基于BIM技術(shù)的建筑碳排放及無(wú)人機(jī)區(qū)域碳排放評(píng)估

王拓， 王曉璐， 蔡馬勇， 張萌， 林派銳， 成子昊， 詹雅婷， 陳莉莎

（東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院）

1 引言

建筑產(chǎn)業(yè)是全球二氧化碳排放的主要來(lái)源之一，隨著“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的提出，建筑領(lǐng)域需要大力推廣低碳技術(shù)和綠色建筑理念，規(guī)范建筑行業(yè)的碳排放計(jì)算和監(jiān)管，減少各階段碳排放的產(chǎn)生[1-2]。

為研究建筑碳排放計(jì)算與評(píng)估方法，提出可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)和管理的相關(guān)策略和建議，本文從單體建筑和區(qū)域?qū)用孢M(jìn)行碳排放分析，運(yùn)用斯維爾三維算量等相關(guān)軟件建立BIM 模型，根據(jù)模型工程量計(jì)算物化階段及后運(yùn)維階段的碳排放量，并運(yùn)用紅外熱成像影像分析施工碳排放情況。同時(shí)結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影模型及GIS 技術(shù)進(jìn)行分析，評(píng)估該建筑及周邊區(qū)域的相關(guān)合理性，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展和低碳經(jīng)濟(jì)的建設(shè)。

2 工程概況

本文主要圍繞東莞理工學(xué)院高水平理工科大學(xué)國(guó)際合作創(chuàng)新區(qū)學(xué)生宿舍樓及項(xiàng)目施工區(qū)域進(jìn)行分析，項(xiàng)目位于東莞市松山湖區(qū)，混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，總建筑面積24167.56㎡，地上建筑面積23190.81㎡。

3 基于BIM技術(shù)的單體建筑排放分析

本文通過(guò)構(gòu)建BIM 模型，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行匯總計(jì)算并導(dǎo)出工程量清單，基于碳排放系數(shù)法[3]計(jì)算建筑物化階段產(chǎn)生的碳排放量，結(jié)合能耗參數(shù)和建筑物的特征數(shù)據(jù)計(jì)算建筑運(yùn)維階段產(chǎn)生的碳排放量，對(duì)單體建筑的全生命周期碳排放測(cè)算模型進(jìn)行分析與評(píng)估。

3.1 建筑物化階段碳排放計(jì)算

本文基于斯維爾三維算量軟件計(jì)算地上部分建筑工程量，項(xiàng)目主要建設(shè)范圍包括混凝土工程、鋼筋工程、砌筑工程、門窗工程、裝飾裝修工程等分項(xiàng)工程，BIM模型如圖1所示。

圖1 斯維爾BIM模型

將編制完善的工程量清單文件導(dǎo)入斯維爾碳排放計(jì)算軟件當(dāng)中，完成碳排放因子匹配、單位換算、運(yùn)輸距離調(diào)整等相關(guān)工作，匯總單體建筑建筑階段的碳排放量。

本工程混凝土工程單方含量為0.37m3/㎡，鋼筋工程單方含量為45.21kg/㎡，結(jié)合建筑生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段、建造階段的碳排放量進(jìn)行分析，得到單方含量分析表如表1和表2。

表1 單方碳排放量分析表—主體建材分析

表2 單方碳排放分析表—物化階段分析

由分析結(jié)果得知，東莞理工學(xué)院新區(qū)學(xué)生宿舍樓工程物化階段的碳排放總量為13656.13tCO2，單方碳排放量為634.34kgCO2。物化階段碳排放分析如圖2。

圖2 物化階段碳排放分析餅圖

3.2 運(yùn)維階段碳排放計(jì)算

根據(jù)建筑物的使用性質(zhì)，宿舍樓首層為公共建筑，2 層及以上為居民建筑。根據(jù)項(xiàng)目信息設(shè)置墻體、門窗和屋頂?shù)葒o(hù)結(jié)構(gòu)，建立對(duì)應(yīng)的建筑框架，完善其空間劃分，最終建立CEEB 碳排放建筑模型如圖3所示。

圖3 CEEB碳排放模型（左為公共建筑，右為居民建筑）

在模型中輸入建筑物不同階段的能耗參數(shù)，包括供暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明等方面；提取模型數(shù)據(jù)，如建筑面積，建材用量等為后續(xù)的負(fù)荷計(jì)算及碳排計(jì)算建立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；最后對(duì)單體建筑進(jìn)行碳排放分析與計(jì)算，各階段碳排放計(jì)算結(jié)果及相關(guān)指標(biāo)如圖4和圖5所示。

圖4 全生命周期碳排放量分析指標(biāo)

圖5 全生命周期碳排放量分析餅圖

3.3 單體建筑碳排放分析

為尋找建筑減碳的有效措施，本文進(jìn)行敏感性分析[4]，采用單因素敏感性分析方法進(jìn)行評(píng)估，研究各變量變化對(duì)模型輸出結(jié)果的影響程度，計(jì)算敏感因子x 對(duì)案例建筑全生命周期的碳排放影響，物化階段及運(yùn)維階段碳排放敏感性分析如表3 和表4所示。

表3 物化階段碳排放敏感性分析

表4 運(yùn)維階段碳排放敏感性分析

由敏感性分析可知，對(duì)于建筑物化階段，鋼筋混凝土等主體工程材料在建材生產(chǎn)階段碳排放影響最大，敏感度系數(shù)相較于其他因素來(lái)說(shuō)較高，而運(yùn)輸過(guò)程及建造過(guò)程的浮動(dòng)對(duì)于該過(guò)程的碳排放影響程度較小，因此對(duì)建材生產(chǎn)階段采取相關(guān)減排措施可有效降低該過(guò)程的碳排放量。

對(duì)于建筑運(yùn)維階段，運(yùn)行與維護(hù)階段當(dāng)中空調(diào)、照明及熱水等工作設(shè)備的浮動(dòng)可有效影響建筑全生命周期的碳排放量，因此提高運(yùn)維階段中設(shè)備的能效或引入可再生能源是建筑減排的有效途徑。

綜合分析結(jié)果，建筑運(yùn)行階段占全生命周期碳排放的77.99%，建筑材料生產(chǎn)階段占比20.56%，二者是建筑碳排放量的主要決定性因素，且建筑運(yùn)行階段在生命周期評(píng)價(jià)中，其敏感度系數(shù)相較于物化階段普遍偏高，因此建筑運(yùn)行階段相比于建筑物化階段更具減排潛力。基于以上分析結(jié)果，選取敏感度系數(shù)較大的幾個(gè)因素繪制單因素敏感性分析圖，單因素敏感性分析如圖6。從圖上即可直觀地看出各敏感因子的變化對(duì)單位面積碳排放的影響程度，影響程度排序?yàn)椋簡(jiǎn)卧娇照{(diào)＞生活熱水＞照明＞混凝土＞鋼筋。

圖6 單因素敏感性分析

4 基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的區(qū)域建筑碳排放分析

研究結(jié)合熱成像分析、氣體濃度監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影和GIS 技術(shù)，分析與評(píng)估區(qū)域建筑及施工現(xiàn)場(chǎng)的碳排放情況，優(yōu)化施工流程和管理，針對(duì)性地制定減排措施。

4.1 區(qū)域碳排放監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

建筑施工現(xiàn)場(chǎng)全區(qū)域的碳排放監(jiān)測(cè)，本文采用深圳可飛科技公司Sniffer4D 靈嗅碳排放監(jiān)測(cè)設(shè)備以及配套的經(jīng)緯M300RTK 無(wú)人機(jī)（見(jiàn)圖7）進(jìn)行碳排放的采集，獲取帶有地理信息及時(shí)間標(biāo)記的碳排放數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸至配套軟件進(jìn)行智能可視化分析。

圖7 Sniffer4D靈嗅碳排放監(jiān)測(cè)設(shè)備配置

對(duì)東莞理工國(guó)際新校區(qū)進(jìn)行碳排放監(jiān)測(cè)，碳排放主要集中在2、3 棟教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓及8、9 宿舍樓施工區(qū)域（見(jiàn)圖8）。施工現(xiàn)場(chǎng)全景圖觀測(cè)，該區(qū)域存在多座塔吊并且集中布置多個(gè)材料加工棚，施工能源消耗大，區(qū)域碳排放量較為集中。

圖8 施工現(xiàn)場(chǎng)碳排放監(jiān)測(cè)

4.2 傾斜攝影與GIS技術(shù)應(yīng)用

結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和GIS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)三維模型與地理信息系統(tǒng)的對(duì)接，并在三維模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑碳排放數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備布置、能源使用情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，全面掌握建筑碳排放和施工過(guò)程的情況，進(jìn)一步探索降低建筑碳排放的有效途徑（見(jiàn)圖9）。

圖9 傾斜攝影模型與GIS 技術(shù)應(yīng)用

4.3 區(qū)域建筑碳排放分析

由分析結(jié)果得知，施工現(xiàn)場(chǎng)的碳排放量穩(wěn)定在570 mg/m3左右，無(wú)人機(jī)搭載二氧化碳檢測(cè)儀距離施工作業(yè)面有一定距離且受機(jī)翼氣流影響，其測(cè)試精度有一定的局限性。作業(yè)時(shí)的施工機(jī)械碳排放峰值接近800mg/m3，是施工現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域碳排放的主要影響因素。因此在現(xiàn)場(chǎng)管理過(guò)程中應(yīng)注重提高施工機(jī)具的工作效率，減少施工過(guò)程的碳排放量。

此外，通過(guò)Mavic3T無(wú)人機(jī)的熱成像分析（見(jiàn)圖10），可清晰觀測(cè)混凝土澆筑過(guò)程及施工機(jī)械的溫度變化。新校區(qū)8、9 棟宿舍樓采用預(yù)制疊合板，放熱量較其他施工區(qū)域低，說(shuō)明施工方式也是造成碳排放量差異的主要原因之一?，F(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)需要大量機(jī)械和人員進(jìn)行澆筑和養(yǎng)護(hù)，施工碳排放量大；而預(yù)制疊合板規(guī)?；a(chǎn)方式減少施工現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械和能源消耗，降低施工現(xiàn)場(chǎng)的碳排放量[6]。

圖10 無(wú)人機(jī)紅外熱成像分析

5 結(jié)論

5.1 BIM單體建筑碳排放評(píng)估結(jié)果與優(yōu)化建議

建筑碳排放主要源于建筑物化階段及運(yùn)行階段。在本宿舍樓案例中，鋼筋混凝土等主體工程材料是建筑物化階段碳排放量主要來(lái)源；空調(diào)、生活熱水及照明等設(shè)備能效是建筑運(yùn)行階段碳排放的主要來(lái)源，且運(yùn)維階段對(duì)建筑生命周期碳排放影響最高。

優(yōu)化主體建材和設(shè)備能效是減少建筑碳排放的關(guān)鍵所在[5]。使用綠色建材替代傳統(tǒng)鋼筋混凝土等主體工程材料；通過(guò)建筑外保溫、換熱器改造、設(shè)備升級(jí)等方式，減少空調(diào)、生活熱水、照明等設(shè)備的能耗，可降低對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。

5.2 無(wú)人機(jī)區(qū)域碳排放評(píng)估結(jié)果與優(yōu)化建議

通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載二氧化碳監(jiān)測(cè)儀和無(wú)人機(jī)熱成像，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍的碳排放監(jiān)測(cè)。二氧化碳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可捕捉施工機(jī)具的高碳排放，熱成像可呈現(xiàn)預(yù)制疊合板和傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土的碳排放的差異。

結(jié)合區(qū)域碳排放的分析結(jié)論，減少施工過(guò)程中的能源消耗和優(yōu)化資源利用是降碳的主要目標(biāo)。可通過(guò)優(yōu)化施工機(jī)具使用效率和機(jī)械運(yùn)作、推進(jìn)建筑裝配化程度，減少施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)械和材料的消耗，降低施工現(xiàn)場(chǎng)的碳排放量等。