基于BIM睱CA的建筑環(huán)境影響評價(jià)方法

沈琳　李希勝　李明瑞　李紅

摘要：建筑業(yè)每年對全球資源的消耗和溫室氣體的排放幾乎占全球總量的一半，采用有效手段減少建筑對環(huán)境的影響具有重要的意義。當(dāng)前在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段應(yīng)用全壽命周期評價(jià)（LCA）方法存在著缺乏有效數(shù)據(jù)信息、工作量大、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等缺陷。本文將BIM與LCA相結(jié)合，建立了BIMLCA的框架模型，并運(yùn)用Revit插件Tally實(shí)現(xiàn)建筑材料的環(huán)境影響分析，為BIMLCA全面整合提供借鑒和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計(jì)；環(huán)境影響；評價(jià)

中圖分類號(hào)：S 772；TP 391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-005X（2015）01-0149-07

Building Environmental Impact Assessment

Method Based on BIMLCA

Shen Lin，Li Xisheng*，Li Mingrui，Li Hong

（College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037）

Abstract：The consumption of global resources and emissions of greenhouse gas in the field of construction industry almost accounted for half of the global total annually.It is significant to conduct the environmental assessment on the construction projects and take effective measures to reduce the impact of construction on the environment in the planning and design stage.Currently，the lifecycle assessment method（LCA）applied in the planning and design stage exists a series of defects such as lack of effective data，heavy workload，and multiform standards.This paper provides a reference for the full integration of BIMLCA by establishing a framework model of BIMLCA and performing the environmental impact analysis of building materials by using Revit and its plugin Tally based on BIM technology and LCA theory.

Keywords： architecture design；environmental impact；evaluation

收稿日期：2014-12-10

基金項(xiàng)目：江蘇省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳資助項(xiàng)目（js2011jh9）；2014江蘇省普通高校學(xué)術(shù)學(xué)位研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYLX_0887）

第一作者簡介：沈琳，碩士研究生。研究方向：工程管理與信息化。

*通訊作者：李希勝，教授。研究方向：工程管理與信息化。Email：Xishengli@163.com

引文格式：沈琳，李希勝，李明瑞.基于BIMLCA的建筑環(huán)境影響評價(jià)方法[J].森林工程，2015，31（1）：149-155.作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，建筑行業(yè)造成的環(huán)境影響和面臨的環(huán)境負(fù)擔(dān)尤為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑業(yè)每年對全球資源的消耗和溫室氣體的排放幾乎占全球總量的一半。我國的建筑總能耗占社會(huì)總能耗的25%～28%，CO2排放量占社會(huì)總排放量的40%左右[1]。建筑的高能耗和高碳排放對節(jié)能減排工作造成了巨大壓力，建筑全壽命周期環(huán)境影響評價(jià)也成為研究的熱點(diǎn)。

BIM（Building Information Modeling）是創(chuàng)建并利用數(shù)字化模型對建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營全過程進(jìn)行管理、優(yōu)化的方法和工具，通過對信息的插入、提取、更新和修改來支持在建設(shè)項(xiàng)目不同階段、不同利益相關(guān)方的協(xié)同作業(yè)[2]。目前BIM技術(shù)通過全球范圍的研究和實(shí)際工程應(yīng)用，已經(jīng)被證明是未來提升工程建設(shè)行業(yè)技術(shù)及實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的核心信息技術(shù)之一，其對于可持續(xù)和生態(tài)綠色低碳理念的升華，提高了人們對建筑環(huán)境和建筑品質(zhì)的要求，增大了人們對BIM技術(shù)應(yīng)用效果的期望。

LCA（Life Cycle Assessment）是資源環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的重要理論。經(jīng)過20年的發(fā)展，LCA已經(jīng)成為評價(jià)產(chǎn)品資源環(huán)境影響的國際通用標(biāo)準(zhǔn)方法，并得到了國內(nèi)外政策和市場的廣泛認(rèn)同。從方法體系來看，LCA在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、綠色制造、清潔生產(chǎn)、綠色采購和市場營銷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，從而用于實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展、節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)文明等社會(huì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[3]。

相比于在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)對環(huán)境影響方面的應(yīng)用，LCA在建筑領(lǐng)域的研究實(shí)踐應(yīng)用還比較滯后?？偨Y(jié)近十五年有關(guān)LCA在建筑方面應(yīng)用的文獻(xiàn)資料可以發(fā)現(xiàn)，美國、歐洲和亞洲的部分國家，已經(jīng)有越來越多的人開始運(yùn)用 LCA 理論，對建筑進(jìn)行全生命周期評價(jià)。其研究應(yīng)用可以分為以下三個(gè)方向：LCA 在建筑產(chǎn)品選擇方面的應(yīng)用[4-6]、LCA 在建筑評價(jià)體系方面的應(yīng)用[7-8]、LCA 在建筑理論方面的應(yīng)用[9-10]。目前關(guān)于BIM的研究集中在建筑設(shè)計(jì)、管線碰撞和成本預(yù)算等幾個(gè)方面[11-13]，在全生命周期環(huán)境評價(jià)中并沒有一套完善的應(yīng)用流程和標(biāo)準(zhǔn)。針對LCA研發(fā)的評價(jià)軟件（Athena/Simapro/Gabi/Bees等）有很多，但不同數(shù)據(jù)庫之間所選用的標(biāo)準(zhǔn)仍然不夠明確和具體，所得出的評價(jià)結(jié)果之間差距較大，BIM與LCA的集成應(yīng)用仍處于探索階段。因此，如何利用BIM已提供的完整建筑信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享和傳遞，并通過LCA評價(jià)軟件進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的分析和對比，在設(shè)計(jì)之初提高建筑決策的質(zhì)量，是本文要研究的核心問題。

第1期沈琳等：基于BIMLCA的建筑環(huán)境影響評價(jià)方法

森林工程第31卷

1基于BIMLCA的建筑環(huán)境影響評

價(jià)方法目前針對綠色建筑管理建立的多種評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)現(xiàn)大多通過人工進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、評價(jià)和報(bào)告，評價(jià)過程的主觀性較強(qiáng)且工作效率低。尤其是針對建筑全生命周期評價(jià)（LCA），其評價(jià)過程中涉及海量數(shù)據(jù)的收集、處理和分析，僅僅依靠人工來完成評價(jià)工作將費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此亟需通過信息化軟件工具提供的支持來完成建筑全生命周期評價(jià)。目前與BIM相關(guān)的軟件有幾十種，其主要開發(fā)公司有Autodesk公司、Bentley公司和Graphisoft公司等，且所開發(fā)的BIM建模軟件大多支持二次開發(fā)的功能。鑒于BIM和LCA對建筑性能模擬評價(jià)方面具有的強(qiáng)大優(yōu)勢，本文主要從集成BIMLCA的角度研究，以BIM數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)IFC（Industry Foundation Class）作為媒介，將BIM模型中的數(shù)據(jù)通過插件提取至LCA軟件中進(jìn)行環(huán)境影響的分析和評價(jià)，基本思路如圖1所示。

圖1基于BIMLCA的建筑環(huán)境影響評價(jià)研究思路

Fig.1 The BIMLCAbased research idea of building environmental impact assessment

1.1生命周期評價(jià)概述

生命周期評價(jià)（LCA）是以確認(rèn)和量化產(chǎn)品生產(chǎn)過程或相關(guān)活動(dòng)所需的材料、能源和排放等環(huán)境負(fù)荷為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)、匯編和評價(jià)系統(tǒng)的輸入輸出及潛在的環(huán)境影響，尋找和探索改善環(huán)境影響的方法和機(jī)會(huì)。ISO將LCA分為相互聯(lián)系的、反復(fù)交互的4個(gè)步驟，評價(jià)過程包括目的與范圍的確定（Goal Define and Scoping）、清單分析（Inventory Analysis）、影響評價(jià)（Impact Assessment）和結(jié)果解釋（Interpretation）[14]。其研究的產(chǎn)品環(huán)境負(fù)荷和潛在的環(huán)境影響貫穿產(chǎn)品生命周期的全過程，包括材料生產(chǎn)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)輸、使用、拆除與處理全過程中的物質(zhì)、能量流動(dòng)和循環(huán)。

其中，目的和范圍的確定是為了說明研究的目的、系統(tǒng)邊界的定義和劃分，并闡述數(shù)據(jù)要求、假設(shè)條件，以保證研究的深度、廣度和精度的目標(biāo)一致性；清單分析是對確定范圍內(nèi)的產(chǎn)品系統(tǒng)生命周期過程的輸入（能源消耗）、輸出（污染物排放）進(jìn)行數(shù)據(jù)量化分析；影響評價(jià)是以清單分析為基礎(chǔ)，對各種環(huán)境影響進(jìn)行量化評估的具體過程；結(jié)果解釋則是按照研究目標(biāo)和范圍的規(guī)定，識(shí)別、判定和檢查研究結(jié)果，形成包括對重大問題的判斷、完整性、敏感性檢查等內(nèi)容在內(nèi)的最終結(jié)論。

此外，在確定LCA的評價(jià)范圍及建筑生命周期清單的基礎(chǔ)上，還需要建筑生命周期清單相對應(yīng)的環(huán)境影響基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的支持，進(jìn)一步明確系統(tǒng)的輸入與輸出，并按照不同的特征化指標(biāo)進(jìn)行歸類，最終得出評價(jià)結(jié)果。計(jì)算結(jié)構(gòu)見表1。表1LCA計(jì)算結(jié)構(gòu)

Tab.1 The computing structure of LCA

生命周期模型過程1貢獻(xiàn)過程2貢獻(xiàn)過程3貢獻(xiàn)…LCA結(jié)果LCI結(jié)果特征化因子特征化指標(biāo)歸一化指標(biāo)權(quán)重因子綜合指標(biāo)S1×CO21+S2×CO22+S3×CO23+…=CO2LC×cfCO2S1×CH41+S2×CH42+S3×CH43+…=CH4LC×cfCH4S1×CFC1+S2×CFC2+S3×CFC3+…=CFCLC×cfCFC…→

GWP

（溫室效應(yīng)）→GWPNGWP×WGWP

→SS1×SO21S2×SO22S3×SO23+…=SO2LC×cfSO2S1×NOX1S2×NOX2S3×NOX3+…=NOXLC×cfNOX…→

AP

（酸雨效應(yīng)）→APNAP×WAP…注1：Si為過程系數(shù)（下游消耗量與上游產(chǎn)出之比），歸一化基準(zhǔn)值Ni通常選取全國年總發(fā)生量

1.2基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑環(huán)境影響評價(jià)信息模型

解決信息交換與互用問題的關(guān)鍵在于建立一套合適的信息格式標(biāo)準(zhǔn)，IAI（International Alliance for Interoperability）發(fā)布的IFC，提供了建筑過程中的各種信息描述和定義規(guī)范，已被公認(rèn)為建筑行業(yè)數(shù)據(jù)交換的公共標(biāo)準(zhǔn)。

圖2IfcRoot主要派生關(guān)系

Fig.2 The main derived relations of IfcRoot

IFC使用類的概念來描述建筑對象、對象的屬性及對象間的相互關(guān)系，主要的派生關(guān)系如圖2所示，其中包含了所有建設(shè)項(xiàng)目全生命周期內(nèi)一切項(xiàng)目成員及其應(yīng)用軟件需要用到的信息，為實(shí)現(xiàn)全生命周期不同專業(yè)間的數(shù)據(jù)共享與交換奠定了基礎(chǔ)[15]。目前，國際上一些主流的BIM軟件都通過了IFC2×3認(rèn)證，支持IFC數(shù)據(jù)格式的輸入和輸出。

基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑模型描述體系，可以描述基礎(chǔ)、墻、柱、梁和板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件均派生于建筑構(gòu)件（IfcBuildingElement）實(shí)體。通過對《建筑工程生命周期可持續(xù)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T222-2011、《環(huán)境管理生命周期評價(jià)原則與框架》GB/T 24040-2008/ISO 14040：2006、《建筑對象數(shù)字化定義》JG/T 198-2007、《工業(yè)基礎(chǔ)類平臺(tái)規(guī)范》GB/T25507-2010等規(guī)范的分析，采用EXPRESSG表達(dá)法建立了基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑環(huán)境影響評價(jià)信息模型，如圖3所示。

圖3基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑環(huán)境影響評價(jià)信息模型

Fig.3 The information model of building environmental impact assessment based on the IFC standard

建筑環(huán)境LCA分析在不同建設(shè)階段的目標(biāo)是不同的，應(yīng)根據(jù)不同階段的目標(biāo)來確定LCA的評價(jià)范圍。設(shè)計(jì)階段的主要目的是比較多種方案，從而選出最可行的方案，即可依據(jù)圖3所示的信息關(guān)系提取基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件幾何信息、構(gòu)件屬性信息、材料信息、設(shè)備與系統(tǒng)信息等，建立建筑生命周期清單LCI（Life Cycle Inventory）。

2實(shí)例分析

2.1工程概況

本工程為三層框架結(jié)構(gòu)小別墅，地處南京，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，建筑總面積為250 m2。首層層高為3.6 m，二三層層高為3.3 m，室內(nèi)外高差0.45 m。設(shè)計(jì)使用年限為50 a，屋面防水等級為Ⅱ級，耐用年限15 a，建筑耐火等級為Ⅲ級。年平均單位面積用電量取31 kW·h/m2.a，年平均單位面積能耗取385.5 MJ/m2.a-1[16]。

2.2基于BIMLCA的評價(jià)工具——Tally

對于LCA來說，獲取的數(shù)據(jù)有效性對最終的結(jié)果有著極大的影響。目前國內(nèi)外也有部分高校和科研機(jī)構(gòu)在開發(fā)建筑生命周期數(shù)據(jù)庫，但都是各自獨(dú)立的評價(jià)軟件，尚未與BIM結(jié)合起來，且清單數(shù)據(jù)庫在能耗統(tǒng)計(jì)方法、能源排放因子、建材生命周期界定以及數(shù)據(jù)的時(shí)間等方面并不統(tǒng)一。

Tally是一款基于Revit的LCA評價(jià)插件，其LCA清單數(shù)據(jù)庫經(jīng)過德國斯圖加特大學(xué)LBP研究所十幾年的搜集和完善。依據(jù)IFC標(biāo)準(zhǔn)，能夠快速提取BIM模型中相關(guān)的建筑材料屬性，生成建筑模型的樹狀結(jié)構(gòu)圖，用戶只需后期添加材料的工藝鏈接，軟件即可計(jì)算出建筑的各項(xiàng)環(huán)境影響值。

以墻體的材料屬性定義為例，在IFC模型中，支持對構(gòu)件進(jìn)行多層材料定義，假設(shè)某墻體由外墻面磚、隔熱層、結(jié)構(gòu)層和內(nèi)墻面磚4層材料構(gòu)成。則首先應(yīng)當(dāng)通過材料實(shí)體（IfcMaterial）定義材料屬性，再通過材料分層實(shí)體（IfcMaterialLayer）、材料層集合實(shí)體（IfcMaterialLayerSet）和材料層集合使用實(shí)體（IfcMaterialLayerSetUsage）定義“層材料”模型，最后通過材料關(guān)聯(lián)實(shí)體（IfcAssosiatesMaterial）建立墻體與墻體材料的關(guān)聯(lián)。

這樣，利用BIM核心建模軟件Revit建立基礎(chǔ)模型，在基礎(chǔ)模型的單元構(gòu)件屬性里加入有關(guān)LCA評價(jià)的相關(guān)屬性信息，包括單元構(gòu)件的結(jié)構(gòu)材料、粉刷材料、飾面材料以及前三種材料的綜合信息（對應(yīng)的原材料、材料到現(xiàn)場的運(yùn)距、材料的屬性如混凝土砂漿等的強(qiáng)度、材料的使用壽命以及報(bào)廢時(shí)回收利用程度），作為測算建筑環(huán)境影響依據(jù)的材料信息。將相關(guān)信息依據(jù)IFC標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)入到Tally測評軟件，即可計(jì)算出總環(huán)境影響，生成該設(shè)計(jì)方案的LCA評價(jià)報(bào)告，相關(guān)的流程示意圖如圖4所示。圖4基于BIMLCA的Tally插件功能流程示意圖

Fig.4 The BIMLCAbased functional process diagram of plugin Tally

2.3基于BIMLCA的模型計(jì)算結(jié)果

借助Tally的模擬計(jì)算，依據(jù)8個(gè)不同的特征化指標(biāo)，表2給出了該別墅項(xiàng)目在建設(shè)階段和運(yùn)營階段總的資源消耗量/排放量，考慮到后期不同設(shè)計(jì)方案的比選標(biāo)準(zhǔn)，又以建筑總面積（250 m2）為功能單元，計(jì)算出單位面積的資源消耗量和排放量。

表2建筑項(xiàng)目各項(xiàng)環(huán)境影響值

Tab.2 The various environmental impact value of the construction project

評價(jià)指標(biāo)單位建設(shè)階段總消耗量

/排放量單位面積消耗量

/排放量運(yùn)營階段總消耗量

/排放量單位面積消耗量

/排放量酸雨效應(yīng)kgSO2eq·m-2176.00.704313312.53富營養(yǎng)化效應(yīng)kgNeq·m-214.70.058 8144.40.577 4溫室效應(yīng)kgCO2eq·m-260 163240.7709 4322 838臭氧層分解效應(yīng)CFC-11eq·m-28.418×1043.367×1063.687×1071.475×109臭氧效應(yīng)O3eq·m-22 52210.0966 105264.4初級能源消耗MJ·m-2872 4553 4909 916 70439 667不可回收資源消耗MJ·m-2828 8853 3169 552 63838 211可回收資源消耗MJ·m-243 570174.336 40661 456

2.4結(jié)果分析

圖5顯示了該別墅各生命周期階段的環(huán)境影響結(jié)果，其中，上半部分顯示的是包含使用階段的總的環(huán)境影響結(jié)果，下半部分是只包含建材生產(chǎn)制造、維修與更新和回收利用三個(gè)階段的環(huán)境影響結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，使用階段的環(huán)境影響值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他階段，約占90%?？紤]到運(yùn)營時(shí)間較長，倘若按單位時(shí)間比較（建筑運(yùn)營期為50 a，建設(shè)期1 a），建設(shè)期的環(huán)境影響總量則是運(yùn)營期的2～3倍。從減小環(huán)境影響的角度出發(fā)，建材生產(chǎn)階段的環(huán)境影響也不容忽視，所以在分析建筑環(huán)境影響時(shí)，應(yīng)當(dāng)從全生命周期的角度、由建材生產(chǎn)階段開始深入分析。

圖6給出了建筑材料對環(huán)境的影響示意圖，其中混凝土和鋼材在不同的評價(jià)指標(biāo)中影響都較大，在溫室氣體效應(yīng)指標(biāo)中影響值更是達(dá)到了34%。后期的裝飾裝修如天花板、墻體的抹灰粉刷工程和地面的鋪貼工程，由于涉及的材料生產(chǎn)工藝復(fù)雜，對環(huán)境的影響比例也較高。因此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)充分重視不同建筑材料對環(huán)境的影響，在不影響設(shè)計(jì)方案安全性的前提下優(yōu)先選擇對環(huán)境影響值較小的環(huán)保材料，同時(shí)在建筑使用運(yùn)營過程中，重視建筑的主動(dòng)設(shè)計(jì)，減少不必要的設(shè)備能耗。

圖5建筑全生命周期各階段的環(huán)境影響示意圖

Fig.5 The various stages of environmental impact diagram in building full life cycle

圖6建筑材料的環(huán)境影響示意圖

Fig.6 The environmental impact diagram of building materials

3結(jié)束語

從理論及實(shí)踐上來說，基于BIMLCA的建筑環(huán)境評價(jià)方法是可行的，可以有效提高BIM模型的應(yīng)用拓展，減少現(xiàn)有LCA評價(jià)工具（如Simapro、Athena等）重復(fù)建模的麻煩。

對于環(huán)境影響分析而言，數(shù)據(jù)庫是完成任何LCA案例必不可少的基礎(chǔ)，本次建模分析的LCA工具（Tally）中的數(shù)據(jù)均來自于德國PE公司的Gabi數(shù)據(jù)庫，保證了數(shù)據(jù)的質(zhì)量。但從我國的國情和標(biāo)準(zhǔn)角度來說，統(tǒng)一國內(nèi)的建材清單數(shù)據(jù)，建立中國本地化的LCA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，形成BIM與建筑LCA的集成應(yīng)用，提高評價(jià)的效率和準(zhǔn)確性，仍然是今后研究的重點(diǎn)。

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[責(zé)任編輯：劉美爽]