基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)施碳排放效果評(píng)估模型研究

【摘要】文中詳細(xì)分析了建筑施工物化階段碳排放，計(jì)算了施工建筑施工過(guò)程碳排放模型，提出了基于BIM技術(shù)的建筑碳減排效果評(píng)估模型。通過(guò)案例數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了模型的有效性。研究結(jié)果表明，基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)施碳減排效果評(píng)估模型能夠更準(zhǔn)確、靈活地監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)建筑內(nèi)的CO2濃度，有效提高了建筑環(huán)境的舒適性和安全性。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；建筑設(shè)施；碳排放；效果評(píng)估模型

【中圖分類號(hào)】TU713 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）10-0024-03

0 引言

建筑作為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯膱?chǎng)所，其室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)居民和員工的健康至關(guān)重要[1]。而CO2作為室內(nèi)空氣的一個(gè)重要指標(biāo)，其濃度高低直接影響著室內(nèi)空氣的新鮮度和舒適度。隨著信息技術(shù)和建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的建筑設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足對(duì)空間感知能力和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的需求。李惠[2]比較了在建造過(guò)程中現(xiàn)代施工建筑和傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑所產(chǎn)生的碳排放量的差異；劉永國(guó)等[3]比較了現(xiàn)澆法和裝配式施工法在建筑材料構(gòu)件生產(chǎn)、材料運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工中的碳足跡；曹西等[4]通過(guò)對(duì)現(xiàn)代施工建筑的生產(chǎn)過(guò)程、運(yùn)輸過(guò)程、施工流程等方面的考察，測(cè)算了現(xiàn)代施工建筑在生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工階段的碳排放，并建立了現(xiàn)代施工建筑在生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工階段的碳排放計(jì)算模型。在這一背景下，本研究將探討如何利用BIM技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)建筑設(shè)施CO2監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑內(nèi)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。

1 建筑施工碳排放核算分析

建筑物化階段碳排放核算是對(duì)建筑物化階段因建筑材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的資源和能源消耗所產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行計(jì)算[5]。該過(guò)程可以根據(jù)碳排放源的不同劃分為直接碳排放和間接碳排放，并將其分為兩個(gè)范圍[6]，如圖1所示。

直接碳排放是指在建筑建造過(guò)程中因能源消耗直接向大氣排放的CO2，如預(yù)拌混凝土機(jī)的柴油消耗、塔吊工作時(shí)的電力消耗等過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放。具體包括：①在建筑建造現(xiàn)場(chǎng)的電力及化石燃料產(chǎn)生的碳排放；②在建筑廠內(nèi)范圍運(yùn)輸物料、廢棄物的燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放。

間接碳排放是指在建筑物化階段內(nèi)所有活動(dòng)導(dǎo)致的、但發(fā)生建造現(xiàn)場(chǎng)之外的碳排放，核算時(shí)混凝土、鋼筋、水泥等建筑材料的消耗應(yīng)作為主要對(duì)象。

“碳排放”和“CO2排放”具有區(qū)別。通常情況下，“碳排放”表示所有溫室氣體的排放總量；“CO2排放”則僅指CO2的排放量。因此，碳排放的范圍比CO2排放的范圍更廣泛。計(jì)算碳排放需要大量的相關(guān)活動(dòng)數(shù)據(jù)。與碳排放有關(guān)的活動(dòng)清單數(shù)據(jù)大致可分為前景數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)兩類。前景數(shù)據(jù)是指材料和能源的消耗情況，主要來(lái)源于企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括工程造價(jià)文件中每個(gè)子項(xiàng)目的工程量數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)勘察數(shù)據(jù)以及通過(guò)采用的定額獲得的機(jī)械設(shè)備消耗量和能源利用效率。背景數(shù)據(jù)即為各種材料、能源和機(jī)械設(shè)備的碳排放因子。

2 建筑施工過(guò)程碳排放計(jì)算

常用的碳排放核算方法包括實(shí)測(cè)法、質(zhì)量平衡法以及碳排放因子法。比較三種常見的碳排放核算方法，實(shí)測(cè)法提供的結(jié)果最準(zhǔn)確，但復(fù)雜且成本較高；質(zhì)量平衡法是一種綜合性較強(qiáng)的方法，但工作量大，計(jì)算復(fù)雜；碳排放因子法具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)。

此外，許多權(quán)威機(jī)構(gòu)和參考資料都公布了建筑材料和相關(guān)能源的碳排放因子，使這種方法更簡(jiǎn)單和實(shí)用。因此，本文選用碳排放因子法作為現(xiàn)代施工建筑施工階段的碳排放核算方法。

2.1 碳源分析

①直接碳排指施工現(xiàn)場(chǎng)工人呼吸所產(chǎn)生的碳排放和各種機(jī)械由于消耗燃油等一次能源而產(chǎn)生的碳排放；②間接碳排放指施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械消耗電能等二次能源而產(chǎn)生的碳排放。這一部分碳排放實(shí)際發(fā)生在發(fā)電廠內(nèi)；③隱含碳排放指施工現(xiàn)場(chǎng)所需的除了預(yù)制構(gòu)件之外的原材料在其生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的碳排放，通過(guò)材料的消耗數(shù)量核算該部分碳排放。

對(duì)于材料隱含的碳排放是否應(yīng)該計(jì)入施工過(guò)程中是存在爭(zhēng)議的，本文認(rèn)為應(yīng)該計(jì)入，因?yàn)閷?duì)于整個(gè)施工工程來(lái)說(shuō)，建筑材料并不一定會(huì)全部應(yīng)用于建筑中，還可能會(huì)存在資源浪費(fèi)等情況，不同的建筑，不同的施工階段所浪費(fèi)的材料都不同。

2.2 碳排放計(jì)算

現(xiàn)代施工建筑施工階段碳排放總量等于直接排放、間接排放和隱含碳排放之和。計(jì)算如式（1）。

E = Ed + Ein + Eim " " " " " " " "（1）

式中：E為施工建筑施工階段的總碳排放量，kg；Ed為現(xiàn)代施工建筑施工階段的直接碳排放，kg；Ein為現(xiàn)代施工建筑施工階段間接碳排放，kg；Eim為現(xiàn)代施工建筑施工階段隱含碳排放，kg。

施工過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放量可以通過(guò)直接測(cè)量獲得，但這并非普遍的做法。本文采用目前最常見的碳排放因子法，即通過(guò)將施工活動(dòng)水平數(shù)據(jù)乘以對(duì)應(yīng)的碳排放因子來(lái)計(jì)算碳排放量，見式（2）。

E = M .F " " " " " " " "（2）

式中：E為碳排放量 ；M為具體核算項(xiàng)目生產(chǎn)活動(dòng)數(shù)據(jù)；F為碳排放因子。

直接排放是指現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)中工人呼吸和機(jī)械設(shè)備消耗化石能源所產(chǎn)生的碳排放。計(jì)算見式（3）。

（3）

式中：mf為現(xiàn)場(chǎng)施工活動(dòng)中所需化石燃料總量，kg；nf為第f種化石能源的消耗量，kg；Ff為第f種化石能源碳排放因子，kgCO2/kg；mh為現(xiàn)代施工建筑施工階段所需工時(shí)；Fh為工人呼吸的碳排放因子，kgCO2/人 .工日。

間接碳排放為消耗電能而產(chǎn)生的碳排放。計(jì)算見式（4）。

Ein=ne .Fe" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中：ne為電力的消耗量，kW .h；Fe為電力的碳排放因子，kgCO2/kW .h。

隱含排放是指非現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放，主要包括施工過(guò)程損耗材料所隱含的碳排放。計(jì)算見式（5）。

（5）

式中：mk為材料的消耗量，kg；為材料的損耗率，%；Fk為材料的碳排放因子，kgCO2/單位。

3 建筑碳減排效果評(píng)估模型

3.1 BIM技術(shù)原理

建筑信息模型（building information modelling）簡(jiǎn)稱BIM，其含義總結(jié)為以下四點(diǎn)。

1）BIM技術(shù)的核心是信息。信息需包括建筑物全生命周期所需的信息，信息應(yīng)通過(guò)廣泛采用的IFC、IDM、IFD標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行儲(chǔ)存、共享、交流等。

2）BIM是包含信息的模型。模型信息的載體是將信息通過(guò)可視化的方法進(jìn)行表達(dá)，模型中表達(dá)的幾何尺寸、物理性質(zhì)、數(shù)量、空間關(guān)系、地理信息、成本統(tǒng)計(jì)、項(xiàng)目進(jìn)度等信息應(yīng)與實(shí)際項(xiàng)目相同，可被項(xiàng)目相關(guān)人員調(diào)用。

3）BIM建模是虛擬的過(guò)程。此過(guò)程中應(yīng)允許業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等各方根據(jù)項(xiàng)目情況對(duì)模型進(jìn)行創(chuàng)建、修改、完善和精簡(jiǎn)。但此過(guò)程應(yīng)在實(shí)際項(xiàng)目開始前進(jìn)行，并保證準(zhǔn)確性，以為項(xiàng)目決策提供可靠的依據(jù)。

4）BIM服務(wù)于建筑的全生命周期。BIM通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整與信息共享，將建筑或設(shè)施的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等過(guò)程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使建筑信息在全生命周期內(nèi)保持一致，避免出現(xiàn)各階段不同模型形成信息孤島。

3.2 模型參數(shù)確定

建筑施工過(guò)程通常包括四個(gè)階段：基礎(chǔ)工程、主體結(jié)構(gòu)施工、機(jī)電安裝工程、裝飾工程?，F(xiàn)代施工建筑和傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的基礎(chǔ)施工階段相同。但在主體結(jié)構(gòu)施工階段，現(xiàn)代施工建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的差異較大。現(xiàn)代施工建筑的建造過(guò)程涉及工廠生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件、構(gòu)件運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工。

由于項(xiàng)目質(zhì)量水平的評(píng)價(jià)具有很強(qiáng)的主觀性，難以用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行直接評(píng)價(jià)。因此，需要建立量化的目標(biāo)函數(shù)來(lái)客觀地評(píng)價(jià)項(xiàng)目質(zhì)量。在工程施工過(guò)程中，項(xiàng)目質(zhì)量受到多種因素綜合影響，包括人員、材料、機(jī)械（包括器械）、方法以及環(huán)境因素，因此實(shí)現(xiàn)完美的質(zhì)量要求十分困難。

模型中的每道工序都可能對(duì)應(yīng)幾種不同的執(zhí)行模式，且不同工序的工期、成本、質(zhì)量和碳排放都有所不同，屬于多模式的優(yōu)化問(wèn)題。因此，本文參考相關(guān)文獻(xiàn)，將質(zhì)量水平視為每道工序下不同執(zhí)行模式的對(duì)應(yīng)參數(shù)。隨著執(zhí)行模式的變化，質(zhì)量水平也相應(yīng)變動(dòng)。同時(shí)，針對(duì)不同工序?qū)φw質(zhì)量的影響程度，設(shè)置相應(yīng)的權(quán)重，綜合評(píng)價(jià)項(xiàng)目質(zhì)量。

1）工序質(zhì)量的量化。項(xiàng)目質(zhì)量主要受人員、材料、機(jī)械、方法以及環(huán)境因素的影響。但每道工序受影響的程度并不相同，比如預(yù)制構(gòu)件的吊裝工序主要受人員和機(jī)械因素的影響，灌漿工序主要受材料因素的影響。

2）碳排放目標(biāo)。裝配式建筑施工過(guò)程產(chǎn)生的碳排放分為直接排放、間接排放和隱含碳排放。施工階段總碳排放計(jì)算。見式（6）、式（7）。

（6）

eij = Edij + Einij + Eimij" " " " " " " （7）

式中：E為項(xiàng)目的總碳排放；eij 為第i道工序的第j種執(zhí)行模式的碳排放量； Edij為第i道工序的第j種執(zhí)行模式的直接排放；Einij 為第i道工序的第j種執(zhí)行模式的間接排放；Eimij為第i道工序的第j種執(zhí)行模式的隱含排放。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 案例概況

本文通過(guò)對(duì)影響因素間的相互關(guān)系進(jìn)行定性分析并構(gòu)建了定性模型，對(duì)每一個(gè)變量賦予數(shù)值，這一量化分析的過(guò)程通過(guò)案例分析來(lái)進(jìn)行。選取某項(xiàng)目作為案例分析對(duì)象，項(xiàng)目是位于一個(gè)框架結(jié)構(gòu)的高層住宅樓，建筑總面積約11萬(wàn) m2，包括1棟29層、2棟30層以及2棟31層高層住宅樓，建設(shè)工期為20個(gè)月，月平均建筑面積為2 700 m2。

4.2 仿真結(jié)果

碳排放產(chǎn)生總量是衡量物化階段未采用任何碳減排措施的前提下，整個(gè)建筑項(xiàng)目隨時(shí)間推移碳排放產(chǎn)生量的累積。碳排放減少總量表示在物化階段采取了各種碳減排措施后，整個(gè)建筑項(xiàng)目碳排放減少的總量，可用來(lái)衡量物化階段建筑碳減排措施的實(shí)施的結(jié)果。

表1顯示了碳減排措施實(shí)施前后碳排放量的對(duì)比情況。當(dāng)沒(méi)有實(shí)施減排措施時(shí)，產(chǎn)生的碳排放總量為15 984 t。在實(shí)施減排措施后碳排放減少總量為3 092.82 t，占比為19.35%。減排后產(chǎn)生的碳排放總量為12 891.18 t，占比為80.15%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)建筑設(shè)施CO2評(píng)估模型進(jìn)行研究。首先，對(duì)建筑施工物化階段碳排放核算進(jìn)行分析。其次，詳細(xì)計(jì)算了施工建筑施工過(guò)程碳排放模型。最后，提出了基于BIM技術(shù)的建筑碳減排效果評(píng)估模型。

研究結(jié)果表明，基于BIM技術(shù)的建筑設(shè)施碳減排效果評(píng)估模型能夠更準(zhǔn)確、靈活地監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)建筑內(nèi)的CO2濃度，有效提高了建筑環(huán)境的舒適性和安全性。

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[作者簡(jiǎn)介]馬冬斌（1979—），男，黑龍江佳木斯人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：建筑工程。