DOI: https://doi.org/10.3390/civileng7010018
تاريخ النشر: 2026-03-16
المؤلف: Deelaram Nangir وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأثر البيئي والاستدامة
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة الحاجة الملحة للمملكة المتحدة لتعزيز توفير الإسكان مع تقليل انبعاثات الكربون على مدار الحياة، مع التركيز بشكل خاص على الإسكان الاجتماعي بإطار فولاذي خفيف الوزن (LGSF). من خلال تقييم دورة الحياة من المهد إلى اللحد (LCA) باستخدام بيانات أولية من مشروع إسكان وحدات حقيقي، تقوم الدراسة بت quantifying تأثيرات الكربون، كاشفة عن إجمالي بصمة الكربون على مدار الحياة البالغة 91.3 طن من CO₂e على مدى 50 عامًا. ومن الجدير بالذكر أن الانبعاثات المتجسدة (A1-A3) تشكل 38.2% من هذه البصمة، بينما تساهم الطاقة التشغيلية واستخدام المياه بنسبة 48.1%. تتماشى كثافة الكربون المتجسد البالغة 366 كجمCO₂e/m² (A1-A5) بشكل وثيق مع تلك الخاصة بالمباني الخشبية المعالجة بالضغط العالي (CLT)، مما يشير إلى أن أنظمة الفولاذ المعيارية المحسّنة يمكن أن تحقق نتائج منخفضة الكربون عادة ما ترتبط بالبناء القائم على المواد الحيوية.
تؤكد النتائج على أهمية معالجة كل من الانبعاثات المتجسدة والتشغيلية في وقت واحد. تشير تحليلات الحساسية إلى أن تنفيذ مواد منخفضة الكربون، مثل الخرسانة الأساسية والعزل القائم على المواد الحيوية، يمكن أن يقلل من الانبعاثات الأولية بنسبة 8-10%. وتخلص الدراسة إلى أن الإسكان الاجتماعي بإطار فولاذي خفيف الوزن (LGSF) يمكن أن يحقق أداءً كربونيًا جديرًا بالثناء عندما يتم دعمه بتصميم فعال واختيار مواد. تدعو إلى استراتيجيات الشراء التي تعطي الأولوية للمواد منخفضة الكربون وإعلانات المنتجات البيئية المعتمدة (EPDs) لتقليل الانبعاثات على مدار الحياة دون المساس بجودة الإسكان أو سرعة التسليم. تسلط الأبحاث الضوء على ضرورة وجود تقييمات دورة حياة شفافة وقابلة للتكرار في توجيه خيارات المواد وتحسين التصميم، مما يسهم في النهاية في تطوير منازل ميسورة التكلفة ومرنة ومنخفضة الكربون في المملكة المتحدة. يجب أن تأخذ الأبحاث المستقبلية أيضًا في الاعتبار دمج العوامل الاقتصادية من خلال تكلفة دورة الحياة لتعزيز اتخاذ القرار في توفير الإسكان الاجتماعي.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على نقص الإسكان الملح في المملكة المتحدة، حيث يقيم حوالي 8.4 مليون فرد في ظروف غير كافية أو غير ميسورة. لمعالجة هذه المشكلة، يحتاج البلد إلى بناء أكثر من 440,000 منزل سنويًا، مما يتجاوز بكثير المعدلات الحالية. يواجه قطاع الإسكان الاجتماعي تحديات خاصة تتعلق بالتكلفة وسرعة التسليم والقدرة على تحمل التكاليف على المدى الطويل، بينما يساهم أيضًا بنحو 27% من الانبعاثات الوطنية من الكربون. يُقترح البناء المعياري خارج الموقع كحل قابل للتطبيق، حيث يقدم فوائد مثل تقليل وقت البناء (بنسبة 30-50%)، وتكاليف أقل من خلال توحيد التصميم، وتقليل النفايات في الموقع، وهي أمور حاسمة لتلبية الطلبات على الإسكان الاجتماعي.
على الرغم من مزايا البناء المعياري، لا يزال الأداء البيئي، وخاصة ملف الكربون على مدار دورة الحياة بالكامل، غير مستكشف بشكل كافٍ في سياق المملكة المتحدة. ركزت السياسات الأخيرة على تقليل الانبعاثات التشغيلية، ومع ذلك تمثل الانبعاثات المتجسدة من المواد والبناء ما يقرب من نصف إجمالي تأثيرات دورة الحياة في المنازل منخفضة الطاقة. تهدف هذه الدراسة إلى سد الفجوات الموجودة من خلال إجراء تقييم دورة حياة من المهد إلى اللحد (LCA) لمبنى سكني بإطار فولاذي خفيف الوزن (LGSF) في شمال غرب إنجلترا. يستخدم التقييم كميات المواد الأولية ومدخلات نمذجة تشغيلية معتمدة، ملتزمًا بمعايير EN 15804. تشمل المساهمات المنهجية للدراسة تقييم دورة حياة شامل باستخدام بيانات حقيقية، وتحليل حساسية لبدائل المواد منخفضة الكربون، ومنهجية كربون تشغيلية هجينة. تهدف هذه النتائج إلى تقديم رؤى قابلة للتنفيذ لأصحاب المصلحة المعنيين بتوسيع الإسكان المعياري منخفض الكربون لتلبية الأهداف المناخية الوطنية.
طرق
تستخدم الدراسة منهجية تقييم دورة الحياة من المهد إلى اللحد (LCA) لتقييم الأثر البيئي لمنزل معياري بإطار فولاذي خفيف الوزن (LGSF). يتوافق هذا التقييم مع معايير ISO 14040 وISO 14044، مما يضمن إطارًا صارمًا للتحليل. بالإضافة إلى ذلك، يتضمن قواعد حساب من معهد المعايير البريطاني (BSI) والمعهد الملكي للمساحين المعتمدين (RICS)، مما يعزز قوة المنهجية.
تم هيكلة عملية تقييم دورة الحياة في ثلاث مراحل متميزة، كما هو موضح في الشكل 1. تعالج هذه المراحل بشكل منهجي الآثار البيئية المرتبطة بدورة حياة المنزل المعياري بإطار فولاذي خفيف الوزن (LGSF)، بدءًا من استخراج المواد وصولاً إلى التخلص في نهاية العمر. تهدف هذه المقاربة الشاملة إلى تقديم رؤى قيمة حول استدامة ممارسات البناء بإطار فولاذي خفيف الوزن (LGSF).
نتائج
تكشف نتائج تقييم دورة الحياة (LCA) لمنزل بروكلاندز المعياري عن إجمالي بصمة كربون على مدار الحياة تبلغ 91.3 طن من CO₂e على مدى 50 عامًا، مما يترجم إلى رقم سنوي قدره 18.4 كجمCO₂e/m² أو 922 كجمCO₂e/m² من المساحة الداخلية الإجمالية. يبرز التحليل، الذي تم هيكلته وفقًا لمعايير EN 15978 ومنهجيات الكربون على مدار الحياة RICS، المساهمات الكبيرة لمراحل دورة الحياة المختلفة. على وجه التحديد، تم حساب كثافة الكربون المتجسد للمراحل A1-A5 عند 366 كجمCO₂e/m²، مع إجمالي الكربون المتجسد للمراحل A1-A3 الذي يبلغ 34.82 طن من CO₂e، مما يمثل 38.1% من إجمالي الانبعاثات.
تشير النتائج إلى أن مرحلة المنتج (A1-A3) والطاقة التشغيلية (B6) هما المصدران الرئيسيان للانبعاثات، حيث تساهمان بـ 34.8 طن من CO₂e (38.1%) و35.3 طن من CO₂e (38.7%)، على التوالي. معًا، تمثل هذه المراحل أكثر من 75% من إجمالي تأثير الكربون، مما يبرز أهمية كل من اختيار المواد وكفاءة التشغيل في إزالة الكربون من الإسكان المعياري. بالإضافة إلى ذلك، يساهم استخدام المياه التشغيلية (B7) بـ 8.6 طن من CO₂e (9.4%)، مما يبرز أهمية الانبعاثات المتعلقة بالمياه، والتي غالبًا ما يتم التقليل من شأنها في تقييمات دورة حياة المباني. يعتمد هذا التقييم على استهلاك المياه المنزلية المنظم وعوامل الانبعاث القياسية في المملكة المتحدة، مما يعزز الحاجة إلى تقييمات شاملة تشمل تأثيرات المياه جنبًا إلى جنب مع استخدام الطاقة.
مناقشة
ت outlines قسم المناقشة في ورقة البحث المنهجية والنتائج لتقييم دورة الحياة (LCA) الذي تم إجراؤه على مسكن بإطار فولاذي خفيف الوزن (LGSF) في موقع بروكلاندز في ويرال ووترز، المملكة المتحدة. كانت تهدف الدراسة إلى quantifying انبعاثات الكربون على مدار الحياة من المهد إلى اللحد للمسكن، مع التركيز على تحديد المساهمين الرئيسيين في الانبعاثات واستراتيجيات تقليل الكربون المحتملة. شملت جمع البيانات تجميع قوائم المواد والخصائص الهندسية من خلال عمليات التفتيش في الموقع، ونماذج Revit، والرسومات المعمارية. تم إجراء تقييم دورة الحياة باستخدام برنامج One Click LCA، الذي قيم التأثيرات المتجسدة عبر مراحل دورة الحياة المختلفة (A1-A5، B1-B7، C1-C4، وD)، مع نمذجة الطاقة التشغيلية في بيئة IES الافتراضية.
أشارت النتائج إلى أن إجمالي الكربون المتجسد لوحدة بروكلاندز كان 34.82 طن من CO₂e، مما يترجم إلى 351.68 كجمCO₂e/m²، وهو أقل من حدود RIBA لعام 2025 و2030. برز النظام الهيكلي، وخاصة الإطار الفولاذي الخفيف، كأكبر مساهم في الانبعاثات، حيث يمثل 32% من إجمالي الكربون المتجسد. تم تقدير الكربون التشغيلي على مدى 50 عامًا بـ 43,917.9 كجمCO₂e، مما يمثل 48.1% من بصمة الكربون على مدار الحياة. تؤكد النتائج على أهمية كل من التأثيرات المتجسدة الأولية والأداء التشغيلي على المدى الطويل في تقليل ملف الكربون للإسكان المعاصر في المملكة المتحدة، مما يدعم الفكرة القائلة بأن المنازل المعيارية منخفضة الطاقة يمكن أن تقلل بشكل كبير من التأثيرات البيئية على مدار الحياة عند تصميمها بطريقة متكاملة مع أنظمة المواد والطاقة.
DOI: https://doi.org/10.3390/civileng7010018
Publication Date: 2026-03-16
Author(s): Deelaram Nangir et al.
Primary Topic: Environmental Impact and Sustainability
Overview
This study addresses the pressing need for the UK to enhance housing delivery while minimizing whole-life carbon emissions, specifically focusing on modular light-gauge steel frame (LGSF) social housing. Through a cradle-to-grave life cycle assessment (LCA) utilizing primary data from a real modular housing project, the research quantifies the carbon impacts, revealing a total whole-life carbon footprint of 91.3 tCO₂e over 50 years. Notably, embodied emissions (A1-A3) constitute 38.2% of this footprint, while operational energy and water use contribute 48.1%. The embodied carbon intensity of 366 kgCO₂e/m² (A1-A5) aligns closely with that of high-performing cross-laminated timber (CLT) buildings, suggesting that optimized modular steel systems can achieve low-carbon outcomes typically associated with bio-based construction.
The findings emphasize the importance of addressing both embodied and operational emissions concurrently. Sensitivity analyses indicate that implementing low-carbon materials, such as foundation concrete and bio-based insulation, could reduce upfront emissions by 8-10%. The study concludes that modular LGSF housing can achieve commendable carbon performance when supported by efficient design and material selection. It advocates for procurement strategies that prioritize low-carbon materials and verified environmental product declarations (EPDs) to further reduce whole-life emissions without compromising housing quality or delivery speed. The research highlights the necessity of transparent and reproducible LCAs in guiding material choices and design improvements, ultimately contributing to the development of affordable, resilient, and low-carbon homes in the UK. Future research should also consider integrating economic factors through life cycle costing to enhance decision-making in social housing delivery.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the pressing housing shortage in the United Kingdom, where approximately 8.4 million individuals reside in inadequate or unaffordable conditions. To address this issue, the country needs to construct over 440,000 homes annually, significantly exceeding current rates. The social housing sector faces particular challenges related to cost, delivery speed, and long-term affordability, while also contributing to about 27% of national carbon emissions. Off-site modular construction is proposed as a viable solution, offering benefits such as reduced construction time (by 30-50%), lower costs through design standardization, and minimized on-site waste, which are crucial for meeting social housing demands.
Despite the advantages of modular construction, the environmental performance, particularly the full life cycle carbon profile, remains underexplored in the UK context. Recent policies have focused on reducing operational emissions, yet embodied emissions from materials and construction represent nearly half of the total life cycle impacts in low-energy homes. This study aims to fill existing gaps by conducting a cradle-to-grave life cycle assessment (LCA) of a modular light-gauge steel frame (LGSF) residential building in Northwest England. The assessment utilizes primary material quantities and verified operational modeling inputs, adhering to EN 15804 standards. The study’s methodological contributions include a comprehensive LCA using real data, a sensitivity analysis for low-carbon material alternatives, and a hybrid operational carbon methodology. These findings are intended to provide actionable insights for stakeholders involved in scaling low-carbon modular housing to meet national climate objectives.
Methods
The study employs a cradle-to-grave Life Cycle Assessment (LCA) methodology to evaluate the environmental impact of a Light Gauge Steel Frame (LGSF) modular house. This assessment adheres to the ISO 14040 and ISO 14044 standards, ensuring a rigorous framework for analysis. Additionally, it incorporates calculation rules from the British Standards Institution (BSI) and the Royal Institution of Chartered Surveyors (RICS), enhancing the robustness of the methodology.
The LCA process is structured into three distinct phases, as illustrated in Figure 1. These phases systematically address the environmental implications associated with the entire lifecycle of the LGSF modular house, from material extraction through to end-of-life disposal. This comprehensive approach aims to provide valuable insights into the sustainability of LGSF construction practices.
Results
The results of the life cycle assessment (LCA) for the Brooklands modular house reveal a total whole-life carbon footprint of 91.3 tCO₂e over a 50-year period, translating to an annualized figure of 18.4 kgCO₂e/m² or 922 kgCO₂e/m² of gross internal floor area. The analysis, structured according to the EN 15978 and RICS Wholelife Carbon methodologies, highlights the significant contributions of various life cycle stages. Specifically, the embodied carbon intensity for stages A1-A5 is calculated at 366 kgCO₂e/m², with the total embodied carbon for stages A1-A3 amounting to 34.82 tCO₂e, representing 38.1% of the total emissions.
The findings indicate that the product stage (A1-A3) and operational energy (B6) are the predominant sources of emissions, contributing 34.8 tCO₂e (38.1%) and 35.3 tCO₂e (38.7%), respectively. Together, these stages account for over 75% of the total carbon impact, emphasizing the importance of both material selection and operational efficiency in the decarbonization of modular housing. Additionally, operational water use (B7) contributes 8.6 tCO₂e (9.4%), underscoring the relevance of water-related emissions, which are often underestimated in building LCAs. This assessment is based on regulated domestic water consumption and standard UK emission factors, reinforcing the need for comprehensive evaluations that include water impacts alongside energy use.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the methodology and findings of a life cycle assessment (LCA) conducted on a modular light-gauge steel frame (LGSF) dwelling at the Brooklands site in Wirral Waters, UK. The study aimed to quantify the cradle-to-grave whole-life carbon emissions of the dwelling, focusing on identifying key contributors to emissions and potential carbon reduction strategies. Data collection involved compiling material inventories and geometric attributes through site inspections, Revit models, and architectural drawings. The LCA was performed using One Click LCA software, which assessed embodied impacts across various life cycle stages (A1-A5, B1-B7, C1-C4, and D), with operational energy modeled in the IES Virtual Environment.
The results indicated that the total embodied carbon for the Brooklands unit was 34.82 tCO₂e, translating to 351.68 kgCO₂e/m², which is below the RIBA 2025 and 2030 limits. The structural system, particularly the light-gauge steel frame, emerged as the largest contributor to emissions, accounting for 32% of the total embodied carbon. Operational carbon over a 50-year period was estimated at 43,917.9 kgCO₂e, representing 48.1% of the whole-life carbon footprint. The findings underscore the importance of both upfront embodied impacts and long-term operational performance in reducing the carbon profile of contemporary UK housing, supporting the notion that low-energy modular homes can significantly lower lifetime environmental impacts when designed with an integrated approach to fabric and energy systems.