文献阅读 | 澳大利亚建筑库存的材料需求、环境和气候影响：现状和2060年的展望

题目

Material demand, and environmental and climate implications of Australia's building stock: Current status and outlook to 2060

作者

Natthanij Soonsawad, Raymundo  Marcos Martinez, Heinz Schandl

期刊

Resources, Conservation and Recycling

时间

2022年5月

一作

单位

Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), Canberra, Australia

链接

https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.106143

摘要

住宅、商业和工业建筑的建设和维护与环境足迹密切相关。建筑基础设施部门的资源效率和创新对于实现可持续发展目标至关重要，需要及时提供信息来支持城镇的可持续发展政策。

因此，本研究估算了2016年澳大利亚住宅、商业和工业建筑的材料和环境足迹。分析结合了空间明确的总建筑面积（GFA）数据，两个建造时期11种建筑类型的建筑材料，以及对关键建筑材料的排放、能源和水足迹的估计。研究估计880万幢建筑的物质排放量为38亿吨，相关的二氧化碳排放量为18.04亿吨，能源消耗为24218万亿焦耳，水消耗为315亿升水。混凝土占材料足迹的59%，其次是砂石、陶瓷和木材，分别占23%、8%和4%。大部分材料是住宅建筑，占70.7%，商业和工业建筑分别占24.7%和4.6%。

到2060年，根据不同的人口增长方案，新建楼宇和更换老化楼宇的物料需求预计将达43至75亿吨。需求的上限表明，到2060年，建筑材料和相关环境影响将增加两倍。考虑到这一点，如果澳大利亚不改变建筑材料的生产方式和建筑设计的可持续结果，该国可能无法在2050年实现其净零排放的目标。

研究背景

澳大利亚是世界上人均物质足迹最高的国家之一。2008年，该国的物质足迹总量约为7.4亿吨，人均约35吨。其中，建筑材料占1.74亿吨，占所有材料的四分之一。十年后的2017年，澳大利亚的国内材料需求仍然很高，人均国内材料消费量约为38吨，在经合组织国家中排名第三，仅次于卡塔尔和智利的人均48吨和40吨。

在澳大利亚，建筑材料的使用对环境产生了巨大的影响。它们占到填埋垃圾总量的三分之一左右，建筑行业的碳足迹占全国排放的18% ，用于建筑建设的能源和水的使用约占全国总消耗的1%。

澳大利亚没有直接将建筑业纳入其国家自主贡献（NDCs）。其适度目标是到2030年将温室气体排放量减少到2005年水平的26%-28%，这是该行业低排放技术的潜在影响，例如低排放钢或铝的生产。然而，考虑到具体建筑存量、经常性存量和相关环境影响的更全面的战略对于制定实现环境可持续性和更循环经济的途径至关重要。

由于建筑材料库存的需求是重大环境影响的驱动力，有必要调查建筑材料的选择和使用如何导致不同的环境结果，以及利益相关者如何将这些影响最小化和更有效地使用自然资源。因此，本研究的研究旨在提供澳大利亚从郊区到国家水平的住宅、商业和工业建筑材料库存的基线估计。在此过程中，本研究确定了澳大利亚建筑材料库存的组成，同时控制了1981年前后存在的建筑技术的巨大差异。这是由于在1981年建筑标准发生了重大变化，因此以1981年作为基准。本研究估算了澳大利亚建筑的温室气体排放、能源和水足迹，并预测了未来对材料的需求及其对可持续发展目标的影响。

本研究使用了关于建筑面积、建筑类型(11种原型)的高分辨率国家级信息，并估计了每平方米建筑面积所需的14种材料的质量，以量化2016年澳大利亚建筑的总隐含材料。利用建筑材料环境流量系数的综合清单，估计了从原材料提取、运输到制造(从摇篮到大门)的生产阶段建筑材料的环境影响。使用人口和空间信息来计算不同级别(如州、国家)的材料强度指标(例如，人均具体材料，每平方公里)。然后利用国内人口预测场景和建筑使用寿命假设来预测材料需求，以适应不断增长的人口的建筑需求，并取代现有的建筑存量。随着城市化进程对建筑材料的全球需求不断增加，本研究的分析可以为评估澳大利亚和世界城市可持续发展的途径提供信息。

研究结果

总建筑面积和建筑占地面积

2016年澳大利亚的建筑总建筑面积约为3392平方公里。独立住宅占全国总建筑面积的62%，其次是4 - 7层的商业建筑，占11%。两层工业楼宇的总楼面面积最少，占总楼面面积的0.4%。新南威尔士州面积占比最高，为955.6 平方公里，维多利亚州次之，为873 平方公里。相比之下，北领地的面积最少，为30平方公里，这与人口数量相称。图1显示了澳大利亚首都地区(ACT)每个建筑原型的总建筑面积;新南威尔士(NSW);北领地(NT);其他领地 (OT);昆士兰(QLD);南澳大利亚(SA);塔斯马尼亚岛(TAS);维多利亚(VIC);和西澳大利亚(WA)。

图1  通过在澳大利亚建造原型洲和领土的总建筑面积（平方公里)（2016）

隐含建筑材料

图2a 是统计区1水平的建筑材料使用强度的汇总。虽然每平方公里的建筑存量在澳大利亚各地有所不同，但该国大部分地区(浅色区域)的价值都很低，不到5000吨/平方公里。大城市及其邻近地区的材料利用强度较高，强度超过40万吨/平方公里，主要集中在经济活动高度集中的城市地区，包括中央商务区和工业区。悉尼、墨尔本和布里斯班比其他首都城市拥有更大的高强度建筑存量。全国温室气体隐含排放量的分布(图2b)与材料使用强度一致。

图2  a)材料使用强度（吨/平方公里）和

b)隐含排放强度（吨二氧化碳当量/平方公里）在澳大利亚首都城市的SA1区域内的澳大利亚建筑

2016年，880万栋澳大利亚建筑中隐含材料的总量估计为3.839亿吨。新南威尔士州的数量最多，为1.143亿吨，其次是维多利亚州，为9.33亿吨，而北领地最少，为3200万吨。住宅建筑占建筑材料存量的比例最高，为70.7%，其次是商业和工业建筑，分别为24.7%和4.7%。

图3为两个建造时期（1981年前和1981年后）按材料类型划分的隐含建筑材料数量。混凝土是所有类型建筑中最普遍的材料，占商业建筑材料足迹的90%，工业建筑材料足迹的68%，住宅建筑材料足迹的47%。钢主要用于工业建筑(占总材料足迹的20%)，而只有约2%的钢用于住宅和商业建筑。适用于各种类型的建筑，用于住宅建筑的混凝土板，用作高层建筑和商圈、工业区的商业和工业建筑的结构材料。沙子和石头的使用在住宅建筑的地面楼板和外墙中最普遍，也有很大一部分用于屋顶耕作的陶瓷和仍然非常常见的轻质砖饰面施工技术中使用的木材。

图3 1981年以前和1981年以后的隐含建筑材料

由于在1981年建筑标准发生了重大变化，本研究将1981年作为基准，按建筑时期比较了建筑的材料组成。结果表明，建筑材料的吨位增长明显，但主要集中在住宅建筑。1981年以前建造的住宅建筑的使用材料存量约为10亿吨，自1981年以来，材料存量增加了约17亿吨。

在独栋住宅中使用的混凝土主要是传统的混凝土板，根据坚固的特性和绝缘需求，可以是深挖梁或在聚苯乙烯泡沫舱网格上建造的华夫形吊舱板。混凝土也越来越多地用于车道、人行道和露台。自20世纪70年代以来，混凝土板已经取代了传统的地基，传统的地基由砖围和在空腔上方凸起的木地板组成。在这两个分析期间，约有4.5亿吨材料被用于建筑。自1981年以来，工业建筑的材料足迹几乎翻了一番。

就居住、商业和工业建筑的人均建筑材料而言，各州和地区的人均建筑材料在澳大利亚首都地区为110吨/人，南澳大利亚州为210吨/人，塔斯马尼亚州为235吨/人，其他各州和地区的人均建筑材料为150吨/人。这些人均建筑材料使用量的差异反映了不同的气候带和建筑技术，以及住宅、商业和工业建筑组合的差异(图4a)。

图4  2016年各州和地区三种建筑的人均隐含材料和环境足迹

a)人均隐含建筑材料。b)人均温室气体隐含排放量。c)人均隐含能源消耗。d)人均隐含水消耗

隐含的环境要求

本研究将建筑材料类型与环境要求系数联系起来，量化了澳大利亚所有建筑的隐含温室气体排放、能源和水消耗(图4)。在国家层面上，所有建筑中的实体材料排放了1.804亿吨二氧化碳，消耗了24218万亿焦耳的能量和3150万立方米的水。新南威尔士州的建筑有着最高的环境足迹，排放达5.3亿吨二氧化碳当量的温室气体，占总隐含排放量的29%，其次是维多利亚州和昆士兰州，分别贡献了25%和21%。其他地区和北部地区贡献最少，每个地区的隐含排放量不到1%。估计的能源和水消耗遵循隐含温室气体排放的模式。住宅建筑的隐含排放量占总排放量的74%，商业和工业建筑分别占19%和7%。各国的人均具体环境要求与国家一级的人均具体物质形态相一致(图4b-4d)。塔斯马尼亚州、南澳大利亚州和昆士兰州的人均温室气体排放量、人均水和人均能源消耗量均高于全国平均水平。其他州低于全国平均水平，在所有三种环境足迹中，澳大利亚首都地区的人均数字最低。

平均而言，2016年全国38.4亿吨隐含物质，需要74吨/人均隐含排放、1.3 立方米/人均隐含水消耗、989 兆焦耳/人均隐含能源消耗。

预计到2060年的建筑存量和环境需求

假设建筑物的平均使用寿命为60年，到2030年、2045年和2060年，逐步取代现有建筑存量所需的累积材料质量分别为19、32和41亿吨。这相当于这三个时期建筑材料存量的50%、84%和106%。在所有选定的三年和所有人口预测方案中，新建筑物的建筑材料所占比例都低于更换已拆毁的报废建筑物所需的建筑材料。在净海外移民为零的最低情景下，物质需求趋势在2030年至2045年期间几乎稳定，在2045年至2060年期间下降。相比之下，在人口高增长情景下，2030年至2060年所需材料将增加约3倍。在人口最低情景下，2060年建筑所需的材料总量(43亿吨)与目前的储量(38.4亿吨)大致相同，而在人口高增长情景下，建筑所需的材料总量为75亿吨，需要将材料储量增加两倍(图5)。本研究还估计了材料的总需求假设平均使用寿命为70和80年作为敏感性分析。结果表明，使用寿命越长，替换现有建筑库存的材料需求越低。

图5 2030年、2045年和2060年四种人口情景下拆卸、替换和新建所需材料的预测

综上所述，建筑材料主要体现在居住建筑(70.67%)，而商业建筑和工业建筑分别占24.67%和4.66%(表1)。反映出人口和建筑面积的差异，新南威尔士州和维多利亚州拥有最大的建筑材料库存，新南威尔士州略低于12亿吨，维多利亚州接近10亿吨。当考虑到每个州的面积以使材料足迹估计正常化时，澳大利亚首都领地的材料使用强度最高，为18433吨/平方公里，而北领地的材料使用强度最低，为24吨/平方公里。截至2016年，住宅、商业和工业建筑的隐含材料总量为38.4亿吨，排放18.04亿吨二氧化碳当量，在制造过程中消耗31.5 兆立方米水和24218 万亿焦耳能源。平均而言，在国家层面，这些数字代表了157吨/人均隐含材料、74吨/人均隐含排放、1.3立方米/人均隐含水消耗、989 兆焦耳 /人均隐含能源消耗。

表1 澳大利亚建筑的材料和环境足迹的单位面积和人均面积

讨论

与奥地利、德国和日本相比，澳大利亚的建筑材料实体足迹相对较低，为38.4亿吨。全国人均实际材料估计数(人均157吨)远低于奥地利和德国的估计数，这可能反映了澳大利亚独栋住宅的轻型建筑风格。这一发现与Wiedmann等人(2015)在2008年估算的各国材料足迹一致。分析表明，奥地利和德国的建筑材料消费量分别约占材料总消费量的44%和38%，而澳大利亚的这一比例仅为23%。日本建筑中体现材料的吨位是澳大利亚的2.5倍。注意到日本的人口是澳大利亚的五倍，该国的人均有形材料为73吨。

根据国家温室气体清单，2016年，非金属矿产品(如混凝土、玻璃、石膏、绝缘材料和陶瓷)的制造占澳大利亚制造业总排放量的17%。金属产品(如钢管、管件、铝轧制、铜管)的制造占该国制造业部门排放的42%。根据EPiC数据库，铝和铜等金属每千克排放的温室气体最多。本研究的材料足迹估计可用于评估建筑行业在不同情况下的温室气体减排潜力。

澳大利亚是世界上城市化程度最高的国家之一。它的城市人口预计将从2020年的2200万增长到2050年的4000万。澳大利亚85%以上的人口集中在城市，2018年人均温室气体排放量为25吨。与城市化程度较低的发展中国家相比，这一数字非常高。随着城市人口的急剧增长，国内的物质消耗也在增加，对环境的负面影响也在增加。由于建筑材料的足迹约占全国总材料足迹的24% ，重要的是了解如何计划增加的建筑材料库存需求。

在所有三种情况下，替代报废建筑和新建筑的未来建筑材料需求的增长动态表明，住宅、商业和工业建筑的建设对温室气体排放、能源和水的使用产生了重大影响。在人口增长最快、建筑平均使用寿命为60年的情况下，到2060年累计排放的二氧化碳当量估计为2.6亿吨(是澳大利亚每年总排放量的5倍)。这些趋势对澳大利亚到2050年实现净零排放目标的能力来说不是一个好兆头。这表明，通过选择对环境和气候影响较小的建筑材料，澳大利亚将受益于一个整体的、长期的战略，以改善建筑部门的环境性能。

建筑材料占全国材料需求的很大一部分，而且由于水泥、混凝土和钢材等许多现代建筑材料中隐含的温室气体排放，对环境有着重大影响。建筑行业的可持续发展得益于良好的规划和设计，以及反映环境优先事项的建筑标准。有效的政策依赖于知识产品，以明确的空间方式提供关于当前和未来建筑材料需求及其环境影响的信息。

澳大利亚一直在努力减少建筑作业中的温室气体排放，如2020年更新的绿色之星标准和澳大利亚国家建筑环境评级系统(NABERS)。强制性的商业建筑披露计划是为了提高能源效率和使用可再生能源以减少排放而建立的。然而，减少建筑材料的环境足迹的举措却很少。本研究的分析表明，要实现国内的减排目标，需要更多的环保建筑技术。

增加回收材料的使用，用低碳和可再生材料替代排放密集型材料，在建筑材料的提取和加工过程中增加使用可再生能源，有助于减少建筑环境的温室气体足迹。鼓励使用替代建筑材料的策略应考虑到潜在的采用障碍，如对高成本的认知，产品的可获得性低，行业文化，以及对环境影响的责任分配不明确。通过尽早让相关利益相关者参与进来，设定明确而有力的建筑材料隐含碳基准数据，并促进低碳材料和最佳实践的信息交流，可以减少其中一些障碍。

由于大量的碳密集型材料，改善澳大利亚已建成基础设施的环境和气候性能将需要大量的努力。然而，这可以通过更灵活地使用现有建筑、改善整体建筑寿命、再利用和循环利用建筑材料的精神来实现，以实现建筑环境的更循环经济。促进建筑再利用、修复和翻新的政策，注重建筑材料的绿色采购和改善二手材料市场，都有助于建设基础设施的循环经济。

虽然已经做出了重大努力来提高本研究分析的稳健性，但本研究的发现也存在一些局限性。首先，该模型没有考虑建筑在使用寿命期间材料的重复使用，如地板、瓷砖和绝缘等非结构材料。虽然NEXIS数据库中使用的两个建造期说明了建筑技术的重大变化，但它们限制了对建筑使用寿命的估计。本研究的分析没有考虑到澳大利亚不同地区的建筑技术或建筑规范的差异。此外，本研究假设未来的人口将需要相同水平的人均材料库存，与今天的技术相比，2060年生产材料所包含的温室气体排放、水和能源不会发生变化。尽管存在这些局限性，研究结果提供了澳大利亚建筑材料足迹的独特高分辨率数据集，并估计了随着人口增长，预计建筑需求所带来的巨大环境足迹。

对基础设施(如道路、桥梁、隧道、铁路、地铁)、改造、更换和扩建所需的材料进行估算，可以提高对澳大利亚建筑环境材料和环境足迹的估算。更全面的分析还可以包括建筑构件(从摇篮到摇篮)建设、运营、拆除、处置和回收过程中的材料、能源、水和排放的估计。

编辑&编排：袁静

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