施工项目寿命末期与使用后阶段的成本与隐含碳不确定性量化

《Cleaner Engineering and Technology》：Quantifying Uncertainty in Cost and Embodied Carbon for the End-of-Life and Post-Use Phases of Construction Projects

　　

建筑与施工行业迫切需要尽量减少其碳排放和固体废物产生。在此背景下，再利用和回收成为既能降低这些影响又不显著增加成本的有前景策略。然而，采用再利用和回收材料会给整个项目带来额外不确定性，尤其是在生命周期评估（LCA）和成本估算中。这对选择建筑产品的寿命末期（End-of-Life）和超越寿命（Beyond-Life）路径时的决策构成了挑战，尤其因为以往研究未对此不确定性进行量化评估，表明当前知识体系存在空白。为解决这些不足，本研究提出一个基于蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）的框架，用于评估回收材料的隐含碳和成本的不确定性，并支持概率性决策。通过案例研究评估了该框架的实施，其中将预制混凝土板在新项目中的再利用和回收与原生材料的使用进行了比较。研究发现，再利用和回收情景的均值低于原生材料，但包含更高不确定性。特别是，再利用情景的隐含碳均值约为基线情景的一半，但不确定性几乎高出三倍。概率分析表明，再利用情景实现隐含碳和成本目标的可能性最高，节省了32.84 kgCO₂e/m²和242.07 $/m²。除具体结果外，本研究的主要贡献在于可复用于其他项目的不确定性分析与决策支持框架。

建筑与施工行业是环境影响最显著的行业之一，全球约37%的碳排放、34%的能源消耗和30%的固体废物均来源于此。其中，建筑拆除与建造（C&D）废物量巨大，如美国每年产生约6亿吨，中国约23亿吨，欧盟约8.34亿吨。同时，行业年支出约10万亿美元，成本控制对项目管理至关重要。以往研究表明，成本是制约碳减排措施实施的主要因素。使用再利用、回收或再制造材料可以在一定程度上同时降低隐含碳、废物和成本，但这类循环性策略会在生命周期评估（LCA）和成本估算中引入额外不确定性，例如拆解过程、物流运输、回收材料尺寸与性能变异性、使用寿命和耐久性差异等。尽管已有研究识别了这些不确定性，却未进行量化评估，导致决策者难以客观比较不同寿命末期（End-of-Life）与超越寿命（Beyond-Life）路径。为弥补这一空白，研究人员开发了基于蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）的框架，量化回收材料在端部和超越寿命阶段的隐含碳与成本不确定性，并与原生材料供应链进行概率比较，以支持决策。案例研究将某1977年大型竞技场的选择性拆除作为端部项目，将同城市的人行道建设作为新项目，设置了基线、再利用和回收三个情景。结果显示重用情景均值最低但变异系数最高，验证了研究假设。该框架可复制于其他项目，不仅扩展了知识体系，也为行业提供了实用决策工具。论文发表在《Cleaner Engineering and Technology》。

本研究采用的关键技术方法包括：首先，基于文献综述和案例数据识别不确定性源，将其转化为可测变量，如时间、设备排放因子、运输距离、材料量、寿命等；其次，利用@RISK工具对输入变量进行概率分布拟合，对数据不足者采用均匀、三角或正态分布；然后，使用10,000次迭代的蒙特卡洛模拟将LCA和成本公式中的参数作为随机变量进行传播，得到输出分布；案例数据来自Repousis（2024）的选择性拆除项目，排放因子来源为OneClickLCA软件，成本数据来自RSMeans数据库，并通过实验室测试（如抗压强度、碳化、电阻率等）评估混凝土板性能；最后采用概率决策树、敏感性分析和独立验证协议。

### 5.1 隐含碳（Embodied Carbon）

通过蒙特卡洛模拟，基线情景总隐含碳均值为56.74 kgCO₂e/m²，标准差5.58 kgCO₂e/m²，变异系数（COV）为9.83%；再利用情景均值为23.90 kgCO₂e/m²，标准差5.98 kgCO₂e/m²，COV为25.03%，最佳拟合分布为对数正态；回收情景均值为54.50 kgCO₂e/m²，标准差9.11 kgCO₂e/m²，COV为16.72%，最佳拟合分布为Pearson 5。概率密度函数显示，再利用情景与基线情景的分布重叠极小，而回收情景与基线重叠较大，表明再利用情景在碳减排上具有一致性优势。

### 5.2 成本（Cost）

总成本分析显示，基线情景均值826.65 $/m²，再利用情景584.58 $/m²，回收情景706.92 $/m²。成本概率分布模式与碳分布不同，例如再利用与基线情景存在部分重叠，说明不同指标应分别评估，不能以单一指标代替整体决策。

### 5.3 决策支持（Decision-making Support）

以50 kgCO₂e/m²和675 $/m²为参考目标，计算各情景不超过阈值的概率。再利用情景实现双重目标的联合概率为0.95，回收情景为0.05，基线情景为0.02。因此再利用情景为最优方案，预期节省32.84 kgCO₂e/m²和242.07 $/m²。

### 5.4 敏感性分析（Sensitivity Analysis）

对隐含碳而言，基线情景对混凝土排放因子和用量最敏感；回收情景同样高度依赖混凝土排放因子；再利用情景则对维修需求间隔时间、密封剂等非再利用材料排放因子、拆解时起重机的操作时间和燃料消耗更敏感。对成本而言，三个情景均对人行道单位造价最敏感，其次为端部废物处理与材料搬运成本，以及新人行道材料用量。

讨论部分指出，再利用情景在端部阶段排放高于基线，但在新项目阶段因免去原生材料生产而大幅节省，总均值显著降低。回收情景虽也低于基线，但与基线重叠明显，且再生骨料常需更多水泥以补偿强度损失，导致碳减排效果不稳定，甚至可能出现负面影响。这说明确定性分析可能产生误导，不确定性分析至关重要。成本数据来自在线数据库，精度有限，导致变异系数相对较高，但可提供数量级参考。研究强调数据质量和可用性是决定不确定性水平的关键，行业应重视端部和超越寿命阶段的数据收集。该框架的主要贡献在于可复制性和通用性，并提供了基于Excel/@RISK的用户友好模板。

结论部分翻译如下：本研究评估了项目寿命末期和材料潜在使用后阶段中隐含碳与成本评估的不确定性。结果显示，再利用情景的回收材料隐含碳均值较低，但变异系数高于传统基线，证实了初始假设。回收情景结果介于再利用和基线之间。研究开发的框架证明，不确定性分析可支持方案的概率比较，产生量化指标，促进客观、知情的决策，而非依赖个人判断。在具体案例中，再利用情景与基线的隐含碳概率分布基本不重叠，即使其不确定性更高（COV=25.03%），仍是首选方案；回收情景与基线重叠显著，均值接近，需借助概率分析工具进行抉择。成本分布模式与碳不同，因此必须同时评估多个绩效指标。决策树得出各情景实现项目目标的联合概率分别为95%、5%和2%，决策基于这些定量结果。本研究结果特定于所分析的案例，但主要贡献在于提出了可广泛复制的评估框架。此外，研究强调建筑行业在端部和超越寿命阶段数据质量和可用性的重要性；通过改善高质量信息获取可减少认知不确定性。在当前数据局限下，决策前进行不确定性分析和概率比较尤为必要。