裝配式建筑生命周期碳平衡BIM模型仿真

尚 超,徐 霞,鮑莉榮,周婷婷

(南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院,江蘇 南京 211200)

1 引言

現(xiàn)如今全球工業(yè)發(fā)展迅速,給生活環(huán)境帶來巨大的負(fù)擔(dān),因此節(jié)能減排已經(jīng)成為全球首要關(guān)注點(diǎn)[1]。除了工業(yè)污染,建筑業(yè)近幾年來消耗的資源也逐漸增多,在整個(gè)生命周期內(nèi)排放的二氧化碳愈加提升[2],這些二氧化碳會(huì)導(dǎo)致周邊環(huán)境產(chǎn)生溫室效應(yīng),給環(huán)境帶來巨大影響。為了改善這種現(xiàn)象,需要對(duì)裝配式建筑生命周期碳平衡問題進(jìn)行研究。

張小平[3]等人提出碳平衡分區(qū)方法在桓臺(tái)縣域低碳空間規(guī)劃中的應(yīng)用方法,該方法首先將給定區(qū)域看作研究對(duì)象,以多種融合技術(shù)為基礎(chǔ),建立碳平衡分區(qū)方法,通過對(duì)能源消耗排放總量的計(jì)算,將碳平衡分區(qū)方法引入到計(jì)算結(jié)果中,以此實(shí)現(xiàn)碳平衡研究,該方法的計(jì)算結(jié)果存有誤差,存在碳儲(chǔ)量低的問題。宋苑震[4]提出碳平衡導(dǎo)向下北部灣城市群碳匯用地布局優(yōu)化研究方法,該方法優(yōu)先對(duì)國(guó)土建筑空間碳循環(huán)失衡影響因素進(jìn)行獲取,并將碳平衡作為目標(biāo),以此提升碳循環(huán)的能力,完成對(duì)國(guó)土建筑空間的優(yōu)化,通過打造多種優(yōu)化格局,對(duì)國(guó)土建筑進(jìn)行調(diào)整,從而完成碳平衡,該方法獲取的因素不夠完善,存在碳平衡后碳儲(chǔ)量差的問題。靳鵬[5]等人提出焦化廢水處理中碳平衡研究方法,該方法首先對(duì)廢水中產(chǎn)生的污染物進(jìn)行提取,并將A2/O作為載體,對(duì)不同階段的碳指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,對(duì)其中的碳平衡反應(yīng)進(jìn)行有效分析,依據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)碳平衡研究,該方法的分析結(jié)果不夠全面,存在碳平衡效果差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題,提出基于BIM技術(shù)的裝配式建筑生命周期碳平衡方法。

2 BIM技術(shù)的裝配式建筑環(huán)境影響因素分析

2.1 裝配式建筑材料運(yùn)輸環(huán)境影響因素分析

在裝配式建筑生命周期內(nèi),能源會(huì)被不斷投入,這不僅包含生產(chǎn)期間的生產(chǎn)用能,還包括安裝過程中直接可以使用的能源,這些能源都可以依據(jù)碳排放指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行量化。下面針對(duì)材料在運(yùn)輸過程中的運(yùn)輸環(huán)境影響進(jìn)行有效分析。

材料總共有兩部分運(yùn)輸過程,第一部分為水平運(yùn)輸、第二部分為垂直運(yùn)輸。

1)水平運(yùn)輸

材料運(yùn)輸?shù)焦S時(shí),經(jīng)工廠加工生產(chǎn)完成后直接被輸送到現(xiàn)場(chǎng),這個(gè)過程就是水平運(yùn)輸[6]。由于運(yùn)輸車輛的種類較多,各個(gè)車的承重情況也不相同,所以不同類型的承重車輛帶來的耗能也大不相同。

為了確認(rèn)材料在運(yùn)輸過程中的碳排放,需要采用GIS技術(shù)[7,8]對(duì)不同材料的車間、位置及施工地點(diǎn)距離進(jìn)行規(guī)劃,還要對(duì)返回的車輛是否為空載或滿載進(jìn)行考慮,這時(shí)材料運(yùn)輸路程的方程表達(dá)式如下所示

Dtrans=單程運(yùn)輸距離×Fy

(1)

式中,Dtrans描述的是實(shí)際運(yùn)輸距離,Fy描述的是空車返回次數(shù)。若空載運(yùn)輸,那么空載環(huán)境負(fù)荷就是滿載的0.5倍。

車輛在運(yùn)輸過程中排出的碳因子由下式計(jì)算可得

(2)

式中,Ctrans描述的是碳排放總量,Etrans(i)描述的是運(yùn)輸材料的碳排放因子,Wtrans(i)描述的是運(yùn)輸質(zhì)量,Dtrans(i)描述的是運(yùn)輸距離。

2)垂直運(yùn)輸

把材料安裝到吊車上以機(jī)械的方式垂直運(yùn)送到指定位置,這個(gè)過程就是垂直運(yùn)輸。進(jìn)行垂直運(yùn)輸時(shí),首先需要對(duì)運(yùn)輸機(jī)械的功率及運(yùn)輸時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,再通過計(jì)算研究,就可以獲取垂直運(yùn)輸材料的碳排放量。

2.2 BIM模型構(gòu)建

通過對(duì)裝配式建筑材料運(yùn)輸環(huán)境影響的分析,根據(jù)分析結(jié)果利用BIM技術(shù)[9]對(duì)裝配式建筑不同材料屬性進(jìn)行歸類,以此展示裝配式建筑材料的全生命周期實(shí)際影響量,構(gòu)建的BIM模型如圖1所示。

圖1 BIM模型示意圖

首先以裝配式建筑為研究對(duì)象,利用構(gòu)建的BIM模型建立裝配式建筑立體圖,并在BIM中取得立體圖內(nèi)建筑的相關(guān)材料信息,最后對(duì)不同材料的影響值進(jìn)行計(jì)算。以BIM模型為載體,將影像數(shù)據(jù)輸送到模型內(nèi),便于實(shí)現(xiàn)裝配式建筑生命周期碳平衡。

3 裝配式建筑生命周期碳平衡控制

3.1 碳排放量計(jì)算

在裝配式建筑的生命周期內(nèi)始終存在化石燃料的耗損,為了便于對(duì)這些燃料的碳排放進(jìn)行計(jì)算,需要將生命周期進(jìn)行階段劃分,那么不同階段的裝配式建筑碳排放如下所示:

1)材料準(zhǔn)備階段的碳排放Cm

基于裝配式建筑中消耗的材料,它主要通過鋼筋、水泥等能源進(jìn)行消耗,所以在準(zhǔn)備階段裝配式建筑的碳排放Cm,通過方程表達(dá)式定義如下

(3)

式中,i描述的是材料種類,n描述的是材料種類的數(shù)量,qi描述的是不同材料種類的數(shù)量,Gi描述的是材料的碳密度,8.94×10-5代表能源排放出的碳量,ei描述的是能源密度。

2)生產(chǎn)期間材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的碳排放Cp

裝配式建筑在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),它屬于非能源碳排放,而水泥就是非能源排放最主要的一部分。對(duì)水泥進(jìn)行制造時(shí),會(huì)將CO2釋放出來,水泥在煅燒期間,碳酸鈣[10]經(jīng)加熱后會(huì)分解成兩種物質(zhì),分別是CO2及氧化鈣,所以生產(chǎn)期間的材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后排放出的碳因子量計(jì)算公式表示為

Cp=Wc×Pc

(4)

式中,Cp描述的是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的排放量,Wc描述的是水泥重量,Pc描述的是煅燒后排放量。

3)裝配式建筑施工期間的碳排放Cc

施工期間,運(yùn)送建筑材料及施工時(shí)耗費(fèi)的能源就是碳排放的主要來源,那么Cc的計(jì)算公式如下所示

(5)

式中,di描述的是制造材料的地點(diǎn)與裝配式建筑之間的距離,Gti描述的是每隔一段運(yùn)輸距離的碳排放量,pj描述的是機(jī)械數(shù)量,fj描述的是機(jī)械排放出的碳因子,m描述的是機(jī)械總數(shù)量。

4)使用期間的碳排放Co

在不考慮過度消耗材料的情況下,對(duì)裝配式建筑正常消耗的維修材料碳排放量進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算前應(yīng)對(duì)各個(gè)材料的使用壽命進(jìn)行設(shè)置,那么相關(guān)材料在使用階段的碳排放Co計(jì)算如下

(6)

式中,ki描述的是維護(hù)系數(shù)。

5)裝配式建筑在拆除時(shí)期的碳排放Cd

以不同拆遷時(shí)期產(chǎn)生的能源消耗為基礎(chǔ),估算裝配式建筑在施工時(shí)期排放的碳因子[11,12],Cd的計(jì)算公式表示為

(7)

式中,gk描述的是拆遷活動(dòng)數(shù)量的種類,hk描述的是能源密度,t描述的是拆遷活動(dòng)的總數(shù)量。

通常來說,裝配式建筑在拆遷期間,對(duì)gk、hk的估計(jì)存有難度,而裝配式建筑在拆除過程中產(chǎn)生的能源消耗是施工期間的10%,所以可以根據(jù)Cc估算Cd。

6)拆遷后廢料處理階段的碳排放Cw

拆遷后的廢料主要包括兩種,一種為可回收材料,一種為不可回收材料。像不可回收的廢料就需要對(duì)其進(jìn)行處理,那么拆遷現(xiàn)場(chǎng)不可回收廢料產(chǎn)生的碳因子,可以通過下列方程進(jìn)行計(jì)算

(8)

式中,Wi描述的是廢料的數(shù)量,Ri描述的是廢料所占的比例,DRi描述的是拆遷現(xiàn)場(chǎng)到處理現(xiàn)場(chǎng)距離,Gti描述的是運(yùn)輸不可回收廢料到處理地點(diǎn)的距離。

3.2 碳吸收量計(jì)算

根據(jù)生命周期下的碳排放量,計(jì)算碳吸收量,它的方程表達(dá)式為

Cab=Cca+Cav+Cre

(9)

式中,Cca描述的是碳化吸收。

1)碳化吸收Cca

混凝土[13]中,碳化是其最常見的一種物理化學(xué)反應(yīng)。而水泥就是混凝土的關(guān)鍵成分,它主要通過碳酸鈣組成,利用高溫加熱后會(huì)將CO2自動(dòng)分離。這時(shí)與空氣充分接觸的混凝土?xí)盏紺O2的氣體。這時(shí)吸收的Cca用方程表達(dá)式定義為

Cca=[CO2]×A×B×C

(10)

式中,[CO2]描述的是碳化期間吸收的CO2量。A×B描述的是混凝土露出面積,C描述的是碳酸化的尺度。

這時(shí)碳酸化深度通過下式進(jìn)行確立

C=(2.823-0.548logCO2)×

(0.0303W/C-1.0187)×(CO2·t)0.5

(11)

2)生物燃料的碳排放Cav

對(duì)生物燃料碳排放進(jìn)行計(jì)算時(shí),首先需要確立化石燃料轉(zhuǎn)換成生物燃料的能量轉(zhuǎn)換效率[14,15]及其消耗燃料的排放量之差。假設(shè)能量轉(zhuǎn)換效率不發(fā)生變化,那么回收的生物燃料碳排放的計(jì)算公式為

Cav=M×H×Cf×ψf-[Cd×Dr]

(12)

式中,Cav描述的是生物燃料的排放量,M描述的是回收時(shí)的質(zhì)量,H描述的是熱值,Cf描述的是燃料循環(huán)碳強(qiáng)度,ψf描述的是轉(zhuǎn)換效率,Cd描述的是柴油的碳強(qiáng)度,Dr描述的是柴油耗損量。

3.3 裝配式建筑碳平衡控制

以3.1節(jié)和3.2節(jié)得到的碳吸收量和碳排放量計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ),設(shè)置裝配式建筑生命周期CO2平衡由CB進(jìn)行描述,CO2主要通過燃燒化石材料排放取得,利用CO2對(duì)混凝土內(nèi)碳化反應(yīng)吸收的CO2數(shù)量、生物燃料排放CO2數(shù)量以及回收材料的碳儲(chǔ)量進(jìn)行刪減,就可以實(shí)現(xiàn)碳平衡,這時(shí)的計(jì)算公式如下所示

(13)

式中,CB描述的是碳平衡,Cen描述的是化石燃料排放的CO2、Cce描述的是生產(chǎn)材料過程中出現(xiàn)的CO2排放量、Cre描述的是碳儲(chǔ)量[16],Cem描述的是碳排放,Cab描述的是碳吸收。

基于BIM模型中的運(yùn)輸環(huán)境影響數(shù)據(jù),結(jié)合上述計(jì)算的裝配式建筑生命周期碳排放量及其吸收量,利用裝配式建筑生命周期排放總量減去碳吸收量,就能夠?qū)崿F(xiàn)碳平衡,從而完成基于BIM技術(shù)的裝配式建筑生命周期碳平衡方法。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證基于BIM技術(shù)的裝配式建筑生命周期碳平衡方法的有效性,需要對(duì)該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試。

采用基于BIM技術(shù)的裝配式建筑生命周期碳平衡方法(方法1)、碳平衡分區(qū)方法在桓臺(tái)縣域低碳空間規(guī)劃中的應(yīng)用方法(方法2)和碳平衡導(dǎo)向下北部灣城市群碳匯用地布局優(yōu)化研究方法(方法3)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1)選取Z城市為研究對(duì)象,為了驗(yàn)證三種方法的碳平衡效果,采用方法1、方法2和方法3分別對(duì)Z城市的碳儲(chǔ)量進(jìn)行測(cè)試,碳儲(chǔ)量若在指定時(shí)間范圍內(nèi)有提升,就說明該方法的碳平衡效果顯著,提升越高,表明碳平衡效果越強(qiáng),具體測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法碳平衡前后的碳儲(chǔ)量測(cè)試

分析圖2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在圖2(a)中,未進(jìn)行碳平衡前,方法1的碳儲(chǔ)量上升的趨勢(shì)較小,在2017～2018年時(shí),碳儲(chǔ)量保持平衡。與之相反的是,方法2和方法3在測(cè)試期間的碳儲(chǔ)量時(shí)而上升時(shí)而下降,可見方法2和方法3在未進(jìn)行碳平衡前,碳儲(chǔ)量相較于方法1來說較低。

進(jìn)行碳平衡后,根據(jù)圖2(b)中的數(shù)據(jù)可知,方法1呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),同時(shí)碳儲(chǔ)量上升明顯,上升速度較快,可見方法1的碳平衡效果顯著。方法2進(jìn)行碳平衡后,它的碳儲(chǔ)量與圖2(a)相比,呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),這說明方法2的碳平衡效果差。方法3在測(cè)試期間,它的碳儲(chǔ)量有所提升,但提升的數(shù)量較小,與方法1相比方法3的碳儲(chǔ)量較低,碳平衡效果較差。由此可見,方法1的碳平衡效果要優(yōu)于方法2和方法3,表明方法1的碳平衡效果強(qiáng)。

綜上所述,方法1的碳平衡效果好,這是因?yàn)榉椒?計(jì)算了碳排放量及其吸收量,有效地提升了碳平衡效果,使碳平衡的應(yīng)用達(dá)到了極致。

2)碳排放量與碳吸收量之間的差值可以體現(xiàn)出碳平衡量,為了明確裝配式建筑生命周期碳平衡效果的好壞,需要利用本文方法對(duì)不同月份的碳排出量與碳吸收量進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,若碳排出量與碳吸收量之間的差值為正,就說明裝配式建筑的碳輸出量要高于碳輸入量,表明本文所提方法處于不平衡狀態(tài),若兩者之間的差值為負(fù),就說明本文所提方法處于平衡狀態(tài)。

以100kg的混凝土為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,計(jì)算它的碳排放量與碳吸收量,依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,具體測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 碳輸入輸出量對(duì)比測(cè)試

通過圖3中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),本文方法的碳吸收量要高于碳排放量。那么本文所提方法在不同月份的碳平衡量表示為:

1月碳平衡量:1月碳排放量1375減掉1月碳吸收量1500等于-125碳平衡量。

利用上述計(jì)算方式,計(jì)算出剩余月份的碳平衡量,發(fā)現(xiàn)本文所提方法的碳平衡量均為負(fù)值。這說明本文所提方法的裝配式建筑處于碳平衡狀態(tài),以此表明所提方法的碳平衡效果強(qiáng)。

5 結(jié)束語

針對(duì)裝配式建筑生命周期碳平衡方法存在的問題,提出基于BIM技術(shù)的裝配式建筑生命周期碳平衡方法。該方法分析了裝配式建筑材料運(yùn)輸環(huán)境的影響因素,并將影響因素輸入到構(gòu)建的BIM模型中,基于BIM模型中的數(shù)據(jù),對(duì)不同階段的裝配式建筑進(jìn)行碳平衡計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)該方法。該方法在裝配式建筑生命周期碳平衡方法中占據(jù)著重要地位,在未來碳平衡方法中有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展空間。