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copy; 2012 Changbum Ahn
可持续建筑的集成框架过程:理解和管理环境施工操作的性能
CHANGBUM AHN
论文
为了部分满足伊利诺伊大学香槟分校研究生学院2012年对于
土木工程哲学博士学位的要求而提交
厄巴纳伊利诺斯州
博士委员会:
副教授Liang Y. Liu, Chair
副教授Feniosky A. Pentilde;a-Mora，研究主任
副教授SangHyun Lee,合作研究主任，密歇根大学
副教授El-Rayes
副教授Nora El-Gohary
摘要
尽管建筑活动在过程中构成了重大的经济活动，但它们对环境的影响在很大程度上被低估了。他们导致了大量的温室气体排放(温室气体)和其他柴油排放,如氮氧化物(NOx)和可吸入颗粒物(PM)。然而,承包商的努力对于减少空气污染物排放仍然有限。原因有：（1）缺乏机制来促进他们的自愿的努力减轻这样的排放；（2）缺乏规划技术和监测技术,使承包商考虑日常运营的环境因素。因此,本研究旨在建立一个综合管理框架,本研究的目的是建立一个综合管理框架，包含绿色承包商的选择、环保意识规划、环境绩效监测以利于环保的可持续的建筑实践。
随着资源使用和燃料消耗的环境性能，施工作业环境绩效可归结为一种表明资源有效利用过程的运行效率的功能。在环境绩效的决定性因素中,用于施工作业的资源和燃料的环境属性是决定承包商承包时的绿色环保能力的关键性参数。评价承包商绿色环保能力的方法已经发展为评估承包商老旧设备的环境属性。包括评估承包商的绿色环保能力的多标准招投标制度的可行性是经过检测的。
运营效率是在建设过程中最重要的并可控的因素，而且它极大地受计划和控制决策的影响。然而，目前的环境影响评价方案缺乏评估提高环境性能的运行效率的影响的能力。环境性能的预测评估模型的开发以提高目前的评估方案纳入建设中的排放/能源资源运营效率的能力。此外，结果评估系统的环境性能的开发来根据低成本加速度计捕获的信号以监控排放/能源资源的运作效率。这种可能的的工具和框架的开发将使施工经理识别和捕捉机会，减轻施工作业中对环境的影响，并提高操作的总体生产力。
这项研究开发的一系列的方法和工具（形成一个框架）将支持将环境评估纳入目前的合同缔约、计划以及施工作业中的控制实践。通过提高施工作业的运营效率和加快承包商更加绿色环保的设备和燃料的使用，将导致能源的使用和建筑业排放物生成的大量减少。
致谢
我很感激我的导师,博士Feniosky Pena-Mora邀请我到他的研究团队并提供如此慷慨的指导和支持。对于他本人和他的同事们来说，他所设定的高标准是鼓舞人心的。就像他对细节的关注，他对工作的献身于，他对指导的学生发自内心的承诺。我还想表达对我公司顾问——在我的研究和生活中给了无尽支持和建议的Sanghyun李博士的感激之情。我感到非常幸运有他作为我的合作顾问，他宝贵的鼓励使这篇论文成为可能。我以作为博士ntilde;a-mora和李博士的学生感到自豪，并希望跟随他们的脚步继续尊敬他们。
我真诚地感谢我的博士学位委员会的指导和支持：Dr.Liang Y. Liu，Dr.Khaled El-Rayes和Dr.Nora El-Gohary.。此外，我非常重视来自以下这些人的支持互动：
博士abourizk Simaan，Stephen Hague，Wenjia Pan，和艾伯塔大学的Mehrdad Sharif；珀杜大学的Dr. Julio Martinez 和Dr. Prasant Rekapalli。另外，我想表达对国立首尔大学的Dr. Moonseo Park和Dr. Hyun-Soo Lee的感谢；自从我开始我的学术生涯他们就不断为我提供不可估量的指导。
对于他们的友谊和建设性的讨论，我非常感谢我的研究组成员：Sangwon Han该厂，Carol Menassa，Mani Golparvar-Fard，Albert Chen，Xinyi Song, Seungjun Roh，Saumil Mehta, Joyce Thomas, Andrey Dimitrov, Muqing Liu,Seungjun Ahn, Chunna Liu, Kyle Anderson,和Joon Oh Seo。特别地，我想感谢 SangUk Han和他的家人给我和我的家庭带来的友谊和舒适。
没有言语能够表达我对我父母 Chang Geun Ahn 和Soonja Yoon无尽的感激，为了他们的支持，爱，和耐心。没有他们的牺牲和鼓励，我在美国的学习是不可能的。还有，我要感谢我的兄弟和丈人丈母娘对我难以置信的支持和信任。最重要的是，我要特别感谢我的妻子戴安娜和我的女儿Rachel，以我为重心，和我共度悲伤，为我带来喜悦。
第一章
简介
1、概述
在过去的十年中，对于组织对自然环境的影响有越来越多的关注，特别是关于全球变暖。有环保意识的利益相关者，如政府和社会成员，在组织上要求他们在产品和生产过程中缓解生态足迹都越来越有压力（波特和林德1995）。建筑和建筑行业在面对这样的环境压力的前列，因为他们的产品——建筑和民用建筑基础设施有很长的寿命，并需要大量的能源来运作。因此，已在建筑和建筑行业需要更大的努力去发展节能高效的产品。同时，尽管建筑活动整体消耗大量的能源并产生相当水平的碳和其他柴油废气排放，建筑和基础设施建设的过程中对于建筑和建筑行业为可持续发展做出努力还没有得到更多的关注。例如，建设是第三高贡献的温室气体排放量的工业部门，排名仅次于石油天然气行业和化工制造业（EPA 2008A）。特别地，与建设过程相比，民用基础设施建设过程中由于能源密集型设备的广泛使用而产生相对高水平的空气污染物排放量。因此，民用基础设施项目的公共客户承受着越来越多的压力去缓解他们项目上产生的空气污染物排放量。
然而,由承包商努力减少施工造成的空气污染物排放仍然是有限的。这是由于：（1）缺乏机制来促进他们的自愿的努力减轻这样的排放；（2）缺乏规划技术和监测技术,使承包商考虑日常运营的环境因素。因此,建立一个综合管理框架，包含绿色承包商的选择、环保意识规划、环境绩效监测以利于环保的可持续的建筑实践。
2、问题陈述
当前施工作业的环境管理的实践中存在着许多固有的挑战。本文重点研究的三个具体的挑战减少建筑能耗与施工作业中的大气污染物排放。
首先，公共客户需要一种方法来评估承包商在施工过程中实现环境可持续发展的能力。目前控制施工作业的环境可持续性的重点是对建筑作业相关的现行环境法规的遵守。不过,现有的监管力度不足以控制能源消耗和建筑过程中的空气污染物排放带来的环境冲击。例如，美国环境保护局对于越野柴油发动机的法规（EPA 2004a）通过控制新建工程的施工设备的排放率目前在建筑排放上有最大的影响。不幸的是，这些法规的影响被扩大经济增长的需求而增加发动机的数量工作时间以及它们的马力大大地抵消了。
因此，建设利益相关者需要通过他们自己的努力减轻环境影响以改善他们的经营环境绩效。特别是土木工程项目的公共客户需要引导这些努力通过承包商实现能源消耗的减少和空气污染物的排放量的降低。极少数的公众组织已经考虑了缓解任何不利的重要环境影响，并由此分析了规划阶段中的任何影响。然而，这些分析比较了整体环境的影响对于“不建”和“建”的选择（ICF2008），而且在这两者之间选择后并没有继续。为了弥补不足之处，这存在着几种财务激励机制，直接或间接资助承包商和设备的业主用新的和清洁的设备更换旧设备或购买减排设备。据报道，一些激励措施带来了有效减排，但并没有带来全行业的成功。他们也不可能会带来这么大规模的成功。因此，严格的尝试去评估承包商的绿色环保能力应该是为了使公共客户使用他们的直接/间接的有效融资，并参与确定成本效益缓解机会。
本论文第二个挑战关注的的重点是当前的环境影响评估方案缺乏鉴别环境绩效的规划和控制决策的影响的能力。虽然目前的建设规划的做法是只关注传统的标准，如时间，成本和质量的潜力。减少空气污染物排放和能源消耗的环境影响分析的潜力存在，并要求将这些分析整合到规划阶段的决策过程中。施工作业环境影响评价模型已存在基于生命周期评价（LCA）方法（bilec等人。Sharrard et al.，2010。2008；bilec等人。2006；guggemos等人。2006；中国社会科学院和穆克吉里斯等人2010。2010；Treloar et al.。2004）和非道路设备排放的库存模型（smaqmd 2009a；rimpo和联营公司2007）。这些方法和模型提供的排放量的评估，是相当可靠，并有效地服务于开发的整体生命周期的环境基础设施或排放清单在国家或地方社区的影响。不过,就环境视角解读经营效率而言，他们在项目层面的经营决策方面有一定的局限性。他们往往忽略了由于一种不同的资源分配计划和调度造成的经营效率可能发生的变化。其结果是，目前的方法不能提供影响计划和控制环境性能的决定的信息。一种可以有力地评估经营决策对环境性能的影响的方法需要开发和验证。一个被证明的方法将允许利益相关者考虑到真实的工作环境在工作设计和规划阶段的影响。
本文重点研究的第三个挑战是缺乏一个正式的方法监控和验证施工过程中/之后的环境性能。有广泛的研究来评估在施工作业中每一个单一的利用来源导致的能源使用和排放.能源使用的数据和在项目的碳排放水平是有限的，但是(Caltrans 1983; Stammer and Stodolsky 1995).在项目的规划阶段的能源使用和排放量的评估总是有大量的不确定性，因为（1）建设项目在计划和建造条件下通常涉及到无法预计的偏差(Saidi et al. 2003; Oglesby et al. 1989)，（2）用于估计的排放因子包含不确定性（Frey，2007）。因此环境性能的连续监测对于及时采取纠正措施消除计划和实际水平之间能源使用和排放的差异的原因是必要的。
目前，唯一可用来检查一个建设项目的环境绩效的数据是设备使用的日常报告，数据包括跟踪多少件部署在工地的设备。这个数据在大多数的LCA研究中是用来量化设备在施工过程中的环境影响(Bilec et al. 2006; Cass andMukherjee 2010)。然而，这些报告只包含是否设备是否被使用的信息，而不包括多久以及它是如何有效地使用。其他信息在目前的建设管理方案中被认为是不重要的。分类数据的缺乏阻碍了环境绩效的准确监测。监测和分析工具、结合现场数据采集方法、确保准确的测量对于项目的施工阶段提高报告的可靠性和加强参与者之间的沟通是必要的。
3、研究目标
本文的总体目标注重于在一个集成框架的发展和支持使建设利益相关者评估和改善施工作业的环境绩效的工具（就能量消耗和空气污染物产生而言）。为了完成这个目标，本文的主要研究目标如下：
目标1：改进方法，评估承包商在施工作业中执行环境可持续发展的能力。
研究问题：确定承包商减少能源消耗和污染物产生的能力的关键参数是什么？这些参数是如何
在公众能够理解的程度上评价和解释的？这样的评价方法是怎样能纳入现行招标承包过程中承包商的选择？承包商缓解措施的采用能在多大程度上影响综合招标过程的集成？
假设：承包商潜在的能源使用和排放空气污染物可以基于表明承包商的绿色环保功能的关键参数估计。他们估计建筑的能源使用和排放造成的环境成本可以作为一个标准化的货币价值来计算。承包商缓解措施的采用将对环境成本有显著的影响从而影响整个招投标过程。
意义：实现这一研究目的将使公众客户在评估承包商的绿色环保能力时有客观的标准。包括施工排放的环境成本在评标过程中作为一项标准将鼓励承包商努力减少他们的活动所产生的排放。公众客户可以通过让承包商减排计划的成本效益方面竞争来减少额外开支的方式来实现更加绿色环保的建筑实践。承包商将能够利用他们的努力提高他们的老旧设备的环境性能。
目标2：构想的环境影响评估模型，有力地纳入了规划和控制决策对施工作业中环境性能的影响。
研究问题：如何能将设备的运行效率分析纳入评估环境绩效？哪些规划决策在施工作业影响的环境性能水平，并在什么程度？当模拟施工作业的环境影响时这些决定是怎样被体现的？用户如何在测试其规划决策的影响时得到帮助的？
假设：每一件设备的运行效率会极大地影响整体运行的环境性能。将设备的运行效率并入环境性能大大有利于规划的可持续经济运行。每一个规划决策导致了建设项目不同水平的的环境性能。这些水平可以用有力的分析方法评价。
意义：实现这一研究目标，将改进方案，使环境影响评价和结合施工作业的管理层面的验证方法一体化。建筑经理将能够评估他们环境绩效计划的潜在影响，从而作出提高环境性能的决定。决策支持工具将使项目经理的研究和协调与特定建筑工地相关的各种可持续性因素，并与其他项目参与者沟通他们的结果。
目标3：确定监测方法和支持工具用经济上和技术上实用的方法来跟踪施工作业的环境绩效。
研究问题：该方法和技术可以帮助以经济上可行的方式可靠地监测施工作业的环境性能？怎么
可以将此信息有条理并有效地交付给项目经理，允许他们检查他们的项目的环境影响，因此作出适当的确保可持续建设的决策？
假设：数据采集方案和可用的传感技术的组合将使可靠和可行地监测和验证施工作业的环境性能成为可能。
意义：实现这一研究目标将有助于建立一个正规的方法，可以监测和验证施工作业的环境性能。一个综合的监控系统也将允许项目经理跟踪环境绩效的日常运作和评估评估计划的有效性以减少任何不利的环境影响。由一个综合监测系统提供的数据将为将来环境方面的运营改进模型和分析提供依据。
4、论文组织
第2章提供支持本文的背景信息。它描述了以下内容：由施工过程造成的环
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