裝配式建筑節(jié)能減排的BIM 技術(shù)應(yīng)用

魏麗軍 魏改菊

如今，隨著人類(lèi)活動(dòng)逐漸頻繁，工業(yè)化迅速發(fā)展，導(dǎo)致全球氣溫不斷升高，提高了極端天氣發(fā)生的概率。世界各國(guó)也逐漸認(rèn)識(shí)到此問(wèn)題的嚴(yán)重性，相繼頒布了一系列政策。對(duì)此，國(guó)內(nèi)也作出了相應(yīng)的部署來(lái)應(yīng)對(duì)碳排放問(wèn)題。根據(jù)報(bào)道國(guó)內(nèi)碳排放大部分來(lái)自于建筑業(yè)，占總排放量的35%，針對(duì)建筑行業(yè)的節(jié)能減排研究十分重要，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。裝配式建筑作為一種環(huán)境污染小、無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)澆筑構(gòu)件、施工速度快的施工方式，通過(guò)預(yù)制構(gòu)件的組裝和集成，實(shí)現(xiàn)了建筑施工的高效化和綠色化，能有效減少建筑的碳排放[1-3]。但裝配式建筑也有著管理困難、各建造專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)困難以及成本難以控制的缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。而隨著科技的進(jìn)步，BIM 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-5]。BIM 技術(shù)是一種基于三維模型的數(shù)字化建設(shè)方式，可以實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)全過(guò)程的信息化和智能化。此技術(shù)根據(jù)工程資料，將二維圖紙和各項(xiàng)信息轉(zhuǎn)換為直觀的三維模型，將工程提前可視化，提高了參建各專(zhuān)業(yè)的協(xié)調(diào)溝通能力，有助于施工過(guò)程的管理，故相關(guān)學(xué)者對(duì)BIM 技術(shù)在建筑工程的應(yīng)用展開(kāi)了研究。其中如何在裝配式建筑中更好地應(yīng)用BIM 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，成為行業(yè)的重要研究?jī)?nèi)容。蘭登輝[6]針對(duì)于裝配式建筑中的諸多問(wèn)題，分析了BIM 技術(shù)在裝配式施工過(guò)程中的應(yīng)用效果。

基于此，為了克服裝配式建筑施工管理難、成本控制難以及各參建專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)溝通難等問(wèn)題，于是將BIM 技術(shù)和裝配式建筑進(jìn)行了結(jié)合。通過(guò)全周期評(píng)價(jià)法，同時(shí)對(duì)比了不同建造方式的節(jié)能減排效果，給相關(guān)工程提供了指導(dǎo)和借鑒。

1 項(xiàng)目概況

此次研究對(duì)4 個(gè)住宅BIM 技術(shù)節(jié)能減排應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比分析，項(xiàng)目概況分別為：項(xiàng)目A 為裝配式住宅，43602.8 m2和145321.63 m2分 別 為 其用地面積和總建筑面積，項(xiàng)目采用了BIM 技術(shù)，項(xiàng)目包括8 棟高層住宅，地下室結(jié)構(gòu)類(lèi)型為混凝土框架，扁鋼管混凝土柱為其上部結(jié)構(gòu)類(lèi)型，樓梯、樓板等選擇預(yù)制PC 構(gòu)件，61%為其裝配率。

項(xiàng)目B 為裝配式住宅73942.6 m2和171862 m2分別為其用地面積和總建筑面積，項(xiàng)目沒(méi)有采用BIM 技術(shù)，項(xiàng)目包括5 棟高層住宅，剪力墻結(jié)構(gòu)為其結(jié)構(gòu)類(lèi)型，內(nèi)墻版、樓梯等選擇預(yù)制PC 構(gòu)件，32%為其裝配率。

項(xiàng)目C，現(xiàn)澆式住宅，56511 m2和155641.26 m2分別為其用地面積和總建筑面積，項(xiàng)目采用了BIM 技術(shù)，項(xiàng)目包括7 棟高層住宅。

項(xiàng)目D，現(xiàn)澆式住宅，總建筑面積149143.22 m2，項(xiàng)目選擇了傳統(tǒng)建造方式，未采用BIM 技術(shù)，包括5 棟高層住宅。

減排評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇了垃圾和污水這2 項(xiàng)；節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇了電、混凝土量、木材、用水量和鋼材量這5項(xiàng)。表1 為各建造方式的污染物排放情況和具體資源消耗情況。

表1 各項(xiàng)目的污染物排放情況和具體資源消耗情況

2 結(jié)合BIM 技術(shù)的裝配式住宅節(jié)能減排分析

2.1 傳統(tǒng)現(xiàn)澆和裝配式的對(duì)比

對(duì)于消耗的木材，0.72 m3/m2為項(xiàng)目A 的消耗量，223.53 m3/m2為項(xiàng)目C 的消耗量，可見(jiàn)前者木材消耗量遠(yuǎn)比后者小。這是因?yàn)轫?xiàng)目A 主體結(jié)構(gòu)建造時(shí)無(wú)需支模澆筑混凝土，大大減少了木方和木模的使用量，降低了木材的消耗，使得造價(jià)減少了近60 W。

對(duì)于消耗的鋼材，對(duì)項(xiàng)目A 和項(xiàng)目C 進(jìn)行比較，149.46 和191.30 kg/m2分別為裝配式結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆鋼混結(jié)構(gòu)的鋼材消耗量，能夠看出前者遠(yuǎn)小于后者，這是因?yàn)楸”阡摴芎蜔彳埿弯摓檠b配式結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，其重量比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)小了近33%；除此之外，項(xiàng)目A 的大部分鋼材均在廠內(nèi)統(tǒng)一加工好后在運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工，在很大程度上降低鋼筋在現(xiàn)場(chǎng)的損耗。

對(duì)于消耗的混凝土量，538.30 和89.26 kg/m2分別為項(xiàng)目C 和項(xiàng)目A 的混凝土消耗量，項(xiàng)目A 混凝土用量如此至少的原因是此項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系減少了現(xiàn)場(chǎng)澆筑的工作量，通過(guò)BIM 技術(shù)對(duì)混凝土所用量進(jìn)行了精確計(jì)算，降低了混凝土的浪費(fèi)量，使混凝土成本減小近30 萬(wàn)。

對(duì)于消耗的電量，和項(xiàng)目C 相比，項(xiàng)目A 用電量明顯較少，這是因?yàn)榇蟛糠謽?gòu)件在工廠制成，使得現(xiàn)場(chǎng)制作構(gòu)件的耗電量大大減少，并且整個(gè)項(xiàng)目工期縮短了近1/3，用電量節(jié)省了近23 萬(wàn)kWh，所耗電費(fèi)降低了近14 萬(wàn)。

對(duì)于節(jié)地情況，項(xiàng)目A 大部分構(gòu)件的制作是在工廠內(nèi)完成，減少了現(xiàn)場(chǎng)材料的儲(chǔ)存和堆放用地，臨時(shí)設(shè)施占用面積的有效利用率高達(dá)90%，用地節(jié)省效果較好。

對(duì)于用水量消耗量，0.90 和156.38 mm3/m2分別為項(xiàng)目A 和項(xiàng)目C的水消耗量，能夠看出項(xiàng)目C 用水量約為項(xiàng)目A 的160 倍，這是因?yàn)轫?xiàng)目A大部分構(gòu)件的制作是在工廠內(nèi)完成，無(wú)需進(jìn)行混凝土澆筑和澆水養(yǎng)護(hù)，水資源投入降低了近5.6 萬(wàn)m3，所用水費(fèi)減少了近16 萬(wàn)元。對(duì)于排污量，項(xiàng)目A 中84%的施工廢物都能夠進(jìn)行回收利用，在很大程度上降低了施工對(duì)附近環(huán)境的影響和污染。

2.2 BIM技術(shù)對(duì)節(jié)能減排的作用

分別對(duì)項(xiàng)目D 和項(xiàng)目C、項(xiàng)目B和項(xiàng)目A 進(jìn)行對(duì)比，建造方式相同時(shí)，選擇BIM 技術(shù)的項(xiàng)目能耗較低。通過(guò)在Tekla 軟件構(gòu)建BIM 模型的構(gòu)件信息庫(kù)，能夠深化設(shè)計(jì)二維圖紙中的梁、板、柱等節(jié)點(diǎn)。同時(shí)優(yōu)化工程所用的預(yù)制模板，合并預(yù)制構(gòu)件的種類(lèi)，以此增大模具的使用率。

在優(yōu)化項(xiàng)目A和項(xiàng)目C的管線時(shí)，機(jī)電專(zhuān)業(yè)工作人員對(duì)BIM 模型開(kāi)展碰撞檢查，發(fā)現(xiàn)了220 個(gè)碰撞點(diǎn)，各個(gè)專(zhuān)業(yè)參考碰撞報(bào)告進(jìn)行協(xié)調(diào)修改，解決了機(jī)電專(zhuān)業(yè)存在的157 處問(wèn)題，減少了121 萬(wàn)元的工程成本。指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工方面BIM 技術(shù)的表現(xiàn)同樣出色，其能夠避免很多因設(shè)計(jì)圖紙相互矛盾、沖突而引起的簽證改變、工程變更等問(wèn)題，將一系列問(wèn)題前置，同時(shí)能夠建立詳細(xì)索引圖來(lái)協(xié)助施工安裝，在很大程度上提高了出圖質(zhì)量和效率。122 萬(wàn)元為項(xiàng)目A 的BIM 設(shè)計(jì)費(fèi)，而通過(guò)BIM 技術(shù)減少的管理費(fèi)和工程成本達(dá)到了434 萬(wàn)元，其效果顯然易見(jiàn)。

3 具體分析各建造方式的節(jié)能減排效果

3.1 評(píng)價(jià)節(jié)能減排的方法

此次研究選擇生命周期法來(lái)對(duì)各建造方式節(jié)能減排效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，此評(píng)價(jià)方法包括產(chǎn)品生命周期整個(gè)過(guò)程，比較客觀和全面，其主要包括3 個(gè)步驟—目標(biāo)邊界的認(rèn)定、清單分析、評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.2 認(rèn)定目標(biāo)邊界

此次選擇了4 種代表性建造方式來(lái)對(duì)比分析節(jié)能減排效果，分別為傳統(tǒng)建筑、裝配式+BIM 建筑、裝配式建筑、傳統(tǒng)現(xiàn)澆+BIM 建筑，對(duì)4 種建造方式的生命周期進(jìn)行劃分，分別為設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)以及回收階段。

3.3 分析清單和評(píng)價(jià)矩陣

在設(shè)計(jì)階段投入指標(biāo)選擇土地占用與可研設(shè)計(jì)；施工階段投入指標(biāo)有施工現(xiàn)場(chǎng)與構(gòu)件廠生產(chǎn)形成的能耗排放；回收階段投入指標(biāo)和產(chǎn)出指標(biāo)分別為處置和回收率；運(yùn)維階段的產(chǎn)出指標(biāo)與投入指標(biāo)分別為得房率和使用運(yùn)維消耗。投入和產(chǎn)出分別為正向指標(biāo)與負(fù)向指標(biāo)，前者數(shù)值越大，節(jié)能減排效果就越好，后者數(shù)值越小就越好，在分析時(shí)統(tǒng)一將投入指標(biāo)的量變換為1 tce，百分率為產(chǎn)出指標(biāo)的單位。通過(guò)上述分析構(gòu)建各建造方式下的全生命周期節(jié)能減排效果評(píng)價(jià)矩陣，結(jié)合數(shù)據(jù)計(jì)算分析后得出具體結(jié)果，如表2 所示。繪制各建造方式下的投入指標(biāo)比較圖和產(chǎn)出指標(biāo)比較圖，具體見(jiàn)圖1 所示。

圖1 各建造方式下產(chǎn)出指標(biāo)比較圖（來(lái)源：作者自繪）

表2 各建造方式下的全生命周期節(jié)能減排效果

從表2 中能夠看出，各項(xiàng)目的投入指標(biāo)表現(xiàn)為線性趨勢(shì)，在設(shè)計(jì)階段的工作主要包括可研和設(shè)計(jì)，存在人力物力的消耗，但能耗排放比較低；施工階段能耗排放最高，占比超過(guò)66%；其次是運(yùn)營(yíng)階段。同時(shí)能夠得出，傳統(tǒng)現(xiàn)澆建造方式的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了裝配式，這表示這裝配式建造方式在節(jié)能減排方面效果較好。除此之外，能夠看出不論是現(xiàn)澆+BIM 還是裝配式+BIM 的施工方式，各階段的投入量均小于單純的現(xiàn)澆、裝配式的施工方式，且各階段的產(chǎn)出率也都大于單純的現(xiàn)澆、裝配式的施工方式，這表示通過(guò)BIM 技術(shù)能夠明顯降低施工過(guò)程中的各項(xiàng)能耗，增加項(xiàng)目的產(chǎn)出率，做到降本增效。

裝配式建筑主要通過(guò)工業(yè)化制造構(gòu)件、使用節(jié)能環(huán)保設(shè)備和材料、模塊化裝配的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)工程的節(jié)能減排。過(guò)去粗放式的現(xiàn)澆混凝土建筑建設(shè)方式通過(guò)工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)行了升級(jí)優(yōu)化，大大提高了生產(chǎn)資源的利用率。在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模塊化裝配能夠降低污水、建筑垃圾、粉塵的產(chǎn)生，能夠高質(zhì)量達(dá)到節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)電的目的。

從圖1 能夠看出，各建造方式的正向指標(biāo)里最大的是裝配式+BIM，這表示此建造方式的節(jié)能減排效益是最好的。通過(guò)引入BIM 技術(shù)，其出色的施工指導(dǎo)和裝配方式在很大程度上降低了施工階段的能耗，降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了在設(shè)計(jì)階段所增大的能耗，由此能夠看出BIM 技術(shù)優(yōu)秀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。結(jié)合了BIM 技術(shù)的建筑建造方式將建筑模型進(jìn)行了可視化，將其建造過(guò)程以三維的方式更加直觀的展現(xiàn)在技術(shù)人員面前，提高了各專(zhuān)業(yè)間的協(xié)調(diào)效率和質(zhì)量，在檢查管線碰撞、深化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。也正是這樣，通過(guò)BIM 技術(shù)能夠達(dá)到精細(xì)化施工，在最大程度上降低人力和材料的浪費(fèi)，降低污水、粉塵的產(chǎn)生，增強(qiáng)工程的節(jié)能減排效果。在對(duì)項(xiàng)目負(fù)向指標(biāo)、正向指標(biāo)綜合考慮分析后能夠得出，在全生命周期情況下，在裝配式建筑中引入BIM技術(shù)擁有顯著的節(jié)能減排效果。

4 結(jié)語(yǔ)

為了對(duì)比分析BIM 技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用效果，通過(guò)全生命周期法對(duì)比了各建造方式的節(jié)能減排效果，主要得出以下結(jié)論：第1，裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑相比，在木材消耗量、鋼材消耗量、混凝土量、電量、節(jié)地情況、水量消耗量、排污量方面降低明顯，且在分別對(duì)項(xiàng)目D 和項(xiàng)目C、項(xiàng)目B 和項(xiàng)目A 對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，建造方式相同時(shí)，選擇BIM 技術(shù)的項(xiàng)目能耗較低；其中122 萬(wàn)元為項(xiàng)目A 的BIM設(shè)計(jì)費(fèi)，而通過(guò)BIM 技術(shù)減少的管理費(fèi)和工程成本達(dá)到了434 萬(wàn)元，其效果顯然易見(jiàn)。第2，各項(xiàng)目的投入指標(biāo)表現(xiàn)為線性趨勢(shì)，施工階段能耗排放最高；各建造方式中裝配式+BIM的正向指標(biāo)最高，這表示此建造方式的節(jié)能減排效益最好；結(jié)合了BIM 技術(shù)的建筑建造方式將建筑模型進(jìn)行了可視化，提高了各專(zhuān)業(yè)間的協(xié)調(diào)效率和質(zhì)量，在檢查管線碰撞、深化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。