基于“BIM＆云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理研究*

汪振雙 趙一健 周新健 高平 趙寧

(1. 東北財財經(jīng)大學(xué)投資工程管理學(xué)院，遼寧 大連 116025;2. 東北財經(jīng)大學(xué)工程管理研究中心，遼寧 大連 116025;3. 東北財經(jīng)大學(xué)金融學(xué)院，遼寧 大連 116025)

0 引言

人類生存活動產(chǎn)生的碳排放已成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。在低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的約束下，中國政府做出了到2020 年單位GDP 的CO2排放量相對于2005 年降低40% ～45%的承諾。已有的統(tǒng)計資料顯示，建筑材料生產(chǎn)過程中的碳排放量占城市碳排放量60%以上［1-3］。因此，減少和控制建筑材料碳排放量是我國能否兌現(xiàn)此承諾的關(guān)鍵。建筑材料碳排放涉及材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、維護(hù)和拆除等全生命周期各階段，涉及的參與方眾多，這就要求在整個建筑行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上實現(xiàn)建筑材料碳排放的最小化。協(xié)同是降低建筑材料全生命周期碳排放量的關(guān)鍵。隨著計算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和通信等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字建造技術(shù)在工程項目建設(shè)領(lǐng)域中的發(fā)展也突飛猛進(jìn)。其中，BIM 和云計算 (BIM＆ 云)技術(shù)覆蓋了大量的建筑和工程項目及企業(yè)信息，信息的集成度高，為建筑材料全生命周期信息的整合和管理提供了保證。本文基于“BIM＆云”技術(shù)對建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理的實現(xiàn)模式與實施步驟進(jìn)行了詳細(xì)研究。

1 “BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理內(nèi)涵

BIM 技術(shù)為建筑行業(yè)精細(xì)化、信息化和協(xié)同化工作搭建了平臺，為工程項目的海量數(shù)據(jù)管理，協(xié)調(diào)相關(guān)參與方工作，消除信息壁壘提供了保證［4-6］。云計算基于互聯(lián)網(wǎng)的使用，增加超級計算模式，可實時提供動態(tài)、虛擬化和易擴(kuò)展資源。在云計算環(huán)境下，需求服務(wù)自動化、網(wǎng)絡(luò)訪問便捷化的特點可以吸引工程項目各階段的資源有效聚集，將建筑材料全生命周期各階段、各相關(guān)部門統(tǒng)一到云計算平臺上［7-8］。因此，“BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料碳排放協(xié)同管理要以建筑材料全生命周期各階段碳排放的約束為導(dǎo)向，以降低碳排放為目標(biāo)，基于“BIM＆云”對建筑材料全生命周期各階段碳排放進(jìn)行協(xié)同組織和管理。

2 “BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理體系的組成

2.1 “BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理需求

基于“BIM＆云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理是從建筑材料全生命周期角度出發(fā)，在云平臺技術(shù)支持下，以BIM 模型為信息載體，實時更新、豐富和充實建筑材料全生命周期各階段碳排放信息，完成信息數(shù)據(jù)的編輯和處理，實現(xiàn)全過程工程項目數(shù)據(jù)共享和可視化的管理。針對建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理的邊界和不同參與方的管理目標(biāo)， “BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期各階段碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)應(yīng)符合不同參與方、不同層次的管理需求。

“BIM＆云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)第一層次需求，是針對碳排放的特點，能夠高效分享建筑材料全生命周期各階段碳排放的海量信息。從建筑材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、維護(hù)和拆除的全生命周期碳排放角度來看，碳排放管理涉及眾多參與方，碳排放信息化難度管理大，因此“BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)首先應(yīng)該滿足碳排放管理信息的高效共享。

“BIM＆云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)第二層次需求，是針對建筑材料全生命周期各階段不同參與方，如生產(chǎn)企業(yè)、供應(yīng)商、施工企業(yè)和物業(yè)公司等不同用戶碳排放的信息管理和價值需求。通過該系統(tǒng)及時掌握建筑材料全生命周期——運(yùn)輸、施工、維護(hù)和拆除各階段碳排放數(shù)據(jù)信息，增強(qiáng)各階段、不同參與方、不同應(yīng)用功能軟件之間的兼容性和互操作性，避免不同應(yīng)用軟件之間兼容性差和信息缺失的缺點。

“BIM＆云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)第三層次需求，是針對建筑材料碳排放的實時測算和可視化要求?；贐IM 模型的建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)不僅要求能夠保證建筑材料全生命周期各階段原材料、機(jī)械設(shè)備、施工工藝和維護(hù)等數(shù)據(jù)的實時更新，而且還要保證各階段不同參與方通過云技術(shù)能夠及時分享、更新和使用BIM 模型數(shù)據(jù)，并通過可視化模型直觀地進(jìn)行信息管理。

利用BIM 技術(shù)在統(tǒng)一的云平臺上，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)建筑材料全生命周期各階段信息采集、共享和更新等有效協(xié)同，優(yōu)化建筑材料的碳排放。

2.2 “BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理體系的架構(gòu)

建筑材料是耗能和碳排放大戶，建筑材料的碳排放貫穿于全生命周期各階段，涉及生產(chǎn)商、供應(yīng)商、運(yùn)輸商、建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位等眾多參與方， “BIM＆ 云”技術(shù)為建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理提供了保障?！癇IM＆ 云”管理系統(tǒng)可由建筑材料產(chǎn)業(yè)鏈上各參與方共享使用，建筑材料全生命周期各階段相關(guān)企業(yè)及其部門基于云平臺，通過BIM 模型進(jìn)行建筑材料碳排放的協(xié)同管理組織關(guān)系，見圖1。

圖1 “BIM＆云”協(xié)同管理組織關(guān)系

“BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)的云平臺，可以是“私有云”和“公有云”平臺。“私有云”是通過企業(yè)內(nèi)部自建的BIM 服務(wù)器對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，而“公有云”則是大型和專業(yè)服務(wù)商對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行的存儲和管理［8-11］。“BIM＆云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理體系應(yīng)滿足不同階段參與方相關(guān)企業(yè)和部門對3D 基礎(chǔ)信息模型的共享和應(yīng)用，在各階段都發(fā)揮碳排放測算分析和協(xié)同管理作用。因此，建筑材料碳排放信息必須在一個信息流暢的交流平臺上運(yùn)行，各參與方基于云平臺可實現(xiàn)信息的即時傳送。因此，基于“BIM＆云”環(huán)境，根據(jù)不同階段、不同參與方碳排放的測算分析和協(xié)同管理不同層次的要求，本文將建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)分為操作層、交換層、模型層和數(shù)據(jù)服務(wù)層四個層次，見圖2。其中，在操作層中，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)身份認(rèn)證后，進(jìn)入云平臺，獲取不同的建筑材料碳排放信息瀏覽和編輯權(quán)利，并對其進(jìn)行優(yōu)化決策管理。交換層主要是基于云平臺的技術(shù)支持，利用終端設(shè)備實現(xiàn)BIM 模型相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲功能。手機(jī)、手持式讀取設(shè)備、IPD、PC 等終端設(shè)備都可用作“BIM＆云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和交換的硬件技術(shù)支持。系統(tǒng)模型層的核心為BIM 技術(shù)，將建筑材料全生命周期不同階段、不同參與方、不同應(yīng)用程序加載于服務(wù)器上，并通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將模型數(shù)據(jù)儲存在云平臺上，實現(xiàn)建筑材料不同階段、不同參與方碳排放管理的不同需求。數(shù)據(jù)服務(wù)層負(fù)責(zé)對BIM 數(shù)據(jù)庫和OBDC 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按照指令要求進(jìn)行讀取、查詢、編輯、刪除等處理。

2.3 “BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理的工作原理

“BIM＆云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放管理系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)在云平臺上，利用BIM技術(shù)數(shù)據(jù)服務(wù)層獲取各階段所需的碳排放數(shù)據(jù)信息，供建筑材料全生命周期各階段參與方通過云平臺進(jìn)行協(xié)同管理工作，可實時更新建筑材料全生命周期各階段碳排放信息數(shù)據(jù)，多方案優(yōu)化比較，提高碳排放協(xié)同管理效率。

2.4 “BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)

首先，要確定建筑材料全生命周期碳排放系統(tǒng)的范圍和邊界，在建筑對象的工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對建筑材料全生命周期各階段碳排放信息建立統(tǒng)一的編碼體系，并進(jìn)行信息分類，存儲數(shù)據(jù)，實現(xiàn)建筑材料全生命周期各階段碳排放信息的存儲和快速讀取;其次，通過數(shù)據(jù)接口和交換標(biāo)準(zhǔn)，在“私有云”和“公有云”平臺上，實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)共享與轉(zhuǎn)換，滿足碳排放信息數(shù)據(jù)采集、存儲和轉(zhuǎn)換，在BIM 模型中實現(xiàn)建筑材料全生命周期各階段應(yīng)用不同軟件的無縫對接，實現(xiàn)碳排放信息在不同參與方之間的傳遞、共享和協(xié)同管理，見圖3。

圖2 建筑材料全生命周期碳排放的協(xié)同管理體系架構(gòu)

圖3 BIM 數(shù)據(jù)協(xié)同平臺框架

3 “BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期各階段碳排放的協(xié)同管理系統(tǒng)

協(xié)同管理系統(tǒng)必須實時、透明，易于監(jiān)管和調(diào)控，才能滿足其價值需求。從技術(shù)手段角度看，“BIM＆ 云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)，可將傳感器、條形碼、無線射頻識別等在BIM 模型中集中起來，并借助3G/4G 網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，在云平臺上實現(xiàn)信息的采集、存儲、實時更新。

3.1 工程項目設(shè)計階段

在工程項目設(shè)計階段，以工程項目建筑材料全生命周期碳排放量最小為設(shè)計原則，工程項目各參與方和相關(guān)部門，在云平臺上，基于BIM 模型，通過BIM 數(shù)據(jù)庫和OBDC 數(shù)據(jù)庫已有的建筑信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行工程項目能耗分析、施工進(jìn)度模擬、質(zhì)量控制、造價管理和碳排放量模擬等。工程項目不同參與方和相關(guān)部門可根據(jù)工程項目碳排放測算結(jié)果，挑選不同廠家和品牌的建筑材料，制定分部分項工程的施工組織技術(shù)方案等，進(jìn)行滿足建筑材料全生命周期各階段碳排放量的低碳設(shè)計。

3.2 建筑材料生產(chǎn)和運(yùn)輸階段

建筑材料生產(chǎn)商根據(jù)工程項目低碳設(shè)計要求，通過云平臺，輸入BIM 模型數(shù)據(jù)庫。建筑材料采購方按照設(shè)計和合同要求，瀏覽系統(tǒng)中所需的材料價格、性能參數(shù)以及材料生產(chǎn)商、供應(yīng)商的分布情況，并在碳排放和成本雙重約束下，通過BIM 技術(shù)模型的成本和碳排放模擬，進(jìn)行優(yōu)化和決策，并根據(jù)決策結(jié)果選擇合適的材料型號、數(shù)量、運(yùn)輸方式以及運(yùn)輸路線等，并結(jié)合工程項目進(jìn)度控制，實現(xiàn)三維模型基礎(chǔ)上的建筑材料庫存管理。

3.3 工程項目施工階段

施工單位的建筑材料碳排放管理工作覆蓋施工現(xiàn)場的平面布置、施工方案設(shè)計、低碳施工管理和實時在線監(jiān)控等各個方面，通過優(yōu)化工程項目施工技術(shù)方案，可以降低建筑材料施工過程中的碳排放。施工單位在碳排放的限額設(shè)計下，從建筑材料全生命周期角度，基于BIM 信息模型技術(shù)，測算建筑材料工程量、優(yōu)化分部分項工程施工技術(shù)方案，組織開展低碳施工，在工程項目建設(shè)過程中達(dá)到碳排放精細(xì)化和協(xié)同管理的要求。對于施工中的工程設(shè)計變更，則發(fā)揮BIM 技術(shù)數(shù)據(jù)庫分布式的特長，實時更新、共享材料碳排放數(shù)據(jù)，施工各部門和工程項目各參與方可以快速獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和決策。監(jiān)理單位通過協(xié)同管理系統(tǒng)可以審核施工單位低碳施工規(guī)劃與施工技術(shù)方案設(shè)計，制訂低碳施工監(jiān)理方案，做好低碳施工日常管理工作記錄，對施工單位和建設(shè)單位建筑材料的碳排放進(jìn)行回復(fù)和反饋，實時在線監(jiān)測施工過程中建筑材料碳排放的當(dāng)前數(shù)據(jù)。監(jiān)管單位/建設(shè)單位通過協(xié)同管理系統(tǒng)可以查看施工單位低碳施工方案、建筑材料碳排放和低碳施工日常管理工作，并對各單位進(jìn)行反饋和回復(fù)，實時在線監(jiān)測施工過程中建筑材料碳排放的當(dāng)前數(shù)據(jù)。第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)，通過系統(tǒng)則可以查看施工單位的低碳施工方案，同時向各單位反饋有關(guān)建筑材料的碳排放和低碳施工日常管理工作記錄，并實時在線監(jiān)測施工過程中建筑材料碳排放的當(dāng)前數(shù)據(jù)。

3.4 工程項目維護(hù)和拆除階段

在“BIM＆云”環(huán)境下，實現(xiàn)了建筑材料全生命周期各階段的碳排放信息的采集、共享和無縫對接?；凇八接性啤焙汀肮性啤逼脚_，物業(yè)管理方可以實時獲取、監(jiān)控工程項目運(yùn)營階段碳排放和運(yùn)營成本等相關(guān)信息，對建筑材料及其構(gòu)建的狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)管理決策，優(yōu)化運(yùn)營維護(hù)方案，并結(jié)合BIM 三維模型實時存檔和記錄，便于工程項目碳排放等相關(guān)信息的追溯和查詢。

4 結(jié)語

數(shù)字建造是工程項目信息化的發(fā)展趨勢?！癇IM＆云”環(huán)境下建筑材料全生命周期碳排放的測算分析和協(xié)同管理，可以使工程項目建設(shè)中各參與方和相關(guān)部門對建筑材料全生命周期各階段多方案碳排放進(jìn)行優(yōu)化，對建筑材料的碳排放進(jìn)行有效控制，滿足建筑材料全生命周期不同階段，不同專業(yè)、不同參與方的碳排放協(xié)同管理，提升建筑材料碳排放的測算速度，保證建筑材料全生命周期各階段碳排放信息的無縫對接，為低碳建筑的數(shù)字化管理指明方向。

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