桥梁工程碳足迹评估和减碳措施研究

1.1 碳足迹的概念

碳足迹（Carbon Footprint，CF）通常被用作评价二氧化碳排放量或者按二氧化碳当量计算的温室气体排放量的指标 ^[6] 。Hammond ^[7] 在Nature上发表文章称碳足迹是一个人或者一项活动所产生的“碳重量”。柯水发 ^[8] 研究认为碳足迹是一项活动（或一种服务）进行的过程中直接或间接产生的二氧化碳或其他温室气体排放量，或是产品的生命周期各阶段累计产生的二氧化碳或其他温室气体排放量用二氧化碳等价表示。

随着学界对碳足迹的深入研究，隐含碳的概念被提出，并且隐含碳与建筑业的发展息息相关。冯祥玉 ^[9] 在研究中介绍，建筑业处于社会经济产业链的下游，但是建筑业需要大量化石能源和进行大量生产活动，而这些中间产品都从上游产业链中输入，从生命周期角度出发，随上游产品输入到建筑业的隐含碳应归属于建筑业的碳排放范畴。伦敦能源转型计划强调，建筑业“从摇篮到坟墓”的中间碳排放可高达整个生命周期碳排放的50%。由此可见，桥梁作为建筑产品的一部分，对桥梁进行全生命周期的测算，是精确计算桥梁碳排放量的基础，也是根据不同生命周期阶段提出减排措施的前提。

1.2 碳足迹核算方法

图2 不同尺度碳足迹方法和应用示意图 ^[11]

1.2.1 生命周期评价

生命周期评价是一种评价产品整个生命周期内能源消耗和环境影响的可持续方法论。国际标准化组织（ISO）对生命周期评价法的定义是：汇总和评估一个产品或服务体系在其整个生命周期的所有投入，以及产品对环境造成的和潜在的影响的方法。LCA突出强调产品的“生命周期”,早期曾被形象地称为“从摇篮到坟墓”评价。LCA方法如今主要应用在建筑、煤电、出口领域。

桥梁作为一种特殊的建筑产品其生命周期主要分为5个阶段：桥梁的设计、原材料的生产加工、现场的施工、桥梁的运营和维护、桥梁的废弃（见图3）。

图3 桥梁生命周期阶段划分 ^[12]

1.2.2 过程生命周期评价法

过程生命周期评价法（Process-Based LCA, PLCA）是以过程分析为基本出发点，通过对系统内单元过程的物质、能量流进行清单分析，进而核算产品系统碳足迹的方法。以建筑单体碳足迹为例，在生命周期概念出现之前，最早的建筑碳排放只考虑施工和运行阶段由于化石能源燃烧直接排放的温室气体。但这种核算方法研究范围过小，不能真实反映建筑全生命周期中所有的环境影响。20世纪末，随着 LCA 概念的兴起，研究者开始考虑建材生产、建筑所耗电能的获取等过程中的间接温室气体排放，即现在的 PLCA 法。PLCA 法虽然在绝对末端计量的基础上有了相当的进步，但仍局限于部分相关过程的部分排放，属于相对末端计量的范畴。

目前桥梁的碳排放计算方法主要参考建筑领域的碳排放计算方法。根据《建筑碳排放计量标准》 ^[13] 规定，常用的一般有两种：清单统计法和信息模型法。

1）清单统计法

碳排放量=活动数据×排放因子

在清单统计法的应用方面：

刘沐宇等 ^[12] 提出在桥梁生命周期过程中，对温室气体的排放情况进行定量分析，通过乘以相应的全球变暖潜势，将其换算成二氧化碳当量（CO2-eq）作为碳排放的定量分析结果。并以武汉市南太子湖大桥为案例，进行生命周期碳排放计算。张振浩等 ^[14] 从不确定性的角度对桥梁建设期间所产生的碳排放量进行了研究。结合清单分析法与排放因子系数法，并根据能源碳排放因子的低限值和高限值，建立了桥梁建设期间碳排放计算模型。王龙龙等 ^[15] 结合桥梁工程特点，确定了桥梁LCA的评价边界与范围，并且大量收集、整合、完善桥梁工程中基本建筑材料、能源、加固材料的输入输出清单。通过对一座承载能力不足的简支梁桥T型梁的进行加固计算，确定了桥梁的最优加固方案。武文杰等 ^[16] 基于生命周期理论，通过目的和范围确定，清单分析，能耗、碳排放及费用计算，结果分析与评价四个步骤，对桥梁不同方案的能耗和碳排放进行定量分析计算。Y.Itoh 和 T.Kitagawa ^[17] 尝试性地将 LCA 方法应用于桥梁的开发，研究了日本桥梁 CO2的排放与消耗，结果显示建筑材料的制造环节对环境的影响最多。并且建筑材料的碳排放因子需要通过规范、采访、试验测试等多种途径来确定。Kristine Ek等 ^[18] 用LCA法对混凝土板框架桥和土-钢组合桥进行了评估。Julien Pedneault等 ^[19] 从生命周期成本和环境影响两个角度对比了铝-钢组合桥面和钢-混组合桥面，一定程度上证明了铝桥面生命周期成本和环保方面的优越性。

图4 特定范围下混凝土桥面板和铝桥面板的LCC和LCA结果对比 ^[19]

2）信息模型法

信息模型法是指以信息模型为载体，计算、管理项目全生命周期各阶段消耗的能源、资源和材料等数据并进行核算，得到碳足迹的方法。

在信息模型法的应用方面：

华虹等 ^[20] 针对公共建筑低碳设计和碳排放计量的需要，构建了基于BIM的公共建筑低碳设计分析方法和碳排放计量模型，为建筑低碳设计提供了实证参考。王上 ^[21] 基于BIM模型对成都市一栋住宅的性能进行了系统研宄，并借助计量数据详细地分析了碳排放不同阶段的特征，为节能减排提供具体措施。李雪梅等 ^[22] 对新乡市某住宅楼进行了分析，结合BIM技术计算其全生命周期碳排放量，证明将BIM技术与建筑碳排放相结合，能快速直观的反映碳排放量。S.Kaewunruen等 ^[23] 以东沟大桥为案例研究，提出了一种创新的6D BIM方法，将3D模型信息与时间表、成本估算和桥梁项目生命周期碳足迹分析相结合。证明了BIM技术在整个桥梁基础设施生命周期的可行性。M. Dupuis等 ^[24] 提出了一种新的数据层和格式，用于在BIM模型开发的早期自动执行LCA计算，以更好地实现LCA过程的自动化。

1.2.3 经济投入产出生命周期评价法

投入产出法（I-O法）最早是由经济学家华西里?列昂惕夫（Wassily Leontief）在1936年 ^[25] 提出的，以辅助制造业计划。该法主要通过编制供应链中所有采购和活动的投入产出表和建立相应的数学模型，反映经济系统各个部门（产业间）的关系。I-O理论很古老，并且因为其计算能力和数据可用性有限，所以它的应用受到了几十年的限制。1997年卡内基梅隆大学在投入产出法的基础上，结合生命周期评价法，开发了经济投入产出生命周期评估（EIO-LCA）法，这一方法得到了广泛的应用。

在经济投入产出生命周期评价法的应用方面：

关军等 ^[26] 采用投入产出生命周期评价模型评估建筑业能耗，分析部门间联系、部门能源强度和建筑业规模等因素在建筑业能耗中的敏感性，提出了责任系数以判断部门在降低建筑业能耗中的责任。张智慧 ^[27] 提出关联碳排放的概念，利用投入产出分析计算间接碳排放。评价结果显示：建筑业碳排放影响力巨大，尤其具有很强的碳排放拉动能力。祁神军和张云波 ^[28] 运用EIO-LCA法，建立了基于能源消耗的产业碳排放强度模型和建筑业碳足迹模型，核算了我国建筑业 1995 ~2009 年期间碳排放的分布特征。陈进道 ^[29] 构建了建筑行业碳排放投入产出模型和结构分解模型，详细地分析和讨论了建筑行业碳排放的变化趋势和组成特征。杜强等 ^[30] 根据我国建筑业碳排放特点对2005—2014年各省建筑业直接与间接碳排放进行了系统核算，并结合各省碳排放特征进行了分组分析。Nassen等 ^[31] 使用自上而下的投入产出分析评估瑞典建筑业，然后将这些自上而下的结果分解为部门和活动。T.Hong等 ^[32] 定义了IO-LCA模型和Hybrid LCA模型，并使用这两种LCA模型对三个公寓楼群和三个教育设施的二氧化碳排放量进行了评估。证明IO-LCA法可用于评估初始规划阶段建筑物的二氧化碳排放，并且具有相当高的准确性。

综上，经济投入产出生命周期评价法的优势和短板都很明显。如果能得到部门划分很细的投入产出表,这种方法很适宜对一个企业、地区或者行业进行环境影响分析,但这一方法显然不适合对单个产品进行生命周期评价。

1.2.4 混合生命周期评价法

混合生命周期评价 (Hybrid LCA, HLCA) 是指将PLCA和IO-LCA结合使用的方法。该方法由Bullard等在20世纪70年代第一次石油危机之后提出，主要用于能源投入产出分析。

在混合生命周期评价法的应用方面：Zhang等 ^{[33] [34]} 对PLCA和IO-LCA进行了比较分析并提出了一种结合两种方法优点的混合方法，并在研究中用混合投入产出方法分析了中国建筑行业全生命周期能耗和碳排放，证明这种方法可以提高建筑施工中隐含碳数据的准确性和精细度。Guan等 ^[35] 开发了一种基于输入-输出的混合LCA模型来量化建筑隐含碳排放，表明，混合 LCA不仅确保了完整的评估边界，而且通过用更精确的物理分析过程提高了结果的可靠性。K.Dixit等 ^[36] 对基于输入-输出的混合生命周期评价模型进行了适当改进，计算了五座高校建筑的初始内涵能源，得到了更完整、可靠和适用于于研究的结果。

综上，混合生命周期评价法结合了前两种方法的优点,它将工艺过程数据转换为投入产出分析数据进行量化分析。尽管HLCA的开发旨在解决PLCA和EIO-LCA的缺点，但是由于它缺乏有效的数据库支持，还必须依赖经济投入产出表，因此其实际应用仍然相当有限。

1.2.5 PLCA、EIO-LCA、HLCA的对比

表1 PLCA、EIO-LCA、HLCA的对比

国内外学者通过不同角度研究了碳足迹的定义、计算方法，通过对现有相关研究的总结，可以发现现有的桥梁碳足迹研究存在以下特点：

（1）在桥梁碳足迹核算方法上，当核算对象为一个或若干个桥梁时，PLCA法是目前最常用的方法，而当核算对象为部门或产业时，EIO-LCA法和HLCA法是比较常用的方法。

（2）在碳足迹的概念上，目前尚无统一的定义。尽管生命周期法因为其可以量化桥梁各阶段排放与能源消耗的特点，已被公认为评估桥梁乃至建筑行业环境影响的最可靠方法，但是生命周期法的计算边界、排放系数等方面都有待进一步的完善，许多研究案例或多或少的采用了另一个案例或者平均数据库的数据，这大大降低了生命周期法的准确度。因此，该方法的推广和数据库的完善不仅需要桥梁从业人员，也需要上游企业的共同努力。

（3）在研究内容上，桥梁作为交通网络中的基础设施，消耗了大量的能源，但是国内对桥梁的碳排放研究相当有限。仅有的研究也主要集中在公路桥梁上，几乎没有关于铁路桥梁的研究。同时针对宏观尺度的研究在数量上相比微观尺度的研究还较为欠缺。

2.1 桥梁设计阶段

在设计阶段，优化现有结构，在保证质量的情况下减少材料用量是目前的研究重点。但由于现有桥梁体系相对成熟，新颖结构施工难度较大，目前还缺乏针对桥梁结构优化的深入探讨。

方圆 ^[37] 等介绍了芜湖长江公路二桥建设过程中采用的菱形截面分肢柱式塔、四索面分体钢箱梁、双层同向回转鞍座等一系列新型结构，这些结构不仅实现了超大跨径桥梁技术创新，同时大大节省了钢材和高强混凝土的用量，获得了理想节能减排效果。刘兆印 ^[38] 分析了大跨径斜拉桥采用不同的主梁设计方案时建设的消耗情况，结果显示轻型组合梁相对传统钢主梁具有一定的成本优势。徐双 ^[39] 基于生命周期理论，对武汉市罗家港桥在不同的结构材料下的碳排放进行了对比分析。结果表明在同等条件下与普通混凝土结构的桥梁相比，钢混组合结构无论在建材生产还是施工阶段，碳排放都要更低。Collings ^[40] 以英国的一座中等河桥为例，对比了梁、拱、斜拉三种结构方案在施工期间的能源使用和碳排放。Horvath ^[41] 等利用生命周期清单分析法对比了钢和钢混组合桥的环境影响。结果显示对于特定结构设计，钢混组合桥具有更少的环境影响，但钢桥在回收利用阶段的优势也不可忽视。Liu等 ^[43] 通过建立桥梁大数据集，确定了桥梁设计参数、环境和成本之间的相关性，从而为设计桥梁设计建立了一个可持续性设计框架。

图6 桥梁设计参数和可持续要素的相关性 ^[43]

2.2 原材料生产阶段

原材料生产阶段的减排研究主要集中于新材料开发和生产工艺变革两方面。

陈凯祥 ^[42] 使用活性氧化镁来替代传统硅酸盐水泥,研究表明砌块的抗压强度及耐久性能均优于传统水泥砌体。殷臻 ^[44] 提出使用重组竹材料一定程度上替代传统的钢筋混凝土材料，并对竹质桥梁构件的连接构造做了相关研究。钱刚 ^[45] 等关注于新型绿色低碳桥梁缆索钢用线材的研发，并成功应用于沪苏通跨长江公铁两用斜拉大桥。张平 ^[46] 等对低品质粉煤灰和矿粉进行机械、化学双重活化,制备出一种绿色低碳型复合矿物掺合料，不仅节约水泥用量，而且混凝土强度还有一定的提升。张立明 ^[47] 等利用活化（煅烧）煤矸石制备LC3低碳水泥，对其性能进行了深入研究，结果表明，该新型混凝土力学性能能达到传统的矿渣改性混凝土的水平。Turner ^[48] 等考虑开采、运输、生产、养护与浇筑环节，对聚合物混凝土与普通混凝土的碳排放进行了对比，结果表明聚合物混凝土可降低碳排放约9%。Barcelo ^[49] 等对水泥熟料生产的碳排放进行了详细研究，结果表明在保证水泥早期强度等特性的前提下，改变水泥熟料成分可有效降低生产碳排放。

2.3 现场施工阶段

由于施工过程的复杂性、相关计算方法的不完善性，有关施工过程减排的研究较少，现有研究主要关注点在于施工方案的优化和对比上。其中，由于预制拼装技术相对于传统施工具有施工质量高，速度快，能显著减少现场施工量等优点而备受推崇。

Mao ^[50] 等以深圳市两栋建筑为案例，对预制装配式和现浇混凝土结构的生产建造过程碳排放进行了分析。结果表明，尽管预制构件的运输对装配式结构的减排有不利影响，但总体上仍可降低碳排放近10%。王继全 ^[51] 对全预制装配式桥梁建造技术进行了剖析，列举已经施工完成及正在施工的案例，整理和归纳了桥梁上部、下部、附属预制类型及连接方式，提出了目前比较适合我国发展的装配式技术方案。杨伟军 ^[52] 等对土方工程施工过程中不同机械施工方案对碳排放量及功能单位碳足迹进行了详细的计算与对比。张振浩 ^[53] 等以河南一座波形钢腹板PC组合箱梁桥为研究对象，对比了满堂支架法与顶推法施工中碳排放差异，结果表明，钢腹板PC组合箱梁桥采用顶推法施工比采用满堂支架法施工更环保。

2.4 桥梁运营阶段

运营阶段的碳排放主要来自三部分：1）桥梁维护。2）路灯的电力消耗。3）运营期间行驶于桥梁上的车辆。

Hui-BingXie等 ^[54] 提出了一种基于遗传算法的桥梁维护方案优化框架，以最大安全性，最小生命周期成本和环境影响为优化对象，结果表明合理进行预防性维护可以显著降低桥梁生命周期环境影响。

图7 桥梁LCC和LCEI评估的系统框架 ^[54]

图8  SHM系统对减少二氧化碳排放的长期影响 ^[58]

2.5 废弃物回收阶段

关于回收利用的减排研究主要集中于金属材料与混凝土。现阶段，我国建筑垃圾的综合利用率不足5%，处理方式相对单一，与欧美发达国家之间尚存在较大差距 ^[59] 。

再生混凝土的研究工作最早始于欧洲，美国、日本等国家，面向二战后重建中废弃混凝土的重新利用问题，开展了一系列研究，研究成果为再生混凝土的应用提供了科学支撑。1982年，美国将再生粗骨料纳入《混凝土骨料标准（ASTMC-33-82）》中，并鼓励使用再生骨料混凝土。1998年，德国颁布了《混凝土再生骨料应用指南》，德国建筑垃圾回收利用率达到90%以上。1991年日本颁布了“资源重新利用促进法”法案，以保证建筑垃圾回收利用率。1997年，日本颁布了“利用再生骨料和再生混凝土规范”，目前日本建筑垃圾再循环利用率超过 95%。为促进及保障建筑垃圾资源化利用，我国也颁布了一系列国家标准及行业标准，如：《混凝土用再生粗骨料（GB/T25177-2010）》、《再生骨料应用技术规程（JGJ/T240-2011）》、《再生骨料混凝土耐久性控制技术规程（CECS385-2014）》等。2016年，国务院发布了《“十三五”国家科技创新规划》，提出要大力发展建筑垃圾和建筑废物资源化再生利用技术以及开发新型再生建筑材料应用技术等。再生混凝土技术作为一种新的绿色环保型科技为废弃建筑垃圾的循环再利用提供了有力支撑。然而，由于再生混凝土的力学性能指标普遍低于普通混凝土，严重制约了其在实际工程中的应用。为提升再生混凝土性能，国内外学者提出了纤维再生混凝土及钢管再生混凝土，并对其力学性能及耐久性能开展了广泛的研究。

可拆卸设计（Design for Deconstruction，DFD）的设计方法变得越来越重要，DFD产品 ^[60][61] 由于其可拆卸性而易于维修、更换和回收 ^[60] ，降低了桥梁的生命周期成本和排放。

图9  新型可拆卸钢混组合连接件 ^[60]

杨庆国 ^[63] 等对旧混凝土回收利用的可行性进行了深入研究，结果表明旧水泥混凝土破碎后的粗集料不仅满足要求，而且配置的混凝土相比普通混凝土性能有一定提高。张韦倩 ^[64] 通过工程实例指出再生骨料在道桥方面的应用对节能和温室气体减排效果良好。Yan ^[65] 等认为，回收利用钢材和铝材等金属材料可以减少50%以上的排放，是减排过程中不可忽视的因素。Chau ^[66] 等对高层混凝土结构办公建筑的生命周期碳排放进行了分析，并指出回收建筑垃圾和废弃资源可分别实现减排5.9%和3.2%。

综合国内外的文献，可以发现近年来的减排研究主要有以下特点：

（1）预制装配技术工期短、质量好，施工效率高，环境污染低，克服了我国长期以来采用现浇施工的种种弊端，得到了政府和学界的大力推广。目前，有很多地方出台了预制装配施工的规范，对各个环节做出了详尽的说明。随着国家统一行业标准的出台以及各种关键技术的攻关突破，我国将进一步与国际工程界相接轨，实现全面的工业化发展。

（2）在各种交叉学科发展下，各种新型环保高性能材料层出不穷，以此为基础发展的GHPC，UHPC等混凝土具有优良的抗渗、抗冻，抗化学腐蚀性能，在我国高速铁路建设等方面起到了不可替代的作用。

但目前的减排研究还存在以下不足之处：

（1）结构与构造优化设计作为控制碳排放的重要手段，目前有关方面尚缺乏深入研究。传统桥梁的结构优化是基于可靠度的结构优化设计，主要围绕质量和成本两个方面。而随着绿色减排观念的深入，有必要把碳排放的因素纳入现有的结构优化体系。

（2）桥梁相关的分析与评价体系尚不完善，难以对减碳措施做出有效指导。从上世纪 90 年代起，许多国家都相继推出了适合本国国情的评价体系，如美国的LEED体系，德国的DGNB体系，这些体系无论在前期的设计方案选定，还是后期的运营维护策略敲定方面都起到了至关重要的作用。目前，我国在碳排放的研究仍处于起步阶段，与发达国家存在较大差距，而已有的评价体系来自建筑和公路领域，不仅在减碳措施的效果评估中存在较大的主观性，而且是否可以直接应用于桥梁领域还存在争议。

中国桥梁在新建和管养并重阶段，目前LCA方法已经被广泛应用于建筑结构的碳排放评价，体现了LCA方法在桥梁领域的适用性。通过对现有相关研究的总结, 笔者认为未来桥梁碳排放的研究应在以下几个方面开展：

1.在桥梁碳排放的计算方法上，过程分析法是目前最常用的方法，而过程分析法的计算边界、数据甄选、碳排系数等方面都有待进一步的探讨和完善。而对于投入产出法, 由于数据获取困难, 目前实物投入产出表法还很难应用于现实的碳足迹计算；另外, 在改进和修正现有碳足迹的分析方法的同时, 还应继续开展新的计算方法如混合分析的研究。

2.在LCA分析过程中，必须明确规定各项指标和加权制度，应根据项目实际情况设置数据分类分析，使结果更加科学实用。未来应重点将中国本土化的特征化因子、标准化系数及权重系数引入到桥梁生命周期评价中，建立本土化的桥梁生命周期评价体系。

3.现有的桥梁减排研究主要集中于原材料生产阶段，主要体现在基于各种新型材料，新工艺下的绿色高性能混凝土，具有高强度，低能耗，低污染的特点，是未来的发展趋势。

4.预制装配施工在我国的研究仍处于起步阶段，目前多用于城市中小桥梁的建设，但是施工效率高，环境污染低等优点使其具有良好的应用前景。

5.提升再生混凝土的性能，拓展再生混凝土的适用领域，满足工程结构发展对再生混凝土性能要求已成为该领域研究热点方向之一。从材料复合-构造组合两个层次探究再生混凝土力学性能的提升措施，对再生混凝土材料以及结构进行优化设计，从而提升其安全性、适用性和耐久性。

卫星，教授，博导，四川省学术与技术带头人后备人选，中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会理事。长期致力于钢结构及钢-混凝土组合结构桥梁损伤机理应用基础研究，长期从事《钢结构设计原理》、《钢桥与组合结构桥梁》及《桥梁结构分析理论及方法》教学工作。在钢-混组合结构体系、焊接细节疲劳损伤机理及结构性能劣化机理三方面开展了卓有成效的创新性研究。主持和主研完成各类科研项目40 余项，发表学术论文150余篇。主要研究方向：（1）复杂环境钢混组合结构服役性能保持；（2）钢结构桥梁疲劳与稳定；（3）绿色及智能桥梁建造。

电子邮箱：we_star@home.swjtu.edu.cn

肖林，副教授，工学博士，西南交通大学桥梁工程系副主任，中国钢结构协会桥梁钢结构分会理事。长期从事桥梁钢结构、钢-混组合结构桥梁的计算分析理论、耐久性方面的研究，并在桥梁结构动力学进行了较深入研究，主要承担《桥梁工程》、《钢桥与组合结构桥梁》教学工作。在钢-混组合桥梁剪力键、长期性能以及混合桥梁结构行为方面进行了较为系统的创新研究。主持和主研完成各类科研项目20余项，发表学术论文60余篇；获得各类专利15项、软件著作权1项。

电子邮箱：xiaolin@ swjtu.edu.cn

黄琪盛，硕士研究生，主要研究方向为绿色及智能桥梁建造。

电子邮箱：896878596@qq.com

秦国璋，硕士研究生，主要研究方向为绿色及智能桥梁建造。

电子邮箱：1215560442@qq.com