基于建筑信息模型的全生命周期碳排放測(cè)算及對(duì)策

馬彩云 賴芨宇 潘 杰 陳靜怡 孫華威

（1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002;2.福建省建融工程咨詢有限公司，福建 福州 350001）

根據(jù)2017年編制的《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒-2017》能源統(tǒng)計(jì)可以得出工業(yè)、建筑業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)是排放溫室氣體的三大重點(diǎn)控制領(lǐng)域。[1]從聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)發(fā)布的第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告可以得出建筑消耗的能源大約占到40%，該占比引起全球各國(guó)重視，同時(shí)也成為全球關(guān)注的減碳焦點(diǎn)行業(yè)。[2]我國(guó)在2009年的《哥本哈根協(xié)議》中便提出這樣一個(gè)目標(biāo)：2020年單位GDP(國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值)CO2排放與2005年相比下降40%～45%，緊接著2015年中國(guó)政府在巴黎氣候變化大會(huì)上又對(duì)世界作出承諾：到2030年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降60%～65%。[3]本文基于建筑信息模型(building information modeling)技術(shù)對(duì)全生命周期的碳排放進(jìn)行測(cè)算并提出對(duì)策，相對(duì)于傳統(tǒng)的碳排放測(cè)算能夠?qū)?020年的碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到推動(dòng)作用。

1 目前研究現(xiàn)狀

1.1 碳排放的研究現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行整理得出國(guó)外的一些學(xué)者主要是在全生命周期清單的基礎(chǔ)上對(duì)建筑物碳排放量進(jìn)行測(cè)算。G．Verbeeck等[4]學(xué)者基于全生命周期清單建立了碳排放模型，并對(duì)五種不同結(jié)構(gòu)的比利時(shí)建筑物的碳排放量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得出建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的碳排放對(duì)建筑環(huán)境的影響非常大；Leif Gustavsson等[5]學(xué)者基于全生命周期，針對(duì)全生命周期的各個(gè)階段碳排放量采用排放系數(shù)法進(jìn)行計(jì)量，并且以自下而上的方法對(duì)一座瑞典的木結(jié)構(gòu)住宅建筑物的碳排放總量以及能源消耗量進(jìn)行了計(jì)量。國(guó)內(nèi)多數(shù)學(xué)者大多也都是以全生命周期和施工過(guò)程的角度對(duì)建筑碳排放進(jìn)行考慮。華虹等[6]以一棟公共建筑物為實(shí)例，建立了碳排放計(jì)量清單的構(gòu)成和分析流程，指出全生命周期的運(yùn)營(yíng)階段對(duì)建筑物能耗影響比較大；尚春靜等[7]基于建筑全生命周期對(duì)木質(zhì)、輕鋼、鋼筋混凝土不同結(jié)構(gòu)的建筑物碳排放量進(jìn)行測(cè)算，得出木質(zhì)結(jié)構(gòu)的建筑物在三種結(jié)構(gòu)中的碳排放量最低。

1.2 BIM 的研究現(xiàn)狀

BIM的概念引入建筑行業(yè)的時(shí)間較晚，于2002年才被引入且被作為建筑業(yè)信息化的標(biāo)志。BIM在我國(guó)被翻譯為建筑信息模型。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織設(shè)施信息委員會(huì)對(duì)BIM進(jìn)行了定義：建筑信息模型(BIM)是在開(kāi)放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)設(shè)施的物理和功能特性及其相關(guān)的項(xiàng)目生命周期信息的可計(jì)算或運(yùn)算的形式表現(xiàn)，與建筑信息模型相關(guān)的所有信息組織在一個(gè)連續(xù)的應(yīng)用程序中，并允許進(jìn)行獲取、修改等操作。[8]目前BIM技術(shù)在很多國(guó)家都得到了普及，例如美國(guó) 高達(dá)541．3m的紐約自由塔、愛(ài)爾蘭都柏林的Aviva體育館。

我國(guó)對(duì)BIM的研究起步較晚，不及國(guó)外BIM技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展程度。李兵等[9]通過(guò)碳足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑施工中排放的碳源進(jìn)行整理，首次提出利用BIM技術(shù)對(duì)施工過(guò)程中的碳排放進(jìn)行測(cè)算并給出了碳排放測(cè)算模型。在2016年國(guó)家住建部發(fā)布的《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中便提出BIM技術(shù)作為“十三五”建筑業(yè)重點(diǎn)推廣的技術(shù)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑全生命周期的信息共享，并明確提出大力推進(jìn)BIM、GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)開(kāi)展規(guī)劃、設(shè)計(jì)，并基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等的運(yùn)營(yíng)管理。我國(guó)目前也有很多工程項(xiàng)目應(yīng)用到了BIM技術(shù)如中國(guó)世博會(huì)電網(wǎng)館，北京政務(wù)服務(wù)中心等。

2 基于BIM技術(shù)的碳排放測(cè)算方法

2.1 碳排放測(cè)算基本方法

由于我國(guó)的碳排放測(cè)算處于起步階段，項(xiàng)目碳排放數(shù)據(jù)獲取困難，主要因?yàn)槿鄙俳y(tǒng)一的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，所以目前我國(guó)碳排放測(cè)算主要采用國(guó)際上常用的以下四種方法：實(shí)測(cè)法、物料衡算法、排放系數(shù)法、投入產(chǎn)出法，為了更方便地計(jì)量碳排放量，所以本文將BIM技術(shù)和碳排放系數(shù)法進(jìn)行結(jié)合從而獲取碳排放量。

2.2 碳排放核算范圍的界定

張智慧等將建筑全生命周期分為三個(gè)階段分別為物化階段、使用階段和建筑物拆除階段。本文主要結(jié)合我國(guó)2014年開(kāi)始施行的《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)建筑全生命周期進(jìn)行劃分，分別為設(shè)計(jì)規(guī)劃階段、物化階段(材料生產(chǎn)階段、施工建造階段)、運(yùn)行維護(hù)階段、拆解階段和回收階段。[10]

2.3 基于BIM技術(shù)的碳排放測(cè)算模型

2．3．1 設(shè)計(jì)規(guī)劃階段

設(shè)計(jì)規(guī)劃階段是指設(shè)計(jì)單位從接到工程項(xiàng)目任務(wù)開(kāi)始到設(shè)計(jì)規(guī)劃結(jié)束，該階段采用Revit建模軟件對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。圖1為設(shè)計(jì)規(guī)劃階段的碳排放平臺(tái)的構(gòu)成。

圖1 設(shè)計(jì)規(guī)劃階段的碳排放平臺(tái)的構(gòu)成

對(duì)于設(shè)計(jì)規(guī)劃階段本身的碳排放量主要來(lái)源于是使用的物質(zhì)和設(shè)備消耗所排放的CO2。其中包括辦公區(qū)的照明、空調(diào)、車輛設(shè)備等消耗的電能和燃油以及生活區(qū)所消耗的電能、燃?xì)獾龋撾A段的碳排放量占比少，所以本文將設(shè)計(jì)階段的碳排放量百分比設(shè)為0．5%。

2．3．2 物化階段

物化階段的碳排放主要分為兩個(gè)部分，分別為材料生產(chǎn)階段和施工建造階段，該階段的碳排放量計(jì)量可以將BIM技術(shù)和上文所提及的碳排放系數(shù)法相結(jié)合。首先要用Revit Architecture構(gòu)建建筑物模型，Revit界面內(nèi)有明細(xì)表功能，可得到所有材料用量。Revit內(nèi)明細(xì)表界面如圖2所示。

圖2 Revit2018中的明細(xì)表

圖3 物化階段碳排放量計(jì)算流程

對(duì)物化階段的碳排放計(jì)算根據(jù)圖3且該階段計(jì)算模型如下：

(1)材料生產(chǎn)階段的碳排放量主要從材料生產(chǎn)時(shí)的碳排放量以及建材在運(yùn)輸期間的碳排放量著手。

材料生產(chǎn)中碳排放量測(cè)算公式如下：

Pi為各部分建筑材料的消耗量，Ci為各建筑材料的碳排放因子，ai為建筑材料回收系數(shù)。

運(yùn)輸階段的碳排放量測(cè)算公式如下：

Pi為第i種運(yùn)輸工具公里耗油量，Li為第i種運(yùn)輸工具公里數(shù)，Ci為第i種運(yùn)輸工具公里所消耗能源的碳排放因子，K指百里與千克換算系數(shù)。

綜上材料生產(chǎn)階段碳排放總量ECLSC=ESC+EYS

(2) 施工建造階段

施工建造階段的碳排放量主要是建筑施工時(shí)各種機(jī)械設(shè)備消耗的能源所排放出的二氧化碳，其測(cè)算模型如下：

Pi為第i種施工機(jī)械每單位臺(tái)班消耗量；Ri為第i種施工機(jī)械的臺(tái)班數(shù)；Ci為第i種施工機(jī)械的碳排放因子。

2．3．3 運(yùn)行維護(hù)階段

運(yùn)行維護(hù)階段分為兩個(gè)部分：一是運(yùn)行階段產(chǎn)生的碳排放量，二是運(yùn)行維護(hù)階段材料更新替換和維護(hù)施工過(guò)程時(shí)產(chǎn)生的碳排放量。運(yùn)行維護(hù)階段的碳排放量可以在Revit模型建立后，在“族”模塊內(nèi)導(dǎo)入所需要的能源設(shè)備。該階段碳排放量可以結(jié)合基于云端的Green Building Studio能耗計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。并且要將Revit文件保存為GBS能夠兼容的gbXML格式。圖4為運(yùn)行維護(hù)階段的碳排放計(jì)算流程圖。

圖4 運(yùn)行維護(hù)階段的碳排放計(jì)算流程圖

(1)運(yùn)行階段產(chǎn)生的碳排放量測(cè)算模型如下：

Pi為第i種設(shè)備的碳排放量；Yi為建筑運(yùn)行年限。

運(yùn)行維護(hù)階段材料更新替換和維護(hù)施工過(guò)程產(chǎn)生的碳排放量根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，可以根據(jù)維護(hù)記錄對(duì)材料和能源的消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2．3．4 拆解階段

拆解階段的碳排放量主要來(lái)源于施工機(jī)械拆除建筑物所消耗的能源、廢舊建材運(yùn)輸以及廢棄物處理時(shí)產(chǎn)生的碳排放，其拆除過(guò)程碳排放測(cè)算模型如下：

Pi為機(jī)械使用第i種能源消耗量；Ci為第i種能源碳排放因子。

廢舊建材運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放測(cè)算模型如下：

P為廢舊需處置的建材數(shù)量；C為不同種運(yùn)輸方式下運(yùn)輸單位建材的碳排放因子；L為運(yùn)輸距離；i為建材種類；j為運(yùn)輸方式。

綜上拆解階段碳排放量為ECJ=ECJ1+ECJ2。

根據(jù)一些文獻(xiàn)進(jìn)行例證該階段占全生命周期碳排放量?jī)H為1%，所以一般該階段的碳排放量按照建造階段碳排放量的10%進(jìn)行估算。[6]

2．3．5 回收階段

回收階段的碳排放量其測(cè)算模型如下：

P為材料數(shù)量；K為回收材料系數(shù)；C為回收材料的碳排放因子；i為材料種類。

2.4 碳排放因子的選擇

碳排放因子是用于量化單位活動(dòng)水平數(shù)據(jù)的碳排放量，對(duì)于計(jì)算碳排放量是重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。[10]目前我國(guó)沒(méi)有建立統(tǒng)一的碳排放因子庫(kù)，對(duì)于能源碳排放因子如汽油、煤油、柴油等主要根據(jù)《IPCC國(guó)家溫室氣體清單編制指南》(2006年)確定。電力能源碳排放因子主要參考《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》確定。

對(duì)于建筑材料的碳排放因子是比較難以確定的一項(xiàng)，需要大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算較為復(fù)雜，很難進(jìn)行確定。主要通過(guò)對(duì)大量學(xué)者的研究成果進(jìn)行收集獲取。

建筑施工階段機(jī)械的碳排放主要來(lái)源于對(duì)汽油、柴油和電力等能源的使用，對(duì)于機(jī)械臺(tái)班碳排放因子結(jié)合《全國(guó)統(tǒng)一施工機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》(2017版)以及能源碳排放因子，便可獲取機(jī)械臺(tái)班的碳排放因子。

3 碳排放測(cè)算實(shí)例驗(yàn)證

本文以福建省某棟辦公建筑物為模型，建筑面積為2285．058平方米。首先通過(guò)Revit進(jìn)行模型建立，模型如圖5所示，本文選取建筑物生命周期中運(yùn)行維護(hù)階段最能體現(xiàn)BIM技術(shù)利用到碳排放測(cè)算的一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)置運(yùn)營(yíng)期定為1年，將Revit建立的三維模型以gbXML文件格式導(dǎo)出，然后將gbXML格式文件成功導(dǎo)入網(wǎng)頁(yè)版GBS，GBS是基于云端的可以快速地計(jì)算建筑物的全年能耗、成本以及碳排放量等數(shù)據(jù)。計(jì)算完成后導(dǎo)出的數(shù)據(jù)表格見(jiàn)下表。該表格分為八個(gè)部分，分別為建筑類型、房屋面積、全年電費(fèi)、全年燃料費(fèi)、全年用電需求、全年用電量、全年燃料用量以及全年能源使用密度。

圖5 基于Revit軟件的某辦公樓模型

通過(guò)下表可以得出 建筑能耗計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)整個(gè)建筑物年消耗電能為213690．8kw，全年燃料消耗量為1405640MJ。福建省屬于華東區(qū)域，本文根據(jù)《省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行)》確定電力碳排放因子為0．92kg/kw·h。對(duì)于能源碳排放因

子如汽油、煤油、柴油等主要根據(jù)《IPCC國(guó)家溫室氣體清單編制指南》(2006年)確定。將該建筑模型的能源消耗量帶入式(4)，便可以得出該辦公室運(yùn)行維護(hù)階段的年碳排放總量為266001．120kg。

辦公室建筑GBS建筑全年能耗計(jì)算表

從該實(shí)例可以看出將BIM技術(shù)用在碳排放的測(cè)算中，能夠使碳排放測(cè)量工作較傳統(tǒng)工作更加快捷同時(shí)能夠吸引更多參建方參與到低碳經(jīng)濟(jì)的建設(shè)中。本文由于篇幅有限，所以只選取了全生命周期的運(yùn)行維護(hù)階段進(jìn)行了碳排放量的測(cè)算，后面會(huì)選取更多的案例來(lái)驗(yàn)證本文的論點(diǎn)。

4 減少碳排放對(duì)策

4.1 針對(duì)物化階段和運(yùn)營(yíng)期階段碳排放量建議采取以下措施。

(1)建筑材料。我國(guó)的建筑碳排放量遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家，其中建筑材料的能源利用率有很大的改善空間?，F(xiàn)階段可以改善施工工藝進(jìn)行清潔生產(chǎn)開(kāi)發(fā)低碳、無(wú)污染、低輻射的綠色建材，不僅可以節(jié)省能源、減少建材在生產(chǎn)中排放CO2，還可以改善建筑物的保溫、隔熱等功能。

(2)施工機(jī)械設(shè)備。施工建造階段會(huì)大量地使用施工機(jī)械設(shè)備，所以施工前要做好施工組織設(shè)計(jì)，科學(xué)安排施工順序和提供足夠的工作面進(jìn)行施工，提高施工技術(shù)和工藝，從而減少碳排放量。同時(shí)應(yīng)使用清潔能源，如可以利用太陽(yáng)能、水力、風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電。

(3)運(yùn)營(yíng)期設(shè)備。運(yùn)營(yíng)階段的碳排放量是全生命周期中耗能最大的階段，所以在建筑設(shè)計(jì)階段要考慮節(jié)能措施。對(duì)于建筑物的維護(hù)結(jié)構(gòu)可以提高其遮陽(yáng)、保溫、通風(fēng)等性能，從而減少建筑使用階段的能源碳排放量。對(duì)于該階段的照明、采暖、空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選擇節(jié)能性的設(shè)備，并且可以栽種綠植增加建筑綠化碳匯率，運(yùn)營(yíng)期階段的碳排放量才會(huì)得到最大化的控制。

4.2 建立完整的碳排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)對(duì)大量的文獻(xiàn)整理，可以得出我國(guó)目前并沒(méi)有對(duì)碳排放因子庫(kù)進(jìn)行整理和收集，只有建立了完整的碳排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)，才能更好地進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)。

4.3 推廣BIM技術(shù)在碳排放測(cè)算中的應(yīng)用。

目前對(duì)于碳排放的計(jì)量很多都是基于全生命周期進(jìn)行計(jì)算，很少通過(guò)BIM技術(shù)和碳排放分析軟件的結(jié)合。BIM技術(shù)具有全面的數(shù)據(jù)信息集成能力。靈活的數(shù)據(jù)處理能力以及可視化的數(shù)據(jù)管理能力，結(jié)合碳排放分析軟件Green Building Studio能夠及時(shí)進(jìn)行碳排放量統(tǒng)計(jì)。同時(shí)各參建方可以基于BIM碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)就碳排放信息隨時(shí)進(jìn)行溝通與交流，很大程度上減少施工階段的碳排放量。我國(guó)政府應(yīng)大力推廣和給予BIM技術(shù)在建筑物碳排放測(cè)算上應(yīng)用的支持。

4.4 大力推動(dòng)建筑碳交易實(shí)施

政府相關(guān)部門可以根據(jù)各地具體情況設(shè)置建筑碳排放量基準(zhǔn)線，該基準(zhǔn)線可以作為控制建設(shè)各方碳排放量的標(biāo)準(zhǔn)線。當(dāng)建筑項(xiàng)目的碳排放量沒(méi)有達(dá)到碳交易所設(shè)定的碳排放基準(zhǔn)線時(shí)，企業(yè)可以將多余的碳排放權(quán)在碳排放市場(chǎng)進(jìn)行售賣給別的企業(yè)，同理當(dāng)建筑項(xiàng)目超過(guò)碳排放基準(zhǔn)線時(shí)就要從碳排放市場(chǎng)進(jìn)行購(gòu)買碳排放權(quán)。同時(shí)政府對(duì)低于碳排放基準(zhǔn)線的企業(yè)進(jìn)行補(bǔ)貼獎(jiǎng)勵(lì)，既能夠從碳排放源頭降低建筑碳排放又能夠提高各企業(yè)參與低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的積極性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于建筑信息模型的的全生命周期對(duì)建筑碳排放模型進(jìn)行建立，通過(guò)BIM技術(shù)與碳排放測(cè)評(píng)軟件GBS進(jìn)行結(jié)合以方便快速地進(jìn)行碳排放測(cè)算并對(duì)減少碳排放提出了建議。但我國(guó)目前的建筑碳排放計(jì)量技術(shù)比較落后，低碳節(jié)能技術(shù)也比較落后。利用BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的模擬，同時(shí)采用“云”技術(shù)能夠建立碳排放協(xié)同管理平臺(tái)，各參建方能夠隨時(shí)地通過(guò)不同的移動(dòng)客戶端對(duì)碳排放量進(jìn)行跟蹤以便進(jìn)行碳排放控制。本文認(rèn)為提高碳排放計(jì)量技術(shù)對(duì)企業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排有很大的指導(dǎo)意義，同時(shí)能進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)的低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展。