建筑施工碳排放測(cè)算模型研究

李 兵 李云霞 吳 斌 付菲菲

(1.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院工程管理研究所,武漢 430074;

2.武漢新城國(guó)際博覽中心有限公司,武漢 430074)

建筑施工碳排放測(cè)算模型研究

李 兵1,2李云霞1吳 斌2付菲菲1

(1.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院工程管理研究所,武漢 430074;

2.武漢新城國(guó)際博覽中心有限公司,武漢 430074)

建設(shè)項(xiàng)目施工過(guò)程中消耗了大量的資源和能源,是項(xiàng)目全壽命周期低碳建設(shè)中最為重要的一個(gè)階段,本文采用國(guó)際先進(jìn)的碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑施工中的碳源進(jìn)行了歸類整理,首次提出了基于BIM及相關(guān)軟件的建筑施工碳排放測(cè)算方法,詳細(xì)介紹了碳排放測(cè)算步驟,對(duì)指導(dǎo)低碳施工具有重要的借鑒意義。

低碳施工;建筑信息模型;碳排放測(cè)算

1 引言

全球氣候變暖的危機(jī)嚴(yán)重影響著人類的生存與發(fā)展,已成為 21世紀(jì)人類社會(huì)亟需面對(duì)的重要挑戰(zhàn)。2009年的聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)在哥本哈根舉行,旨在尋求減少碳排放以解決全球氣候變暖問(wèn)題的途徑。建筑建造、使用和拆除過(guò)程中對(duì)能源和資源的消耗及固體廢棄物的處理將帶來(lái)巨大的溫室氣體排放量。由建筑的碳排放帶來(lái)的環(huán)境影響越來(lái)越大,我國(guó)正處于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化加速發(fā)展階段,建設(shè)規(guī)模和建設(shè)速度都為世界發(fā)展史上所罕見(jiàn)的。與此同時(shí),二氧化碳排放量也隨之不斷加大,據(jù)統(tǒng)計(jì),每年建筑領(lǐng)域排放的二氧化碳排放量占到總排放量的 35%以上,因此,如何減少建筑的二氧化碳排放就顯得尤為重要。施工階段作為建設(shè)項(xiàng)目全生命周期中非常重要而且最為復(fù)雜的階段,會(huì)消耗大量的資源和能源,產(chǎn)生大量的溫室氣體[1]。然而,由于國(guó)家的大力支持與政策要求,低碳節(jié)能建筑大行其道,部分低碳技術(shù)應(yīng)用之后所減少的碳排放卻尚不足以抵消因采用這項(xiàng)技術(shù)而帶來(lái)的生產(chǎn)和施工過(guò)程中增加的碳排放,使得其應(yīng)用毫無(wú)意義。因此,研究建筑施工階段碳排放測(cè)算很有現(xiàn)實(shí)意義。

2 建筑施工過(guò)程中的碳源分析

2.1 國(guó)際碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

解決全球氣候變暖的方法就是要做到碳減排,那么首要的問(wèn)題是找到合適的研究方法去定量評(píng)價(jià)碳排放,從中找到主要碳排放因子以形成碳減排措施,并對(duì)每種措施進(jìn)行量化評(píng)價(jià)找到最低碳的途徑。目前,國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)可的定量評(píng)價(jià)碳排放的方法是采用碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。綜合學(xué)者們對(duì)碳足跡的定義,可以認(rèn)為碳足跡是一項(xiàng)活動(dòng)、一個(gè)產(chǎn)品(或服務(wù))的整個(gè)生命周期,在某一地理范圍內(nèi)直接和間接產(chǎn)生的二氧化碳排放量(或二氧化碳當(dāng)量排放量)[2]。根據(jù)國(guó)家環(huán)境毒理和化學(xué)學(xué)會(huì)(SETAC)的定義,碳足跡評(píng)價(jià)就是碳足跡的計(jì)算方法,碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)就是對(duì)碳足跡計(jì)算方法的規(guī)定。

碳足跡已日益成為了研究的焦點(diǎn)和熱點(diǎn),目前利用碳足跡評(píng)價(jià)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也不斷推出,主要包括歐盟的溫室氣體盤查議定書(ENCORD)、英國(guó)的PAS 2050:2008、日本的 TSQ 0010和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織正在制定的 ISO 14067等。其中 ENCORD是最早頒布的,于 2001年 10月頒布了第一版,2010年 2月頒布了第三版[3],在當(dāng)前眾多國(guó)際碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)展相對(duì)成熟,并且應(yīng)用最為廣泛。ENCORD指出只有清晰定義了碳排放的測(cè)量邊界才能保證碳足跡計(jì)算的關(guān)聯(lián)性、完整性、一致性、透明性與準(zhǔn)確性。ENCORD將碳足跡的測(cè)量范圍定義為三種:直接碳排放、間接碳排放、其他間接碳排放,并要求根據(jù)這三種碳排放量形成碳評(píng)估評(píng)價(jià)報(bào)告[4]。

本文選用 ENCORD為依據(jù),根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)中碳源分類思想和計(jì)算方法,針對(duì)我國(guó)國(guó)情和建筑特點(diǎn)進(jìn)行建筑施工中的碳源分析。碳源即二氧化碳的來(lái)源,分析碳源就是要找到產(chǎn)生二氧化碳的各種活動(dòng)即碳足跡,從而通過(guò)碳足跡得到碳排放量。

2.2 建筑施工過(guò)程中的碳源分類

對(duì)國(guó)際上先進(jìn)的碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)——?dú)W盟溫室氣體盤查議定書分析,結(jié)合我國(guó)建筑施工業(yè)的管理現(xiàn)狀,得到建筑施工中的碳源。

2.2.1 建筑施工活動(dòng)的操作邊界即三大測(cè)量范圍的確定

結(jié)合我國(guó)建筑業(yè)環(huán)境,將直接碳排放定義為通過(guò)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力燃料的燃燒直接向大氣排放溫室氣體的影響;將間接碳排放定義為機(jī)械設(shè)備電力及蒸汽的能源使用引起的碳排放;將其他間接碳排放定義為施工消耗材料、施工建筑垃圾引起的碳排放,通常情況下施工過(guò)程中不可測(cè)量的碳排放,如從空調(diào)和制冷劑泄漏的溫室氣體排放量以及施工人員的碳排放量等,相對(duì)建筑施工總的碳排放比重很小,可以忽略,故在其他間接的碳排中只考慮材料、建筑垃圾引起的碳排放。故得到建筑施工中的碳源,如圖 1所示。

圖 1 建筑施工中的碳源

對(duì)建筑施工中的碳源分析可以看到機(jī)械設(shè)備和材料是引起碳排放主要來(lái)源,機(jī)械設(shè)備的碳排放就是因?yàn)樾枰膭?dòng)力能源而產(chǎn)生碳排放,根據(jù)動(dòng)力能源與碳排放的直接、間接關(guān)系分為:直接來(lái)源即燃料、間接來(lái)源即電力和蒸汽。而材料的碳排放則占剩余碳源中的絕大部分,建筑施工中消耗的大部分資源都是攤銷在建筑材料上。因此,本文針對(duì)機(jī)械設(shè)備的碳排放、材料的碳排放進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2.2.3 機(jī)械設(shè)備的碳排放

機(jī)械設(shè)備的碳排放是由于消耗動(dòng)力燃料或電力或蒸汽而引起的。建筑中機(jī)械設(shè)備眾多,有必要對(duì)其進(jìn)行分類,分類依據(jù)既要體現(xiàn)碳排放量的影響程度又要有利于安排施工以指導(dǎo)低碳施工。為此將建筑中的機(jī)械設(shè)備分成了三類:辦公室設(shè)備、施工機(jī)械設(shè)施、倉(cāng)儲(chǔ)維修設(shè)備。這樣的分類體現(xiàn)了對(duì)分類依據(jù)的要求,可以在施工前知道現(xiàn)場(chǎng)辦公、現(xiàn)場(chǎng)施工、現(xiàn)場(chǎng)布置(倉(cāng)儲(chǔ)維修)所產(chǎn)生的碳排放,能針對(duì)性的加強(qiáng)施工管理。

2.2.4 建筑材料的碳排放

大量的建筑材料,如結(jié)構(gòu)鋼框架組件、混凝土和混凝土制品、鋼筋、瀝青產(chǎn)品等,是通過(guò)形成建筑實(shí)體的運(yùn)營(yíng)、維修保養(yǎng)、報(bào)廢而產(chǎn)生碳排放,不同的施工方案其材料的使用量計(jì)劃也不同,帶來(lái)的碳排放就不同,而且材料的碳排放占的比重較大,ISO14067鼓勵(lì)采用全生命周期評(píng)價(jià)法(LCA)來(lái)考量施工引入的材料碳排放量。施工中的碳排放測(cè)算也必須將材料的碳排放納入,只有這樣才能鑒別不同的施工方案的碳排放量影響,進(jìn)而改進(jìn)施工方案指導(dǎo)低碳施工。國(guó)外一些機(jī)構(gòu),如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所,為對(duì)材料全生命期中二氧化碳的排放量進(jìn)行充分的掌握和測(cè)量進(jìn)行了諸多的實(shí)驗(yàn),從而形成了較為完善的建筑材料碳排放數(shù)據(jù)庫(kù),而我國(guó)還未進(jìn)行全面的碳排放測(cè)量實(shí)驗(yàn),各種材料碳排放測(cè)算的精確度與國(guó)外相比尚有較大差距。從施工消耗建筑材料引起的碳排放角度,可將其分為五個(gè)階段的影響:原材料的開(kāi)采和掘取、原材料運(yùn)輸、建筑材料的生產(chǎn)和施工、材料使用、材料報(bào)廢。

3 基于 BIM的建筑施工碳排放的測(cè)算方法

3.1 碳排放測(cè)算基本方法介紹

由于數(shù)據(jù)獲取困難,無(wú)法形成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的規(guī)模效應(yīng),我國(guó)建筑碳排放的測(cè)算還處于比較初級(jí)的階段。目前,對(duì)建筑碳排放的測(cè)算主要采用三種方法:實(shí)測(cè)法、物料衡算法和排放系數(shù)法[5]。

(1)實(shí)測(cè)法

主要通過(guò)監(jiān)測(cè)工具或國(guó)家認(rèn)定的計(jì)量設(shè)施,對(duì)目標(biāo)氣體的流量、濃度、流速等進(jìn)行測(cè)量,得到國(guó)家環(huán)境部門認(rèn)可的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算目標(biāo)氣體總排放量。實(shí)測(cè)法要求采集的樣品數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)代表性和較高的精確度,當(dāng)能滿足這些要求時(shí),這是一種比較可靠的方法,但如果無(wú)法保證樣品數(shù)據(jù)的代表性和精確度,即使測(cè)試分析很正確,所得數(shù)據(jù)也毫無(wú)意義。

(2)物料衡算法

是建設(shè)過(guò)程中使用的物料進(jìn)行定量分析,根據(jù)質(zhì)量守恒,投入物質(zhì)量等于產(chǎn)出物質(zhì)量,把工業(yè)排放源的排放量、生產(chǎn)工藝和管理、資源、原材料的綜合利用及環(huán)境治理結(jié)合起來(lái)系統(tǒng)地、全面地研究生產(chǎn)過(guò)程中碳排放的一種科學(xué)有效的計(jì)算方法。這種方法雖然能得到比較精確的碳排放數(shù)據(jù),但是需要對(duì)建筑全過(guò)程的投入物與產(chǎn)出物進(jìn)行全面的分析研究,工作量很大,過(guò)程也比較復(fù)雜。

(3)排放系數(shù)法

是指在正常技術(shù)經(jīng)濟(jì)和管理?xiàng)l件下,根據(jù)生產(chǎn)單位產(chǎn)品所排放的氣體數(shù)量的統(tǒng)計(jì)平均值來(lái)計(jì)算總排放量的一種方法。目前的排放系數(shù)分為有氣體回收和無(wú)氣體回收兩種情況下的排放系數(shù),而且在不同的生產(chǎn)狀況、工藝流程、技術(shù)水平等因素的影響下,排放系數(shù)也存在很大差異。因此使用排放系數(shù)法的不確定性也較大。

3.2 基于 BIM技術(shù)的建筑施工碳排放測(cè)算模型

縱觀現(xiàn)有的碳排放測(cè)算基本方法的原理,可以從兩個(gè)方面去克服當(dāng)前研究的弊端,一是綜合選用碳排放測(cè)算基本方法以克服各種方法的不足,發(fā)揮它們的最大優(yōu)點(diǎn),為此本文選用了國(guó)際上先進(jìn)碳排放評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)——溫室氣體盤查議定書,結(jié)合我國(guó)建筑業(yè)確定建筑施工中可測(cè)算且精度可靠的碳源類別,對(duì)材料選用全生命期周期評(píng)價(jià)方法,從而最大程度地減少隱含碳排放的影響[6];二是在具體考量施工碳排放時(shí),由于涉及施工碳排放因子的數(shù)據(jù)多、難于獲取且不能形成統(tǒng)計(jì)的規(guī)模效應(yīng),為此本文采用基于BI M技術(shù),及時(shí)且準(zhǔn)確地調(diào)用海量工程數(shù)據(jù),利用碳排放測(cè)評(píng)軟件測(cè)算建筑施工碳排放。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織設(shè)施信息委員會(huì)對(duì) BIM進(jìn)行了定義:建筑信息模型(BIM)是利用開(kāi)放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項(xiàng)目生命周期信息進(jìn)行數(shù)字化形式的表現(xiàn),從而為項(xiàng)目決策提供支持,有利于更好地實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的價(jià)值[7]。方法是由目的決定的,怎樣利用 BIM技術(shù)建立建筑施工碳排放的測(cè)算模型來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)海量工程數(shù)據(jù)的便捷提取呢?研究的基礎(chǔ)是用建模軟件建立 BI M模型,在 BI M模型中添加材料、機(jī)械的有關(guān)碳排放的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息,利用 BIM模型的工程量統(tǒng)計(jì)工具,得到材料、機(jī)械的耗用量,確定施工方案中的施工區(qū)、辦公區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)中的各種機(jī)械設(shè)備所消耗的燃料、電力及蒸汽的數(shù)量、材料使用量的信息,將這些信息導(dǎo)入到碳排放測(cè)評(píng)軟件,就可以計(jì)算出施工階段的碳排放,生成相應(yīng)于該施工方案中的機(jī)械、材料使用量計(jì)劃的碳排放測(cè)評(píng)報(bào)告,給出指導(dǎo)低碳施工的建議措施,見(jiàn)圖 2所示。

圖2 基于 BI M技術(shù)的建筑施工碳排放測(cè)算模型

4 基于 BIM技術(shù)的建筑施工碳排放測(cè)算步驟

4.1 基于 BIM的建筑施工碳排放的信息模型

利用BIM的核心建模軟件基礎(chǔ)模型,在基礎(chǔ)模型里的單元構(gòu)件屬性里加入有關(guān)碳排放屬性信息:(1)單元構(gòu)件的結(jié)構(gòu)材料;(2)單元構(gòu)件的粉刷材料;(3)單元構(gòu)件的飾面材料;(4)前三種材料的綜合信息(對(duì)應(yīng)的原材料、對(duì)應(yīng)材料到現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)距、對(duì)應(yīng)材料的屬性如混凝土砂漿等的強(qiáng)度、對(duì)應(yīng)材料的使用壽命、報(bào)廢時(shí)回收利用程度),作為豐富的測(cè)算碳排放依據(jù)的材料信息。

利用 BIM基礎(chǔ)模型轉(zhuǎn)換好施工圖設(shè)計(jì)模型前,加入各種機(jī)械設(shè)備后要添加機(jī)械設(shè)備用電耗油的性能屬性參數(shù)。根據(jù) BIM施工圖設(shè)計(jì)模型形成BIM的施工方案,利用前面豐富的材料信息、機(jī)械設(shè)備信息,借助 BIM統(tǒng)計(jì)工程量的功能得到材料的消耗量、建筑垃圾量、施工區(qū)、辦公區(qū)及倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)的機(jī)械設(shè)備使用量信息,形成碳排放測(cè)算的基礎(chǔ)信息導(dǎo)入到碳排放測(cè)評(píng)軟件。

4.2 施工過(guò)程碳排放的測(cè)算

根據(jù)建筑施工中的碳源分類測(cè)算施工過(guò)程中的碳排放,需考查其三個(gè)測(cè)量邊界的影響:機(jī)械設(shè)備消耗燃料直接碳排放、機(jī)械設(shè)備消耗電力及蒸汽間接碳排放、來(lái)自于材料和建筑垃圾的其他間接排放。下面,借助于建立好的基于 BI M的建筑施工碳排放的信息模型(包含材料、機(jī)械的測(cè)算碳排放基礎(chǔ)參數(shù)),分別闡述這三種測(cè)量邊界的計(jì)算步驟。

(1)燃料、電力及蒸汽的碳排放

根據(jù) BIM的建筑施工碳排放的信息模型,得到施工區(qū)、辦公區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)間的各種機(jī)械設(shè)備的使用量及其燃料、電力及蒸汽的消耗量,將機(jī)械設(shè)備的使用量及其燃料、電力及蒸汽的消耗量作為測(cè)算碳排放的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入碳排放測(cè)評(píng)軟件,得到機(jī)械設(shè)備消耗的燃料、電力及蒸汽帶來(lái)的碳排放。

(2)材料的碳排放

根據(jù) BIM的建筑施工碳排放的信息模型,得到建筑材料的使用量及對(duì)應(yīng)的原材料、對(duì)應(yīng)制成材料成品的信息、運(yùn)輸距離對(duì)應(yīng)材料的使用壽命、報(bào)廢時(shí)回收利用程度的信息,將這些信息作為測(cè)算碳排放的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入碳排放測(cè)評(píng)軟件,得到材料的碳排放。其計(jì)算思路見(jiàn)圖 3。以某工程屋頂施工為例,構(gòu)建屋頂 BIM模型,統(tǒng)計(jì)相關(guān)材料的屬性,并導(dǎo)入碳排放測(cè)評(píng)軟件 BEES進(jìn)行分析,如圖 4所示。

(3)建筑垃圾的碳排放

根據(jù) BIM的建筑施工碳排放的信息模型(賦予建筑垃圾的種類信息)得到的 BIM的施工方案,可以得到各種建筑垃圾的數(shù)量信息,將這些數(shù)量信息作為測(cè)算碳排放的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入碳排放測(cè)評(píng)軟件,得到建筑垃圾的碳排放。

圖 3 材料碳排放的全壽生命周期評(píng)價(jià)法

圖 4 某工程低碳測(cè)算示意圖

4.3 施工方案碳排放性能分析

根據(jù)前面計(jì)算的各種材料的碳排放,得到材料碳排放的大小順序及各種材料占所有材料碳排放的比重。根據(jù)前面計(jì)算的施工區(qū)、辦公區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)的各種機(jī)械設(shè)備的燃料、電力、蒸汽的耗用量及其這些耗用量對(duì)應(yīng)的碳排放,得到施工區(qū)、辦公區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)各種機(jī)械設(shè)備碳排放的大小順序及各機(jī)械設(shè)備占所有機(jī)械碳排放的比重。

4.4 措施和改進(jìn)分析得到低碳的施工方案

根據(jù)碳排放測(cè)評(píng)軟件計(jì)算機(jī)械設(shè)備、材料及建筑垃圾,得到施工中總的碳排放及相應(yīng)的碳排放測(cè)評(píng)報(bào)告和前面的施工方案碳排放性能分析。按照材料碳排放的大小順序、機(jī)械設(shè)備碳排放的大小順序,逐漸更改 BIM的建筑施工碳排放的信息模型中的材料參數(shù)、機(jī)械參數(shù)?；?BIM技術(shù)和碳排放測(cè)評(píng)軟件,得到改進(jìn)后的施工方案中因不同的材料、機(jī)械設(shè)備的信息帶來(lái)的施工碳排放及碳排放評(píng)估報(bào)告。經(jīng)過(guò)多次改進(jìn),得到碳排放最小的即為低碳施工的施工方案。

5 結(jié)論

在呼吁低碳建筑的今天,我國(guó)大力推行各種低碳節(jié)能技術(shù),想要實(shí)現(xiàn)低碳建筑的目標(biāo),在考慮低 碳運(yùn)營(yíng)的同時(shí)也必須要考慮低碳施工。本文建立了基于 BIM信息模型的建筑施工碳排放測(cè)算方法,利用 BIM技術(shù)添加提取與碳排放相關(guān)的基礎(chǔ)信息,借助碳排放測(cè)評(píng)軟件實(shí)現(xiàn)了建筑施工階段的碳排放測(cè)算,可為建設(shè)項(xiàng)目的低碳目標(biāo)提出可行的低碳施工方案,對(duì)建筑企業(yè)的節(jié)能減排具有很好的指導(dǎo)意義。同時(shí),所建立的 BIM建筑施工碳排放信息模型為后期運(yùn)營(yíng)和物業(yè)管理提供了豐富的施工碳排放信息,是對(duì)建設(shè)項(xiàng)目全壽命期低碳建設(shè)的進(jìn)一步完善。

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Research on Low-carbon Calculation Model in Building Construction Stage

LiBing1,2,LiYunxia1,Wu Bin2,Fu Feifei1

(1.School of Civil Engineering andMechanics,Huazhong University of Science and T echnology,Wuhan430074,China;2.Wuhan International Expo CentreLimited Company,Wuhan430074,China)

As one of the most important stages in a project lifecycle, the construction stage consumes vast quantities of resources and energy and has become a control point for the low-carbon construction.The international stage of carbon footprint evaluation standard has been used in this paper for defining the carbon source in construction stage.A carbon consumptionm ethod based on BIMand other related software hasbeen put forward firstly,along w ith the detailed calculation procedure which holds an important reference meaning to guide the low-carbon construction.

Low-carbon Construction;Building Info rmationModeling;Low-carbon Calculation

X831.02;TU198+.2

A

1674-7461(2011)02-0005-06

李兵(1965-),男,高級(jí)工程師。主要研究方向:項(xiàng)目管理,綠色建造技術(shù)。