基于建筑信息模型的全生命周期碳排放測算及對策

馬彩云 賴芨宇 潘 杰 陳靜怡 孫華威

（1.福建農林大學交通與土木工程學院，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《中國統(tǒng)計年鑒-2017》能源統(tǒng)計可以得出工業(yè)、建筑業(yè)、交通運輸業(yè)是排放溫室氣體的三大重點控制領域。[1]從聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的第五次氣候變化評估報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重視，同時也成為全球關注的減碳焦點行業(yè)。[2]我國在2009年的《哥本哈根協(xié)議》中便提出這樣一個目標：2020年單位GDP(國內生產(chǎn)總值)CO2排放與2005年相比下降40%～45%，緊接著2015年中國政府在巴黎氣候變化大會上又對世界作出承諾：到2030年單位國內生產(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)技術對全生命周期的碳排放進行測算并提出對策，相對于傳統(tǒng)的碳排放測算能夠對2020年的碳減排目標的實現(xiàn)起到推動作用。

1 目前研究現(xiàn)狀

1.1 碳排放的研究現(xiàn)狀

經(jīng)過對文獻進行整理得出國外的一些學者主要是在全生命周期清單的基礎上對建筑物碳排放量進行測算。G．Verbeeck等[4]學者基于全生命周期清單建立了碳排放模型，并對五種不同結構的比利時建筑物的碳排放量進行統(tǒng)計，進而得出建筑圍護結構的碳排放對建筑環(huán)境的影響非常大；Leif Gustavsson等[5]學者基于全生命周期，針對全生命周期的各個階段碳排放量采用排放系數(shù)法進行計量，并且以自下而上的方法對一座瑞典的木結構住宅建筑物的碳排放總量以及能源消耗量進行了計量。國內多數(shù)學者大多也都是以全生命周期和施工過程的角度對建筑碳排放進行考慮。華虹等[6]以一棟公共建筑物為實例，建立了碳排放計量清單的構成和分析流程，指出全生命周期的運營階段對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木質、輕鋼、鋼筋混凝土不同結構的建筑物碳排放量進行測算，得出木質結構的建筑物在三種結構中的碳排放量最低。

1.2 BIM 的研究現(xiàn)狀

BIM的概念引入建筑行業(yè)的時間較晚，于2002年才被引入且被作為建筑業(yè)信息化的標志。BIM在我國被翻譯為建筑信息模型。國際標準組織設施信息委員會對BIM進行了定義：建筑信息模型(BIM)是在開放的行業(yè)標準下對設施的物理和功能特性及其相關的項目生命周期信息的可計算或運算的形式表現(xiàn)，與建筑信息模型相關的所有信息組織在一個連續(xù)的應用程序中，并允許進行獲取、修改等操作。[8]目前BIM技術在很多國家都得到了普及，例如美國 高達541．3m的紐約自由塔、愛爾蘭都柏林的Aviva體育館。

我國對BIM的研究起步較晚，不及國外BIM技術應用的發(fā)展程度。李兵等[9]通過碳足跡評價標準對建筑施工中排放的碳源進行整理，首次提出利用BIM技術對施工過程中的碳排放進行測算并給出了碳排放測算模型。在2016年國家住建部發(fā)布的《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中便提出BIM技術作為“十三五”建筑業(yè)重點推廣的技術在未來一段時間內能夠實現(xiàn)建筑全生命周期的信息共享，并明確提出大力推進BIM、GIS、虛擬現(xiàn)實等技術開展規(guī)劃、設計，并基于大數(shù)據(jù)、云計算等的運營管理。我國目前也有很多工程項目應用到了BIM技術如中國世博會電網(wǎng)館，北京政務服務中心等。

2 基于BIM技術的碳排放測算方法

2.1 碳排放測算基本方法

由于我國的碳排放測算處于起步階段，項目碳排放數(shù)據(jù)獲取困難，主要因為缺少統(tǒng)一的計算標準，所以目前我國碳排放測算主要采用國際上常用的以下四種方法：實測法、物料衡算法、排放系數(shù)法、投入產(chǎn)出法，為了更方便地計量碳排放量，所以本文將BIM技術和碳排放系數(shù)法進行結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。本文主要結合我國2014年開始施行的《建筑碳排放計量標準》對建筑全生命周期進行劃分，分別為設計規(guī)劃階段、物化階段(材料生產(chǎn)階段、施工建造階段)、運行維護階段、拆解階段和回收階段。[10]

2.3 基于BIM技術的碳排放測算模型

2．3．1 設計規(guī)劃階段

設計規(guī)劃階段是指設計單位從接到工程項目任務開始到設計規(guī)劃結束，該階段采用Revit建模軟件對工程項目進行建模設計。圖1為設計規(guī)劃階段的碳排放平臺的構成。

圖1 設計規(guī)劃階段的碳排放平臺的構成

對于設計規(guī)劃階段本身的碳排放量主要來源于是使用的物質和設備消耗所排放的CO2。其中包括辦公區(qū)的照明、空調、車輛設備等消耗的電能和燃油以及生活區(qū)所消耗的電能、燃氣等，該階段的碳排放量占比少，所以本文將設計階段的碳排放量百分比設為0．5%。

2．3．2 物化階段

物化階段的碳排放主要分為兩個部分，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量可以將BIM技術和上文所提及的碳排放系數(shù)法相結合。首先要用Revit Architecture構建建筑物模型，Revit界面內有明細表功能，可得到所有材料用量。Revit內明細表界面如圖2所示。

圖2 Revit2018中的明細表

圖3 物化階段碳排放量計算流程

對物化階段的碳排放計算根據(jù)圖3且該階段計算模型如下：

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

材料生產(chǎn)中碳排放量測算公式如下：

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)。

運輸階段的碳排放量測算公式如下：

Pi為第i種運輸工具公里耗油量，Li為第i種運輸工具公里數(shù)，Ci為第i種運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各種機械設備消耗的能源所排放出的二氧化碳，其測算模型如下：

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

2．3．3 運行維護階段

運行維護階段分為兩個部分：一是運行階段產(chǎn)生的碳排放量，二是運行維護階段材料更新替換和維護施工過程時產(chǎn)生的碳排放量。運行維護階段的碳排放量可以在Revit模型建立后，在“族”模塊內導入所需要的能源設備。該階段碳排放量可以結合基于云端的Green Building Studio能耗計算軟件進行計算。并且要將Revit文件保存為GBS能夠兼容的gbXML格式。圖4為運行維護階段的碳排放計算流程圖。

圖4 運行維護階段的碳排放計算流程圖

(1)運行階段產(chǎn)生的碳排放量測算模型如下：

Pi為第i種設備的碳排放量；Yi為建筑運行年限。

運行維護階段材料更新替換和維護施工過程產(chǎn)生的碳排放量根據(jù)實際情況進行計算，可以根據(jù)維護記錄對材料和能源的消耗進行統(tǒng)計。

2．3．4 拆解階段

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

Pi為機械使用第i種能源消耗量；Ci為第i種能源碳排放因子。

廢舊建材運輸產(chǎn)生的碳排放測算模型如下：

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

綜上拆解階段碳排放量為ECJ=ECJ1+ECJ2。

根據(jù)一些文獻進行例證該階段占全生命周期碳排放量僅為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%進行估算。[6]

2．3．5 回收階段

回收階段的碳排放量其測算模型如下：

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水平數(shù)據(jù)的碳排放量，對于計算碳排放量是重要的基礎數(shù)據(jù)。[10]目前我國沒有建立統(tǒng)一的碳排放因子庫，對于能源碳排放因子如汽油、煤油、柴油等主要根據(jù)《IPCC國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《省級溫室氣體清單編制指南(試行)》確定。

對于建筑材料的碳排放因子是比較難以確定的一項，需要大量的實驗進行驗證，計算較為復雜，很難進行確定。主要通過對大量學者的研究成果進行收集獲取。

建筑施工階段機械的碳排放主要來源于對汽油、柴油和電力等能源的使用，對于機械臺班碳排放因子結合《全國統(tǒng)一施工機械臺班費用定額》(2017版)以及能源碳排放因子，便可獲取機械臺班的碳排放因子。

3 碳排放測算實例驗證

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Revit進行模型建立，模型如圖5所示，本文選取建筑物生命周期中運行維護階段最能體現(xiàn)BIM技術利用到碳排放測算的一個環(huán)節(jié)進行驗證。設置運營期定為1年，將Revit建立的三維模型以gbXML文件格式導出，然后將gbXML格式文件成功導入網(wǎng)頁版GBS，GBS是基于云端的可以快速地計算建筑物的全年能耗、成本以及碳排放量等數(shù)據(jù)。計算完成后導出的數(shù)據(jù)表格見下表。該表格分為八個部分，分別為建筑類型、房屋面積、全年電費、全年燃料費、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

通過下表可以得出 建筑能耗計算結果，發(fā)現(xiàn)整個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。對于能源碳排放因

子如汽油、煤油、柴油等主要根據(jù)《IPCC國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行維護階段的年碳排放總量為266001．120kg。

辦公室建筑GBS建筑全年能耗計算表

從該實例可以看出將BIM技術用在碳排放的測算中，能夠使碳排放測量工作較傳統(tǒng)工作更加快捷同時能夠吸引更多參建方參與到低碳經(jīng)濟的建設中。本文由于篇幅有限，所以只選取了全生命周期的運行維護階段進行了碳排放量的測算，后面會選取更多的案例來驗證本文的論點。

4 減少碳排放對策

4.1 針對物化階段和運營期階段碳排放量建議采取以下措施。

(1)建筑材料。我國的建筑碳排放量遠高于發(fā)達國家，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行清潔生產(chǎn)開發(fā)低碳、無污染、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)施工機械設備。施工建造階段會大量地使用施工機械設備，所以施工前要做好施工組織設計，科學安排施工順序和提供足夠的工作面進行施工，提高施工技術和工藝，從而減少碳排放量。同時應使用清潔能源，如可以利用太陽能、水力、風力進行發(fā)電。

(3)運營期設備。運營階段的碳排放量是全生命周期中耗能最大的階段，所以在建筑設計階段要考慮節(jié)能措施。對于建筑物的維護結構可以提高其遮陽、保溫、通風等性能，從而減少建筑使用階段的能源碳排放量。對于該階段的照明、采暖、空調系統(tǒng)應優(yōu)先選擇節(jié)能性的設備，并且可以栽種綠植增加建筑綠化碳匯率，運營期階段的碳排放量才會得到最大化的控制。

4.2 建立完整的碳排放因子數(shù)據(jù)庫

通過對大量的文獻整理，可以得出我國目前并沒有對碳排放因子庫進行整理和收集，只有建立了完整的碳排放因子數(shù)據(jù)庫，才能更好地進行低碳設計。

4.3 推廣BIM技術在碳排放測算中的應用。

目前對于碳排放的計量很多都是基于全生命周期進行計算，很少通過BIM技術和碳排放分析軟件的結合。BIM技術具有全面的數(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，結合碳排放分析軟件Green Building Studio能夠及時進行碳排放量統(tǒng)計。同時各參建方可以基于BIM碳排放協(xié)同管理系統(tǒng)就碳排放信息隨時進行溝通與交流，很大程度上減少施工階段的碳排放量。我國政府應大力推廣和給予BIM技術在建筑物碳排放測算上應用的支持。

4.4 大力推動建筑碳交易實施

政府相關部門可以根據(jù)各地具體情況設置建筑碳排放量基準線，該基準線可以作為控制建設各方碳排放量的標準線。當建筑項目的碳排放量沒有達到碳交易所設定的碳排放基準線時，企業(yè)可以將多余的碳排放權在碳排放市場進行售賣給別的企業(yè)，同理當建筑項目超過碳排放基準線時就要從碳排放市場進行購買碳排放權。同時政府對低于碳排放基準線的企業(yè)進行補貼獎勵，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)濟發(fā)展的積極性。

5 結語

本文基于建筑信息模型的的全生命周期對建筑碳排放模型進行建立，通過BIM技術與碳排放測評軟件GBS進行結合以方便快速地進行碳排放測算并對減少碳排放提出了建議。但我國目前的建筑碳排放計量技術比較落后，低碳節(jié)能技術也比較落后。利用BIM技術能夠實現(xiàn)對施工過程的模擬，同時采用“云”技術能夠建立碳排放協(xié)同管理平臺，各參建方能夠隨時地通過不同的移動客戶端對碳排放量進行跟蹤以便進行碳排放控制。本文認為提高碳排放計量技術對企業(yè)進行節(jié)能減排有很大的指導意義，同時能進一步推進我國的低碳經(jīng)濟發(fā)展。