裝配式建筑節能減排的BIM 技術應用

魏麗軍 魏改菊

如今，隨著人類活動逐漸頻繁，工業化迅速發展，導致全球氣溫不斷升高，提高了極端天氣發生的概率。世界各國也逐漸認識到此問題的嚴重性，相繼頒布了一系列政策。對此，國內也作出了相應的部署來應對碳排放問題。根據報道國內碳排放大部分來自于建筑業，占總排放量的35%，針對建筑行業的節能減排研究十分重要，是實現我國綠色可持續發展的重要一環。裝配式建筑作為一種環境污染小、無需現場澆筑構件、施工速度快的施工方式，通過預制構件的組裝和集成，實現了建筑施工的高效化和綠色化，能有效減少建筑的碳排放[1-3]。但裝配式建筑也有著管理困難、各建造專業協調困難以及成本難以控制的缺點，限制了其進一步的發展和應用。而隨著科技的進步，BIM 技術應運而生[4-5]。BIM 技術是一種基于三維模型的數字化建設方式，可以實現建設項目的規劃、設計、施工和運營全過程的信息化和智能化。此技術根據工程資料，將二維圖紙和各項信息轉換為直觀的三維模型，將工程提前可視化，提高了參建各專業的協調溝通能力，有助于施工過程的管理，故相關學者對BIM 技術在建筑工程的應用展開了研究。其中如何在裝配式建筑中更好地應用BIM 技術，實現節能減排的目標，成為行業的重要研究內容。蘭登輝[6]針對于裝配式建筑中的諸多問題，分析了BIM 技術在裝配式施工過程中的應用效果。

基于此，為了克服裝配式建筑施工管理難、成本控制難以及各參建專業協調溝通難等問題，于是將BIM 技術和裝配式建筑進行了結合。通過全周期評價法，同時對比了不同建造方式的節能減排效果，給相關工程提供了指導和借鑒。

1 項目概況

此次研究對4 個住宅BIM 技術節能減排應用效果進行了對比分析，項目概況分別為：項目A 為裝配式住宅，43602.8 m2和145321.63 m2分 別 為 其用地面積和總建筑面積，項目采用了BIM 技術，項目包括8 棟高層住宅，地下室結構類型為混凝土框架，扁鋼管混凝土柱為其上部結構類型，樓梯、樓板等選擇預制PC 構件，61%為其裝配率。

項目B 為裝配式住宅73942.6 m2和171862 m2分別為其用地面積和總建筑面積，項目沒有采用BIM 技術，項目包括5 棟高層住宅，剪力墻結構為其結構類型，內墻版、樓梯等選擇預制PC 構件，32%為其裝配率。

項目C，現澆式住宅，56511 m2和155641.26 m2分別為其用地面積和總建筑面積，項目采用了BIM 技術，項目包括7 棟高層住宅。

項目D，現澆式住宅，總建筑面積149143.22 m2，項目選擇了傳統建造方式，未采用BIM 技術，包括5 棟高層住宅。

減排評價指標選擇了垃圾和污水這2 項；節能評價指標選擇了電、混凝土量、木材、用水量和鋼材量這5項。表1 為各建造方式的污染物排放情況和具體資源消耗情況。

表1 各項目的污染物排放情況和具體資源消耗情況

2 結合BIM 技術的裝配式住宅節能減排分析

2.1 傳統現澆和裝配式的對比

對于消耗的木材，0.72 m3/m2為項目A 的消耗量，223.53 m3/m2為項目C 的消耗量，可見前者木材消耗量遠比后者小。這是因為項目A 主體結構建造時無需支模澆筑混凝土，大大減少了木方和木模的使用量，降低了木材的消耗，使得造價減少了近60 W。

對于消耗的鋼材，對項目A 和項目C 進行比較，149.46 和191.30 kg/m2分別為裝配式結構和現澆鋼混結構的鋼材消耗量，能夠看出前者遠小于后者，這是因為薄壁鋼管和熱軋型鋼為裝配式結構的主要承重構件，其重量比鋼筋混凝土結構小了近33%；除此之外，項目A 的大部分鋼材均在廠內統一加工好后在運輸到現場進行施工，在很大程度上降低鋼筋在現場的損耗。

對于消耗的混凝土量，538.30 和89.26 kg/m2分別為項目C 和項目A 的混凝土消耗量，項目A 混凝土用量如此至少的原因是此項目結構體系減少了現場澆筑的工作量，通過BIM 技術對混凝土所用量進行了精確計算，降低了混凝土的浪費量，使混凝土成本減小近30 萬。

對于消耗的電量，和項目C 相比，項目A 用電量明顯較少，這是因為大部分構件在工廠制成，使得現場制作構件的耗電量大大減少，并且整個項目工期縮短了近1/3，用電量節省了近23 萬kWh，所耗電費降低了近14 萬。

對于節地情況，項目A 大部分構件的制作是在工廠內完成，減少了現場材料的儲存和堆放用地，臨時設施占用面積的有效利用率高達90%，用地節省效果較好。

對于用水量消耗量，0.90 和156.38 mm3/m2分別為項目A 和項目C的水消耗量，能夠看出項目C 用水量約為項目A 的160 倍，這是因為項目A大部分構件的制作是在工廠內完成，無需進行混凝土澆筑和澆水養護，水資源投入降低了近5.6 萬m3，所用水費減少了近16 萬元。對于排污量，項目A 中84%的施工廢物都能夠進行回收利用，在很大程度上降低了施工對附近環境的影響和污染。

2.2 BIM技術對節能減排的作用

分別對項目D 和項目C、項目B和項目A 進行對比，建造方式相同時，選擇BIM 技術的項目能耗較低。通過在Tekla 軟件構建BIM 模型的構件信息庫，能夠深化設計二維圖紙中的梁、板、柱等節點。同時優化工程所用的預制模板，合并預制構件的種類，以此增大模具的使用率。

在優化項目A和項目C的管線時，機電專業工作人員對BIM 模型開展碰撞檢查，發現了220 個碰撞點，各個專業參考碰撞報告進行協調修改，解決了機電專業存在的157 處問題，減少了121 萬元的工程成本。指導現場施工方面BIM 技術的表現同樣出色，其能夠避免很多因設計圖紙相互矛盾、沖突而引起的簽證改變、工程變更等問題，將一系列問題前置，同時能夠建立詳細索引圖來協助施工安裝，在很大程度上提高了出圖質量和效率。122 萬元為項目A 的BIM 設計費，而通過BIM 技術減少的管理費和工程成本達到了434 萬元，其效果顯然易見。

3 具體分析各建造方式的節能減排效果

3.1 評價節能減排的方法

此次研究選擇生命周期法來對各建造方式節能減排效果進行評價，此評價方法包括產品生命周期整個過程，比較客觀和全面，其主要包括3 個步驟—目標邊界的認定、清單分析、評價結果。

3.2 認定目標邊界

此次選擇了4 種代表性建造方式來對比分析節能減排效果，分別為傳統建筑、裝配式+BIM 建筑、裝配式建筑、傳統現澆+BIM 建筑，對4 種建造方式的生命周期進行劃分，分別為設計、施工、運營以及回收階段。

3.3 分析清單和評價矩陣

在設計階段投入指標選擇土地占用與可研設計；施工階段投入指標有施工現場與構件廠生產形成的能耗排放；回收階段投入指標和產出指標分別為處置和回收率；運維階段的產出指標與投入指標分別為得房率和使用運維消耗。投入和產出分別為正向指標與負向指標，前者數值越大，節能減排效果就越好，后者數值越小就越好，在分析時統一將投入指標的量變換為1 tce，百分率為產出指標的單位。通過上述分析構建各建造方式下的全生命周期節能減排效果評價矩陣，結合數據計算分析后得出具體結果，如表2 所示。繪制各建造方式下的投入指標比較圖和產出指標比較圖，具體見圖1 所示。

圖1 各建造方式下產出指標比較圖（來源：作者自繪）

表2 各建造方式下的全生命周期節能減排效果

從表2 中能夠看出，各項目的投入指標表現為線性趨勢，在設計階段的工作主要包括可研和設計，存在人力物力的消耗，但能耗排放比較低；施工階段能耗排放最高，占比超過66%；其次是運營階段。同時能夠得出，傳統現澆建造方式的能耗遠遠超過了裝配式，這表示這裝配式建造方式在節能減排方面效果較好。除此之外，能夠看出不論是現澆+BIM 還是裝配式+BIM 的施工方式，各階段的投入量均小于單純的現澆、裝配式的施工方式，且各階段的產出率也都大于單純的現澆、裝配式的施工方式，這表示通過BIM 技術能夠明顯降低施工過程中的各項能耗，增加項目的產出率，做到降本增效。

裝配式建筑主要通過工業化制造構件、使用節能環保設備和材料、模塊化裝配的方式來實現工程的節能減排。過去粗放式的現澆混凝土建筑建設方式通過工業化生產進行了升級優化，大大提高了生產資源的利用率。在施工現場進行模塊化裝配能夠降低污水、建筑垃圾、粉塵的產生，能夠高質量達到節地、節水、節材、節電的目的。

從圖1 能夠看出，各建造方式的正向指標里最大的是裝配式+BIM，這表示此建造方式的節能減排效益是最好的。通過引入BIM 技術，其出色的施工指導和裝配方式在很大程度上降低了施工階段的能耗，降低幅度遠遠超過了在設計階段所增大的能耗，由此能夠看出BIM 技術優秀的經濟價值和社會價值。結合了BIM 技術的建筑建造方式將建筑模型進行了可視化，將其建造過程以三維的方式更加直觀的展現在技術人員面前，提高了各專業間的協調效率和質量，在檢查管線碰撞、深化結構設計等方面發揮了關鍵作用。也正是這樣，通過BIM 技術能夠達到精細化施工，在最大程度上降低人力和材料的浪費，降低污水、粉塵的產生，增強工程的節能減排效果。在對項目負向指標、正向指標綜合考慮分析后能夠得出，在全生命周期情況下，在裝配式建筑中引入BIM技術擁有顯著的節能減排效果。

4 結語

為了對比分析BIM 技術在裝配式建筑中的應用效果，通過全生命周期法對比了各建造方式的節能減排效果，主要得出以下結論：第1，裝配式建筑與傳統建筑相比，在木材消耗量、鋼材消耗量、混凝土量、電量、節地情況、水量消耗量、排污量方面降低明顯，且在分別對項目D 和項目C、項目B 和項目A 對比后發現，建造方式相同時，選擇BIM 技術的項目能耗較低；其中122 萬元為項目A 的BIM設計費，而通過BIM 技術減少的管理費和工程成本達到了434 萬元，其效果顯然易見。第2，各項目的投入指標表現為線性趨勢，施工階段能耗排放最高；各建造方式中裝配式+BIM的正向指標最高，這表示此建造方式的節能減排效益最好；結合了BIM 技術的建筑建造方式將建筑模型進行了可視化，提高了各專業間的協調效率和質量，在檢查管線碰撞、深化結構設計等方面發揮了關鍵作用。