基于BIM 的裝配式建筑低碳建設(shè)管理技術(shù)分析

文/程安春 金仁才 宋志強 錢元弟 黃金坤 魏鵬飛 南勃（中國十七冶集團有限公司）

一、引言

溫室氣體排放量的激增，不斷引起全球氣溫上升，導致冰川融化、海平面上升、洪水、熱浪及森林火災等一系列自然災害頻繁發(fā)生，而建筑領(lǐng)域是我國溫室氣體排放的重要來源之一，控制和優(yōu)化建筑業(yè)碳排放將有助于減緩溫室效應的發(fā)展。

裝配式建筑因建設(shè)周期短、節(jié)約材料和能源、建筑垃圾產(chǎn)生少，在我國建筑領(lǐng)域作為節(jié)能減排的重要綠色建造方式而得到大力推廣應用。BIM作為一種先進數(shù)字技術(shù)，其通過與裝配式建筑的深度融合，將有效減少建筑業(yè)的各種浪費，降低建筑業(yè)碳排放，實現(xiàn)建筑物建造階段碳排放計算流程標準化。

對于BIM裝配式建筑低碳建設(shè)技術(shù)，國內(nèi)外一些學者開展了相關(guān)研究。周紅波通過研究低碳施工的影響因素與控制措施，指出施工階段碳排放是全生命周期中資源消耗量和CO2氣體排放量最大的一環(huán)，其中施工工序、施工材料和施工機械對碳排放影響很大。徐靜通過研究雙碳背景下建筑企業(yè)裝配式建筑綠色低碳發(fā)展路徑，得出在建筑物物化階段碳排放總量中，建材生產(chǎn)階段和現(xiàn)場施工階段的碳排放貢獻最大；另外，采用裝配式建筑規(guī)模化生產(chǎn)方式，一定程度上可減少建材消耗、建筑垃圾產(chǎn)生和生產(chǎn)活動中其他能源消耗，且與現(xiàn)澆部分相比，裝配式部分碳排放量可降低20%左右。Heydarian 等通過將BIM模型與相關(guān)算法結(jié)合，分析了設(shè)備的布置和行為，使得建筑生產(chǎn)率和碳足跡得到監(jiān)控；Hajibabai 等通過將BIM 和GIS 結(jié)合，分析了碳排放，該模型可以提高資源分配和可視碳排放動態(tài)。許劼通過將BIM技術(shù)融入施工過程低碳管理的信息流程，借助BIM技術(shù)對施工過程碳排放進行管理，實現(xiàn)了碳排放測算可視化、碳排放分析及碳排放成本測算。

二、項目概況

北京古月佳園置換房二標段項目位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)，臨近北京城市副中心，地處北京長安街延長線東端，是京杭大運河北起點、首都北京東大門，位于環(huán)渤海經(jīng)濟圈中核心樞紐部位，圖1 為項目位置示意。

本項目建筑面積為66543.27 平方米，主要包括2棟裝配式住宅樓及相關(guān)配套設(shè)施，其中3#住宅樓地上18 層，4#住宅樓地上20 層，每棟住宅樓均為地下4 層，住宅樓結(jié)構(gòu)形式為裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)，項目預制率為40%。配套設(shè)施結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)，圖2 為項目模型效果。

圖2 項目模型效果圖

三、項目低碳建設(shè)技術(shù)難點及應對措施

結(jié)合裝配式建筑施工特點，項目立足于從建筑材料生產(chǎn)加工直至主體結(jié)構(gòu)竣工的物化階段，定義建筑物物化階段碳足跡四種來源，包括建筑材料、施工機械、材料運輸及施工現(xiàn)場人工活動，分析項目低碳建設(shè)技術(shù)難點，主要包括碳排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫不充分、碳排放測算評價體系不完備、項目碳排放目標制定無經(jīng)驗。針對以上技術(shù)難點，項目制定了從文獻查閱、碳排放計算模型和數(shù)據(jù)庫建立、碳足跡分析、低碳目標提出、基于BIM的降碳措施的一套低碳建設(shè)實施流程，利用BIM深化施工過程碳排放各項技術(shù)要點，提出材料使用降碳、施工工藝降碳、運輸過程降碳、能源使用降碳、運維管理降碳五個方面低碳建設(shè)措施，建立建筑施工全過程碳排放信息模型，達到降低施工碳排放的目標。

四、基于BIM 的低碳建設(shè)管理關(guān)鍵技術(shù)

1.碳排放計算模型建立技術(shù)

本項目施工碳排放包括完成各分部分項工程施工產(chǎn)生的碳排放和各項措施項目實施過程產(chǎn)生的碳排放，根據(jù)建筑工程定額中提供的人工、材料和機械消耗量數(shù)據(jù)，結(jié)合《建筑碳排放計算標準》（GB/T 51366—2019)、中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（CLCD）及相關(guān)文獻中碳足跡因子，基于施工工序能耗估算法創(chuàng)建碳排放計算模型，進而利用BIM模擬選取最少碳排放施工工藝方案。

2.碳排放計算方法及技術(shù)措施

根據(jù)碳排放計算模型和基于BIM 的低碳建設(shè)實施流程，將本工程碳排放計算劃分為材料使用、施工工藝、運輸過程、能源使用及運維管理五大方面，利用BIM施工模擬特性對不同施工工藝進行建材消耗量、人工消耗量、機械使用量計算，通過對比計算結(jié)果選擇碳排放較低的施工工藝方案，以完成低碳建設(shè)目標。

（1）材料使用降碳。本項目利用BIM技術(shù)對ALC條板、BM連鎖砌塊等二次結(jié)構(gòu)進行深化，建立了從二次結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建、節(jié)點深化、模型調(diào)整到模型指導施工的實施流程。具體包括對門窗洞口等拼裝節(jié)點進行深化，生成不同ALC 條板排版設(shè)計方案，完成不同方案下材料切割損耗分析，以便配料和減少現(xiàn)場切鋸工作量，如圖3 所示；利用提前建立的BM連鎖砌塊排磚模型，精確砌塊用料計算，減少棄磚量，節(jié)約砂漿與混凝土用量，如圖4 所示。通過BIM二次結(jié)構(gòu)深化達到減少材料損耗，實現(xiàn)材料使用降碳。

圖3 拼裝節(jié)點深化

圖4 BM 連鎖砌塊排磚樣板模型

（2）施工工藝降碳。本項目利用BIM技術(shù)從提高一次成品率、優(yōu)化施工工藝和深化裝配式施工三個方面來實現(xiàn)施工工藝降碳。

提高一次成品率：利用BIM技術(shù)提前進行圖紙會審，規(guī)避質(zhì)量隱患。將地庫機電管線與一標段貫通，采用BIM模型與一標段進行協(xié)同處理，合理優(yōu)化支吊架數(shù)量和形式，并結(jié)合土建模型，對機電與結(jié)構(gòu)碰撞處進行開洞，提高預埋精確度。創(chuàng)建地上機電管井排布模型，優(yōu)化室外工程管線及污水管、雨水管等重力管排布，如圖5 所示。通過以上措施，提高一次成品率，避免返工。

圖5 機電管線優(yōu)化

優(yōu)化施工工藝：本項目基坑深度16 米，與一標段在同一個地塊施工，利用BIM技術(shù)提前規(guī)劃好出土路線和開挖順序，與一標段協(xié)調(diào)錯開，優(yōu)化工序銜接，如圖6 所示。對屋面鋼結(jié)構(gòu)工程進行深化設(shè)計，建立吊籃布置BIM三維分析模型，實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)骨架與吊臂集中碰撞處的間距優(yōu)化調(diào)整，指導鋼結(jié)構(gòu)與吊籃安裝，同時創(chuàng)建屋面鋪磚樣板、屋面分隔縫、防水及通風樣板BIM模型，進一步優(yōu)化屋面施工。通過生成臨邊防護BIM模型，進行安全分析，并對生活區(qū)、地庫內(nèi)進行疏散模擬分析，如圖7 所示。BIM與VR 結(jié)合輔助模擬交底，優(yōu)化現(xiàn)場安全管理。借助Iphone 激光雷達，建立各戶型內(nèi)精裝修成品輕量化樣板模型，利用Dynamo錄入施工原始記錄，完善竣工模型，將優(yōu)化后模型保存至SQL 數(shù)據(jù)庫中，做好竣工交付準備。通過以上措施，優(yōu)化施工工藝，減少人、機投入。

圖6 土方開挖協(xié)調(diào)分區(qū)及路線演示

圖7 生活區(qū)疏散模擬分析動畫

深化裝配式施工：通過BIM參數(shù)化設(shè)計方式，拆分PC 構(gòu)件，利用Dynamo 進行參數(shù)化建模，提前建立預制構(gòu)件族庫，完成預制墻板預埋管線深化設(shè)計、構(gòu)件鋼筋交匯密集處碰撞檢測、重型預制構(gòu)件吊點力學性能計算、預制墻板支模埋件預留孔位調(diào)整、斜支撐位置調(diào)整、豎向支撐體系應力分析、鋁模拼裝布置深化、裝配式構(gòu)件進度優(yōu)化。通過以上措施，深化裝配式施工，減少“錯、漏、碰、缺”問題，降低預埋管線使用量，控制墻板交接位置漏漿。

（3）運輸過程降碳。建立動態(tài)的施工場地布置BIM模型，采用遺傳算法優(yōu)化臨時設(shè)施布置，估算各臨時設(shè)施需求面積，綜合考慮現(xiàn)場設(shè)施之間物料流動、成本權(quán)重與安全環(huán)境等因素，設(shè)立場地布置成本管理和安全性能目標函數(shù)，借助MATLAB 計算出最優(yōu)化方案，如圖8 所示，以減少物料運輸和搬運距離，通過運行模擬避免大型機械碰撞，減少機械臺班，實現(xiàn)運輸過程降碳。

圖8 MATLAB 多目標計算

（4）能源使用降碳。利用BIM提前策劃出臨建方案，對辦公區(qū)和生活區(qū)布置進行自然光光照分析，模擬場地內(nèi)監(jiān)控位置，減少電能使用，實現(xiàn)能源使用降碳。

（5）運維管理降碳。利用Iphone 激光雷達建立電子樣板，留做項目質(zhì)量管理備份，以構(gòu)件編碼為紐帶，通過Dynamo 編程自動錄入施工原始記錄，初步實現(xiàn)數(shù)模分離，完成竣工模型電子交付，形成無紙化辦公，實現(xiàn)運維管理降碳。

五、結(jié)語

本文以北京古月佳園置換房二標段裝配式住宅項目為例，通過對項目低碳建設(shè)技術(shù)難點的總結(jié)，提出基于BIM 的裝配式建筑低碳建設(shè)管理技術(shù)應對措施，在助推項目低碳建設(shè)過程中取得了一定的成效：

（1）利用BIM 技術(shù)進行裝配式建筑深化設(shè)計，通過碰撞檢查、管線綜合提前發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化設(shè)計問題和圖紙錯誤339 處，避免了施工過程返工。

（2）利用BIM 進行項目進度管理應用，大大提高了項目計劃的可行性，通過BIM施工方案模擬實現(xiàn)了施工組織設(shè)計和專項施工方案的優(yōu)化，縮短了施工工期。

（3）利用BIM進行施工工藝優(yōu)化，從材料控制、能源節(jié)約、工藝優(yōu)化等各方面強化了減碳措施，充分發(fā)揮了BIM在項目低碳建設(shè)過程管理中的優(yōu)勢。

（4）通過將BIM與智慧工地數(shù)字決策系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時匯總與分析，助力碳排放數(shù)據(jù)庫的建立。

（5）創(chuàng)建的建筑物建造階段能耗和資源消耗數(shù)據(jù)信息模型，進一步優(yōu)化了碳排放量計算，為項目低碳管理決策提供數(shù)據(jù)支撐，并通過質(zhì)量管理、生產(chǎn)管理等管理系統(tǒng)匯集質(zhì)量數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進而從質(zhì)量提升、施工優(yōu)化等方面降低了施工碳排放。

綜上所述，裝配式建筑是實現(xiàn)建筑業(yè)“雙碳”目標的重要技術(shù)路徑，實施基于BIM的裝配式建筑全過程低碳建設(shè)管理，更是有效降低裝配式建筑建造過程中碳排放的關(guān)鍵所在。本項目在采用裝配式建筑工廠統(tǒng)一加工、現(xiàn)場安裝方式來降低材料損耗和減少人工投入的基礎(chǔ)上，借助BIM深化手段，對臨時堆場、吊裝設(shè)備布置、砌筑與精裝修施工、危大方案、裝配式構(gòu)件等主要施工工藝進行深化，大大減少了施工返工，提升了安裝效率，進一步節(jié)約了材料用量，降低了建造過程中的碳排放，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，對推動企業(yè)裝配式建筑業(yè)務(wù)的綠色低碳轉(zhuǎn)型，促進我國“雙碳”目標的實現(xiàn)具有重要的意義。