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桥梁环境生命周期评估 Johanne Hammervold1 Marte Reenaas2 and Helge Bratteb 3 摘要 本文进行了挪威三个案例桥 LCA 的环境生命周期评价的研究 并加以详 细比较 涵盖了桥梁设计较广的规模 分析处理了钢箱梁悬索桥 混凝土箱梁桥 和一个木制拱桥 这项研究提出使用标准化的桥梁分类 分析公路桥梁的第一个 生命周期 生命周期评价包括多种污染物 详细的生命周期材料和高消耗的能源 水平 并与桥梁早期生命周期评价一起使用作为基准 对桥梁进行生命周期评价 作出常规性的建议 研究表明 主要承载系统 即 桥梁上部结构 和桥墩需要 大量的材料 这些材料是十分重要的并且数量有限 并且环境影响大都是由此造 成的 施工阶段占比较少的影响 使用阶段影响更显著 主要是因为沥青要重铺 建筑设备和人员使用在生命周期的各个阶段都是次要的 因为在此过程中使用的 是模板 胶粘剂 爆破和报废的焚烧木头 在这项研究中所作出的最重要的环境 假设是全球变暖 非生物耗竭和酸雨问题 三种桥的比较结果表明 混凝土桥的 替代性能在环境总体上最佳 但是当它涉及到全球变暖上时 木桥是比其他两个 更好 研究结果支持这一想法 从准确公正的角度上看 在桥梁设计过程的不同 阶段 它可能是有益于环境设计方案的决定性因素 这一因素正在被桥梁工程界 愈加重视 CE 数据库主题词 桥梁 建筑 生命周期 环境问题 决策 关键词 桥梁建设 桥梁管理 生命周期评价 环境影响 决策支持 绪言 芬兰 瑞典和挪威的研究合作的 ETSI 项目 Salokangas2010 于 2006 年推出 丹麦 也在 2009 年推出了该项目 该项目旨在优化桥周期 包括经济 环境和美学问题 包含桥 的整个生命周期 该挪威集团一直致力于环保问题并制定了桥梁环境生命周期评估工具 生 命周期评价 称为桥的生命周期评价 Bratteb 等 2009 这工具可用于详细评价桥梁的 生命周期 揭示了何种材料和零件造成了什么样的影响和在哪个生命周期阶段弥补这些影响 的发生 本文介绍了三座桥梁的案例研究 并给出了这三种类型桥梁的环保性能尤为重要的 参数 对桥梁此前生命周期评价研究进行了审查 并将这些主要研究结果载列于本文件 几个 在桥梁的生命周期研究已经进行了 为了识别桥梁环保性能最重要的参数 这里介绍的早期 研究案例 可以看作是一个更加系统和详细的扩展 我们相信 优秀的桥梁工程师们加快了 环保设计的当前进程 特别是在设计过程中 即使是信息很少的早期阶段也可能有用 或许 这也是一个很好的机会来影响一个看似完美的设计策略 在本文中分析的三座桥梁 钢箱梁 混凝土箱梁桥和木拱桥 都已建成并在挪威西部 使用 这意味着 这也可以持续得到关于桥的制作和施工阶段中消耗各类资源的实际情况 大多数桥梁生命周期都被能耗和物耗占了 几个环境影响类别也都包括在内 该桥梁在材料 桥梁构件 以及生命周期阶段对环境影响的基础上 进行了分析 文献 比较不同可替代的桥 对在莫桑比克和达席尔瓦的两座预应力混凝土箱梁桥和钢筋 混凝土复合工字梁桥进 行比较 2008 考虑到排放的二氧化碳 CO 2 二氧化硫 SO2 氮氧化物 NOx 挥 发性有机化合物 VOC 一氧化碳 CO 甲烷 CH4 和颗粒 共分为六个类别的环境 影响 全球变暖 酸化 富营养化 标准空气污染物 烟雾形成和水的摄入量 这些类别评 价的标准是美国每年人均排放量 生命周期评价结果表明 复合材料桥具有最佳的整体环境 表现 但是考虑到类全球气候变暖 水的摄入量 和水体富营养化 混凝土桥是最好的选择 在科林斯 2006 以下两项研究 一 最初的研究 是专为三种可供选择的桥梁同一 站点 一个主要的小溪横穿中东 第二 主要的研究 是三种可供选择的桥梁形式穿越在 英国 河宽约 120 米 一条河 环境负荷是由隐形能源消耗和二氧化碳排放量估计 假设这 些代表物是评价环境负荷的合理途径 最初的研究项目包括混凝土悬臂桥 混凝土斜拉索桥 钢拱桥桥 结果表明 相对于混 凝土悬臂梁桥 混凝土斜拉索桥和钢拱桥分别代表 1 3 倍和 1 9 倍对环境的污染 该研究还 得出结论 油漆 防水塑料能体现比较高的能量值和每吨二氧化碳的排放量 主要研究认为 每个备选方案应该有三种基本形式并有三种可供选择的材料 这里给出 了总共 9 种的替代品 即 梁 拱 以及斜拉钢 混凝土或桥梁钢 混凝土组合 研究发 现 混凝土桥梁对所有桥梁形式有最低的内能和二氧化碳排放值 对于较短的跨度结构而言 混凝土和钢筋混凝土之间的差异是微不足道的 贯穿整个使用期的三种材料的排放量几乎是 相同的 并且在这个阶段的大多数排放量都涉及到桥梁的重铺路面 霍瓦特和亨德里克森 1998 提出了两个桥梁的备选方案 对钢架桥和钢 钢筋混凝土 桥梁进行环境评估 对这项研究中三组数据的环境影响进行了量化比较 即有毒化学物质排 放量 有害废物的产生值 常规空气污染物排放之间的比较 要求混凝土的设计使用要有最 低的环境影响 计算对钢架桥的环境影响中 它只占到 10 60 环境影响对整个桥的使 用寿命而言是非常重要的 如二氧化硫 氮氧化物 甲烷和 VOC 在给桥涂保护膜时的排 放量比梁的生产过程中的排放量要更高 在伊藤和北川 2003 修改后的生命周期法早已用于评估和比较两种钢桥梁 包括常 规的梁桥和最小化的梁桥 在维护阶段中比较桥的二氧化碳的排放量和成本 最小化的梁桥 能降低二氧化碳排放和总成本 比较可替代的不同桥梁组成构件 对 Keoleian 等地的两种类型的甲板系统进行了比较 2005 一个钢筋混凝土桥面方案 与一个传统的钢制伸缩器及钢筋混凝土混合使用方案 即工程水泥基复合材料 ECCS 的 链接板设计 空气中的各种污染物 CO 2 CH 4 CO PM10 非甲烷碳氢化合物 氮氧 化物 硫氧化物 和水 生物需氧量 NH 3 PO432 油 悬浮物 并溶解物质 都被考虑 到了 分析表明 在 ECC 甲板产生的所有污染物显著降低了对环境的影响 本文中斯蒂尔等人 2003 提出了适用于各种桥梁的方法 该文通过诉诸案例研究 提 出了一些关于整个桥梁的生命周期如何减少对环境影响的建议 如何减少材料的使用量是最 重要的 但不应影响结构的耐久性和使用寿命 钢筋和混凝土是建设新桥梁的主要材料 这 些材料的制造过程是结构的生命周期中对环境影响的最大单一贡献者 接头 轴承 及护栏 经常由其它材料制作过程中影响相对而言就少得多 甚至使用期限完了后更换时也是如此 据此 钢或混凝土从环保的角度来看并不一定更好 良好的保养可以防止变质 延长结构寿 命 大多数情况下 翻新和加强代表着比结构替代更能降低对环境的影响 在结构封闭时 中断交通代表着比维持交通更高的环境影响 在某些情况下 甚至比桥的实际施工过程中产 生的影响更高 预见未来的发展趋势 例如 提高均布载能力或者使用松配合部件需要额外 的甲板或桥墩宽度 调查结果显示 虽然相关的制造和安装阶段影响现予增加 在较长的运 行阶段对整个生命周期的影响减少依然有巨大潜力 但是这必须以超标准来保持平衡 马丁 2004 年 关于混凝土桥梁的环境问题进行了描述 并比较 2 个关于不同桥面 包 括梁 的早期研究 提出的第一项研究是以下两个桥面设计 包括梁 一个钢梁钢 钢筋混 凝土桥面和一个混凝土梁钢 钢筋混凝土桥面 比较了甲板有关能源使用和温室气体 GHG 排放 结果表明 就原始材料而言 在混凝土桥面比钢桥面少消耗 39 的能量并且产生的 CO 2 减少 17 如果回收的角度看 钢铁评分比混凝土高 因为前者更容易在使用期限完 后分开回收 第二项研究中提出了比较了甲板上 3 种重量轻 正常密度和高强度混凝土混凝土型替代 品 它的结论是 能量消耗无显著差异 然而 高强度混凝土被认为耐久性较长 因此可能 是环保首选替代 在一项由 Bouhaya 等提出的研究中指出 2009 年 由木头和超高性能混凝土的创新 桥梁结构采用 LCA 方法的研究 研究内容包括能源使用和温室气体排放 树木在生长过程 中吸收二氧化碳是在所难免的 对以下三种情况报废的处理进行评估 1 埋在垃圾填埋场 假设只有 15 劣化并产生二氧化碳和甲烷 而剩余的 85 以碳的形式储存 2 焚化 与 天然气的燃烧相比 3 再利用 零排放 结果这三个方案显示 包括树木生长过程中捕 获的二氧化碳抵消了系统从其他部分所产生的排放量 对于前两种情况下 树木生长过程中 吸收二氧化碳实际上比在桥的生命周期阶段发生的排放量要高 因此 在整个生命周期温室 气体排放量 桥梁的为负 其他的发现是 在运输和施工阶段的贡献 总能源使用和温室气 体排放量 储蓄 与生产相比要少 从前面文献资料的结论可以看出 人们同意 有一些已经已建桥梁 为设计人员提供有 用信息的 但令人惊讶的不是很多 LCA 研究 在另一方面 它可能很难找到一组中有几 个环保桥梁设计的通用意见 因为事实上 这些良性桥设计是根据出完全不同的假设进行的 其中一个重要的观察是 迄今为止 通过使用标准化的桥梁设计的分类 没有研究记录桥梁 的环境生命周期的性能 其中原材料和能源的消耗是关系到一个更加系统的比较桥梁各个不 同组成部分的设计方法 方法论 本研究旨在找出不同材料 如钢材 混凝土和木材建造的三座桥梁的环保性能的重要参 数 并找到更多的优化生命周期设计桥梁的方法 因此 人们想知道影响桥梁生命周期是什 么类型的环境影响因素占主导地位 还有涉及到的材料和工作中的桥组件 在哪里可以被找 到 桥的甲板表面面积 z 指的是有效区域中的使用 100 年的使用阶段 拆除阶段和功能单 元都包括在内 因此定义为 1 平方米有效的桥梁表面积有 100 年的寿命 因此比较具有不 同尺寸 跨度 长度和宽度 的桥是建在不同的灵敏位置 桥的单独分析也是为了重要参数 的确定 为了得到整个桥梁的寿命的材料和能源消耗 尽可能收集并订立过渡的 LCA 软件 并 把它作为一个用于 MATLAB 开发和 Excel 文件中每个具体数据桥输送的工具 在计算中使 用的各种材料对环境的数据是通过 SIMAPROLCA 软件和 Ecoinvent 2008 年的 Ecoinvent 数据库 并且包括其它所收集的数据中获得 由于涉及到所有包含的材料和整个桥梁 寿命 能源使用的环境数据采集 他们使用的是 CML 影响评价法 2001CML 产生的结果为以 下六个类别的环境特点 EP 全球气候变暖潜能值 GWP 臭氧层消耗潜能值 ODP 光化学臭氧生成潜力 POCP 和非生物消耗潜能值 ODP 酸化电位 AP 水体富营养化 潜力 CML 的方法还包括四个影响类别 即人类潜在的毒性 淡水生态毒性潜力 海洋水 生生态毒性潜力 和陆地生态毒性潜力 这些类别是从这项研究中省略 因为毒性数据高得 无法接受和不确定性 特别是对浸渍木拱桥 中点结果的六个影响类别是进一步规范使用欧洲标准化数字 Huijbregts 等 al 2003 并运用由美国环保局开发的加权因子比较桥梁 EPA2010 总得分 每座桥的定量数据从图纸 招标文件和项目报告收集 因此 每个桥有可能获得详细和 具体的数据 并通过使用一个标准化的桥梁设计分类 以更系统的方式比较不同设计桥梁构 件有关的各种材料和能量消耗 考虑到桥梁个案研究 研究了在挪威西部不同的位置的已建桥梁 该桥梁是 Klevenhagen 钢箱梁悬索桥 弗雷 特海姆木拱桥 和 Hillersvika 混凝土箱梁桥 主要尺寸参数为桥中给出表 1 中 Hillersvika 是最大的桥 具有 417 平方米 这座桥有两条行车线和一个铺面 而 Klevenhagen 有两个车道 没有人行道 并且 Fretheim 有一个行车道和一个人行道 Klenevaagen 有 321 平方米 Fretheim 有 229 平方米 这三个桥被选择 因为它们代表了三种不同的材料桥 即 钢材 混凝土和木材 这样一来 影响了环保性能为这些类型的桥梁重要参数就可以被识别 了 主要承重体系的 Klenevaagen 桥包括一个 67 2 T 钢箱梁 这是喷砂处理 镀锌 并涂上 防腐环氧和聚氨酯涂料 桥面钢筋混凝土组成的 一层胶泥和沥青膜保护甲板免受水侵入 并且上面这一层 有沥青的表面层 它被假定为 94 4 砾石和 5 6 沥青组成 该钢箱梁是 当地生产然后运输 75 公里乘船到桥位 假定该混凝土在当地混合工厂生产和并由卡车运输 20 公里到达桥位 并且生产的加强卑尔根是由卡车运送 90 公里到达桥位 该护栏是由 6 85 吨镀锌钢建成 主要承重体系的 Fretheim 桥是一座木拱廊 包括盐浸渍 胶合层 中石油媒染剂处理 的积材 拱门的顶部是由薄铜片组成 防止降雨的侵蚀 也有一些钢铁零件在拱桥上 桥面 下连接专门的横梁和杆 桥面是由木馏油浸渍木板 这些木板浸渍过程是包含在 GP 在这项 研究中 同时在整个桥的使用寿命中木馏油泄漏不包括在内 这样做的原因是缺乏令人满意 的方法用于计算木馏油的泄漏量和相应的环境影响 胶层压木质拱门从 280 公里外的生产厂 车运到桥位 建筑木材的输送假定为卡车运送 50 公里到达桥位 混凝土被假定为在当地混 合工厂生产并通过卡车运输 20 公里到达桥位 该 Hillersvika 大桥主要由钢筋混凝土 用混凝土箱梁作为主要承重系统和混凝土桥面 甲板是防水的 并配上了类似于 Klenevaagen 桥的表面层 箱梁使用了 33