基于BIM 的碳排放預(yù)測(cè)及低碳城軌設(shè)計(jì)分析

常麗燕，張 釗

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545001）

0 引言

“雙碳”戰(zhàn)略是新時(shí)代城軌行業(yè)發(fā)展的重大機(jī)遇。城軌行業(yè)需要充分利用其獨(dú)特的資源，并積極響應(yīng)國(guó)家的政策，完善其基礎(chǔ)設(shè)施，加強(qiáng)對(duì)新技術(shù)的研究，搭建完善的能源監(jiān)測(cè)平臺(tái)，大力發(fā)展可再生能源，完善城軌的用電、節(jié)電等方面的標(biāo)準(zhǔn)，并且要加強(qiáng)城軌的智慧城軌，將其作為實(shí)現(xiàn)城軌節(jié)能減排的重要工具，從而實(shí)現(xiàn)城軌的高品質(zhì)、可持續(xù)的發(fā)展。

1 BIM 技術(shù)基本概念

建筑信息模型（building information modeling, BIM）在制造、建設(shè)等領(lǐng)域得到了大量的運(yùn)用，為提高建筑工程的質(zhì)量和效率提供了有力的支持，現(xiàn)已成為一個(gè)廣泛使用的建筑工程管理方法。

BIM 技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)包括：信息系統(tǒng)完整、對(duì)象參數(shù)化、3D 模擬以及多樣的結(jié)果輸出。它不僅能夠幫助企業(yè)提高工程管理水平，還能夠提升項(xiàng)目的效率和質(zhì)量，從而為企業(yè)提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。在整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的執(zhí)行過(guò)程中，采用數(shù)字技術(shù)來(lái)展示所有相應(yīng)的內(nèi)容，并利用3D 技術(shù)來(lái)構(gòu)造出真正的建筑物形態(tài)，以及利用協(xié)作的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為整個(gè)工作流程提供依托。BIM 技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用可以從3 個(gè)方向進(jìn)行：首先，利用BIM 軟件，如Sketchup、Revit、CATIA，對(duì)建筑物的空間、物理、力學(xué)和物理、建筑材料進(jìn)行模擬，并以各種參數(shù)和屬性的方式，對(duì)建筑物的細(xì)節(jié)進(jìn)行建模，以更好地反映建筑物的整體外觀，以滿足建筑設(shè)計(jì)的需求。BIM 技術(shù)能夠有效地幫助我們實(shí)現(xiàn)從建筑規(guī)劃、長(zhǎng)期評(píng)估、成本核算、模擬驗(yàn)證、日常運(yùn)行和數(shù)據(jù)展示的一整套流程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的有效監(jiān)督和管理[1]。

2 BIM 技術(shù)在城軌建設(shè)中的應(yīng)用

根據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建筑行業(yè)的能源消耗占到了全行業(yè)的40%以上，而排放的溫室氣體也達(dá)到30%左右。因此，推進(jìn)建筑行業(yè)的低碳節(jié)能工作顯得尤為迫切。

2.1 BIM 技術(shù)應(yīng)用于城軌設(shè)計(jì)

利用BIM 技術(shù)，可以準(zhǔn)確地計(jì)算建筑物的建筑使用面積，并對(duì)建筑物的內(nèi)部和外部環(huán)境進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最佳的建筑物使用和資源利用。在設(shè)計(jì)前期，首先要確認(rèn)各項(xiàng)基本要求，如室內(nèi)的溫濕度、噪音水平、燈光效果、采暖、制冷、通風(fēng)和日照情況，以及預(yù)期實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排目標(biāo)。然后，利用相關(guān)的技術(shù)和工具，運(yùn)用BIM 軟件模型，進(jìn)行建筑的結(jié)構(gòu)、平面布局和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的仿真，綜合各種專業(yè)資料，以達(dá)到室內(nèi)外環(huán)境的均衡和最佳狀態(tài)，最終給出一個(gè)完善的概念性方案，以便更好地滿足實(shí)際的應(yīng)用要求。深度設(shè)計(jì)最終呈現(xiàn)具體的施工圖方案報(bào)告，并對(duì)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)節(jié)上的優(yōu)化，形成最終建筑節(jié)能設(shè)計(jì)成果。

2.2 BIM 技術(shù)應(yīng)用于城軌項(xiàng)目評(píng)價(jià)

城軌項(xiàng)目的評(píng)價(jià)是基于全生命周期的評(píng)價(jià)，要建構(gòu)一個(gè)全面的評(píng)價(jià)機(jī)制，對(duì)城軌項(xiàng)目展開(kāi)環(huán)保、安全、能源、舒適度等多維度的評(píng)價(jià)，從而推動(dòng)城軌建設(shè)的發(fā)展。該機(jī)制以定性和定量的評(píng)價(jià)方式，結(jié)合建筑物的綠化、采光、能源利用、可再生資源的使用，構(gòu)建一個(gè)完整的體系。在國(guó)內(nèi)，《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》《綠色奧運(yùn)建筑設(shè)計(jì)體系》以及一些國(guó)內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)指南，都為綠色生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了重要的理論依據(jù)[2]。

2.3 BIM 技術(shù)應(yīng)用于城軌運(yùn)營(yíng)

在運(yùn)營(yíng)階段，需要將可持續(xù)發(fā)展理念融入前期的目標(biāo)制定和設(shè)計(jì)中，并且在日常運(yùn)維中貫徹落實(shí)。BIM技術(shù)的應(yīng)用，使的城軌項(xiàng)目的運(yùn)維節(jié)能管理更加便捷高效，它具有信息化、精確化和可視化等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，為姓名的運(yùn)維節(jié)能提供了強(qiáng)有力的支撐。BIM 控制平臺(tái)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，它能夠有效地協(xié)調(diào)和控制各種電氣系統(tǒng)，包括空調(diào)、新風(fēng)、照明、電梯，以及其他水資源，從而達(dá)到更加準(zhǔn)確地使用，并且能夠?qū)ξ飿I(yè)管理進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，從而有效地節(jié)約成本。

2.4 BIM 技術(shù)應(yīng)用于建筑材料低碳減排

廣義上講，建筑碳排量分為建造碳排量、使用碳排量和拆除碳排量3 個(gè)部分。而城鐵項(xiàng)目的全生命周期大概可以分為設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維、拆除、回收等階段，每一個(gè)階段都與會(huì)產(chǎn)生一定的碳排放。在設(shè)計(jì)階段的碳排放占比較低；建造階段則是建筑材料的運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、使用等造成的碳排放；運(yùn)維階段則是空調(diào)、照明、列車制動(dòng)等產(chǎn)生的碳排放；拆除與回收則是由于建筑廢棄物回收、建筑翻新等造成的碳排放。利用BIM 技術(shù)，可以建立項(xiàng)目模型，對(duì)每一個(gè)階段可能產(chǎn)生的碳排放進(jìn)行模擬計(jì)算，從而在實(shí)施之前進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而使碳排放總量較少[3]。

3 基于BIM 的碳排放預(yù)測(cè)

3.1 材料生產(chǎn)階段碳排放預(yù)測(cè)

城軌項(xiàng)目中，很多施工材料在采購(gòu)回來(lái)后需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行二次處理。這一階段被稱為材料生產(chǎn)階段，近年來(lái)大量學(xué)者對(duì)這一階段的碳排放因子的確認(rèn)方法進(jìn)行了深入的研究。但是由于研究的方向和應(yīng)用場(chǎng)景不同，因此當(dāng)前尚未形成統(tǒng)一的指導(dǎo)性方法。各地區(qū)在進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)該結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況加以選擇，從而形成合適的材料生產(chǎn)碳排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)形成后，即可結(jié)合工程消耗量定額或概預(yù)算定額，來(lái)對(duì)碳排放進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算方法可表述如下：

式中：MQEi——第i 個(gè)定額項(xiàng)目的材料碳排放，在同一個(gè)定額項(xiàng)目中，使用的材料種類較多，可按照約定的屬性對(duì)其進(jìn)行分類；Mij——第i 個(gè)定額項(xiàng)目下，第j 類材料的消耗類標(biāo)準(zhǔn)；MEFij——第i 個(gè)定額項(xiàng)目的第j 類材料的生產(chǎn)碳排放因子。

因此，可以通過(guò)式（2）計(jì)算第i 個(gè)項(xiàng)目材料生產(chǎn)階段的碳排放總量（MEP）。

式中：Qi——第i 個(gè)定額項(xiàng)目的工程量。

計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)至BIM 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，最終將所有子項(xiàng)目的MEP 相加，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料生產(chǎn)階段碳排放總量的預(yù)測(cè)。

3.2 施工建造階段碳排放預(yù)測(cè)

在建筑行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，施工階段的碳排放主要由3 個(gè)方面組成：材料運(yùn)輸導(dǎo)致的碳排放（CETP）、施工設(shè)備運(yùn)行導(dǎo)致的碳排放（CEPC）以及施工現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致的碳排放（CEPO）。因此，這一階段內(nèi)，項(xiàng)目總體碳排放（CEP）可以表述如下：

3.2.1 材料運(yùn)輸?shù)奶寂欧蓬A(yù)測(cè)

考慮到在實(shí)際的城軌建設(shè)項(xiàng)目中所需要的建筑材料品類眾多，且每一種材料的生產(chǎn)廠家較為分散，且材料的運(yùn)輸方案與運(yùn)輸距離也難以預(yù)測(cè)。因此，各地在進(jìn)行本階段碳排放預(yù)測(cè)時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際來(lái)選擇適當(dāng)?shù)难芯糠椒ā４_定材料的運(yùn)輸方式，并計(jì)算出材料運(yùn)輸?shù)钠骄嚯x。預(yù)測(cè)材料的CEPT，可表述如下：

式中：Mi——第i 種建筑材料的使用總量；Tij——第i 種建筑材料在使用第j 種運(yùn)輸方式的情況下單位距離內(nèi)產(chǎn)生的碳排放總量；Di——運(yùn)輸該材料的總距離。

3.2.2 施工機(jī)具運(yùn)行的碳排放預(yù)測(cè)

每個(gè)定額項(xiàng)目的CEPC 可表述如下：

式中：CEPCi——第i 個(gè)定額項(xiàng)目在開(kāi)展的過(guò)程中材料運(yùn)輸階段內(nèi)產(chǎn)生的碳排放總量；Cij——第i 個(gè)定額項(xiàng)目中的第j 類設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)下碳排放；CEFij——碳排放因子，該因子可以依據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖI(lǐng)域的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)或者項(xiàng)目本身的實(shí)際情況來(lái)確定。

然后，結(jié)合城軌項(xiàng)目的工程總量即可對(duì)CEPC 進(jìn)行預(yù)測(cè)，如式（6）所示。

3.2.3 施工現(xiàn)場(chǎng)碳排放預(yù)測(cè)

這一部分的碳排放相對(duì)于前兩個(gè)部分而言不確定因素更多，因此難以進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)。為了提升測(cè)算結(jié)果的有效性，可以提取施工現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)行政管理辦公室的相關(guān)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料，在此基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)?shù)靥寂欧呕鶞?zhǔn)數(shù)據(jù)以及實(shí)際的辦公面積來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

式中：EI——當(dāng)?shù)貑挝幻娣e內(nèi)碳排放基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；A——施工現(xiàn)場(chǎng)總面積。

3.3 運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳排放預(yù)測(cè)

運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段所包含的實(shí)際上是運(yùn)營(yíng)階段以及維護(hù)更替階段這兩個(gè)大的階段，通俗來(lái)說(shuō)就是在城軌項(xiàng)目建成后的全部階段。該階段的碳排放總量用OEP 表示，兩個(gè)子階段則用OEPO、OEPM 來(lái)分別進(jìn)行表示。

3.3.1 建筑運(yùn)行的碳排放預(yù)測(cè)

城軌在運(yùn)營(yíng)階段的能耗與碳排放都是可以通過(guò)相關(guān)的軟件進(jìn)行模擬和計(jì)算的，常見(jiàn)的模擬軟件有Enerˉ gyPlus、DOE 等。不同的仿真模擬軟件功能側(cè)重點(diǎn)不同，各地區(qū)可以按需選擇。在模擬軟件內(nèi)建立模型，計(jì)算出每一年內(nèi)城軌項(xiàng)目在運(yùn)行階段產(chǎn)生的碳排放，再結(jié)合項(xiàng)目的預(yù)期使用年限即可計(jì)算出全生命周期內(nèi)的碳排放總量。

式中：Y——預(yù)計(jì)使用年限；Ei——在一年內(nèi)第i 種能源的碳排放因子；ei——一年內(nèi)消耗第i 種能源的總量。

3.3.2 建筑維護(hù)更替的碳排放預(yù)測(cè)

本階段的碳排放由兩個(gè)方面組成：①由于進(jìn)行維護(hù)更替活動(dòng)所進(jìn)行的原材料生產(chǎn)而導(dǎo)致的碳排放。②進(jìn)行維護(hù)更替活動(dòng)本身所產(chǎn)地的碳排放。計(jì)算方法表示如下：

式中：RQEi——第i 個(gè)項(xiàng)目產(chǎn)生的碳排放總量；Mij、MEFij、Cij和CEFij的含義同前。

4 基于BIM 的低碳施工設(shè)計(jì)

城軌項(xiàng)目中建材的耗能占據(jù)建設(shè)總耗能的17%，當(dāng)中，尤其鋼鐵、木料和混凝土等建材耗能量非常龐大，對(duì)國(guó)家生態(tài)危害尤為突出。為此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)文件精神中均明確指出將節(jié)材列為建筑工程節(jié)能環(huán)保的一個(gè)主要考核指標(biāo)?！毒G色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于節(jié)材和材料利用已做出了詳盡的說(shuō)明，根據(jù)該國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的控制要點(diǎn)，可利用BIM 模式完成有關(guān)控制要點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，在估算建筑材料碳排放的基本，通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的符合性檢查判斷，不但節(jié)約了成本，而且準(zhǔn)確性也有很好的保障[4]。

采用BIM 技術(shù)Revit 平臺(tái)從事建筑設(shè)計(jì)方法的工程設(shè)計(jì)，Revit 中所建立的BIM 模式，應(yīng)包含有大量的建設(shè)信息內(nèi)容，包含結(jié)構(gòu)的成分、建筑材料類型、建筑材料從加工地到施工現(xiàn)場(chǎng)的方式及運(yùn)距、結(jié)構(gòu)的應(yīng)用年數(shù)、結(jié)構(gòu)建筑材料的利用比例狀況、建筑材料供應(yīng)地等信息內(nèi)容，以及在建筑材料屬性中標(biāo)明是否是為能源或可循環(huán)建筑材料。將工程量清單中對(duì)應(yīng)的分部分項(xiàng)工程編號(hào)加入BIM 模式中各個(gè)構(gòu)件屬性后，就能夠自動(dòng)調(diào)用其特征屬性完成各種結(jié)構(gòu)和資料的數(shù)據(jù)分析。通過(guò)采取有效的建筑材料選擇、重復(fù)使用以及循環(huán)利用，不僅有助于節(jié)約能源，而且還有助于減少污染物的排放，從而達(dá)到綠色建筑的目的。為此，我們應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制建筑物的運(yùn)輸時(shí)間，并且盡可能地使用可持續(xù)的建筑材料，以達(dá)到節(jié)約資源的目的[5]。

（1）利用BIM 技術(shù)，能夠更好地利用信息化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，從而更加準(zhǔn)確地測(cè)算出材料的使用情況，包括循環(huán)使用率、再利用率以及材料的運(yùn)輸成本。可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行模擬，從而計(jì)算出碳排放總量。這樣，能夠更好地管理材料的使用情況，從而更有效地完成項(xiàng)目。

（2）利用BIM 技術(shù)，可以在系統(tǒng)中嵌入各種標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)輸入材料時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)值，并對(duì)模型中的材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評(píng)估，以確定其與標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的自動(dòng)符合性檢查。

（3）通過(guò)使用模擬技術(shù)，我們能夠通過(guò)輸入不同的材料編號(hào)，來(lái)查看它們的分布情況，包括數(shù)量、運(yùn)輸路線。這樣，就能夠清楚地展示出如何有效地控制使用這些資源，同時(shí)也能夠按照實(shí)際需求來(lái)調(diào)整使用的資源，例如：使用更加環(huán)保的可回收資源，或者改善建筑物的結(jié)構(gòu)與特征，從而達(dá)到節(jié)省資源的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

BIM 技術(shù)自被研發(fā)以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾輪技術(shù)更新已經(jīng)相對(duì)完善，已被廣泛應(yīng)用與建筑行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域之中。環(huán)保與能源問(wèn)題是新時(shí)期人們最關(guān)注的問(wèn)題之一，而城軌項(xiàng)目的全生命周期內(nèi)都伴隨著大量的碳排放以及能源消耗，為此能否借助新技術(shù)來(lái)對(duì)城軌項(xiàng)目進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)早已是決定該行業(yè)能否健康、快速發(fā)展的關(guān)鍵因素。通過(guò)BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中每一個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果與國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較可以找出建設(shè)與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能存在的碳排放超標(biāo)環(huán)節(jié)，并及時(shí)加以調(diào)整和改進(jìn)，從而促使城軌項(xiàng)目符合綠色發(fā)展理念。