生命周期評價(LCA)與生態(tài)建筑材料

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1 前言
    材料是構成建筑物和構筑物的物質基礎。遠古時代人類從利用天然石材和木材開始不斷探索,使建筑材料從原來為數不多的諸如磚、瓦、灰、砂、石等傳統(tǒng)建筑材料發(fā)展到上千余類、花色品種不計其數的建筑材料體系。建筑材料從單純的“實用性、功能性”含義外,又增加了“舒適、安全、美觀“的要求。建筑作為人類生存的重要依托,全世界建筑施工中每年石材用量占總用量的40%,原木用量占總用量的25%,建筑耗能占總耗能的40%。原材料的采集可能會導致資源的枯竭,建筑材料的制造要消耗能量,產生與地球溫室效應和酸雨相關的污染,建筑的拆除又產生大量的建筑垃圾……因此建筑材料與人類的生存發(fā)展以及環(huán)境資源可持續(xù)發(fā)展是息息相關的。隨著人們環(huán)保意識的不斷增強,創(chuàng)造健康、高效、舒適、優(yōu)美的環(huán)保型建筑——“生態(tài)建筑”成為追求的目標,從材料層面上說,“綠色建材”的研究和開發(fā)是“生態(tài)建筑”的重要組成,理應受到重視。過去人類建筑活動的一大特點就是按照自身的需要生產、加工并利用建筑材料,當不需要時即廢棄之,其運行模式是:資源——建筑——廢物。迄今為止建筑的建造按一次性使用的單向循環(huán)來處理,以至造成建筑物的建造變成一種將自然資源提取,再將大量廢棄物排回到環(huán)境中去的惡性循環(huán),這是一種典型的“享用浪費型”體系。當今世界“資源及環(huán)境危機”日益嚴重,因而,從建筑材料人手,探討評價建筑材料的“環(huán)境效益”的科學方法,積極推行建筑材料的再生循環(huán)(Renewable Cycle)利用,就顯得十分迫切,它是有效利用建筑材料,促進綠色建材及可持續(xù)發(fā)展的重要方面,是貫徹《中國21世紀議程>中倡導的“資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略決策的具體體現。因此,“環(huán)境負荷評價”及“生態(tài)環(huán)境材料”(Ecomaterials)的科學理念為我們提供了有益的借鑒。
    2 “生態(tài)環(huán)境材料”[Ecomaterials]和環(huán)境負荷評價LCA
    2.1 生態(tài)環(huán)境材料
    “生態(tài)環(huán)境材料”(Ecomaterials)又稱“具有環(huán)境意識的材料”,它是賦予材料以優(yōu)異的環(huán)境協調性或者那些直接具有凈化和修復環(huán)境等功能的材料。其實質就是對資源和能源消耗少,對生態(tài)環(huán)境影響小,可以再生利用或者降解使用,并且具有優(yōu)異的使用性能的材料。建筑材料是材料家族的一個重要成員,量大面廣,對人類環(huán)境和資源的可持續(xù)發(fā)展影響巨大,所以同樣具有“環(huán)境協調性”的要求。依照上述理念,相應提出“生態(tài)建筑材料”Eco—Building-Materials)這一概念。 “生態(tài)建筑材料”(Eco—Build—ing-Materals)是指在滿足使用要求的前提下,使得建筑材料的開發(fā)、生產和使用過程中的資源和能源消耗少,對生態(tài)環(huán)境影響小,可以再生循環(huán)(RenewableCycle)利用的建筑材料。這要求我們在建筑材料的選擇、生產和使用中首先從人類社會的長遠利益出發(fā),以滿足人類社會的可持續(xù)發(fā)展為最終目標,更好地發(fā)揮建筑材料的潛能,使建筑材料具有盡可能高的使用性能和使用價值。
    2.2 環(huán)境負荷評價(LCA)
    分析從原料的采集一直到生產、使用、廢棄及再生利用的全過程,及其對環(huán)境帶來的影響,并進行定量評價的方法即為“環(huán)境負荷評價”(Life Cycle As—sessment)。它是將建筑產品壽命周期各階段的環(huán)境負荷分解為資源及能源的使用對大氣、水及土壤的污染,地球溫室效應,廢棄物的數量等進行解析并定量表達的過程。如圖l所示為建筑材料壽命周期循環(huán)資源環(huán)境影響示意。在進行環(huán)境負荷評價(LCA)時,投入的一方要考慮資源及能源的消耗和資源再生的可能性,排出的一方要考慮對大氣、水、土壤的環(huán)境污染以及固體廢物數量及能耗等,上述兩方面均作為環(huán)境負荷的評價指標來調查分析評價建筑材料在整個壽命周期中物質及能量的平衡和環(huán)境負荷。環(huán)境負荷評價(LCA)分析具體步驟主要包括目標和范圍的確定、清單分析、影響評價和釋義與改進分析。針對建筑材料來說,其目標和范圍主要關注建筑材料相應的資源及能源的消耗及污染問題,清單分析主要是指收集確定建筑材料整個生命周期中的投入與產出,包括其資源能耗、系統(tǒng)排放的廢氣廢水、固體廢棄物及其他環(huán)境釋放物。環(huán)境影響評價方法主要采用總能量消耗(GER)、溫室氣體排放(GWP)、固體廢棄物負擔(SWB)等環(huán)境評價指標。最后根據清單分析和影響評價,結合評價目的和范圍的具體要求得出有關分析結果,并提出原材料、工藝設計及施工管理等方面的改進措施,從而完成整個評價過程2。
    3 建筑材料的生產及再生循環(huán)((Renewable Cycle)
    人類建筑發(fā)展史就是利用地球賦予的資源和能源,擴大自身的活動范圍,改善人的居住生活質量、促進人類文明進步的過程。隨著21世紀的到來,關系人類生死存亡的地球資源環(huán)境問題日益突出,因此作為建筑材料不僅要求先進的結構圍護和舒適性,而且要考慮建筑材料與地球環(huán)境協調的問題。傳統(tǒng)建筑材料生產具有能耗高、污染大的特點,對其關鍵性生產工藝進行技術改造和創(chuàng)新能減少建筑材料生產中的污染。例如,鋼鐵生產中采用先進的薄板坯連鑄或雙棍連鑄工藝,能夠大大降低能耗及CO2的污染。美國國家石膏公司發(fā)明的CALCIDRNE煅燒爐在懸浮狀態(tài)下煅燒石膏原料,石膏粉在8分鐘內完成煅燒工藝,從而降低了石膏煅燒和干燥能耗。另一方面,建筑固體廢棄物的再生循環(huán)同樣是改善和提高其環(huán)境協調性的重要方面。建筑物在解體拆除時不僅會產生大量的含有混凝土、木材、金屬、塑料等成分的固體廢物,而且無論新建還是拆毀時都會留下建筑殘土污泥等建筑副產品,建筑廢棄物占總工業(yè)廢棄物的比例達40%因此,科學的治理和有效利用建筑廢棄物意義重大。如圖2所示為建筑固體廢棄物的再生循環(huán)途徑示意。再者,建筑材料的環(huán)境相容性也是建筑材料的生產及再生循環(huán)應該考慮的重要因素。例如,用含有煉鋼所需的有益金屬元素從AI、TI等的涂料代替普通涂料來做為建筑鋼結構防腐涂料,在回收時不須考慮涂層的分離,以便于鋼結構的回爐。將熱塑性塑料LDPE和木材纖維、木屑等溫和,利用傳統(tǒng)的注射成型法得到多孔性的人工木材,它吸濕性低,具有良好的加工性,其性質隨著塑料基體和木材廢料的相對含量不同而不同,能充分利用廢棄的塑料和木屑,并具有生物降解性。在聚丙烯膜或泡沫中加入適量的BaO,通過加熱解聚形成回收性能良好的丙烯,這些都是提高材料環(huán)境相容性的有效方法。相信現代高科技的迅猛發(fā)展將會為建筑材料的再生循環(huán)利用開辟新的更多的途徑3。
    總之,建筑材料生產的節(jié)能改進和固體廢棄物的再生利用是提高建筑材料環(huán)境協調性的重要措施,應當受到人們的重視。
    4 建筑師在“生態(tài)建筑材料”(E—co—Building—Materials)使用和推廣中的作用
    建筑師直接從事建筑及構配件的設計和選材工作,肩負著“設計廣廈千萬間,大蔽天下寒士俱歡顏”的歷史重任。無庸質疑,建筑師在貫徹綠色建筑及建材資源可持續(xù)發(fā)展方面起著舉足輕重的作用。令人擔憂的是,建筑師教育體系以及整個建筑市場環(huán)境存在著很多不利因素。一方面,我國的建筑學教育往往對于建筑材料的加工生產、回收利用以及生態(tài)環(huán)境保護的相關知識的傳授重視不夠,造成廣大建筑設計從業(yè)人員缺乏這方面的必要知識,因而在設計實踐中很難做到自覺利用上述知識指導各自的設計工作;另一方面,整個社會包括業(yè)主普遍缺少生態(tài)保護及綠色建材可持續(xù)發(fā)展的觀念和意識,設計中片面的追求豪華氣派,大量的毫無節(jié)制的使用高檔名貴的尤其是不可再生的建筑材料及構配件制品,選用材料的標準只是關注其工程物理性能和表面觀感效果,認識不到蘊含在建筑材料內部的許多深層次的環(huán)境和資源問題;再加上各級政府城建主管部門在有關城市發(fā)展和更新方面觀念上的偏差,市政建設中的”大拆大建”之風日益盛行。上述因素使得建筑材科的可持續(xù)利用工作在我國舉步維艱,長期受到冷落和忽視。建筑師應該重新認識建立在資源浪費基礎上的舊建筑體系,科學評價建筑材料的“環(huán)境效益”,積極推進建筑材料的再生循環(huán),使我們的建筑真正成為關愛自然,與自然和諧共存、造福人類的典范。
    建筑師應注意以下幾方面:
    4.1 加強自身對建筑材料生產回收利用及生態(tài)保護的相關知識的學習,努力拓展自己的知識面,提高各自在建筑材料選材及設計工作中的環(huán)保意識,增強貫徹綠色建材及可持續(xù)發(fā)展的自覺性和歷史使命感。
    4. 2 建筑設計中優(yōu)先考慮選擇環(huán)境協調性好的建筑材料;天然材料在具有良好的使用性能的同時環(huán)境協調性也很好,生土建筑、紙制建筑和傳統(tǒng)的純木構架建筑這些利用可再生的天然材料來建造建筑,很好地體現了環(huán)境協調性的要求4。
    4.3 在建筑設計過程中應考慮構配件的重復使用要求。借鑒建筑工業(yè)化的科學理念,將設計標準化作為大量性民用建筑設計的重要原則,提高建筑構配件(梁,柱,門,窗等)的通用性,使之便于拆裝回用。
    4.4 借鑒歐洲各國及日本傳統(tǒng)古建筑重建及維護的先進經驗,有意識地將傳統(tǒng)建筑中富有特色的耐用構配件應用到新建筑中去。
    這些構配件特有的歷史積淀和民族特色可以很好地體現新舊建筑的歷史延續(xù)及文脈特色,這種做法既很好地體現了建筑材料資源的可持續(xù)利用,又豐富了建筑師的設計手法,拓展了建筑師的設計思路。上?!靶绿斓亍钡慕ㄖ_發(fā)及裝修大量的保留使用原有建筑的結構骨架及構配件,這些富有濃郁的地方特色和歷史文化的建筑遺產在新建筑中的巧妙利用,營造出一種迷人的懷舊氛圍,使“新天地”成為上海這個國際化大都市中令人贊嘆的新亮點,成為舊城區(qū)開發(fā)改造設計的典范。在舊城改造中正確的認識并發(fā)揮舊有建筑及構配件的潛在的材料資源和人文歷史價值已成當務之急。
    我國已成功加入WT0組織,這意味著建材行業(yè)面臨與國際接軌的嚴峻挑戰(zhàn)。國際材料標準化組織ISO TC207委員會起草的ISO14000對環(huán)境負荷評價(LCA)進行如下定義:LCA是匯總和評估一個產品(或服務)體系在其整個壽命周期中所有的投入及產出對環(huán)境造成的和潛在的影響的方法5。建筑材料的環(huán)境協調性評價是將LCA的基本概念、原則和方法應用到建筑材料的環(huán)境負荷評價中去。政府各職能部門應依據環(huán)境負荷評價(LCA)的基本理念,對現有的建筑材料按照其資源存量、能源消耗及再生循環(huán)利用的可能性進行環(huán)境協調性的等級評估,發(fā)揮宏觀政策管理優(yōu)勢,利用稅收等經濟手段,鼓勵使用環(huán)境協調性好的材料,限制使用環(huán)境協調性差的材料,以便扭轉目前建筑用材的不良傾向,引導建筑材料的正確消費和可持續(xù)利用。
    隨著科學技術和生產力的不斷發(fā)展,人類對建筑材料的要求越來越高,祖先從最初的木骨泥墻、干闌草頂和石梁石柱到磚瓦泥灰以至鋼鐵、水泥和鋼筋混凝土,一直發(fā)展到如今令人眼花撩亂的成千上萬種的新型建材,這些構成了人類引以自豪的“建筑文明”。為了切實體現和保證當今“建筑文明”可持續(xù)發(fā)展,建筑材料的“綠色化”和“生態(tài)化”是一個不可忽視的大問題。它涉及材料科學、生態(tài)學、建筑設計及施工管理等多種學科,只有通過產、學、研以及政府相關部門的通力合作才能實現這一目標。
    5 結論和建議
    (1)建筑材料的“生態(tài)化”是實現綠色建筑及資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關鍵;
    (2)生命周期評價(LCA)是系統(tǒng)評價建筑材料環(huán)境影響的重要手段;
    (3)建筑材料環(huán)境協調性的等級評估有利于正確引導建筑材料的合理消費;
    (4)建筑師在綠色建樹的推廣及應用中起著不可替代的作用。