建筑施工過程低碳信息集成管理技術(shù)

楊云英， 權(quán)長青,2， 金仁和， 李勝強

(1. 廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 廣東 茂名 525000; 2. 廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

2016年，住建部印發(fā)了2016—2020年(即“十三五”期間)建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要，綱要明確指出，在五大發(fā)展理念和節(jié)能減排要求的指引下，建筑業(yè)要實現(xiàn)綠色發(fā)展，離不開信息技術(shù)，尤其是BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技術(shù)的支撐。BIM是指“通過仿真模擬建筑物所具有的真實信息而得到的所有數(shù)字信息的總和”[1]。

目前，國家大力倡導(dǎo)BIM技術(shù)，BIM技術(shù)在建筑業(yè)的信息化發(fā)展進程中發(fā)揮著積極作用，尤其是建筑信息集成管理的應(yīng)用上。5D BIM技術(shù)的實現(xiàn)已為6D BIM技術(shù)乃至nD BIM技術(shù)的提出作好了充分的鋪墊?；谶@一思路，結(jié)合建筑業(yè)二氧化碳排放問題，將實現(xiàn)建筑業(yè)低碳的相關(guān)信息融入6D BIM技術(shù)中，以期實現(xiàn)碳排放可視化監(jiān)控和成本測算，從而實現(xiàn)建筑業(yè)低碳化、可持續(xù)化發(fā)展。

BIM與建筑業(yè)低能耗、低污染、可持續(xù)化的發(fā)展需求相契合。本文基于5D BIM思維，提出6D BIM信息集成技術(shù)，即在5D BIM基礎(chǔ)上，增加低碳信息維度，形成由“3D建筑模型+1D進度+1D成本+1D低碳”的六維建筑信息模型。6D BIM技術(shù)將建筑施工進度、成本、低碳信息進行集成，一定程度上加快了建筑信息化、低碳化、可持續(xù)化的管理進程。建筑施工階段應(yīng)用6D BIM技術(shù)，可以提高管理效率，減少施工索賠，從而最大化項目利益，倍受各參與方的親耐；同時，也實現(xiàn)了BIM與低碳建筑的雙贏發(fā)展，基于6D BIM的建筑工程項目，正在逐漸地向低碳化、可持續(xù)化的方向發(fā)展，也為BIM技術(shù)在建筑工程建設(shè)領(lǐng)域的全面應(yīng)用鋪開了道路。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外學(xué)者們在低碳信息、集成管理技術(shù)及BIM方面進行了大量研究，已取得了相當可觀的成果，為本文的探索提供了扎實的研究基礎(chǔ)。

1.1 建筑低碳信息研究現(xiàn)狀

Urge-Vorsatz等[2]針對低碳建筑，研究了居住者能源使用效率對碳排量的影響；Newell等[3]研究發(fā)現(xiàn)，征收碳稅一定程度上能減少能源消耗，促進建筑減碳；Li等[4]認為經(jīng)濟收入越高，建筑需求越大，建筑能耗反而增加；Donglan等[5]分析城市與農(nóng)村住宅年均碳排量變化趨勢，發(fā)現(xiàn)城市增量明顯高于農(nóng)村，表明未來減碳任務(wù)應(yīng)以城市建筑為重點；Chen等[6]針對低碳建筑的各個環(huán)節(jié)建立了碳排量分析模型，從而界定了建筑碳排量的來源；；Heydarian等[7]研究實時監(jiān)管碳排放的技術(shù)框架，監(jiān)控建筑生產(chǎn)率和碳足跡； Wong等[8]結(jié)合GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))和設(shè)計軟件，將建筑行為可視化，并計算、分析碳排放，結(jié)果表明，建筑排碳量每年遞增，說明建筑減碳任務(wù)迫在眉睫。

李兵[9]針對建筑的全壽命期構(gòu)建了碳排放量的測算模型；溫日琨等[10]則構(gòu)建了建筑全壽命周期碳排放流的靜動態(tài)模型；鄭生欽等[11]運用系統(tǒng)動力學(xué)的方法研究公共建筑的碳排放激勵政策對碳排放交易權(quán)的影響。

1.2 建筑信息集成管理研究現(xiàn)狀

Khanzode等[12]結(jié)合VDC(Virtual Design and Construction)優(yōu)勢研究了MEP(Mechanical, Electrical and Plumbing)的協(xié)同工作流程；Dossick等[13]基于Khanzode的研究基礎(chǔ)，將BIM應(yīng)用于MEP(Management Enhancement Program)并研究其協(xié)同效應(yīng)；Isikdag等[14]應(yīng)用系統(tǒng)層次理論，構(gòu)建全新的信息集成框架；Singh等[15]研究了美國建筑業(yè)中不同專業(yè)之間的信息集成問題，并主張將BIM作為集成管理平臺。BIM集成管理成功試行的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)、信息、組織、流程、環(huán)境的完善。

張建平等[16]研究了新的4D SMM++(4D Site Management Model++)施工信息管理模式，該模式集進度、人、材、機、成本、場地布置等動態(tài)管理于一體；馮立業(yè)[17]建立了IBMS(Intelligent Building Management System，智能大廈管理系統(tǒng))數(shù)據(jù)庫平臺，實現(xiàn)智能(安全、舒適、自動、便捷)建筑的聯(lián)動控制；沈良峰等[18]對建筑全生命周期低碳管理進行了研究；李兵[9]根據(jù)低碳建筑的運行模式構(gòu)建了低碳技術(shù)集成模型；汪久中[19]利用BIM技術(shù)優(yōu)勢，對節(jié)能建筑的全壽命期信息進行集成管理；徐磊[20]基于數(shù)字化集成管理理論，創(chuàng)新性地提出了“工業(yè)化+物聯(lián)網(wǎng)+ BIM+項目信息門戶”的集成模式。

1.3 BIM技術(shù)研究現(xiàn)狀

Eastman[21]于1999年首次提出BIM概念。2003年，美國發(fā)布了國家BIM指南，自此，BIM開始真正登上歷史舞臺，并在各類工程項目中得到廣泛應(yīng)用。Kam等[22]開發(fā)出BIM 4D系統(tǒng)，實現(xiàn)4D(3D+時間維度)可視化施工過程模擬。Fu等[23]研究5D BIM模型，集建筑性能、進度、成本等信息于一體，擴展了BIM的應(yīng)用。

程建華等[24]從設(shè)計師、工程師、建筑師的角度思考了BIM技術(shù)的應(yīng)用價值(協(xié)同、創(chuàng)新、可持續(xù))，提出BIM技術(shù)應(yīng)得到更多維、更高效的推廣應(yīng)用；李云霞[25]在原有建筑模型的基礎(chǔ)上，便捷地計算出建筑材料的碳足跡，但是施工技術(shù)的碳足跡計算模型并未提及，不能真正找到施工過程碳足跡最小的施工方案。

楊宇等[26]對比分析了現(xiàn)行相關(guān)的能耗分析軟件，構(gòu)建了基于公共建筑碳交易的BIM低碳機制；華虹等[27]運用BIM碳排放測算模型對建筑施工、運維、拆除三個階段進行了碳排放量計算；王玥[28]將BIM與現(xiàn)有的碳排放測算工具對比，發(fā)現(xiàn)BIM在碳排放測算上更準確、更標準。

國內(nèi)外對BIM技術(shù)的研究主要集中在BIM理念(建筑信息化)、信息集成、軟件開發(fā)、標準發(fā)行、BIM建模、工程應(yīng)用推廣等方面，其關(guān)系如圖1所示。從圖1可知，由于建筑行業(yè)信息化發(fā)展需求，導(dǎo)致nD BIM信息集成技術(shù)產(chǎn)生；而nD BIM信息集成技術(shù)需要相關(guān)軟件和標準的支撐；BIM相關(guān)軟件又為建筑行為活動建模；最終建筑BIM模型又為建筑業(yè)信息化發(fā)展需求(工程應(yīng)用推廣)提供支持。他們之間形成了一條循序漸進、首尾相連的閉合環(huán)路，是BIM技術(shù)的產(chǎn)業(yè)價值鏈。每一次循環(huán)都是一次提升，推動著BIM技術(shù)的發(fā)展。

圖1 BIM技術(shù)產(chǎn)業(yè)價值鏈

1.4 水平發(fā)展趨勢分析

國外在低碳管理上進行深入研究，體現(xiàn)了低碳管理由理論階段到實踐的過程。國內(nèi)對于低碳管理較多還是理論研究，尤其在低碳管理和BIM信息技術(shù)結(jié)合上，還有待深入探索。

要實現(xiàn)BIM在建筑業(yè)的全面化應(yīng)用，國內(nèi)對BIM維度、技術(shù)標準以及理論—實踐環(huán)節(jié)的研究還需進一步擴展，總的來說，BIM是新型建筑業(yè)的希望，未來低碳、綠色、環(huán)保、和諧、安全、智能、便捷、交互、低價、高效的建筑成品離不開BIM技術(shù)的支撐。

2 建筑施工過程低碳信息的收集

2.1 建筑施工過程低碳信息集

建筑施工過程的低碳信息主要有三類：碳排放可視化測算、低碳成本和碳排放分析。其中，碳排放可視化測算是指將建筑施工進度信息(施工進度計劃)融入低碳測算模型；低碳成本則是融合了施工成本信息(工程量清單報價)的低碳模型；而碳排放分析主要指碳排放量的計算，需要碳排放因子和排碳對象(人工、材料、機械、施工方案等)信息。

所謂低碳信息集成管理，即將已有的低碳信息(碳排放可視化測算、低碳成本和碳排放分析)融入到BIM模型中，并建立詳細的低碳信息庫，同時集成已有的施工數(shù)據(jù)信息(建筑功能、進度、成本、資源消耗等)，從而實現(xiàn)碳排放量的實時測算并計算相應(yīng)的低碳成本以及分析各施工行為對碳排放的影響程度。表1列出了低碳信息集成管理具體目標下所需的信息。

表1 施工過程低碳管理信息集

2.2 碳排放可視化測算信息的收集

如前所述，碳排放可視化測算是指將建筑施工進度信息(施工進度計劃)融入低碳測算模型中，因此收集施工進度信息是關(guān)鍵。將3D建筑模型與施工進度計劃相關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)4D實時動態(tài)模擬。不僅形象地展示了施工現(xiàn)場及各項施工信息的變化情況，而且可以針對某日某工序的進展情況進行實時調(diào)用和控制。借用BIM技術(shù)平臺的集成管理功能，對施工現(xiàn)場、施工進度、施工設(shè)施、資源需要量等各種復(fù)雜的信息進行實時展示、鏈接，能真正實現(xiàn)各軟件之間的信息互通和雙向反饋。

在每一個進度節(jié)點上增加碳排放測算信息，就像橫道圖下方的資源消耗量曲線一樣，將碳排放測算信息實時地展現(xiàn)出來，這才是碳排放實時、可視化跟蹤測算。目前4D BIM技術(shù)已相當成熟，因此，基于4D BIM模型的碳排放可視化測算可行。

2.3 低碳成本信息的收集

同理，由于低碳成本是融合了施工成本信息(工程量清單報價)的低碳模型，因此低碳成本信息的收集關(guān)鍵在于施工成本信息的收集與管理。2013年，建設(shè)部頒布了GB 50500-2013《建設(shè)工程工程量清單計價規(guī)范》(簡稱“13新規(guī)范”)，至此，“03規(guī)范”同時廢止。13新規(guī)范的頒布標志著我國工程造價的計價方式——工程量清單計價模式的進一步完善，也展示了中國政府廣泛深入地推廣清單計價的決心。而本文中要實現(xiàn)低碳成本同步測算的目標，必須與國家計價方式保持一致，即也采用工程量清單計價模式。

工程量清單計價的重心是工程量×單價，其中，單價的獲取一般參照造價機構(gòu)發(fā)布的人材機價格信息，工程量則由BIM軟件建模后自動計算匯總。5D BIM技術(shù)已很好地實現(xiàn)了量、價信息的雙向鏈接。它也對每個構(gòu)件進行工程量清單編碼，既可按分部分項工程量清單匯總，又可按編碼形成清單模式計價。當3D BIM建筑模型改變時能實時地(1D進度)展現(xiàn)出施工成本信息(1D成本)的變化，生成S型施工成本曲線圖。

低碳成本信息的收集就是借助已有的5D BIM模型，將低碳成本像工程量清單計價一樣融入其中，實現(xiàn)低碳成本信息的實時計算，實現(xiàn)量價(碳排放量×單位碳排量價格)統(tǒng)一。

2.4 碳排放量信息的收集

不管是碳排放可視化測算信息的收集還是低碳成本信息的收集，都離不開碳排放量的計算。碳排放量的計算也是碳排放分析的基礎(chǔ)。因此，首要任務(wù)是收集碳排放來源信息。在建筑施工階段，碳排放來源主要有：建筑材料的使用、施工機械設(shè)備的使用、具體的施工方案等。針對這些碳排放源，分別將建筑材料碳排放、施工機械碳排放、設(shè)備碳排放、施工方案碳排放進行量化。

建筑材料碳排放信息包括三種：建筑材料清單、建筑材料消耗量和建筑材料碳排放因子。施工機械碳排放信息也包括三種：施工機械清單、施工機械臺班數(shù)、施工機械碳排放因子。設(shè)備碳排放信息有設(shè)備清單、設(shè)備臺數(shù)、設(shè)備碳排放因子。施工方案碳排放信息包含施工方案數(shù)量、施工方案個數(shù)、施工方案碳排放因子。

建筑材料、施工機械設(shè)備、施工方案等清單是確定碳排放范圍和碳排放來源的清單；碳排放因子可以通過查閱IPCC(Intergovernmental Panelon Climate Change，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)指導(dǎo)文件、學(xué)術(shù)論文與研究文獻等，再結(jié)合建筑自身的特點確定。建筑材料消耗量、施工機械臺班數(shù)、設(shè)備臺數(shù)、施工方案個數(shù)則是利用BIM技術(shù)模型進行計算匯總。其中建筑材料碳排放因子是材料碳排放量測算的關(guān)鍵，是將材料和碳排放量聯(lián)系的橋梁。

3 建筑施工過程低碳信息集成管理的模型構(gòu)建

施工過程低碳信息集成管理的目的是實現(xiàn)碳排放可視化測算、低碳成本和碳排放分析，實質(zhì)是利用BIM技術(shù)，在3D建筑模型的基礎(chǔ)上融入1D進度信息、1D成本信息和1D低碳信息，形成最新的6D BIM技術(shù)模型。BIM技術(shù)使3D建筑模型更具包容性、和易性，它根據(jù)建筑工程各參與方的不同目標需求，將更多的工程信息融入其中，并實現(xiàn)信息的實時跟蹤、提取和調(diào)用。

(1)構(gòu)建碳排放可視化測算模型?？梢暬瘻y算模型是將收集到的低碳信息中的碳排放量以資源消耗量形式反映到施工進度計劃的資源(人、材、機、施工技術(shù)及排碳量等資源)消耗量曲線圖(圖2)中，即在4D BIM模型基礎(chǔ)上增加碳排放量這一資源消耗量曲線。將碳作為一種資源，其進度計劃表下方的資源消耗量曲線直接可反映碳排放量變化趨勢，實現(xiàn)低碳信息(碳排放量)與進度計劃的同步，即實現(xiàn)碳排放可視化測算。

(2)構(gòu)建低碳成本模型。低碳成本模型是將低碳信息(碳排放量)融入5D BIM模型而成。采用工程量清單計價模式，對相應(yīng)構(gòu)件進行清單編碼，利用BIM相關(guān)軟件進行分部分項工程量計算匯總的同時計算相應(yīng)分部分項工程量清單的碳排放量，統(tǒng)計出碳排放量后與單位碳排放價格進行計算，即為碳排放成本。因為5D BIM模型已經(jīng)實現(xiàn)了工程量成本與施工進度及建筑模型的同步，因此，在此基礎(chǔ)上增加碳排放成本信息已是可行方案。

(3)構(gòu)建碳排放分析模型。碳排放分析模型需要碳排放清單、碳排放量和碳排放因子等后臺數(shù)據(jù)的支持。作為碳排放可視化測算模型和低碳成本模型的組成部分，碳排放分析模型是低碳信息集成管理的核心。其模型構(gòu)建的關(guān)鍵在于碳排放量與碳排放因子的集成計算。

(4)構(gòu)建低碳信息集成管理模型。低碳信息集成管理模型是指上述三種模型的集成，即碳排放可視化測算模型、低碳成本模型和碳排放分析模型，是低碳信息集成管理模型的子模型。這三種子模型之間具有關(guān)聯(lián)性，碳排放分析模型是碳排放可視化測算模型和低碳成本模型的支柱。圖3為低碳信息集成管理模型方案。

圖2 ***大樓主體工程施工進度計劃橫道圖及排碳量變化曲線

圖3 低碳信息集成管理方案

由圖3可知，低碳信息的集成實質(zhì)是將各種信息賦予碳排放源清單(材料、機械、設(shè)備及施工方案等)中，因此，碳排放源清單是連接各種信息的關(guān)鍵所在。上述集成模型的實現(xiàn)，首先是收集相關(guān)信息以及對碳排放源清單進行編碼。將碳排放信息與施工進度信息融合則可實現(xiàn)碳排放實時可視化測算。再將輸出的碳排放量按工程量清單計價模式進行匯總，形成有清單編碼的碳排放量清單，連接碳排放量及單位碳排量價格，便可實現(xiàn)低碳成本的匯總計算。至于碳排放分析則需要將已有清單編碼的碳排放量與相應(yīng)的碳排放因子相匹配。綜上所述，可以實現(xiàn)碳排放量、碳排放成本與施工過程的實時同步展示，這便是6D BIM技術(shù)的實質(zhì)。

應(yīng)用該低碳信息集成技術(shù)，可以反過來監(jiān)控信息，因為從該集成模型中可以輸出三種信息，分別是碳排放可視化、碳排放量及碳排放成本。這三種信息隨著施工進度的推進，顯示在一系列的施工工序中，從而可以實現(xiàn)碳排放高峰期的監(jiān)控、材料機械設(shè)備等的使用效率以及比對不同施工方案碳排放狀況，作為方案比選的參考數(shù)據(jù)。由此，可真正實現(xiàn)建筑施工的低碳管理，實現(xiàn)建筑低碳化、可持續(xù)的發(fā)展目標，同時也是對BIM技術(shù)的應(yīng)用推廣。

4 結(jié) 語

根據(jù)低碳信息各目標控制特點，結(jié)合以往的研究基礎(chǔ)，對施工過程低碳信息進行收集，并提出了建筑施工過程低碳信息集成管理的6D BIM技術(shù)。該技術(shù)集施工低碳、進度、成本等相關(guān)信息于一體，實現(xiàn)各信息的同步控制。在施工進度模型4D BIM基礎(chǔ)上，融入施工構(gòu)件成本信息5D BIM及施工材料、機械、設(shè)備、方案等碳排放源的低碳信息6D BIM，能實時跟蹤碳排放源的低碳信息以及相應(yīng)的成本信息。目前6D BIM技術(shù)仍然有待進一步研究，BIM技術(shù)產(chǎn)業(yè)價值鏈說明：一項技術(shù)的發(fā)展離不開軟件和標準的支撐。

[1] 楊文領(lǐng). 基于BIM技術(shù)的綠色建筑能耗評價[J]. 城市發(fā)展研究，2016, 23(3): 14-17.

[2] Urge-Vorsatz D, Harvey L D D. Mitigating CO2emissions from energy use in the world’s buildings[J]. Building Research & Information, 2007, 35(4): 379-398.

[3] Newell R G, Pizer W A. Carbon mitigation costs for the commercial building sector: Discrete-continuous choice analysis of multifuel energy demand[J]. Resource and Energy Economics, 2008, 30: 527-539.

[4] Li J, Colombier M. Managing carbon emissions in China through building energy effciency[J]. Journal of Environmental Management, 2009, 90: 2436-2447.

[5] Donglan Z, Dequn Z, Peng Z. Driving forces of residential CO2emissions in urban and rural China: An index decomposition analysis[J]. Energy Policy, 2010, 38: 3377-3383.

[6] Chen G Q, Chen H, Chen Z M, et al. Low-carbon building assessment and multi-scale input-output analysis[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2011, 16: 583-595.

[7] Heydarian A, Golparvar-Fard M. A Visual Monitoring Framework for Integrated Productivity and Carbon Foot Print Control of Construction Operations[C]//Computing in Civil Engineering. United States: American Society of Civil Engineers, 2011: 504-511.

[8] Wong J K W, Li H, Wang H, et al. Toward low-carbon construction processes: The visualization of predicted emission viavirtual prototyping technology[J]. Automation in Construction, 2013, 33: 72-78.

[9] 李 兵. 低碳建筑技術(shù)體系與碳排放測算方法研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2012.

[10] 溫日琨, 祁神軍. 不同結(jié)構(gòu)住宅建筑碳排放流的模擬研究[J]. 建筑科學(xué), 2015, 31(6): 26-34.

[11] 鄭生欽, 司紅運, 姜永生, 等. 既有公共建筑碳減排激勵政策影響[J]. 土木工程與管理學(xué)報，2017, 34(1): 38-43.

[12] Khanzode A, Fischer M, Reed D. Benefits and lessons learned of implementing building virtual design and construction (VDC) technologies for coordination of mechanical, electrical, and plumbing (MEP) systems on a large health care project[J]. Electronic Journal of Information Technology in Construction, 2008, 13: 324-342.

[13] Dossick C S, Neff G, Organizational divisions in BIM-enabled commercial construction[J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2009, 136(4): 459-467.

[14] Isikdag U, Underwood J. Two design patterns for facilitating Building Information Model-based synchronous collaboration[J]. Automation in Construction, 2010, 19: 544-553.

[15] Singh V, Gu N, Wang X. A theoretical framework of a BIM-based multi-disciplinary collaboration platform[J]. Automation in Construction, 2011, 20: 134-144.

[16] 張建平, 王洪鈞. 建筑施工4D++模型與4D項目管理系統(tǒng)的研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2003, 36(3): 70-78.

[17] 馮立業(yè). 智能建筑集成管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 濟南: 山東大學(xué), 2008.

[18] 沈良峰, 李啟明. “低碳住宅”的內(nèi)涵與建設(shè)發(fā)展的路徑研究[J]. 現(xiàn)代管理科學(xué), 2011, (10): 31-33.

[19] 汪久中. 節(jié)能建筑的全壽命周期集成化管理模式研究[D]. 西安: 西安科技大學(xué), 2013.

[20] 徐 磊. 建設(shè)工程數(shù)字化集成管理研究[D]. 濟南: 山東建筑大學(xué), 2015.

[21] Eastman C M. Building Product Models: Computer Environments Supporting Design and Construction[M]. Boca Raton: CRC Press, 1999.

[22] Kam C, Fischer M, H?nninen R, et al. The product model and fourth dimension project[J]. International Journal of It in Architecture Engineering & Construction, 2003, 8: 137-166

[23] Fu C, Aound G, Lee A, et al. IFC model viewier to support nD model application[J]. Automation in Construction, 2006, 15: 178-185.

[24] 程建華, 王 輝. 項目管理中BIM技術(shù)的應(yīng)用與推廣[J]. 施工技術(shù), 2012, 41(371): 18-21.

[25] 李云霞. 基于BIM的建筑材料碳足跡的計算模型[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2012.

[26] 楊 宇, 王 玥, 魏 棟. 基于BIM的公共建筑CDM低碳融資機制研究[J]. 科技進步與對策, 2013, 30(23): 151-155.

[27] 華 虹, 王曉鳴, 鄧 培, 等. 基于BIM的公共建筑低碳設(shè)計分析與碳排放計量[J]. 土木工程與管理學(xué)報, 2014, 31(2): 62-67.

[28] 王 玥. 基于BIM的建筑項目CDM碳交易機制研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2015.