基于RFID的預制混凝土構件物化階段碳排放跟蹤計算*

方卓禎，徐 照

(東南大學土木工程學院，江蘇 南京 211189)

0 引言

在可持續發展背景下，以預制混凝土裝配式建筑為代表的建筑工業化成為建筑領域實現節能減排的關鍵途徑。結合裝配式建筑在構件生產集約化、運輸物流化、安裝機械化上的特點，對其展開碳排放量化核算工作，能有效支撐當前我國建筑碳排放研究。在研究傳統現澆建筑碳排放的基礎上，許多學者開展了對裝配式建筑碳排放的定量研究。如結合BIM技術，開發針對裝配式住宅建筑的碳排放預測系統[1]；基于過程分析法提出預制住宅碳排放計算模型并估算碳排放[2]；通過樣本研究對比裝配式建筑和現澆建筑施工模式對碳排放的影響[3]；基于層次模糊綜合評價法制定裝配式建筑碳排放評價指標體系[4]；基于建筑不同階段資源能耗數據核算碳排放并識別各階段碳排放影響因素[5]。但這些定量研究多聚焦于項目建設前對裝配式建筑進行碳排放估算與預測，或項目完成后的碳排放核算與評價，目前較缺乏針對裝配式建筑的碳排放實時計算研究。

碳排放實時計算能為裝配式建筑碳排放的跟蹤與監測提供數據支撐，從而使項目參與者更好地把握碳排放動態變化規律。而預制構件作為裝配式建筑模塊化單元，原材料使用相對明確，生產范式相對標準[6]，能通過其在物化階段的空間信息反饋裝配式建筑在建造過程中的實際進度，適合作為碳排放實時計算的基礎研究對象。

因此，本文結合預制混凝土構件特點，建立了構件物化階段碳排放定量跟蹤計算公式?；趯FID標簽系統功能的利用和開發，設計了構件實況信息采集和處理的方法，從而實現碳排放跟蹤計算關鍵參數的獲取。在確定計算參數來源的基礎上，提出構建參數數據庫，并通過參數調用，最終完善預制混凝土構件物化階段碳排放跟蹤計算流程。

1 物化階段碳排放跟蹤計算邏輯

1.1 計算目標確定

1)計算對象(預制混凝土構件) 預制混凝土構件是指以混凝土、鋼筋等為基本材料，在裝配式預制構件廠以標準工業化的生產方式制成的建筑構件，涵蓋預制墻、預制梁、預制柱、預制板、預制樓梯等。預制混凝土構件在工廠以集中批量式的組織生產，使用機械自動、半自動化形式完成生產工藝流程，最后經驗收合格后再出廠供施工現場使用，具有生產效率高、規格質量可控、產品獨立完整的特點，能作為碳排放計算的基本單元。

2)計算范圍(物化階段) 結合產品預制特點，將預制混凝土構件物化階段定義為從原材料獲取到構件完成施工裝配的全過程[7]，并進一步細分為生產、運輸、裝配3個階段。生產階段核心為預制混凝土構件在預制構件廠從生產加工到檢驗出廠的全過程，但也將前端原材料開采獲取及運輸部分納入該階段碳排放計算范疇。運輸階段主要指預制混凝土構件成品從預制構件廠運送至項目施工現場的過程。裝配階段一般包括構件吊裝和連接2個環節。其中，對于建筑體中的非組合型預制構件僅考慮吊裝環節，即由施工現場堆放場地被吊裝至指定位置的過程，而對于組合型預制構件(如墻-板連接構件等)則包含吊裝后的連接固定過程。

3)計算方式(碳排放跟蹤計算) 在現有與預制構件碳排放相關研究中，一般將建筑體中所有預制構件視為整體進行碳排放計算。區別于此，本文提出的碳排放跟蹤計算具備階段跟蹤性和產品針對性2個特點。階段跟蹤性指隨著物化階段推進計算構件實時產生的碳排放量。產品針對性指以單一預制混凝土構件作為計算單元，考慮實際情況下產品間的差異性，使碳排放計算結果更貼合實際。

1.2 計算邊界設置

通過繪制邊界過程圖，依照工藝流程順序，識別出各階段直接碳排放源和間接碳排放源，如圖1所示。直接碳排放源主要為在物化階段覆蓋的時間范圍內使用的機械，其在工作中會伴隨電力、石油、柴油等能源消耗而直接產生碳排放。間接碳排放源主要為投入的建筑材料等資源，原材料碳排放來自其被消耗前的材料生產階段，并不在物化階段覆蓋的時間范圍內產生。

圖1 預制混凝土構件物化階段碳排放邊界過程

其中，裝配階段組合構件連接一般可分為干式連接和濕式連接。干式連接指采用焊接、螺栓連接等方式固定組合構件，濕式連接指在構件間的連接節點或接縫處支設模板并現澆混凝土或砂漿。由于連接中的建筑材料使用量相對于生產階段原料投入量可忽略不計，因此，該工序僅考慮使用干式連接設備產生的直接碳排放。

1.3 計算方法建立

選用排放因子法作為預制混凝土構件碳排放計算方法，如式(1)所示：

Em=AD·EF

(1)

式中：Em為溫室氣體排放量；AD為活動數據，即各種碳排放源所消耗的能量和資源；EF為排放因子，即能源和資源消耗量與碳排放相對應的系數。

1.3.1定量計算公式

確定的碳排放跟蹤計算結果由2種形式表示：預制混凝土構件在物化階段各關鍵工序下的實際碳排放值、隨物化階段推進的實時碳排放累計值。關鍵工序指能被識別出碳排放源的工序。

1)生產階段關鍵工序碳排放計算

生產階段關鍵工序產生的碳排放由2部分構成：完成該工序需投入的建筑材料帶來的間接碳排放和為完成該工序所使用的機械設備因消耗能源而產生的直接碳排放。計算如式(2)所示:

CSC,i=∑(MSC,i.jMFSC,i.j)+PSC,iTSC,iEFSC,i

(2)

式中：CSC,i為生產階段第i個關鍵工序實際碳排放(kgCO2e)；MSC,i.j為其中第j種建材投入量(m3，kg)；MFSC,i.j為建材碳排放因子(kgCO2e/m3，kgCO2e/kg)；PSC，i為機械額定功率(kW)或單位時間能源消耗量(kg/h)；TSC,i為機械實際使用時間(h)；EFSC,i為機械能源的碳排放因子(kgCO2e/(kW·h)，kgCO2e/kg)。

2)運輸階段關鍵工序碳排放計算

運輸階段關鍵工序碳排放指預制混凝土構件從工廠構件堆場到項目施工現場構件堆放點的運輸途中已產生的直接碳排放。構件運輸多采用公路運輸方式，包含開始運輸、正在運輸、完成運輸3個關鍵工序。由于構件運輸時間較長，為獲取尚在運輸途中的構件實時碳排放，規定正在運輸工序數量≥1。計算如式(3)所示:

(3)

式中：CYS,k為運輸階段完成第k個關鍵工序時的實際運輸碳排放(kgCO2e)；DYS,k為對應的運輸距離(km)；VF為機械百公里滿載油耗(L/100km)；LF為機械額定載重(t)；mPC為預制混凝土構件質量(t)。

3)裝配階段關鍵工序碳排放計算

裝配階段關鍵工序碳排放主要指完成吊裝和干式連接的機械設備耗能產生的直接碳排放。對于非組合型預制構件，其在該階段關鍵工序僅有“成品構件吊裝”。對于組合型預制構件，在完成必要吊裝工序后，還需經歷多個組合構件連接工序，由于每次連接發生在構件之間，因此，規定每個構件各承擔50%由連接設備產生的碳排放。計算如式(4)～(5)所示：

CZP,1=PDZTDZEFDZ

(4)

(5)

式中：CZP,1為成品構件吊裝工序的實際碳排放(kgCO2e)；CLJ,s為第s個組合構件連接工序的實際碳排放量。

4)物化階段實時碳排放累計值計算

以單個預制混凝土構件為研究對象，CP表示預制混凝土構件物化階段實時碳排放累計值(kgCO2e)，n1，n2，n3分別為生產、運輸、裝配階段關鍵工序數量。計算步驟如下。

當構件處于生產階段的第i(1≤i≤n1)個關鍵工序時，按式(6)計算：

(6)

當構件處于運輸階段的第k(1≤k≤n2)個關鍵工序時，按式(7)計算：

(7)

當構件處于裝配階段的第r(1≤r≤n3)個關鍵工序時，按式(8)計算：

(8)

CTP為預制混凝土構件物化階段的實際碳排放總量(kgCO2e)，按式(9)計算：

(9)

1.3.2碳排放因子

由于建材、能源的開采、加工、運輸等方式會受到發展水平和政策環境不同的影響，不同國家或地區同種排放因子在計算結果上會存在差異。為使計算結果更貼合我國建筑工程實際情況，以 GB/T 51366—2019《建筑碳排放計算標準》中碳排放因子作為研究數據。結合研究需要，選用的能源碳排放因子及建材碳排放因子分別如表1，2所示。

表1 能源碳排放因子

2 基于RFID的構件信息跟蹤方法

RFID技術指利用射頻信號在電磁場中的空間耦合實現射頻識別而獲取數據。以RFID技術為核心的標簽系統一般由數據采集硬件和數據處理平臺組成，數據采集硬件包括RFID電子標簽(Tag)與RFID閱讀器(Reader)。由于RFID標簽系統在空間定位與標記識讀上的特性，已在多領域追蹤管理方面得到成熟應用[8]，可將其結合用于預制混凝土構件物化階段，實現對構件實況數據的采集和處理。該系統工作原理如圖2所示。

表2 建材碳排放因子

圖2 RFID標簽系統工作原理

2.1 構件RFID標簽編碼設計

常用的RFID標簽存儲空間分為產品電子代碼(electronic product code, EPC)區、標簽識別號(tag identifier, TID)區、用戶(User)區及保留(Reserved)區4個獨立區塊。EPC區為每個產品分配唯一產品編碼，該區數據可被識讀和編輯。TID區存儲標簽生產商的唯一標識號且在出廠時已被寫入，只可進行信息讀取。User區供使用者寫入任何自定義數據。Reserved區用于存儲摧毀密碼和訪問密碼，用于保障標簽數據的安全性。

借鑒GB/T 51269—2017《建筑信息模型分類和編碼標準》、T/CCIAT 0019—2020《工業化建筑構件編碼標準》、DB33/T 1189—2020《裝配式建筑結構構件編碼標準》與預制構件編碼相關的編碼體系，結合RFID標簽空間存儲特點，對用于預制混凝土構件的標簽存儲內容及構件編碼結構進行設計，如圖3所示。

圖3 標簽存儲內容及構件編碼結構

1)在標簽存儲內容方面，規定EPC區存儲構件編碼信息，User區存儲影響關鍵工序的建材投入與機械工作的偶然事件，且直接采用文字標記。由于TID區與Reserved區具有數據限制，不做統一規定。

2)在構件編碼結構方面，結合現有標準優點和預制混凝土構件特點，采用四級編碼結構，分別表達構件類型信息和在建筑項目中對應的位置信息。規定如下：① 構件類型代碼 由4位阿拉伯數字組成，前2位數表示構件大類，后2位數表示構件小類，對應關系如表3所示；② 樓(區)號 由項目區域劃分規則確定，用2位數字或1位字母加1位數字表示；③ 構件底部層號 考慮到部分豎向構件可能連接多個樓層，選擇以底部層號表示構件所在樓層，地上樓層由2位數字表示，地下樓層以字母B加1位數字表示；④ 順序號 為區分同樓層同類型不同構件，依據各樓層平面圖，按從左至右、從上至下的規則確定順序號，用2位數字表示。

表3 預制混凝土構件類型代碼

例如，編碼“0402-10-B1-03”表示位于項目10號樓地下1層的第3塊預制混凝土內墻板。編碼“0601-A1-12-01”表示位于項目A1區12層的唯一預制混凝土陽臺。

2.2 構件RFID標簽功能開發

為降低預制混凝土構件物化階段人工干預的影響，使信息跟蹤采集更便利且采集數據更準確，基于Android Studio軟件開發平臺，以JAVA作為主要開發語言，對RFID閱讀器的標簽識讀模塊進行二次開發，使其具備以下功能：①對標簽進行識別的同時獲取標簽中存儲信息；②對標簽進行識別的同時獲取當前時間信息；③對標簽進行識別的同時獲取當前閱讀器位置信息；④每次識讀到的標簽存儲信息、時間信息、閱讀器位置信息能匹配記錄；⑤能對標簽存儲信息進行編輯。

標簽中存儲的主要信息為EPC區構件編碼及User區備注信息。選擇采用基于鄰近探測法的方式對預制混凝土構件進行定位，即以閱讀器位置表示構件位置。通過標簽識讀自動跟蹤記錄的某原始數據條，其中，“id”表示構件編碼，“location”表示構件位置(緯度, 經度)，“remark”表示標簽備注，“time”表示當前時間(年-月-日 時:分:秒)。

2.3 基于RFID的信息采集流程

將經開發后的RFID標簽運用在預制混凝土構件物化階段，通過標簽識讀能實現對時刻、構件位置等信息的同步采集，從而間接反饋構件所處階段和工序及機械設備實際使用情況與建筑材料投入狀態。RFID閱讀器主要有手持式和固定式兩種類型，根據構件所處環境不同，選擇對應形式的閱讀器完成標簽讀寫。

2.3.1生產階段

根據生產階段各工藝作業工位不同，參照平模流水式構件生產線的工藝布置原則[9]，將預制構件廠混凝土構件生產車間劃分為4個生產區域，構件信息采集流程如圖4所示。

圖4 預制混凝土構件生產階段信息采集流程

生產1區的模具組裝工序是該階段起點。模具組裝完成后，將制作合格并已完成構件編碼的標簽固定于模具表面。在模具拆卸前，構件為尚未有完整固定形態的半成品，但由于其與模具在生產線上同步移動，二者具有相同位置信息，因此，以模具作為前期標簽附著對象。當模具拆卸工序結束，再將標簽從模具轉移至對應預制構件上永久固定。

每個預制混凝土構件生產過程均需依序經歷從生產1區至生產4區的工序，最終吊裝至構件堆場進行存放。同一個生產區內的所有工序作業位置基本相同，但由于每個工序關聯的碳排放源不同，需采集的信息量不同，因此，需同一區域進行多次標簽識讀。根據對生產階段碳排放源的識別，以單個預制混凝土構件為研究對象，搭建的采集流程中包含了9次標簽識讀，在圖4中以Rn(n=1,2,…，9)表示，如R3指在混凝土澆筑開始時識讀；R4指在混凝土澆筑結束且振搗開始時識讀，表示當前新增混凝土澆筑工序產生的碳排放。

目前，預制混凝土構件的生產一般采用半自動化半機械模式，在實際生產過程中，可能出現因人為操作不當導致的建材過度消耗或因能源供應障礙導致的機械停工或運作不佳等問題，在這些問題影響下各工序產生的實際碳排放量相比正常情況下會有所增減。為能及時反饋這些偶然因素，管理人員可在當前工序作業過程中，通過手持式RFID閱讀器在標簽User區寫入對應影響事件(圖4中以W表示)，下一次識讀時，這些備注信息能及時反饋給數據處理平臺，從而在后續對碳排放計算值進行修正。

2.3.2運輸階段

運輸階段預制混凝土構件信息采集流程如圖5所示。R1指在成品構件裝載完畢并離開預制構件廠堆放點時識讀標簽，R2指在成品構件到達項目施工現場指定堆放點并卸載完畢時識讀標簽。

圖5 預制混凝土構件運輸階段信息采集流程

在構件運輸工具上安裝兼具讀寫功能的移動式RFID閱讀器。一方面，通過識讀功能，獲取運輸途中任意時刻構件位置信息(以R表示)，并結合R1起點標記，更新運輸階段當前碳排放量。另一方面，管理人員可借助寫入功能(以W表示)，及時記錄可能出現的異常情況。

2.3.3裝配階段

裝配階段預制混凝土構件信息采集流程如圖6所示。針對吊裝環節，R1指在構件單品吊裝開始時識讀；R2指在構件單品已達安裝位點并卸扣固定完畢時識讀，表示當前新增吊裝工序產生的碳排放。由于每個構件都有唯一的安裝位點，且大多數位于建筑內部，不利于布置固定式閱讀器，因此吊裝完成時，由施工人員利用移動式RFID閱讀器進行標簽識讀。與前2個階段目的相同，管理人員可借助閱讀器的寫入功能(以W表示)，備注由現場復雜環境因素導致的起吊器械工作異常情況。針對連接環節，需在組合型預制構件安裝位點上增加識讀次數(以Rn，R(n+1)表示)。

圖6 預制混凝土構件裝配階段信息采集流程

3 物化階段碳排放跟蹤計算流程

3.1 RFID標簽信息處理

如圖7所示，預制混凝土構件物化階段標簽信息處理流程主要包含數據獲取、數據加工、數據存儲3個環節，在RFID標簽系統數據處理平臺中完成。

圖7 構件RFID標簽信息處理流程

1)在數據獲取環節，平臺同步獲取信息采集中識讀得到構件編碼信息、時間信息、構件位置信息及可能被人工寫入的標簽備注信息。

2)在數據加工環節，首先根據構件位置判定其當前所處工序，將地理空間信息與生產進度信息關聯。再根據各工序中碳排放源特點，對生產階段與裝配階段時刻信息進行加工，獲取與每個構件相對應的機械實際工作時間；對運輸階段位置信息進行加工，獲取相對應的實際運輸距離。得到有效數據后，再與構件編碼、日期、階段名稱、工序名稱等信息同步輸出并存入標簽動態信息庫。

3)在數據存儲環節，主要對標簽動態信息庫中各構件信息表單進行數據更新。在信息庫中，每個預制混凝土構件都有獨立且唯一的信息表單，表單以構件編碼進行標記與區分。當輸出某段數據時，通過識別其中的編碼與表單匹配，完成表單中對應信息的添加。信息表單中包含階段名稱、工序名稱、節點日期、機械使用時間、構件運輸距離、特殊事件備注等條目，加工后的數據流僅錄入其包含的條目信息。

3.2 碳排放跟蹤計算參數庫建立

構建預制混凝土構件物化階段碳排放跟蹤計算參數庫的目的是為碳排放跟蹤計算提供基本數據，從而滿足公式運算需求。參數庫的建立能實現所有與碳排放計算相關的數據的集中控制和關聯管理，以構件編碼作為篩選條件，可快速獲取滿足該構件當前階段跟蹤計算需求的參數信息。

本文設計的碳排放跟蹤計算參數庫屬于關系型數據庫，其數據內容及來源如圖8所示。數據內容包括預制構件屬性信息、碳排放因子數據、碳排放源參數信息及預制構件實況信息，共建立7個數據表。其中，預制構件屬性信息主要來自項目設計階段施工圖及相關文件，也可從設計階段BIM模型中導出預制混凝土構件明細表來獲取。碳排放參數信息主要指項目在預制混凝土構件物化階段需要投入的建材與機械設備具體類型及屬性信息，一般生產、運輸、裝配3個階段的碳排放源參數分別由構件生產商、運輸商、裝配商或建設項目的施工單位提供。預制構件實況信息主要指標簽動態信息庫的每個構件信息表單最新數據，該數據反映了構件當前狀態。

圖8 碳排放跟蹤計算參數庫數據內容及來源

3.3 碳排放跟蹤計算參數調用

3.3.1參數調用規則

在物化階段，預制混凝土構件每經歷1個關鍵工序，標簽動態信息庫就會在對應構件信息表單中新增1次數據，碳排放跟蹤計算參數庫中的標簽動態數據表也會完成與編碼對應的數據更新。以單個預制混凝土構件為研究對象，在進行各階段關鍵工序碳排放計算時，先由碳排放跟蹤計算參數庫提供所需的相關參數及對應值，再將必要參數值帶入公式中計算。

3.3.2碳排放跟蹤計算案例

以某裝配式綜合樓項目為例，選取項目A1區5號樓3層第1梯段為研究對象，計算該預制構件在吊裝施工中的實際碳排放。

1)基于RFID的信息采集及處理

根據編碼規則，命名該預制混凝土樓梯為0501-A1-03-01，將編碼信息存入RFID標簽中并對預制樓梯進行標記；采用已完成功能開發的RFID閱讀器分別在預制混凝土樓梯吊裝開始和吊裝結束時，各進行1次原始數據的采集?；赗FID的構件信息采集過程如圖9所示。

圖9 基于RFID的預制混凝土樓梯信息采集過程

對采集得到的原始數據進行處理，利用Access設計參數庫，將處理后的構件工序實況信息導入參數庫，參數庫已預先完成對預制樓梯構件屬性信息和吊裝階段碳排放源參數的信息錄入。

2)碳排放跟蹤計算參數調用

從參數庫中查詢獲取當前工序碳排放計算參數，結果如圖10所示。將參數值帶入裝配階段對應的公式中，從而計算得到該裝配式綜合樓項目中編碼為0501-A1-03-01的預制混凝土樓梯在裝配階段成品構件吊裝工序的實際碳排放為45.27kgCO2e。

圖10 預制混凝土樓梯當前工序計算參數查詢結果

4 結語

預制混凝土構件是裝配式建筑的基本構造單元，開展對預制混凝土構件物化階段碳排放的跟蹤計算研究，對裝配式建筑碳排放實時監測的實現和碳減排措施的制定具有一定意義。本文建立的定量計算公式，能用于計算預制混凝土構件各階段關鍵工序實際碳排放量及實時碳排放累計值。對RFID標簽系統功能的利用和開發，以及在此基礎上完成的數據采集和處理的方法設計，能用于獲取跟蹤計算公式中反映構件實況信息的有效參數。構建數據源明確的碳排放跟蹤計算參數庫，能通過對參數的快速調用，得到預制混凝土構件物化階段碳排放的跟蹤計算結果。

本文在物化階段各工序界定、碳排放源識別、碳排放因子的獲取方面主要根據常見應用場景和既有認知經驗進行推斷，在研究上存在一定局限性。由于構建的碳排放跟蹤計算模型需覆蓋預制混凝土構件物化階段，因此，在后續研究中將進行更完整的試驗設計和案例研究，以對提出的方法進行論證分析和改進優化。