装配式建筑生命周期碳平衡BIM模型仿真_尚超.pdf

收稿日期:2021-11-19 修回日期:2022-01-27 第 40 卷 第 4 期计 算 机 仿 真2023 年 4 月 文章编号:1006-9348(2023)04-0267-05装配式建筑生命周期碳平衡 BIM 模型仿真尚 超,徐 霞,鲍莉荣,周婷婷(南京工业大学浦江学院,江苏 南京 211200)摘要:利用传统方法对装配式建筑生命周期碳平衡进行研究时,没有对装配式建筑的碳排放量与碳吸收量进行计算,存在碳平衡后的碳储量低、碳平衡效果差的问题,为此提出基于 BIM 技术的装配式建筑生命周期碳平衡方法。方法首先获取了材料运输影响因素,依据分析结果利用 BIM 技术对其进行分类,以此构建出 BIM 模型,基于上述模型中的数据,对装配式建筑生命周期的碳排放量及其碳吸收量进行计算,从而实现碳平衡方法。实验结果表明,通过对不同方法进行碳平衡前后的碳储量测试、碳平衡效果测试,验证了所提方法的有效性与实用性。关键词:技术;装配式建筑;生命周期;碳平衡中图分类号:TP393 文献标识码:BBIM Model Simulation of Carbon Balance in Life Cycleof Prefabricated BuildingsSHANG Chao,XU Xia,BAO Li-rong,ZHOU Ting-ting(Pujiang Institute,Nanjing Tech.University,Jiangsu Nanjing 211200,China)ABSTRACT:Traditionally,some methods ignore calculating the carbon emissions and carbon absorption of prefabri-cated buildings,leading to low carbon storage after carbon balance.Therefore,this article presented a method to bal-ance carbon in the life cycle of prefabricated buildings based on BIM technology.This method obtained the factors in-fluencing material transportation,and used BIM technology to classify them,thus building a BIM model.Based onthe data of the model,the carbon footprints and carbon absorption in the life cycle of prefabricated buildings were cal-culated.Finally,the carbon balance was achieved.Experimental results show that the effectiveness and practicabilityof the proposed method are verified by the test of carbon storage and carbon balance effect before and after the carbonbalance.KEYWORDS:Technology;Prefabricated building;Life cycle;Carbon balance1 引言现如今全球工业发展迅速,给生活环境带来巨大的负担,因此节能减排已经成为全球首要关注点1。除了工业污染,建筑业近几年来消耗的资源也逐渐增多,在整个生命周期内排放的二氧化碳愈加提升2,这些二氧化碳会导致周边环境产生温室效应,给环境带来巨大影响。为了改善这种现象,需要对装配式建筑生命周期碳平衡问题进行研究。张小平3等人提出碳平衡分区方法在桓台县域低碳空间规划中的应用方法,该方法首先将给定区域看作研究对象,以多种融合技术为基础,建立碳平衡分区方法,通过对能源消耗排放总量的计算,将碳平衡分区方法引入到计算结果中,以此实现碳平衡研究,该方法的计算结果存有误差,存在碳储量低的问题。宋苑震4提出碳平衡导向下北部湾城市群碳汇用地布局优化研究方法,该方法优先对国土建筑空间碳循环失衡影响因素进行获取,并将碳平衡作为目标,以此提升碳循环的能力,完成对国土建筑空间的优化,通过打造多种优化格局,对国土建筑进行调整,从而完成碳平衡,该方法获取的因素不够完善,存在碳平衡后碳储量差的问题。靳鹏5等人提出焦化废水处理中碳平衡研究方法,该方法首先对废水中产生的污染物进行提取,并将 A2/O 作为载体,对不同阶段的碳指标进行测定,对其中的碳平衡反应进行有效分析,依据分析结果实现碳平衡研究,该方法的分析结果不够全面,存在碳平衡效果差的问题。为了解决上述方法中存在的问题,提出基于 BIM 技术的装配式建筑生命周期碳平衡方法。7622 BIM 技术的装配式建筑环境影响因素分析2.1 装配式建筑材料运输环境影响因素分析在装配式建筑生命周期内,能源会被不断投入,这不仅包含生产期间的生产用能,还包括安装过程中直接可以使用的能源,这些能源都可以依据碳排放指标对其进行量化。下面针对材料在运输过程中的运输环境影响进行有效分析。材料总共有两部分运输过程,第一部分为水平运输、第二部分为垂直运输。1)水平运输材料运输到工厂时,经工厂加工生产完成后直接被输送到现场,这个过程就是水平运输6。由于运输车辆的种类较多,各个车的承重情况也不相同,所以不同类型的承重车辆带来的耗能也大不相同。为了确认材料在运输过程中的碳排放,需要采用 GIS 技术7,8对不同材料的车间、位置及施工地点距离进行规划,还要对返回的车辆是否为空载或满载进行考虑,这时材料运输路程的方程表达式如下所示Dtrans=单程运输距离 Fy(1)式中,Dtrans描述的是实际运输距离,Fy描述的是空车返回次数。若空载运输,那么空载环境负荷就是满载的 0.5 倍。车辆在运输过程中排出的碳因子由下式计算可得Ctrans=ni=1Etrans(i)Wtrans(i)Dtrans(i)(2)式中,Ctrans描述的是碳排放总量,Etrans(i)描述的是运输材料的碳排放因子,Wtrans(i)描述的是运输质量,Dtrans(i)描述的是运输距离。2)垂直运输把材料安装到吊车上以机械的方式垂直运送到指定位置,这个过程就是垂直运输。进行垂直运输时,首先需要对运输机械的功率及运输时间的数据进行采集,再通过计算研究,就可以获取垂直运输材料的碳排放量。2.2 BIM 模型构建通过对装配式建筑材料运输环境影响的分析,根据分析结果利用 BIM 技术9对装配式建筑不同材料属性进行归类,以此展示装配式建筑材料的全生命周期实际影响量,构建的 BIM 模型如图 1 所示。首先以装配式建筑为研究对象,利用构建的 BIM 模型建立装配式建筑立体图,并在 BIM 中取得立体图内建筑的相关材料信息,最后对不同材料的影响值进行计算。以 BIM 模型为载体,将影像数据输送到模型内,便于实现装配式建筑生命周期碳平衡。3 装配式建筑生命周期碳平衡控制3.1 碳排放量计算在装配式建筑的生命周期内始终存在化石燃料的耗损,为了便于对这些燃料的碳排放进行计算,需要将生命周期进图 1 BIM 模型示意图行阶段划分,那么不同阶段的装配式建筑碳排放如下所示:1)材料准备阶段的碳排放 Cm基于装配式建筑中消耗的材料,它主要通过钢筋、水泥等能源进行消耗,所以在准备阶段装配式建筑的碳排放 Cm,通过方程表达式定义如下Cm=ni=1(qi Gi)=ni=1(8.94 10-5 qi ei)(3)式中,i 描述的是材料种类,n 描述的是材料种类的数量,qi描述的是不同材料种类的数量,Gi描述的是材料的碳密度,8.9410-5代表能源排放出的碳量,ei描述的是能源密度。2)生产期间材料产生化学反应的碳排放 Cp装配式建筑在生产过程中会产生化学反应,它属于非能源碳排放,而水泥就是非能源排放最主要的一部分。对水泥进行制造时,会将 CO2释放出来,水泥在煅烧期间,碳酸钙10经加热后会分解成两种物质,分别是 CO2及氧化钙,所以生产期间的材料产生化学反应后排放出的碳因子量计算公式表示为Cp=Wc Pc(4)式中,Cp描述的是发生化学反应后的排放量,Wc描述的是水泥重量,Pc描述的是煅烧后排放量。3)装配式建筑施工期间的碳排放 Cc施工期间,运送建筑材料及施工时耗费的能源就是碳排放的主要来源,那么 Cc的计算公式如下所示Cc=ni=1(qi di Gti)+mj=1(pj fj)(5)式中,di描述的是制造材料的地点与装配式建筑之间的距离,Gti描述的是每隔一段运输距离的碳排放量,pj描述的是机械数量,fj描述的是机械排放出的碳因子,m 描述的是机械总数量。4)使用期间的碳排放 Co在不考虑过度消耗材料的情况下,对装配式建筑正常消耗的维修材料碳排放量进行计算,计算前应对各个材料的使用寿命进行设置,那么相关材料在使用阶段的碳排放 Co计算如下862Co=ni=1(qi Gi+qi di 15.68 10-5)ki(6)式中,ki描述的是维护系数。5)装配式建筑在拆除时期的碳排放 Cd以不同拆迁时期产生的能源消耗为基础,估算装配式建筑在施工时期排放的碳因子11,12,Cd的计算公式表示为Cd=tk=1(8.94 10-5 gk hk)(7)式中,gk描述的是拆迁活动数量的种类,hk描述的是能源密度,t 描述的是拆迁活动的总数量。通常来说,装配式建筑在拆迁期间,对 gk、hk的估计存有难度,而装配式建筑在拆除过程中产生的能源消耗是施工期间的 10%,所以可以根据 Cc估算 Cd。6)拆迁后废料处理阶段的碳排放 Cw拆迁后的废料主要包括两种,一种为可回收材料,一种为不可回收材料。像不可回收的废料就需要对其进行处理,那么拆迁现场不可回收废料产生的碳因子,可以通过下列方程进行计算Cw=ni=1(Wi Ri DRi Gti)+ni=1Wi(1-Ri)Dui Gti(8)式中,Wi描述的是废料的数量,Ri描述的是废料所占的比例,DRi描述的是拆迁现场到处理现场距离,Gti描述的是运输不可回收废料到处理地点的距离。3.2 碳吸收量计算根据生命周期下的碳排放量,计算碳吸收量,它的方程表达式为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,碳化是其最常见的一种物理化学反应。而水泥就是混凝土的关键成分,它主要通过碳酸钙组成,利用高温加热后会将 CO2自动分离。这时与空气充分接触的混凝土会吸收到 CO2的气体。这时吸收的 Cca用方程表达式定义为Cca=CO2 A B C(10)式中,CO2描述的是碳化期间吸收的 CO2量。AB 描述的是混凝土露出面积,C 描述的是碳酸化的尺度。这时碳酸化深度通过下式进行确立C=(2.823-0.548logCO2)(0.0303W/C-1.0187)(CO2t)0.5(11)2)生物燃料的碳排放 Cav对生物燃料碳排放进行计算时,首先需要确立化石燃料转换成生物燃料的能量转换效率14,15及其消耗燃料的排放量之差。假设能量转换效率不发生变化,那么回收的生物燃料碳排放的计算公式为Cav=M H Cf f-Cd Dr(12)式中,Cav描述的是生物燃料的排放量,M 描述的是回收时的质量,H 描述的是热值,Cf描述的是燃料循环碳强度,f描述的是转换效率,Cd描述的是柴油的碳强度,Dr描述的是柴油耗损量。3.3 装配式建筑碳平衡控制以 3.1 节和 3.2 节得到的碳吸收量和碳排放量计算结果为基础,设置装配式建筑生命周期 CO2平衡由 CB 进行描述,CO2主要通过燃烧化石材料排放取得,利用 CO2对混凝土内碳化反应吸收的 CO2数量、生物燃料排放 CO2数量以及回收材料的碳储量进行删减,就可以实现碳平衡,这时的计算公式如下所示CB=Cem-CabCB=Cen+Cce-Cca-Cav-Cre(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描述的是生产材料过程中出现的 CO2排放量、Cre描述的是碳储量16,Cem描述的是碳排放,Cab描述的是碳吸收。基于 BIM 模型中的运输环境影响数据,结合上述计算的装配式建筑生命周期碳排放量及其吸收量,利用装配式建筑生命周期排放总量减去碳吸收量,就能够实现碳平衡,从而完成基于 BIM 技术的装配式建筑生命周期碳平衡方法。4 实验与分析为了验证基于 BIM 技术的装配式建筑生命周期碳平衡方法的有效性,需要对该方法进行实验对比测试。采用基于 BIM 技术的装配式建筑生命周期碳平衡方法(方法 1)、碳平衡分区方法在桓台县域低碳空间规划中的应用方法(方法 2)和碳平衡导向下北部湾城市群碳汇用地布局优化研究方法(方法 3)进行实验测试。1)选取 Z 城市为研究对象,为了验证三种方法的碳平衡效果,采用方法 1、方法 2 和方法 3 分别对 Z 城市的碳储量进行测试,碳储量若在指定时间范围内有提升,就说明该方法的碳平衡效果显著,提升越高,表明碳平衡效果越强,具体测试结果如图 2 所示。分析图 2 中的数据发现,在图 2(a)中,未进行碳平衡前,方法 1 的碳储量上升的趋势较小,在 20172018 年时,碳储量保持平衡。与之相反的是,方法 2 和方法 3 在测试期间的碳储量时而上升时而下降,可见方法 2 和方法 3 在未进行碳平衡前,碳储量相较于方法 1 来说较低。进行碳平衡后,根据图 2(b)中的数据可知,方法 1 呈现出上升趋势,同时碳储量上升明显,上升速度较快,可见方法1 的碳平衡效果显著。方法 2 进行碳平衡后,它的碳储量与图 2(a)相比,呈现出下降趋势,这说明方法 2 的碳平衡效果差。方法 3 在测试期间,它的碳储量有所提升,但提升的数量较小,与方法 1 相比方法 3 的碳储量较低,碳平衡效果较差。由此可见,方法 1 的碳平衡效果要优于方法 2 和方法 3,962图 2 不同方法碳平衡前后的碳储量测试表明方法 1 的碳平衡效果强。综上所述,方法 1 的碳平衡效果好,这是因为方法 1 计算了碳排放量及其吸收量,有效地提升了碳平衡效果,使碳平衡的应用达到了极致。2)碳排放量与碳吸收量之间的差值可以体现出碳平衡量,为了明确装配式建筑生命周期碳平衡效果的好坏,需要利用本文方法对不同月份的碳排出量与碳吸收量进行对比测试,若碳排出量与碳吸收量之间的差值为正,就说明装配式建筑的碳输出量要高于碳输入量,表明本文所提方法处于不平衡状态,若两者之间的差值为负,就说明本文所提方法处于平衡状态。以 100kg 的混凝土为实验对象,计算它的碳排放量与碳吸收量,依据计算结果进行对比测试,具体测试结果如图 3所示。通过图 3 中的数据发现,本文方法的碳吸收量要高于碳图 3 碳输入输出量对比测试排放量。那么本文所提方法在不同月份的碳平衡量表示为:1 月碳平衡量:1 月碳排放量 1375 减掉 1 月碳吸收量1500 等于-125 碳平衡量。利用上述计算方式,计算出剩余月份的碳平衡量,发现本文所提方法的碳平衡量均为负值。这说明本文所提方法的装配式建筑处于碳平衡状态,以此表明所提方法的碳平衡效果强。5 结束语针对装配式建筑生命周期碳平衡方法存在的问题,提出基于 BIM 技术的装配式建筑生命周期碳平衡方法。该方法分析了装配式建筑材料运输环境的影响因素,并将影响因素输入到构建的 BIM 模型中,基于 BIM 模型中的数据,对不同阶段的装配式建筑进行碳平衡计算,从而实现该方法。该方法在装配式建筑生命周期碳平衡方法中占据着重要地位,在未来碳平衡方法中有着长远的发展空间。参考文献:1 钱娟.能源节约偏向型技术进步对工业节能减排的门槛效应研究J.科研管理,2020,41(1):223-233.2 赖金美,潘若琪,刘燕飞,等.大气二氧化碳浓度增加对木本植物 BVOCs 释放的影响J.生态学杂志,2020,39(3):865-871.3 张小平.碳平衡分区方法在桓台县域低碳空间规划中的应用J.工业建筑,2021,51(4):12-19.4 宋苑震,覃盟琳,袁倩文,等.碳平衡导向下北部湾城市群碳汇用地布局优化研究J.广西大学学报(自然科学版),2020,45(5):1071-1082.5 靳鹏,庞治邦,赵博玮,等.焦化废水处理中碳平衡研究J.工业水处理,2019,39(1):49-52+56.6 王聪,金淳,李兆隆.考虑 AGV 作业行为的自动化集装箱码头水平运输优化J.运筹与管理,2019,28(11):9-17.7 刘慧民,宫思羽,邹铁安,等.基于 GIS 技术规划城市节水型绿地系统的研究J.农业工程学报,2019,35(6):279-287.0728 王俊华,代晶晶,令天宇,等.基于 RS 与 GIS 技术的西藏多龙矿集区生态环境监测研究J.地质学报,2019,93(4):957-970.9 王同军.基于 BIM 技术的铁路工程建设管理创新与实践J.铁道学报,2019,41(1):1-9.10 王旭辉,董发勤,李琼芳,等.多组分有机质作用下碳酸钙的矿化现象J.岩石矿物学杂志,2020,39(3):291-297.11 刘卫东,唐志鹏,夏炎,等.中国碳强度关键影响因子的机器学习识别及其演进J.地理学报,2019,74(12):2592-2603.12 朱一泓,高露双,贾勃,等.不同径级红松挥发性碳贡献变化特征及其影响因子分析J.北京林业大学学报,2019,41(1):10-18.13 曾路,余意恒,任毅,等.碱激发钢渣-矿渣加气混凝土的制备研究J.建筑材料学报,2019,22(2):206-213.14 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