产生大量的建筑垃圾。例如，2018年至2020年间，香港的翻新垃圾占建筑拆除垃圾总量的10%至20%[3]。在深圳，城市更新活动可能产生约4940万吨的拆除垃圾[4]。

一种有望减少建筑拆除垃圾的翻新策略是将可拆卸设计组件应用于现有住宅中。ISO 20887:2020标准对可拆卸设计给出了明确定义[5]：“这是一种产品或建造资产的设计方法，旨在在其使用寿命结束时便于拆解，从而使各部件能够被重新利用、回收利用、用于能源生产，或以其他方式避免进入废物流。”可拆卸设计能够减少传统建筑在翻新或拆除过程中产生的垃圾。通过早期设计，它可以延长建筑的使用寿命，并提高建筑部件和材料的再利用与回收概率[6]。为确保可拆卸设计组件中各个部件的独立性和可逆性，通常会使用螺栓和夹子等金属连接件来固定材料[5]，但这会导致更高的嵌入能量[7]、[8]、[9]。

在翻新过程中，可拆卸设计策略通常仅限于非结构元素，而隔墙组件则是其中可以修改或更换的关键部件之一。可拆卸设计隔墙可在多次翻新循环中在同一栋建筑内重复使用。不过，有两个因素限制了其实际效益的发挥：1）可拆卸设计隔墙具有较高的嵌入能量；2）在建筑使用寿命结束时，其实际再利用性能存在不确定性。先前的研究表明，建筑的使用寿命会显著影响可拆卸设计组件的潜在环境效益[8]、[10]，因为较长的使用周期可以让更多的使用次数来抵消其较高的嵌入能量。鉴于现有住宅的剩余使用寿命通常比新建建筑更短，有必要评估在翻新背景下，可拆卸设计隔墙的再利用与回收效益是否能够抵消其相对较高的嵌入能量。本研究并未建立专门的可拆卸性技术评估框架，而是探讨了更换流程及使用寿命结束时的不同情景如何影响整个翻新周期的环境表现。

根据EN15978:2011标准[11]，建筑生命周期评估模型包括生产阶段（模块A1-A3）、施工阶段（模块A4-A5）、使用阶段（模块B1-B7）、使用寿命结束阶段（模块C1-C4），以及系统边界之外的效益与负担（模块D）。生命周期评估能够量化可拆卸设计组件的碳排放、资源消耗以及材料回收潜力。然而，可拆卸设计组件的一个重要特点在于它们具备在多个生命周期中被再利用和回收的潜力，这就导致了可拆卸设计生命周期评估模型中系统边界设定及分配方法上的不一致性。相关研究中的系统边界范围从使用寿命为50年的单个住宅单元[9]，到在材料、部件及组件层面详细划分的所有使用周期[12]不等。分配方法也各不相同。例如，循环环境足迹法中的A因子会根据市场状况以及材料在循环使用过程中的质量变化来分配效益与负担[13]，还有涵盖所有生命周期的线性递减分配法[14]。可拆卸设计建筑组件的生命周期评估结果对分配方法的选择极为敏感[14]。

为应对未来使用和处置方面的不确定性，一些研究将系统边界扩展到了模块D[8]、[15]。另一个挑战在于如何对建筑使用寿命进行建模。与结构元件这类使用寿命较长的建筑部件不同，使用寿命较短或中等的部件需要在其构成材料的使用阶段达到使用寿命极限时进行更换。生命周期评估模型主要依据预先设定的使用寿命来进行分析[16]。然而，可拆卸设计组件的功能适应性和材料可分离性往往会导致多个使用周期，而这些周期无法用单一的使用寿命假设来涵盖。Van Stijn等人[12]提出了“主导使用寿命”概念，即指在可拆卸设计组件系统中，当不同使用寿命相互影响时所出现的“最薄弱环节”。对于维修而言，主导使用寿命等同于技术使用寿命；而对于翻新而言，功能使用寿命则可能成为主导。Van Gulck和Steeman[8]通过两个时间指标，将技术使用寿命结束时的维修与功能使用寿命结束时的翻新联系起来。此外，可拆卸设计组件还存在层级关系，不同层级的更换频率可能会相互影响。有一些研究运用拆解网络和拓扑结构来表示可拆解建筑的层级结构，但这些研究仍局限于使用单一的预设使用寿命来模拟组件更换过程[17]、[18]、[19]。

这些建模选择至关重要，因为它们会影响可拆卸设计组件较高的初始嵌入能量是否能够得到抵消。如果忽视与未来情景及使用条件相关的参数，那么其再利用和回收的潜力就可能会被高估。先前的研究指出，研究周期、再利用或翻新频率以及建筑使用寿命是关键影响因素[8]、[20]。对可拆卸隔墙的比较研究也表明，在不同的使用寿命结束情景下，其环境影响存在显著差异[7]。此外，将可拆卸设计策略应用于翻新领域的研究数量仍然有限。欧盟已经认识到在翻新项目中应用可拆卸设计的重要性[21]。现有研究在特定场景下证明了该策略的可行性，比如在实验室翻新中应用可拆卸设计隔墙[22]、在14个实际翻新项目中实施的可持续设计策略[23]，以及用于外立面拆解改造的方法[24]。不过，这些研究并未考虑可拆卸设计组件功能使用寿命与技术使用寿命之间的相互作用。离散事件仿真为解决这一局限性提供了一种潜在方法。离散事件仿真是一种按时间顺序对一系列事件进行建模和模拟的方法。在离散事件仿真中，系统状态仅在发生离散事件的特定时间点发生变化[25]。该方法最初被用于模拟建筑行业中的复杂施工操作[26]，如今已广泛应用于多个领域，包括优化建筑信息模型、规划施工流程以及模拟使用者行为[25]、[27]。由于隔墙的翻新、再利用和处置都发生在特定的时间点，基于事件的模型能够追踪其在整个翻新周期内的环境影响。

综上，从现有文献中可以得出几点重要结论：1）可拆卸设计组件的生命周期评估模型在系统边界设定和分配方法等关键方面缺乏一致性。此外，以往针对可拆卸设计建筑组件的定量模型未能充分考虑到使用寿命较短或中等的材料在技术使用寿命与功能使用寿命之间的相互作用，以及不同层级材料之间的相互作用。2）随着中国城市化的快速发展，现有住宅已成为翻新项目的主要对象。家庭结构和生活方式的改变也增加了对具有可适应性、采用可拆卸设计隔墙的需求。尽管先前的研究表明，可拆卸设计组件能够在特定场景下降低环境影响，但在建筑翻新领域的具体效益仍需进一步评估。

本文旨在通过评估可拆卸设计隔墙在建筑环境中的潜在环境效益与负担，来确定适合其应用的翻新方案。为此，本文构建了一个改进后的可拆卸设计隔墙生命周期评估模型。该模型的系统边界、分配方法以及参考研究周期均依据中国的相关标准设定。为更贴近现实世界的使用情景，该模型还将考虑可拆卸设计隔墙的技术使用寿命与功能使用寿命之间的相互作用，以及不同层级材料之间的相互作用。此外，通过在定量模型中明确关键参数，还可以对比传统隔墙与可拆卸设计隔墙的生命周期评估结果，从而确定适合可拆卸设计组件的翻新方案。

本文的其余结构如下：第二部分介绍研究方法，包括生命周期评估模型以及材料替换机制；第三部分分析评估结果；第四部分阐述主要研究发现，总结研究局限性，并提出未来研究方向；最后，第五部分对全文进行总结。

方法论
本研究共分为三个主要步骤（见图1）：
1）生命周期评估模型构建：为可拆卸设计隔墙的生命周期评估模型界定系统边界、参考研究周期、使用寿命结束情景以及分配方法，同时在使用阶段为可拆卸设计组件建立材料替换模型。
2）参数确定：识别用于生命周期评估计算的关键参数。
3）对比分析：计算可拆卸设计隔墙的生命周期评估结果，并进行对比分析。

敏感性分析
图6展示了影响可拆卸设计PLS隔墙碳排放的四个输入参数（Y、TQ_reu、TQ_rep和λ）的敏感性分析结果。在三种情景下，Sobol指数呈现出相似的趋势，S2与S3之间的数值差异较小。在所有情景中，结构损伤参数Y对碳排放的影响最为显著，其一阶指数Si和总阶指数ST都远高于其他变量，这凸显了……

可拆卸设计PLS隔墙的环境性能
为评估可拆卸设计PLS隔墙在住宅翻新中的应用潜力，本研究将其生命周期碳排放与两种传统隔墙（ALC和AAC）的碳排放进行了比较，以此确定可拆卸设计PLS隔墙在哪些应用场景下具有碳减排优势。研究结果表明，应用可拆卸设计PLS隔墙时必须考虑与使用情况相关的参数。尽管可拆卸设计PLS隔墙表现出较强的……

结论
本文构建了一个可拆卸设计隔墙的碳排放模型，该模型充分考虑了可拆卸设计组件技术使用寿命与功能使用寿命之间的相互作用，以及不同层级材料之间的相互作用。通过设定三种使用寿命结束情景，并选取六个参数——结构损伤参数Y、更换时间定额TQ_rep、再利用时间定额TQ_reu、搬迁间隔T、剩余使用寿命Lr以及搬迁频率N——本文对……进行了比较。

CRediT作者贡献声明
Yushi He：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、研究实施、概念构思。Fabrizio Leonforte：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、概念构思。Nazly Atta：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、数据整理。Xiaojun Li：撰写——审稿与编辑、监督、数据整理。Zihao Liang：验证、资金获取、数据整理。Guang Deng：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本文的研究工作得到了湖南省研究生创新基金（编号CX20250590）的支持。

Yushi He|Fabrizio Leonforte|Nazly Atta|Xiaojun Li|Zihao Liang|Guang Deng