许培玉 朱建君 徐霄枭 李海涛 熊振华

摘要：

为了缓解全球变暖的严峻形势，响应“2030碳达峰、2060碳中和”目标，实现建筑业绿色可持续发展，研究选定竹集成材为研究对象，利用碳排放因子法，识别并探讨竹建筑材料全生命周期的碳源和碳汇。在实地调研的基础上，分析了竹集成材在生产制作、材料运输及施工安装阶段的资源消耗量和碳排放，研究了原竹种植与竹建筑构件拆除回收阶段的碳汇特性。研究发现：单位体积（1 m3）的竹结构建筑构件全生命周期的平均碳足迹为-187 kg CO2，碳汇可能性达67.06%，即竹建筑材料的全生命周期碳足迹总体表现为碳汇，有利于控制气候变暖。在对比分析了不同建筑构件在物化阶段的碳足迹后，明确了竹建筑材料的碳储存优势。

关 键 词：

竹建筑材料； 竹集成材； 全生命周期； 碳汇； 碳排放因子法

中图法分类号： TU72；TU-023

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.012

0 引 言

建筑业是全球温室气体排放的主要来源之一。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告，全球36%的碳排放源于建筑业的能源使用，占全球溫室气体总排放量的1/4［1］，全球变暖已成为目前亟待解决的严峻问题。在此背景下，中国已提出“2030碳达峰、2060碳中和”目标，建筑业节能减排势在必行。中国“十四五”规划明确指出，需要增加森林覆盖率、推进建材行业绿色化改造［2］。竹材作为一种可持续性建材，每公顷竹林固碳量达5.09 t，是杉木的1.46倍，热带雨林的1.33倍［3］；且相同生长条件下，竹子年产值可达78.3 t，是木材的4.47倍，其可持续性是木材的20倍以上［4］。因此增加竹产品的碳储量对实现“森林增汇”、缓解全球变暖具有重要意义。

竹材具有良好的机械性能［5］和观赏性［6］，竹材从力学特性上已被证实具有替代混凝土和木结构的能力［7］。然而其生态固碳方面的优势未被发掘，仅有少量学者进行了竹建筑材料的全球变暖优势研究。荷兰MOSO研究中心基于生命周期评价（LCA），讨论了工业竹制品的环境影响及碳汇的定义与计算［8］；Restrepo等通过消费指数进行能量分析，讨论研究了哥伦比亚竹板制造过程中的能量和碳足迹分析［9］；李佳等

深化竹林全生命周期碳汇功能的科学评估，阐明了典型竹产品加工过程碳足迹的特征变化［10］；费本华等具体阐述了竹材固碳能力，从竹材碳足迹角度验证其对产业发展的调控作用［11］；Zhang等研究了住宅新型钢竹复合框架结构的生命周期碳减排潜力［12］。

建筑业碳足迹研究在明确传统建材制造产生大量CO2排放的同时，还发现对传统建材进行技术改革所能缓解的碳排放是十分有限的，因此多数学者提出发展绿色建材的需求［13-14］。然而，作为绿色建材的典型代表之一，竹结构建筑的减碳优势并没有被很好地论证，竹建筑材料是需要深入研究的。因此，论文旨在量化竹建筑材料的全生命周期碳足迹，阐明其碳储存优势，提供建筑业家园群落的“碳中和”路径。

1 竹建筑材料全生命周期碳足迹理论基础

1.1 竹建筑材料全生命周期

竹建筑材料主要是指以竹复合型材为建材的装配式建筑主体结构构件［6］。其中，研究选择的竹集成材（LBL）是目前竹建筑市场使用率最高的竹建筑材料。在分析并考虑竹集成材作为生物质资源的固碳特性及仅针对竹建筑构件而言的运行及维护过程几乎没有碳的流动等特征，本文定义竹建筑材料的全生命周期为原竹种植阶段，竹集成材的生产阶段、运输阶段、施工阶段和拆除回收阶段等5个关键阶段（见图1）。

1.2 碳足迹测算方法及测算边界界定

碳足迹的测算方法主要包括排放系数法、物料衡算法、实测法、生命周期评价法、基于过程的清单分析法和投入产出法等6种［15］。研究发现，相较于其他测算方法存在数据获取困难、数据影响因素多、时间成本大和社会应用率低等弊端，排放系数法具有简明清晰、易于理解和测算体系完善等优势，是目前学术界应用最广泛的碳足迹计算方法，因此选取排放系数法来定量分析竹集成材的全生命周期碳足迹。

碳足迹测算边界的界定需要根据研究对象差异具体分析，是碳足迹测算的前提和基础［16］。竹建筑材料全生命周期碳足迹测算边界的界定依据其全生命周期（图1）和实质性排放的调查，确定了人工、材料和机械能源碳足迹3类（见表1），其中“+”代表碳足迹显示为碳源；“-”代表碳足迹显示为碳汇，而对于边界内小于碳足迹总量1%的非实质性碳足迹不予考虑［17］。

2 竹建筑材料全生命周期碳足迹测算模型

2.1 碳足迹测算依据

根据国际产品碳足迹评估标准PAS 2050提供的标准化方法，研究结合中国GB/T 51366-2019《建筑碳排放计算标准》进行本土化调整，按照碳排放系数法，参照碳足迹测算边界综合构建竹建筑材料的全生命周期碳足迹测算模型。

3 竹建筑材料全生命周期碳足迹分析

3.1 原竹种植阶段碳汇分析

竹集成材品种为最适宜建筑使用的毛竹，因此研究选择的竹产地为中国长江-南岭竹区，这里是中国毛竹研究的典型地理区域，这里不仅是中国毛竹种植量最大的区域，占据中国毛竹种植面积的80%，还是竹集成材生产企业的核心地区。

原竹种植阶段的碳汇是基于样地勘测进行的生物量测算，这是目前国际计量竹林固碳量的主要方法。基于此，根据位于浙江的毛竹林的生态系统通量观测报告，2011～2014年的4 a间，毛竹每年每平方米的碳汇贡献量（S）分别为668.40，546.29，506.95 g和630.36 g，而且依据实地调研原竹种植阶段的活动数据（见表2），根据式（9）得到了原竹种植阶段的碳汇量。

3.2 竹建筑材料生产阶段碳源分析

3.2.1 工艺流程

基于实地调研某竹木有限公司，獲得了竹集成材（LBL）生产阶段的工艺流程，包括前端工厂生产和后端工厂生产两部分，如图2所示。

3.2.2 资源消耗量

在中国的建筑业中，竹建筑产业仍处于起步阶段，掌握成熟的生产技术的竹产业数量少、产业化规模较小。因此，为了确定有效和足够的资源消耗量数据，研究小组接触了竹建筑企业和大学的专业人士和教授，邀请了5位具有5～10 a竹建筑材料实践经验的专业人士参加访谈，最终确定竹建筑材料在生产、运输和施工阶段的资源消耗特征。

基于访谈结果，研究小组对两家竹建筑企业进行了实地调查。调查选择的竹建筑企业在竹集成材的生产工艺和技术方面都有很好的代表性，是中国竹建筑领域的前沿企业，在工艺流程、资源消耗等方面可以反映目前整个竹建筑行业的基本情况。在现场调查中，项目小组确定了不同环节的具体工艺（见图2），详细观察和记录了每个过程中涉及的人工、材料和机械能源消耗，并全面收集了公司近3 a所有相关的生产数据。其中，每项活动的人工、材料和能源的消耗都按照最小值、最大值和最可能值进行收集，基于大量的生产记录信息，最终筛选确定了竹集成材生产阶段的资源消耗量的最可能情况，如表3所示。

值得说明的是，实地调研获得竹集成材“干燥”环节使用的生物质燃料为173 kg，但由于生物质燃料作为碳储存产品，其燃烧所释放的CO2来源于原材料作为有机生物生长时吸收固定的碳，不应作为其他产品碳足迹的组成部分［19］。

3.3 竹建筑材料运输及安装阶段碳源分析

3.3.1 运输阶段资源消耗量

运输是一个资源消耗差异性很大的过程，运输方式、运输距离等都会对资源消耗结果产生不同的效果。由于产品性质以及国内供求关系等因素，中国境内竹制品的运输主要采用公路运输，运输载具主要是重型柴油卡车。实地调研结果显示，竹建筑材料运输阶段主要包括从原竹种植区到前端工厂、从前端工厂到后端工厂和从后端工厂到施工现场3部分。基于竹建筑企业近3 a的订单记录确定的运输细节如表4所列。

3.3.2 施工阶段资源消耗量

竹结构建筑构件作为一种预制建筑构件，施工过程受企业能力、施工环境等因素影响较大，而且竹结构建筑作为一种新型建筑模式，竣工项目稀少，难以说明竹建筑材料基本的施工消耗。为了消减这种影响，论文根据住房建设部2016年发行的TY 01-01（01）-2016《装配式建筑工程消耗量定额》中装配式木结构建筑工程安装定额，结合调查企业参与竣工的竹建筑项目的施工数据，最终确定了竹建筑材料在施工阶段的资源消耗数据，如表5所列。

3.4 竹建筑材料拆除回收阶段碳汇分析

竹建筑材料作为一种可回收利用的建材，应根据其再利用途径进行碳汇的分类探讨。由文献检索及实地调研得知，竹建筑材料拆除回收再利用的途径主要作为其他竹产品或生物质燃料的原材料销售。竹建筑材料被拆除后，如果经检查认定性能良好，则作为其他竹产品的原材料处理，而对于剩余竹建材，则以生物质燃料的形式出售。

竹建筑材料以原材料的形式参与其他竹产品的生产阶段（竹木材回收利用率γ至少达80%［19］），替代了同体积的竹材料的使用，换言之，不仅额外生产了更多的产品，还减少了原本应加工此竹材造成的CO2排放。因此，通常认定此过程中被再利用的竹建筑材料减少了原本应生产的CO2排放，是一种特殊形式的碳汇。除此之外，对于剩余未处理的竹建材，则以生物质燃料进行出售。但由于竹集成材是一种碳储存产品，作为生物质燃烧时并不会造成额外的CO2排放，仅是将其相应体积的毛竹在种植阶段固定并储存的碳排出。竹建筑材料作为一种可持续性利用的绿色建材，其回收利用提供了巨大的建筑减碳空间［20］。

3.5 碳排放因子分析

本文选取了中国工程院、国家发展和改革委员会能源研究所和IPCC国家温室气体排放清单指南等权威机构研究数据，综合考虑碳排放因子选取的可靠性原则、就近性原则与平均性原则［21］，确定了人工、材料资源和机械能源（化石能源和电力）的碳足迹因子数据。相关数据如表6所列。

4 结果与讨论

4.1 竹建筑材料全生命周期碳足迹测算

本文基于1 000次的蒙特卡洛模拟分析，确定了竹建筑材料在全生命周期的碳足迹分布情况。由于考虑供应运输（从后端工厂到施工现场）范围的全面性，本研究首先将此环节的运输距离定义在100～1 000 km的最大范围，结果显示，竹集成材在全生命周期具有37.66%的概率实现CO2的净储存（EFt<0），平均碳足迹为59.70 kgCO2（图3（a））。而实地调研发现，竹建筑企业的主要供应运输范围在100～600 km。因此，研究再次将此环节的运输距离定义为最可能范围，结果显示，竹建筑材料全生命周期的平均碳足迹基本稳定在-31 kgCO2，碳汇可能性达到54.04%（图3（b）），即在正常供应范围内，可以认定表现为碳汇。这一结果积极地表明，只要合理控制各阶段的CO2排放，就可以实现竹建筑材料的碳中和，甚至是碳汇。同时，这一结果变化也指明了竹建筑领域产业化低的弊端，更为竹建筑企业生产优化提供了方向。

在不同阶段中，竹建筑材料在原竹种植阶段与拆除回收阶段体现为碳汇，其中以原竹种植阶段碳汇量最大。尽管原竹种植阶段存在因砍伐、浇灌和施肥等活动产生的CO2，但仍远小于其光合作用固定的碳。生产阶段、运输阶段和施工阶段则体现为碳源，生产阶段是碳排放的最大贡献者，排放了全生命周期约83%的CO2，这大概是由于生产阶段复杂的工艺流程和庞大的资源消耗产生的；其次为运输阶段，这是由于预制构件运输难以规避的弊端导致的。因此，想要进一步提升竹建筑材料的碳汇优势，有必要对其各阶段进行详细分析，针对性地优化。

4.2 竹建筑材料全生命周期减碳分析

基于实地调查情况，竹建筑材料全生命周期相关资源存在过度使用的情况，并且部分运输环节由于技术升级可以进行规避，因此可将资源进行调整，而不影响企业正常的生产（见表7）。

基于资源调整，研究以蒙特卡洛进行了竹建筑材料的减碳分析。最终，测算得出1 m3竹建筑材料的平均碳足迹为-187 kgCO2，碳汇可能性达67.06%（见图4）。竹建筑材料全生命周期碳足迹表现为碳汇，有利于控制气候变暖。

4.3 不同建筑构件碳足迹对比分析

目前学术界对不同建材碳足迹的研究，一般集中在物化阶段，因此，研究为了充分比较分析不同建筑构件的碳足迹量，以物化阶段为边界，分析探讨竹建筑材料的碳汇优势（见表8）。

基于国际文献研究，确定了不同建筑材料的碳足迹情况。此外，文献显示，钢结构建筑构件物化阶段可以比现浇式建筑节约30%碳排放［25］。因此，不同建筑构件物化阶段的碳足迹量表现为现浇混凝土建筑构件＞装配式混凝土建筑构件＞钢结构建筑構件＞木结构建筑构件＞竹结构建筑构件，竹结构建筑构件碳汇性能优越。

5 结 语

本文基于碳排放因子法，测算竹建筑材料全生命周期的碳足迹，研究了竹建筑材料全生命周期碳源、碳汇特征，对竹结构建筑构件全生命周期碳足迹进行定量分析，弥补了碳足迹分析中关于竹结构建筑构件研究的短缺。研究显示，中国目前的竹集成材企业每生产1 m3的竹结构建筑构件，其全生命周期可以稳定储存约187 kg的CO2，竹建筑材料全生命周期碳足迹表现为碳汇，有利于控制气候变暖，是一种能够促进建筑业绿色发展的可持续性建材。并且通过对比分析，竹结构建筑构件在同体积建筑构件的物化阶段具有明显的减碳优势，竹建筑材料是一种优于同类型建筑构件的长期碳储存的绿色产品。

参考文献：

［1］ Intergovernmental Panel on Climate Change.Synthesis report of the IPCC fifth assessment report［R］.Geneva：IPCC，2014.

［2］ 中国人民共和国中央人民政府.中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要［Z］.北京，2021.

［3］ YEN T M，LEE J S.Comparing aboveground carbon sequestration between moso bamboo（Phyllostachys heterocycla）and China fir（Cunninghamia lanceolata）forests based on the allometric model［J］.Forest Ecology and Management，2011，261（6）：995-1002.

［4］ VAN DER LUGT P，VAN DEN DOBBELSTEEN A，ABRAHAMS R.Bamboo as a building material alternative for Western Europe？ A study of the environmental performance，costs and bottlenecks of the use of bamboo（products）in Western Europe［J］.Journal of Bamboo Rattan，2003，2（3）：205-223.

［5］ 陈国，周涛，李成龙，等.竹木组合工字梁的静载试验研究［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2016，40（5）：121-125.

［6］ 李海涛，宣一伟，许斌，等.竹材在土木工程领域的应用［J］.林业工程学报，2020，5（6）：1-10.

［7］ 苏靖文，李海涛，杨平，等.竹集成材方柱墩轴压力学性能［J］.林业科技开发，2015，29（5）：89-93.

［8］ VAN DER LUGT P，VOGTLNDER J，VAN DER VEGTE J，et al.Environmental assessment of industrialbamboo products：life cycle assessment and carbon sequestration［C］∥10th World Bamboo Congress，2015：1-16.

［9］ RESTREPO ，BECERRA R.Energetic and carbon footprint analysis in manufacturing process of bamboo boards in Colombia［J］.Journal of Cleaner Production，2016，126：563-571.

［10］ 李佳，顾蕾，朱玮强，等.浙江省安吉县CCER竹林经营碳汇交易项目经济效益分析［J］.浙江农林大学学报，2018，35（4）：581-588.

［11］ 费本华，马欣欣，石雷，等.竹材碳足迹内涵及其对产业发展的调控作用［J］.世界竹藤通讯，2020，18（2）：12-17.

［12］ ZHANG X，XU J，ZHANG X，et al.Life cycle carbon emission reduction potential of a new steel-bamboo composite frame structure for residential houses［J］.Journal of Building Engineering，2021，39：102295.

［13］ IGE O E，OLANREWAJU O A，DUFFY K J，et al.A review of the effectiveness of life cycle assessment for gauging environmental impacts from cement production［J］.Journal of Cleaner Production，2021：129213.

［14］ 高唱.基于LCA的再生混凝土环境影响评价研究［D］.北京：北京建筑大学，2020.

［15］ 高鑫，朱建君，许小婷.装配整体式混凝土建筑物化阶段碳足迹测算案例研究［J］.建筑节能，2020，48（4）：131-137.

［16］ 孙锦，刘源，赵荣钦，等.基于投入产出的中国省际农业水-土-碳足迹流动分析［J］.生态学报，2022，42（23）：9615-9626.

［17］ 周国模，姜培坤.毛竹林的碳密度和碳贮量及其空间分布［J］.林业科学，2004（6）：20-24.

［18］ YU D，TAN H，RUAN Y.A future bamboo-structure residential building prototype in China：Life cycle assessment of energy use and carbon emission［J］.Energy Buildings，2011，43（10）：2638-2646.

［19］ 周国模，顾蕾.竹材产品碳储量与碳足迹研究［M］.北京：科学出版社，2017.

［20］ 杨路远.预制混凝土构件物化阶段碳足迹测算［D］.南京：东南大学，2017.

［21］ 包昀培.基于BIM的建筑物碳足迹评价研究［D］.大连：大连理工大学，2016.

［22］ CHURKINA G，ORGANSCHI A，REYER C P，et al.Buildings as a global carbon sink［J］.Nature Sustainability，2020，3（4）：269-276.

［23］ DONG Y H，JAILLON L，CHU P，et al.Comparing carbon emissions of precast and cast-in-situ construction methods-A case study of high-rise private building［J］.Construction and Building Materials，2015，99：39-53.

［24］ AMIRI A，OTTELIN J，SORVARI J，et al.Cities as carbon sinks-classification of wooden buildings［J］.Environmental Research Letters，2020，15（9）：094076.

［25］ 曾杰，俞海勇，張德东，等.木结构材料与其他建筑结构材料的碳排放对比［J］.木材工业，2018，32（1）：28-32.

（编辑：黄文晋）

Abstract：

In order to alleviate the severe situation of global warming and to achieve green and sustainable development of the construction industry in response to the goal of 2030 carbon peak and 2060 carbon neutral，we selected laminated bamboo lumber as the research object，and used the carbon emission factor method to identify and explore the carbon sources and sinks of bamboo construction materials throughout the life cycle.Based on a field research，the resource consumption and carbon emission of laminated bamboo lumber in the production，material transportation and construction phases were analyzed，and the carbon sink characteristics of raw bamboo planting and dismantling and recycling of bamboo building components were studied.It was found that the average carbon footprint of bamboo building components per unit volume（1m3）over the whole life cycle was-187 kgCO2，with a carbon sink possibility of 6706%，i.e.the whole life cycle carbon footprint of bamboo construction materials was generally a carbon sink，which was beneficial to climate warming control.Finally，the carbon footprints of different building elements at the materialization phase were compared and analyzed，and the carbon storage advantages of bamboo construction materials were clarified.

Key words：

bamboo construction materials；laminated bamboo lumber；whole life cycle；carbon sink；carbon emission factor method