基于BIM睱CA的建筑環境影響評價方法

沈琳　李希勝　李明瑞　李紅

摘要：建筑業每年對全球資源的消耗和溫室氣體的排放幾乎占全球總量的一半，采用有效手段減少建筑對環境的影響具有重要的意義。當前在規劃設計階段應用全壽命周期評價（LCA）方法存在著缺乏有效數據信息、工作量大、標準不統一等缺陷。本文將BIM與LCA相結合，建立了BIMLCA的框架模型，并運用Revit插件Tally實現建筑材料的環境影響分析，為BIMLCA全面整合提供借鑒和指導。

關鍵詞：建筑設計；環境影響；評價

中圖分類號：S 772；TP 391.9文獻標識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0149-07

Building Environmental Impact Assessment

Method Based on BIMLCA

Shen Lin，Li Xisheng*，Li Mingrui，Li Hong

（College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037）

Abstract：The consumption of global resources and emissions of greenhouse gas in the field of construction industry almost accounted for half of the global total annually.It is significant to conduct the environmental assessment on the construction projects and take effective measures to reduce the impact of construction on the environment in the planning and design stage.Currently，the lifecycle assessment method（LCA）applied in the planning and design stage exists a series of defects such as lack of effective data，heavy workload，and multiform standards.This paper provides a reference for the full integration of BIMLCA by establishing a framework model of BIMLCA and performing the environmental impact analysis of building materials by using Revit and its plugin Tally based on BIM technology and LCA theory.

Keywords： architecture design；environmental impact；evaluation

收稿日期：2014-12-10

基金項目：江蘇省住房與城鄉建設廳資助項目（js2011jh9）；2014江蘇省普通高校學術學位研究生科研創新計劃項目（KYLX_0887）

第一作者簡介：沈琳，碩士研究生。研究方向：工程管理與信息化。

*通訊作者：李希勝，教授。研究方向：工程管理與信息化。Email：Xishengli@163.com

引文格式：沈琳，李希勝，李明瑞.基于BIMLCA的建筑環境影響評價方法[J].森林工程，2015，31（1）：149-155.作為國民經濟的支柱產業，建筑行業造成的環境影響和面臨的環境負擔尤為嚴重。據統計，建筑業每年對全球資源的消耗和溫室氣體的排放幾乎占全球總量的一半。我國的建筑總能耗占社會總能耗的25%～28%，CO2排放量占社會總排放量的40%左右[1]。建筑的高能耗和高碳排放對節能減排工作造成了巨大壓力，建筑全壽命周期環境影響評價也成為研究的熱點。

BIM（Building Information Modeling）是創建并利用數字化模型對建設項目進行設計、建造和運營全過程進行管理、優化的方法和工具，通過對信息的插入、提取、更新和修改來支持在建設項目不同階段、不同利益相關方的協同作業[2]。目前BIM技術通過全球范圍的研究和實際工程應用，已經被證明是未來提升工程建設行業技術及實現節能減排的核心信息技術之一，其對于可持續和生態綠色低碳理念的升華，提高了人們對建筑環境和建筑品質的要求，增大了人們對BIM技術應用效果的期望。

LCA（Life Cycle Assessment）是資源環境保護領域的重要理論。經過20年的發展，LCA已經成為評價產品資源環境影響的國際通用標準方法，并得到了國內外政策和市場的廣泛認同。從方法體系來看，LCA在技術研發、產品設計、綠色制造、清潔生產、綠色采購和市場營銷等領域有著廣泛的應用前景，從而用于實現低碳發展、節能減排、循環經濟和生態文明等社會可持續發展目標[3]。

相比于在工業產品生產對環境影響方面的應用，LCA在建筑領域的研究實踐應用還比較滯后。總結近十五年有關LCA在建筑方面應用的文獻資料可以發現，美國、歐洲和亞洲的部分國家，已經有越來越多的人開始運用 LCA 理論，對建筑進行全生命周期評價。其研究應用可以分為以下三個方向：LCA 在建筑產品選擇方面的應用[4-6]、LCA 在建筑評價體系方面的應用[7-8]、LCA 在建筑理論方面的應用[9-10]。目前關于BIM的研究集中在建筑設計、管線碰撞和成本預算等幾個方面[11-13]，在全生命周期環境評價中并沒有一套完善的應用流程和標準。針對LCA研發的評價軟件（Athena/Simapro/Gabi/Bees等）有很多，但不同數據庫之間所選用的標準仍然不夠明確和具體，所得出的評價結果之間差距較大，BIM與LCA的集成應用仍處于探索階段。因此，如何利用BIM已提供的完整建筑信息，進行數據的共享和傳遞，并通過LCA評價軟件進行大量數據的分析和對比，在設計之初提高建筑決策的質量，是本文要研究的核心問題。

第1期沈琳等：基于BIMLCA的建筑環境影響評價方法

森林工程第31卷

1基于BIMLCA的建筑環境影響評

價方法目前針對綠色建筑管理建立的多種評價標準，其實現大多通過人工進行數據的收集、評價和報告，評價過程的主觀性較強且工作效率低。尤其是針對建筑全生命周期評價（LCA），其評價過程中涉及海量數據的收集、處理和分析，僅僅依靠人工來完成評價工作將費時費力，因此亟需通過信息化軟件工具提供的支持來完成建筑全生命周期評價。目前與BIM相關的軟件有幾十種，其主要開發公司有Autodesk公司、Bentley公司和Graphisoft公司等，且所開發的BIM建模軟件大多支持二次開發的功能。鑒于BIM和LCA對建筑性能模擬評價方面具有的強大優勢，本文主要從集成BIMLCA的角度研究，以BIM數據交換標準IFC（Industry Foundation Class）作為媒介，將BIM模型中的數據通過插件提取至LCA軟件中進行環境影響的分析和評價，基本思路如圖1所示。

圖1基于BIMLCA的建筑環境影響評價研究思路

Fig.1 The BIMLCAbased research idea of building environmental impact assessment

1.1生命周期評價概述

生命周期評價（LCA）是以確認和量化產品生產過程或相關活動所需的材料、能源和排放等環境負荷為基礎，統計、匯編和評價系統的輸入輸出及潛在的環境影響，尋找和探索改善環境影響的方法和機會。ISO將LCA分為相互聯系的、反復交互的4個步驟，評價過程包括目的與范圍的確定（Goal Define and Scoping）、清單分析（Inventory Analysis）、影響評價（Impact Assessment）和結果解釋（Interpretation）[14]。其研究的產品環境負荷和潛在的環境影響貫穿產品生命周期的全過程，包括材料生產、規劃設計、建造與運輸、使用、拆除與處理全過程中的物質、能量流動和循環。

其中，目的和范圍的確定是為了說明研究的目的、系統邊界的定義和劃分，并闡述數據要求、假設條件，以保證研究的深度、廣度和精度的目標一致性；清單分析是對確定范圍內的產品系統生命周期過程的輸入（能源消耗）、輸出（污染物排放）進行數據量化分析；影響評價是以清單分析為基礎，對各種環境影響進行量化評估的具體過程；結果解釋則是按照研究目標和范圍的規定，識別、判定和檢查研究結果，形成包括對重大問題的判斷、完整性、敏感性檢查等內容在內的最終結論。

此外，在確定LCA的評價范圍及建筑生命周期清單的基礎上，還需要建筑生命周期清單相對應的環境影響基礎數據庫的支持，進一步明確系統的輸入與輸出，并按照不同的特征化指標進行歸類，最終得出評價結果。計算結構見表1。表1LCA計算結構

Tab.1 The computing structure of LCA

生命周期模型過程1貢獻過程2貢獻過程3貢獻…LCA結果LCI結果特征化因子特征化指標歸一化指標權重因子綜合指標S1×CO21+S2×CO22+S3×CO23+…=CO2LC×cfCO2S1×CH41+S2×CH42+S3×CH43+…=CH4LC×cfCH4S1×CFC1+S2×CFC2+S3×CFC3+…=CFCLC×cfCFC…→

GWP

（溫室效應）→GWPNGWP×WGWP

→SS1×SO21S2×SO22S3×SO23+…=SO2LC×cfSO2S1×NOX1S2×NOX2S3×NOX3+…=NOXLC×cfNOX…→

AP

（酸雨效應）→APNAP×WAP…注1：Si為過程系數（下游消耗量與上游產出之比），歸一化基準值Ni通常選取全國年總發生量

1.2基于IFC標準的建筑環境影響評價信息模型

解決信息交換與互用問題的關鍵在于建立一套合適的信息格式標準，IAI（International Alliance for Interoperability）發布的IFC，提供了建筑過程中的各種信息描述和定義規范，已被公認為建筑行業數據交換的公共標準。

圖2IfcRoot主要派生關系

Fig.2 The main derived relations of IfcRoot

IFC使用類的概念來描述建筑對象、對象的屬性及對象間的相互關系，主要的派生關系如圖2所示，其中包含了所有建設項目全生命周期內一切項目成員及其應用軟件需要用到的信息，為實現全生命周期不同專業間的數據共享與交換奠定了基礎[15]。目前，國際上一些主流的BIM軟件都通過了IFC2×3認證，支持IFC數據格式的輸入和輸出。

基于IFC標準的建筑模型描述體系，可以描述基礎、墻、柱、梁和板等結構構件。這些結構構件均派生于建筑構件（IfcBuildingElement）實體。通過對《建筑工程生命周期可持續性評價標準》JGJ/T222-2011、《環境管理生命周期評價原則與框架》GB/T 24040-2008/ISO 14040：2006、《建筑對象數字化定義》JG/T 198-2007、《工業基礎類平臺規范》GB/T25507-2010等規范的分析，采用EXPRESSG表達法建立了基于IFC標準的建筑環境影響評價信息模型，如圖3所示。

圖3基于IFC標準的建筑環境影響評價信息模型

Fig.3 The information model of building environmental impact assessment based on the IFC standard

建筑環境LCA分析在不同建設階段的目標是不同的，應根據不同階段的目標來確定LCA的評價范圍。設計階段的主要目的是比較多種方案，從而選出最可行的方案，即可依據圖3所示的信息關系提取基于IFC標準的構件幾何信息、構件屬性信息、材料信息、設備與系統信息等，建立建筑生命周期清單LCI（Life Cycle Inventory）。

2實例分析

2.1工程概況

本工程為三層框架結構小別墅，地處南京，基礎為條形基礎，建筑總面積為250 m2。首層層高為3.6 m，二三層層高為3.3 m，室內外高差0.45 m。設計使用年限為50 a，屋面防水等級為Ⅱ級，耐用年限15 a，建筑耐火等級為Ⅲ級。年平均單位面積用電量取31 kW·h/m2.a，年平均單位面積能耗取385.5 MJ/m2.a-1[16]。

2.2基于BIMLCA的評價工具——Tally

對于LCA來說，獲取的數據有效性對最終的結果有著極大的影響。目前國內外也有部分高校和科研機構在開發建筑生命周期數據庫，但都是各自獨立的評價軟件，尚未與BIM結合起來，且清單數據庫在能耗統計方法、能源排放因子、建材生命周期界定以及數據的時間等方面并不統一。

Tally是一款基于Revit的LCA評價插件，其LCA清單數據庫經過德國斯圖加特大學LBP研究所十幾年的搜集和完善。依據IFC標準，能夠快速提取BIM模型中相關的建筑材料屬性，生成建筑模型的樹狀結構圖，用戶只需后期添加材料的工藝鏈接，軟件即可計算出建筑的各項環境影響值。

以墻體的材料屬性定義為例，在IFC模型中，支持對構件進行多層材料定義，假設某墻體由外墻面磚、隔熱層、結構層和內墻面磚4層材料構成。則首先應當通過材料實體（IfcMaterial）定義材料屬性，再通過材料分層實體（IfcMaterialLayer）、材料層集合實體（IfcMaterialLayerSet）和材料層集合使用實體（IfcMaterialLayerSetUsage）定義“層材料”模型，最后通過材料關聯實體（IfcAssosiatesMaterial）建立墻體與墻體材料的關聯。

這樣，利用BIM核心建模軟件Revit建立基礎模型，在基礎模型的單元構件屬性里加入有關LCA評價的相關屬性信息，包括單元構件的結構材料、粉刷材料、飾面材料以及前三種材料的綜合信息（對應的原材料、材料到現場的運距、材料的屬性如混凝土砂漿等的強度、材料的使用壽命以及報廢時回收利用程度），作為測算建筑環境影響依據的材料信息。將相關信息依據IFC標準，導入到Tally測評軟件，即可計算出總環境影響，生成該設計方案的LCA評價報告，相關的流程示意圖如圖4所示。圖4基于BIMLCA的Tally插件功能流程示意圖

Fig.4 The BIMLCAbased functional process diagram of plugin Tally

2.3基于BIMLCA的模型計算結果

借助Tally的模擬計算，依據8個不同的特征化指標，表2給出了該別墅項目在建設階段和運營階段總的資源消耗量/排放量，考慮到后期不同設計方案的比選標準，又以建筑總面積（250 m2）為功能單元，計算出單位面積的資源消耗量和排放量。

表2建筑項目各項環境影響值

Tab.2 The various environmental impact value of the construction project

評價指標單位建設階段總消耗量

/排放量單位面積消耗量

/排放量運營階段總消耗量

/排放量單位面積消耗量

/排放量酸雨效應kgSO2eq·m-2176.00.704313312.53富營養化效應kgNeq·m-214.70.058 8144.40.577 4溫室效應kgCO2eq·m-260 163240.7709 4322 838臭氧層分解效應CFC-11eq·m-28.418×1043.367×1063.687×1071.475×109臭氧效應O3eq·m-22 52210.0966 105264.4初級能源消耗MJ·m-2872 4553 4909 916 70439 667不可回收資源消耗MJ·m-2828 8853 3169 552 63838 211可回收資源消耗MJ·m-243 570174.336 40661 456

2.4結果分析

圖5顯示了該別墅各生命周期階段的環境影響結果，其中，上半部分顯示的是包含使用階段的總的環境影響結果，下半部分是只包含建材生產制造、維修與更新和回收利用三個階段的環境影響結果。可以發現，使用階段的環境影響值要遠遠高于其他階段，約占90%。考慮到運營時間較長，倘若按單位時間比較（建筑運營期為50 a，建設期1 a），建設期的環境影響總量則是運營期的2～3倍。從減小環境影響的角度出發，建材生產階段的環境影響也不容忽視，所以在分析建筑環境影響時，應當從全生命周期的角度、由建材生產階段開始深入分析。

圖6給出了建筑材料對環境的影響示意圖，其中混凝土和鋼材在不同的評價指標中影響都較大，在溫室氣體效應指標中影響值更是達到了34%。后期的裝飾裝修如天花板、墻體的抹灰粉刷工程和地面的鋪貼工程，由于涉及的材料生產工藝復雜，對環境的影響比例也較高。因此在設計階段應當充分重視不同建筑材料對環境的影響，在不影響設計方案安全性的前提下優先選擇對環境影響值較小的環保材料，同時在建筑使用運營過程中，重視建筑的主動設計，減少不必要的設備能耗。

圖5建筑全生命周期各階段的環境影響示意圖

Fig.5 The various stages of environmental impact diagram in building full life cycle

圖6建筑材料的環境影響示意圖

Fig.6 The environmental impact diagram of building materials

3結束語

從理論及實踐上來說，基于BIMLCA的建筑環境評價方法是可行的，可以有效提高BIM模型的應用拓展，減少現有LCA評價工具（如Simapro、Athena等）重復建模的麻煩。

對于環境影響分析而言，數據庫是完成任何LCA案例必不可少的基礎，本次建模分析的LCA工具（Tally）中的數據均來自于德國PE公司的Gabi數據庫，保證了數據的質量。但從我國的國情和標準角度來說，統一國內的建材清單數據，建立中國本地化的LCA基礎數據庫，形成BIM與建筑LCA的集成應用，提高評價的效率和準確性，仍然是今后研究的重點。

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[責任編輯：劉美爽]