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生命周期评价在土木工程中的应用

从摇篮到坟墓——生命周期评价(LCA)
评价建筑材料与生态环境的属性要涉及其整个生命周期，必须对其在生命周期各阶段的环境负荷影响因素进行评估。
被称为“从摇篮到坟墓”的生命周期评价方法(Life Circle Assessment,LCA)已成为世界通行的材料环境评价方法，作为一种管理工具已经被列入IS014000的第4系列标准中。国际标准化组织(ISO)对生命周期评价方法的定义是:汇总和评估一个产品(或服务)体系在其整个寿命周期的所有投入及产品对环境造成的和潜在的影响方法。具体地说，LCA是评价某一过程、产品或事件从原料投入、加工制备、使用到废弃的整个生态循环过程中环境负荷的定量方法。
建筑物和建筑材料全生命周期评价在国外建筑和建材领域已是一个非常热门的研究课题。实际上对建筑是否“绿色”的评估就是对建筑物的全生命周期过程进行评价。建筑材料全生命周期评价主要通过确定和量化相关的资源、能源消耗、废弃物排放来评价某种建筑材料的环境负荷，评价过程包括该建筑材料的寿命周期全过程即原料采集、产品生产、运输、使用、循环再生等整个生命循环。
生命周期评价(LCA)的起源和发展
生命周期评价(LCA)的起源可以追溯到 20 世纪 60 年代，最初对此研究相对简单，一般是针对能量利用、原料消耗、废物排放等方面，以求提高总能源利用效率，对潜在环境影响考虑较少。1969 年，可口可乐公司对饮料的包装进行了评价，试图从最初的原材料采掘到最终的废弃物处理，进行全过程的跟踪与定量分析，为目前生命周期评价的方法奠定了基础。同时，欧洲一些公司也在开展诸如生态平衡的研究。1972 年，英国学者 Boustead 计算了饮料包装的不同材料生产的总能量，包括塑料、玻璃、钢和铝。80 年代，瑞典、瑞士和美国的私有公司采用 LCA 进行了很多研究。
国际环境毒理学和化学学会（SETAC）于 1993 年出版了一本纲领性报告“生命周期评价纲要——实用指南”，该报告为生命周期评价方法提供了一个基本技术框架，成为生命周期评价方法论研究起步的一个里程碑。在SETAC 的基础上，国际标准化组织（ISO）于 1993 年 10 月成立了 ISO/TC207环境管理技术委员会，经委员会组织整理，于 1997 年正式出台了 IS014040《环境管理—生命周期评价—原则与框架》，以国际标准形式提出对生命周期评价方法的基本原则与框架。这标志着 LCA 全球性的初步标准产生了。在 SETAC 和 ISO 的共同努力下，LCA 方法的国际标准化取得了重大进展，相继推出 ISO14040～ISO14043 环境管理生命周期评价系列标准。参照这些
国际标准，我国的环境管理标准化委员会于 1999 年、2000 年和 2002 年相继推出了 GB/T24040《环境管理生命周期评价原则与框架》、GB/T24041《环境管理生命周期评价目标与范围的确定和清单分析》、GB/T24042《环境管理－生命周期评价－生命周期影响评价》、GB/T24043《环境管理－生命周期评价－生命周期解释》4 项国家推荐性标准。

从摇篮到坟墓：
生产阶段：建材的原材料获得、加工和生产过程，到产品出厂前为止；
运输阶段：建材从工厂到施工场地的运输；
施工阶段：施工过程中的能源、资源消耗；
使用阶段：建筑的维护、建材的替换和由此产生的建材的运输和废弃物的处理；
拆除阶段：暂不统计拆除阶段的环境负荷；
废弃物处理阶段：建筑垃圾的填埋。

国内外对建筑材料环境负荷影响的一些评价因素归纳如下:
A:原料开采过程对环境的损坏;
B:单位产品对环境的损坏程度;
C:原料的存量、再生量;
D:材料再生的难易程度;
E:开采、加工和生产中废物产生量;
F:开采、加工和生产中温室气体排放量;
G:生产、加工和使用过程中有毒物质产生量;
H:生产加工过程能耗;
I:运输到现场的能耗(包括原料采集、成品运
输等);
J:施工过程的能耗;
K:现场废物产生量;
L:生命周期过程中的维护;
M:生命周期的环境影响;
N:生命周期终止时拆毁能耗;
O:拆毁建材的可再生性;
P:使用寿命

生命周期评价的技术框架
（一） 目标与范围的确定
生命周期评价的第一步骤是确定研究目的和界定研究范围。确定目标是要清楚地说明开展此项生命周期评价的目的和意图，以及研究结果可能应用的领域。研究范围的确定要足以保证研究的广度、深度与定义的目标一致，需要考虑的因素有:系统功能、功能单位、系统边界、分配程序、环境影响类型和影响评价方法、数据要求、基本假定、限制因素、原始数据的质量要求、研究结果的评审类型、最终报告的类型和形式。
（二） 生命周期清单分析（LCI）
生命周期清单分析是LCA基本数据的一种表达，是进行生命周期影响评价的基础。建立清单分析的过程即在所确定的产品系统内，针对每个单元过程，建立相应功能单位的系统输入与输出。生命周期清单分析是对产品、工艺或活动在整个生命周期阶段资源、能源的消耗和向环境的排放（包括废气、废水、固体废弃物及其它环境释放物）进行数据量化分析，其核心是建立所研究产品系统的输入和输出清单。清单分析的步骤如下图简要表示，其中分配方法是整个清单分析过程的核心和难点，会直接影响研究的过程和结论。目前并不存在统一的分配方法，各种分配方法各有优劣，而且在实际的工业生产工艺中，共生产品系统、闭环再循环和开环再循环常常相互嵌套，需要针对具体情况采用适当方法。
(三)生命周期影响评价(LCIA)
生命周期影响评价是根据清单分析后所提供的资源、能源消耗数据以及各种排放数据对产品所造成的环境影响进行定性定量的评估，确定产品环境负荷，比较产品环境性能的优劣，或对产品重新设计。目前一般将生命周期影响评价分为分类、特征化和评价三个步骤，分类和特征化是必选过程，评价是可选过程。
（四） 生命周期解析
生命周期解析是根据清单分析、影响评价或这两者结合起来识别和评价整个生命周期内与资源、能源和污染物相关的环境负荷减少的可能性或途径，进而提出明确地如何减少环境影响的具体措施。

部分建筑材料实例：

材料的环境负荷会随着时间改变、时效环境负荷

新建建筑建造节材
该措施是单独针对新建建筑部品生产阶段的，主要考虑的措施有：
a）砖混结构住宅中用环境负荷小的灰砂砖、页岩砖、掺粉煤灰砖等新型墙材代替实心粘土砖，进而替代空心粘土砖；全国城市 2010 年全部禁用实心粘土砖，此后逐步限制农村粘土砖的使用量；
b）单位建筑面积钢材消耗量逐步减少，单位体积混凝土中水泥的用量逐步减少，逐步达到并超过发达国家水平当前水平，到 2030 年单位建筑面积用钢量降到目前的 75%，每立方米混凝土中水泥用量减少 110 kg[2]；
c）逐步增加钢结构建筑在新建建筑中的比例，住宅中考虑砌体结构替代部分砖混结构;
d）其余建材和设备暂不考虑单位面积用量的变化，按照随新建面积等比例变化计算。 图 4.50 分别给出了城镇住宅和公共建筑不同结构体系的单位建筑面积主材的环境负荷。2030 年的数据考虑了建材替代和单位面积建材消耗量减少，但没有考虑建材时效清单。可以看到，无论住宅还是公建各种结构体单位面积主材环境负荷的排序都是剪力墙>框架、框剪>钢结构>砌体。砌体结构消耗的水泥和钢比钢混和钢结构少，因此环境负荷最低。钢结构中水泥和混凝土的用量较钢
混结构少，因此环境负荷比钢混结构（框架、框剪、剪力墙）低。2005 年由于砖混结构的墙材大多为实心粘土砖，因此环境负荷最高；但由于墙材革新的不断推进，到 2030 年砖混结构的环境负荷已降至与砌体结构相当的水平，仅略高于砌体结构的环境负荷。2030 年由于全面考虑了以上几种措施，所有结构体系单位建筑面积的环境负荷都大幅下降，如果再考虑了单位建材清单时效性，还会有进一步下降。