基于BIM技术的建筑物化阶段碳排放量计算研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 66 基于 BIM 技术的建筑物化阶段碳排放量计算研究 王哲颢 张航成 王 润 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044 摘要：摘要：随着我国建筑行业以及经济的快速发展，近些年来 BIM 技术的应用发展受到了国家和行业内的广泛关注，掀起了一股研究和推进 BIM 应用发展的热潮，因此把 BIM 技术应用于建筑行业已经成为了未来发展的必然趋势。本次研究依托某水厂项目，根据资料展开课题研究工作，结合二维图纸，通过三维建模，研究基于 BIM 技术在施工阶段绿色低碳排放计算的方法，并通过计算机编程对 Revit 软件进行二次开发，使得软件能够对所建立模型的相关构件进行工程量的统计，并结合碳排放因子计算出碳排放量。关键词：关键词：BIM；二次开发；碳排放计算 中图分类号：中图分类号：TU201.5 1 研究背景及意义 1.1 研究背景 随着经济快速的发展，碳排放量与日剧增，温室效应日趋严重，人类生存环境面临严峻挑战。全球科学研究表明，人为活动是带来大量碳排放量的主要原因。因此，世界各国在追求经济效益的同时，对碳排放的关注也越来越密切。2009 年，联合国环境总署（UNEP）公布了建筑与气候变化报告，报告指出，建筑部门的能源消耗占全球总能源消耗的百分之四十，全球大约有三分之一温室气体排放与建筑相关1。为应对气候变化，2020 年 9 月，我国在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”2。建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）是携带数据的虚拟三维建筑模型3，集成了建筑工程项目各种相关信息的工程基础数据模型，是对工程项目相关信息详尽的数字化表达。它被定义为一套相互关联的政策、流程和技术，以数字化形式管理建筑设计关键信息和项目数据的系统方法。BIM 技术或许是解决建筑碳排放控制的方法，它可以估计在物化阶段就估计建筑生命周期内产生的碳排放和成本，并减少管理碳排放和成本数据所需时间和精力。1.2 研究意义 在“双碳”目标政策下，我国对减少碳排放量的研究愈发深入，制定了有关政策，让碳排放量更加可控。特别是在经济稳步增长的时代背景下，人们对建设项目需求逐渐增加。2019 年，我国建筑总碳排放占全国碳排放的 51%4，建筑物控碳减碳势在必行。为解决建筑行业产生的高碳排放量，绿色建筑势在必行。而绿色建筑则必须以碳排放量量化计算为标准，以量化标准准确评价低碳建筑的“绿色”水平。因此，建筑企业要重视低碳设计理念，将节能减碳目标融入 BIM技术，提高资源利用效率，尽可能避免项目施工污染周围生态。2 建筑碳排放模型分析 2.1 建筑碳排放生命周期划分 国内外关于建筑碳排放生命周期的划分也有不同的观点。例如，陈国谦等将建筑的全生命周期分为建设施工、装修、室外设施建设、运输、运行、废物处理、物业管理、拆除和废弃物的处置共 9 个阶段5；张智慧等将建筑的生命周期归纳为物化、使用和拆卸解决共 3 个阶段，并对各阶段碳排放的来源进行了描述6。国外学者对于建筑碳排放生命周期划分与国内学者的观点不尽相同。Leif 等将建筑的全生命周期划分为原材料生产、定点建设、运行、拆除及材料处理共 4 个阶段7；Gerilla 等忽略了原材料生产阶段，主要考虑建设施工、维护、运行、废弃处理共 4 个阶段8。国内外大多数学者对建筑碳排放生命周期划分的结果大致相同，即将建筑碳排放生命周期划分为建材生产，建筑施工，建筑运营以及拆除共四个部分。随着研究深入，对生命周期的划分会更科学，其内涵会更丰富。2.2 全生命周期各阶段碳排放比例 2018 年全国建筑全寿命周期碳排放总量为 49.3中国科技期刊数据库 工业 A 67 亿 tCO2，占全国能源碳排放的比重为 51.2%,其中建筑施工阶段碳排放 1 亿 tCO2,占建筑全寿命周期碳排放的 2%，占全国能源碳排放的比重为 1%9。建筑行业的 CO2 排放可概括为 4 个阶段:建材生产，建筑施工，建筑运营以及建筑拆除。其中建筑运营阶段占比较大，其次是建筑施工与建材生产阶段，最后是建筑拆除阶段。相比下建筑全生命周期物化阶段碳排放的占比并不是很大，因此现在很多学者更加倾向于去研究碳排放占比较大的运营阶段。因为相关研究少、原始数据库欠缺以及物化阶段涉及因素多而复杂等原因，此阶段的碳排放的计算变得极为困难。物化阶段与运营阶段相比虽量小，但其碳排放占比不容忽视，因此针对建筑物化阶段的碳排放研究非常有必要，若在这方面取得相应成果，不仅能对物化阶段缺失的原始数据库进行相应的补充，还能为后续物化阶段降低碳排放新工艺的产生提供理论支持。3 基于 BIM 的碳排放计算程序开发 3.1 计算原理 依据GBT 51366-2019 建筑碳排放计算标准中建筑建造阶段的碳排放计算方法如下：CJZ=EJZ,i EFini=1A 式中:CJZ建筑建造阶段单位建筑面积的碳排放量(kgCO/m);EJZ,i建筑建造阶段第 i 种能源总用量(kWh 或kg);EFi第 i 类能源的碳排放因子(kgCO/kWh 或 kgCO/kg)；A建筑面积()。除上述公式外，基于工程量计算的内容非常多，而本程序进行的碳排放计算的研究主要考察的是建筑耗费的建筑材料所产生的碳排放，因此着重统计的是主体结构构件的材料的工程量。Autodesk Revit 软件本身具有通过明细表的方式导出工程清单的功能，通过二次开发对其工程量信息进行利用。现浇混凝土工程量一般情况按照混凝土构件的体积计算，对于混凝土构件中的配筋钢筋以及构件预埋件的体积均不作扣除，单位为立方米。（1）现浇柱 现浇柱的混凝土用量是用柱子的截面面积乘以柱子的计算高度计算，以体积计量，单位为立方米。有梁板的柱高从柱子底部（或楼板上表面）至柱顶（楼板或梁的上表面）之间的高度计算；对于无梁板的柱高，计算高度应该从柱底部至柱帽下表面；对于构造柱应按柱全高计算，与砖墙相连接的部分的体积算作构造柱体积计算。（2）现浇混凝土基础 现浇混凝土基础的混凝土的用量是以体积计量，单位为立方米。需要注意的计算体积时需要依据不同的基础类型的体积进行计算。由以上综述得到的工程量统计的计算规则，是为了保证基于 Revit 平台的工程量统计的准确性，以便于进行建筑物化阶段碳排放计算时有统一的规范，在计算过程中进行简化GBT 51366-2019 建筑碳排放计算标准中的计算公式及对建筑材料碳排放因子表进行统一的单位换算，即将碳排放因子单位换算为kgCO2/m，如表 1 所示。表 1 建筑材料碳排放因子换算表 建筑材料类别 每kg产生碳排放量 密度 每 m产生碳排放量（kgCO2/m）C30 混凝土 693.25 2.35 295.00 C50 混凝土 385 2.45 157.14 石灰生产（市场平均）1190 2.7 440.74 消石灰（熟石灰、氢氧化钙）747 2.24 333.48 天然石膏 328 0.9 364.44 3.2 基于 Revit 的二次开发平台 以亦庄某水厂作为实例，利用 C#语言进行软件的开发，在 Revit 的附加模块中创建了基于 BIM 的建筑碳排放计算插件平台。平台可以对建筑 BIM 模型中同一族类建筑构件进行选择，并且具有构件替换、材质与施工工艺选取等功能。计算碳排放量时可选择单一或多个构件，在计算结束后，可在程序对话框中进行查看不同施工方案下的碳排放量并进行对比，为减少物化阶段碳排放量提供参考。3.3 创新点 3.3.1 完善了全生命周期的建筑碳排放 目前的建筑全生命周期碳排放研究主要集中在碳排放量较大的建材生产和运营维护两大阶段，但对于中国科技期刊数据库 工业 A 68 生命周期中最为复杂的建造环节即物化阶段的研究还不够深入。现有的一些研究表明全生命周期中物化阶段的碳排放量占比为 20%左右，不容忽视。本文通过软件将碳排放量计算与 BIM 模型结合在一起，借助建筑行业 BIM 技术的浪潮与全生命周期等概念的深化，很好地展现了物化阶段碳排放量计算的重要性。3.3.2 基于 BIM 模型的动态碳排放量测算 创新性提出了在Revit中直接进行碳排放量计算，区别于传统建筑设计中碳排放量控制，对物化阶段建筑构件的碳排放量作出准确的估计，避免在建筑过程中造成额外的污染，减少碳排放。本文以亦庄某水厂为实例进行研究，实现水厂桩基础的替换以及在多种不同材质下碳排放量的计算，并通过比较得出了在实现构件承载力的前提下碳排放量最少的方案。4 结论 本文基于 BIM 技术，运用 C#语言对 Revit 进行二次开发，研究物化阶段建筑碳排放量计算。依托亦庄某水厂实例模型验证其可行性，通过软件计算物化阶段碳排放量，同时可以实现不同施工工艺的碳排放量的横向对比，极大体现了 BIM 技术对于实现“低碳设计”的便利性。虽然本文对该部分的研究还并不完善，程序也有待进一步优化，但是为了完善现阶段建筑碳排放生命周期的缺失环节，向前迈出了一小步。基于BIM 模型的动态碳排放测算不仅仅拘泥于施工阶段，针对建筑物绿色度要求越来越高这一现状，我们可以继续开发这一软件，将充分将其运用于工业化预制装配建筑全生命周期的各个阶段及低碳评估，具有十分重要的意义。参考文献 1 Jin Y,Levitt R,Christiansen T.The Virtual Design Team:AComputer Simulation Framework for Studying Organizational Aspects of Concurrent DesignR.Stanford:Center for Integrated Facility Engineering,1993.2王灿,张雅欣.碳中和愿景的实现路径与政策体系J.中国环境管理,2020,72(06):60-66.3 Soust-Verdaguer B.,Llatas C.,Garca-Martnez A.Critical review of bim-based LCA method to buildings J.Energy and Buildings,2017,136:110-120.4李春丽,高项荣.基于BIM技术的建筑生命周期碳排放计量分析J.城市建筑,2023,20(01):205-208.5陈国谦.建筑碳排放系统计量方法M.北京：新华出版社,2010.6张智慧,尚春静,钱坤.建筑生命周期碳排放评价J.建筑经济 2010,2:44-46.7 Leif Gustavsson,Anna Joelsson,Roger Sathre.Life cycle primary energy use and carbon emission of an eight-storey wood-framed apartment buildingJ.Energy and Buildings,2010,42(2):230-242.8 GedBa GP,Teknomo K,Hokao K.An environmental assessment of wood and steel reinforced concrete housing constructionJ.Building and Environment,2007,42(7):2778-2784.9李健，中国建筑能耗研究J.建筑节能学报,2021.作者简介：作者简介：王哲颢（2002），男，汉族，浙江金华人，本科，北京交通大学土木建筑工程学院，主要研究方向为建筑工程。张航成（2002），男，汉族，山西晋中人，本科，北京交通大学土木建筑工程学院，主要研究方向为建筑工程。王润（2001），男，布依族，贵州黔南人，本科，北京交通大学土木建筑工程学院，主要研究方向为建筑工程。