全生命周期理念下的建筑碳排放測算方法

楊 勇

（中國建筑西北設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710018）

1 建筑項目的全生命周期理論

運用不同的政策評價工具可衡量低碳政策的有效性，具體涉及投入產(chǎn)出模型、凱恩斯系數(shù)等，以此來探尋低碳建筑與社會經(jīng)濟具備的關(guān)系。從建筑全生命周期的角度來看，建筑的碳排放量表現(xiàn)在一次性能源消耗中，因此可計算建筑各階段的碳排放量，圍繞多個階段的數(shù)據(jù)對比分析，加深對低碳建筑的認識，提高決策水平。建筑工程的生命周期延續(xù)性較強，其涵蓋設(shè)計、施工、使用、運維、廢棄拆除等階段，并貫穿始終。建筑項目的技術(shù)類型多、復(fù)雜度高，建設(shè)期間伴有風(fēng)險，因此合理劃分建筑生命周期尤為關(guān)鍵。

本文將建筑分為設(shè)計、施工、運營維護、拆除4個階段，各自涵蓋多項細分內(nèi)容，例如：①設(shè)計階段，圖紙設(shè)計、建材的選擇及運輸；②施工階段，填挖地基、樓房建設(shè)等；③運營維護階段，燃氣消耗、設(shè)備維護等；④拆除階段，模板的拆除與回收。

2 BIM技術(shù)概述

BIM為建筑信息模型，在現(xiàn)代建筑工程領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用。隨著BIM技術(shù)理論的深化及應(yīng)用水平的提高，其在工程建設(shè)中的便捷性、可靠性等多重優(yōu)勢愈發(fā)明顯，構(gòu)建的信息模型具有全面、詳細、準(zhǔn)確等特點，且允許獲取、修改等。在國外，BIM技術(shù)的普及范圍較廣，例如紐約自由塔、都柏林Aviva體育館。在國內(nèi)，BIM的研究起步相對較遲，較之于部分發(fā)達國家尚有諸多有待提升之處，但在相關(guān)人員的不懈努力下正逐步取得顯著的發(fā)展成果。

建筑建設(shè)中，碳排放的控制尤為關(guān)鍵，根據(jù)碳足跡評價標(biāo)準(zhǔn)加以分析，并將碳排放測算領(lǐng)域融入BIM技術(shù)，構(gòu)建適用性較好的碳排放測算模型。將BIM技術(shù)推廣至建筑全生命周期中是行業(yè)發(fā)展的趨勢，能夠?qū)崿F(xiàn)全周期的信息共享目標(biāo)，同時在BIM技術(shù)發(fā)展的同時積極推進GIS技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的進步，并在云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的支撐下提高運營管理水平。在我國的工程建設(shè)中，BIM技術(shù)也正在大放異彩，例如其在中國世博會電網(wǎng)館的應(yīng)用便具有代表性。

3 基于BIM技術(shù)的碳排放測算方法

3.1 碳排放測算的常見方法

縱觀現(xiàn)狀，我國的碳排放測算尚處于起步階段，由于缺乏統(tǒng)一的計算標(biāo)準(zhǔn)，日常工作中存在碳排放數(shù)據(jù)獲取難度大的局限性，在這方面普遍采用國際主流的方法，常見有實測法、排放系數(shù)法、投入產(chǎn)出法、物料衡算法?？紤]到碳排放量計算的便捷性要求，此處綜合考慮BIM技術(shù)和碳排放系數(shù)法，以綜合化的模式確定碳排放量。

3.2 碳排放核算范圍

根據(jù)2014年實施的《建筑碳排放計量標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 374—2014），對建筑全生命周期加以劃分，共產(chǎn)生5個階段，即設(shè)計規(guī)劃、物化、運行維護、拆解、回收，各階段共同組成建筑全生命周期的各項內(nèi)容。

3.3 基于BIM技術(shù)的建筑項目各階段碳排放測算模型

3.3.1 設(shè)計規(guī)劃階段

設(shè)計規(guī)劃階段，時間跨度為設(shè)計單位接到任務(wù)至設(shè)計規(guī)劃完成，建模設(shè)計為重點內(nèi)容，普遍采用Revit建模軟件開展工作。對于此階段的碳排放平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 設(shè)計規(guī)劃階段的碳排放平臺架構(gòu)

設(shè)計規(guī)劃階段，物質(zhì)的使用和設(shè)備的消耗過程中有不同程度的CO2排放現(xiàn)象，是碳排放的主要來源，具體體現(xiàn)在辦公區(qū)照明、空調(diào)等消耗的電能及車輛設(shè)備的燃油消耗等方面。在建筑全生命周期的碳排放量中，設(shè)計階段的占比較小，設(shè)為0.5%。

3.3.2 物化階段

材料生產(chǎn)、施工建造是物化階段的主要碳排放途徑，在碳排放量的計算中，考慮到全面性和準(zhǔn)確性的要求，采用到BIM技術(shù)和碳排放系數(shù)法。依托Revit軟件構(gòu)建建筑物模型，該軟件界面的功能豐富，可為操作者提供明細表功能，以便準(zhǔn)確掌握材料的用量情況。具體計算思路如圖2所示。

圖2 物化階段碳排放量計算流程

物化細分為多個階段，分別計算碳排放量，具體如下。

1）材料生產(chǎn)階段。材料生產(chǎn)和建材運輸是碳排放的主要途徑，因此考慮生產(chǎn)和運輸階段，分別對碳排放量予以計算。

材料生產(chǎn)時：

式（1）中：P1為材料的消耗量，kg；C1為材料的碳排放因子；a為材料回收系數(shù)。

運輸時：

式（2）中：P2為第i種運輸工具耗油量，kg；C2為第i種運輸工具消耗能源的碳排放因子；L1為第i種運輸工具公里數(shù)，km；K為百里與千克換算系數(shù)。

按公式（1）、（2）計算后，確定材料生產(chǎn)、運輸階段的碳排放量，兩者的總和則為生產(chǎn)階段的碳排放總量。

2）施工建造階段。以機械設(shè)備運行過程中消耗的能源所排的CO2為主，按公式（3）計算：

式（3）中：P3為第i種機械每單位臺班消耗量，kg；R為臺班數(shù)；C3為施工機械的碳排放因子。

3.3.3 運行維護階段

從兩個方面考慮運行維護的碳排放量，一是運行時產(chǎn)生，二是運行維護時由于維護工作的開展或是材料的更換而產(chǎn)生。在此階段的碳排放量計算中，可以建立Revit模型，在此前提下，在“族”模塊內(nèi)導(dǎo)入特定的能源設(shè)備。通過Green Building Studio能耗計算軟件的應(yīng)用，便捷地計算出運行維護階段的碳排放量。此外，考慮到Revit文件的可用性要求，將其保存為GbXML格式，目的在于使GBS能夠有效兼容。具體的計算流程如圖3所示。

圖3 運行維護階段的碳排放計算流程

按公式（4）計算，確定運行維護階段的碳排放量：

式（4）中：P4為第i種設(shè)備的碳排放量，kg；Y為建筑運行年限，年。

如前文所述，維護施工、材料更新替換是重要的碳排放途徑，在計算中，根據(jù)具體的情況做針對性的計算。例如全面收集維護記錄，結(jié)合記錄的信息進行統(tǒng)計，確定材料和能源的消耗量。

3.3.4 拆解階段

施工機械拆除建筑物時耗費能源、產(chǎn)生的廢舊材料運輸時耗費能源、針對拆解后的廢棄物做相應(yīng)處理時耗費能源，此時均有碳排放現(xiàn)象，在計算時應(yīng)當(dāng)充分考慮到各細分環(huán)節(jié)。

其中，拆除時的碳排放測算方法，按公式（5）計算：

式（5）中：P5為機械使用第i種能源消耗量，kg；C4為第i種能源碳排放因子。

廢舊建材運輸時：

式（6）中：P6為廢舊需處置的建材量，kg；C5為運輸建材的碳排放因子；L2為路段長度公里數(shù)，km。

在逐一計算各細分環(huán)節(jié)的碳排放量后，取得總和，所得結(jié)果則為建筑全生命周期中拆解階段的碳排放量。

3.4 碳排放因子的選擇

碳排放因子是碳排放計算中不可或缺的要素，從我國現(xiàn)階段的行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r來看，尚未建立統(tǒng)一的碳排放因子庫，主要參照的是《IPCC國家溫室氣體清單編制指南》（2022年），根據(jù)其中的規(guī)定對汽油、煤油等予以確定。

建筑材料的碳排放因子具有確定難度高的特點，為了盡可能保證該項數(shù)據(jù)的合理性，應(yīng)進行實驗，通過此途徑加以驗證，但期間操作要點較多，計算較為復(fù)雜，可能存在確定難度大、確認結(jié)果準(zhǔn)確性有限的問題[1]。為此，通常從既有研究成果中汲取經(jīng)驗，收集相關(guān)的碳排放因子數(shù)據(jù)。具體至建筑施工環(huán)節(jié)，機械設(shè)備的碳排放量占據(jù)較大的比重，具體與電力、汽油、柴油等能源的使用有關(guān)。在確定機械臺班碳排放因子時，需要綜合考慮兩方面內(nèi)容，一是參照《全國統(tǒng)一施工機械臺班費用定額》（2017版），從中提取具有參考價值的信息，二是參考能源碳排放因子，經(jīng)系統(tǒng)性分析后確定機械臺班的碳排放因子。

4 基于實例的建筑全生命周期碳排放測算分析

某棟建筑，建筑面積2 285.058 m2。工程技術(shù)人員用Revit軟件建模。根據(jù)上述分析，BIM技術(shù)在碳排放測算方面具有突出的優(yōu)勢，為加深認識，此處以運行維護階段為例探討該項技術(shù)的應(yīng)用特點。運營期設(shè)定為1年，建模后導(dǎo)出為GbXML文件格式，進而將其導(dǎo)入網(wǎng)頁版GBS，計算建筑物的碳排放量、能耗等關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。計算結(jié)果可完整導(dǎo)出，以便相關(guān)工作人員分析在建筑面積、燃料用量、燃料費、用電量等方面的具體情況，為日常管理工作提供重要的參考。

所提建筑項目的年消耗電量為213 690.8 kW，燃料消耗1 405 640 MJ，根據(jù)項目所在地區(qū)確定電力碳排放因子（0.92 kg/kW·h）。參照《IPCC國家溫室氣體清單編制指南》（2022年），確定能源碳排放因子，具體體現(xiàn)在柴油、汽油等方面。在確定消耗量后，將該數(shù)據(jù)代入公式（4），經(jīng)計算即可確定年碳排放總量，用于反映運行維護階段的實際狀況。

在整個碳排放的測算中，BIM技術(shù)具有舉足輕重的地位，相比于傳統(tǒng)方法，有效提升了碳排放測量工作的便捷性，測算結(jié)果的可靠性也將增強，能夠引導(dǎo)參建方高度重視碳排放控制工作，積極參與到低碳經(jīng)濟的建設(shè)事業(yè)中。

5 減少建筑碳排放量的策略

5.1 物化階段和運營期階段的措施

1）建筑材料的選擇。鑒于我國建筑碳排放量偏高的狀況，建議從建材優(yōu)化的角度著手，盡可能減少建材方面的碳排放量。例如，對建材制造工藝加以升級，開發(fā)具有低碳、低污染特性的綠色環(huán)保建材，減少建材生產(chǎn)環(huán)節(jié)的CO2排放量，同時優(yōu)質(zhì)的建材可起到保溫、隔熱的作用，減少暖通空調(diào)設(shè)備的使用量，降低電能消耗。

2）機械設(shè)備的配套?，F(xiàn)代建筑建設(shè)規(guī)模普遍較大，機械化施工成為主流的趨勢，需配套的機械設(shè)備較多，各類設(shè)備運行時有電能消耗、燃油消耗等現(xiàn)象需要合理配置，提高綠色節(jié)能運行水平。在機械設(shè)備的配套中，除了考慮單臺機械設(shè)備的穩(wěn)定運行要求外，還需注重機械設(shè)備間的協(xié)同性，以保證整體運行效果。此外，對發(fā)電方式加以升級也具有必要性，例如積極采用太陽能、風(fēng)力等清潔能源。

3）運營期的管控。在建筑全生命周期中，運營階段的碳排放量較大，合理采取節(jié)能措施具有必要性。圍護結(jié)構(gòu)是建筑物外圍組成部分，具有保溫、通風(fēng)、遮陽的作用，合理設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)有助于減少建筑使用階段的碳排放量。在設(shè)施選擇方面，照明、空調(diào)等均應(yīng)優(yōu)先考慮節(jié)能型設(shè)備，且可以考慮栽種綠植的方法，以提高氯化碳匯率（碳吸收和儲存量與碳產(chǎn)生和排放量之比），實現(xiàn)對碳排放量的有效控制。

5.2 建立并持續(xù)完善碳排放因子數(shù)據(jù)庫

多途徑收集資料，系統(tǒng)性整理，建立碳排放因子庫，并隨著工程建設(shè)事業(yè)的發(fā)展逐步完善，從而得到日益成熟的碳排放因子數(shù)據(jù)庫，為低碳設(shè)計提供重要的參考，由此提高低碳設(shè)計水平，降低碳排放量。

5.3 提高BIM技術(shù)在碳排放測算中的應(yīng)用水平

基于全生命周期的計算是碳排放計量常用的方法，而BIM技術(shù)和碳排放分析軟件結(jié)合的方式則更具可行性，原因在于BIM技術(shù)具有較強的數(shù)據(jù)集成能力，同時配套軟件的分析功能較強，有助于推動碳排放測算工作的順利開展，保證測算結(jié)果的可靠性。參建方應(yīng)對BIM碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)形成深入的認識，就碳排放信息加強溝通，積極開展設(shè)計和管理工作，盡可能減少建筑全生命周期的碳排放量。對于政府部門，建議其注重BIM技術(shù)的應(yīng)用推廣，給予政策層面的支持，有效發(fā)揮出其在碳排放測算方面的作用，給日常測算工作的開展提供可靠的技術(shù)支撐。

5.4 實施建筑碳交易策略

政府相關(guān)部門緊密結(jié)合實際狀況，以因地制宜的方式規(guī)劃建筑碳排放基準(zhǔn)線，以便有效采取碳排放量控制措施。在建筑工程中，若碳排放量未達到基準(zhǔn)線，則將多余的碳排放權(quán)在碳排放市場售賣，以滿足其他企業(yè)的需求，從而創(chuàng)造經(jīng)濟效益[2-3]。反之，若部分建筑項目的實際碳排放量超出基準(zhǔn)線，為了順利推動后續(xù)工作的開展，可以從碳排放市場購買碳排放權(quán)。在售賣與購買的方式下，營造均衡的發(fā)展環(huán)境。

6 結(jié)語

綜上所述，本文從建筑全生命周期的視角切入，對建筑碳排放測算的思路與方法展開探討，提出BIM技術(shù)與碳排放測評軟件GBS相綜合的方案，其優(yōu)勢在于可高效測算碳排放量。但縱觀現(xiàn)狀，我國的建筑碳排放量測算技術(shù)仍有較大的進步空間，在未來的探索中，工程技術(shù)人員應(yīng)在既有方法的基礎(chǔ)上加以突破，以此來推動碳排放量測算技術(shù)的進步，為低碳經(jīng)濟發(fā)展助力。