基于BIM技術的建筑碳排放及無人機區域碳排放評估

王拓， 王曉璐， 蔡馬勇， 張萌， 林派銳， 成子昊， 詹雅婷， 陳莉莎

（東莞理工學院生態環境與建筑工程學院）

1 引言

建筑產業是全球二氧化碳排放的主要來源之一，隨著“碳達峰”和“碳中和”目標的提出，建筑領域需要大力推廣低碳技術和綠色建筑理念，規范建筑行業的碳排放計算和監管，減少各階段碳排放的產生[1-2]。

為研究建筑碳排放計算與評估方法，提出可持續建筑設計和管理的相關策略和建議，本文從單體建筑和區域層面進行碳排放分析，運用斯維爾三維算量等相關軟件建立BIM 模型，根據模型工程量計算物化階段及后運維階段的碳排放量，并運用紅外熱成像影像分析施工碳排放情況。同時結合無人機傾斜攝影模型及GIS 技術進行分析，評估該建筑及周邊區域的相關合理性，促進可持續發展和低碳經濟的建設。

2 工程概況

本文主要圍繞東莞理工學院高水平理工科大學國際合作創新區學生宿舍樓及項目施工區域進行分析，項目位于東莞市松山湖區，混凝土剪力墻結構，總建筑面積24167.56㎡，地上建筑面積23190.81㎡。

3 基于BIM技術的單體建筑排放分析

本文通過構建BIM 模型，對構件進行匯總計算并導出工程量清單，基于碳排放系數法[3]計算建筑物化階段產生的碳排放量，結合能耗參數和建筑物的特征數據計算建筑運維階段產生的碳排放量，對單體建筑的全生命周期碳排放測算模型進行分析與評估。

3.1 建筑物化階段碳排放計算

本文基于斯維爾三維算量軟件計算地上部分建筑工程量，項目主要建設范圍包括混凝土工程、鋼筋工程、砌筑工程、門窗工程、裝飾裝修工程等分項工程，BIM模型如圖1所示。

圖1 斯維爾BIM模型

將編制完善的工程量清單文件導入斯維爾碳排放計算軟件當中，完成碳排放因子匹配、單位換算、運輸距離調整等相關工作，匯總單體建筑建筑階段的碳排放量。

本工程混凝土工程單方含量為0.37m3/㎡，鋼筋工程單方含量為45.21kg/㎡，結合建筑生產階段、運輸階段、建造階段的碳排放量進行分析，得到單方含量分析表如表1和表2。

表1 單方碳排放量分析表—主體建材分析

表2 單方碳排放分析表—物化階段分析

由分析結果得知，東莞理工學院新區學生宿舍樓工程物化階段的碳排放總量為13656.13tCO2，單方碳排放量為634.34kgCO2。物化階段碳排放分析如圖2。

圖2 物化階段碳排放分析餅圖

3.2 運維階段碳排放計算

根據建筑物的使用性質，宿舍樓首層為公共建筑，2 層及以上為居民建筑。根據項目信息設置墻體、門窗和屋頂等圍護結構，建立對應的建筑框架，完善其空間劃分，最終建立CEEB 碳排放建筑模型如圖3所示。

圖3 CEEB碳排放模型（左為公共建筑，右為居民建筑）

在模型中輸入建筑物不同階段的能耗參數，包括供暖、通風、空調、照明等方面；提取模型數據，如建筑面積，建材用量等為后續的負荷計算及碳排計算建立數據基礎；最后對單體建筑進行碳排放分析與計算，各階段碳排放計算結果及相關指標如圖4和圖5所示。

圖4 全生命周期碳排放量分析指標

圖5 全生命周期碳排放量分析餅圖

3.3 單體建筑碳排放分析

為尋找建筑減碳的有效措施，本文進行敏感性分析[4]，采用單因素敏感性分析方法進行評估，研究各變量變化對模型輸出結果的影響程度，計算敏感因子x 對案例建筑全生命周期的碳排放影響，物化階段及運維階段碳排放敏感性分析如表3 和表4所示。

表3 物化階段碳排放敏感性分析

表4 運維階段碳排放敏感性分析

由敏感性分析可知，對于建筑物化階段，鋼筋混凝土等主體工程材料在建材生產階段碳排放影響最大，敏感度系數相較于其他因素來說較高，而運輸過程及建造過程的浮動對于該過程的碳排放影響程度較小，因此對建材生產階段采取相關減排措施可有效降低該過程的碳排放量。

對于建筑運維階段，運行與維護階段當中空調、照明及熱水等工作設備的浮動可有效影響建筑全生命周期的碳排放量，因此提高運維階段中設備的能效或引入可再生能源是建筑減排的有效途徑。

綜合分析結果，建筑運行階段占全生命周期碳排放的77.99%，建筑材料生產階段占比20.56%，二者是建筑碳排放量的主要決定性因素，且建筑運行階段在生命周期評價中，其敏感度系數相較于物化階段普遍偏高，因此建筑運行階段相比于建筑物化階段更具減排潛力。基于以上分析結果，選取敏感度系數較大的幾個因素繪制單因素敏感性分析圖，單因素敏感性分析如圖6。從圖上即可直觀地看出各敏感因子的變化對單位面積碳排放的影響程度，影響程度排序為：單元式空調＞生活熱水＞照明＞混凝土＞鋼筋。

圖6 單因素敏感性分析

4 基于無人機技術的區域建筑碳排放分析

研究結合熱成像分析、氣體濃度監測、無人機傾斜攝影和GIS 技術，分析與評估區域建筑及施工現場的碳排放情況，優化施工流程和管理，針對性地制定減排措施。

4.1 區域碳排放監測技術應用

建筑施工現場全區域的碳排放監測，本文采用深圳可飛科技公司Sniffer4D 靈嗅碳排放監測設備以及配套的經緯M300RTK 無人機（見圖7）進行碳排放的采集，獲取帶有地理信息及時間標記的碳排放數據，并實時傳輸至配套軟件進行智能可視化分析。

圖7 Sniffer4D靈嗅碳排放監測設備配置

對東莞理工國際新校區進行碳排放監測，碳排放主要集中在2、3 棟教學實驗樓及8、9 宿舍樓施工區域（見圖8）。施工現場全景圖觀測，該區域存在多座塔吊并且集中布置多個材料加工棚，施工能源消耗大，區域碳排放量較為集中。

圖8 施工現場碳排放監測

4.2 傾斜攝影與GIS技術應用

結合無人機傾斜攝影技術和GIS 系統，實現施工現場三維模型與地理信息系統的對接，并在三維模型數據基礎上進行建筑碳排放數據分析與應用。對施工現場的設備布置、能源使用情況等進行監測，全面掌握建筑碳排放和施工過程的情況，進一步探索降低建筑碳排放的有效途徑（見圖9）。

圖9 傾斜攝影模型與GIS 技術應用

4.3 區域建筑碳排放分析

由分析結果得知，施工現場的碳排放量穩定在570 mg/m3左右，無人機搭載二氧化碳檢測儀距離施工作業面有一定距離且受機翼氣流影響，其測試精度有一定的局限性。作業時的施工機械碳排放峰值接近800mg/m3，是施工現場區域碳排放的主要影響因素。因此在現場管理過程中應注重提高施工機具的工作效率，減少施工過程的碳排放量。

此外，通過Mavic3T無人機的熱成像分析（見圖10），可清晰觀測混凝土澆筑過程及施工機械的溫度變化。新校區8、9 棟宿舍樓采用預制疊合板，放熱量較其他施工區域低，說明施工方式也是造成碳排放量差異的主要原因之一。現澆混凝土結構需要大量機械和人員進行澆筑和養護，施工碳排放量大；而預制疊合板規模化生產方式減少施工現場的機械和能源消耗，降低施工現場的碳排放量[6]。

圖10 無人機紅外熱成像分析

5 結論

5.1 BIM單體建筑碳排放評估結果與優化建議

建筑碳排放主要源于建筑物化階段及運行階段。在本宿舍樓案例中，鋼筋混凝土等主體工程材料是建筑物化階段碳排放量主要來源；空調、生活熱水及照明等設備能效是建筑運行階段碳排放的主要來源，且運維階段對建筑生命周期碳排放影響最高。

優化主體建材和設備能效是減少建筑碳排放的關鍵所在[5]。使用綠色建材替代傳統鋼筋混凝土等主體工程材料；通過建筑外保溫、換熱器改造、設備升級等方式，減少空調、生活熱水、照明等設備的能耗，可降低對傳統能源的依賴。

5.2 無人機區域碳排放評估結果與優化建議

通過無人機搭載二氧化碳監測儀和無人機熱成像，可實現區域范圍的碳排放監測。二氧化碳監測數據可捕捉施工機具的高碳排放，熱成像可呈現預制疊合板和傳統現澆混凝土的碳排放的差異。

結合區域碳排放的分析結論，減少施工過程中的能源消耗和優化資源利用是降碳的主要目標。可通過優化施工機具使用效率和機械運作、推進建筑裝配化程度，減少施工現場對機械和材料的消耗，降低施工現場的碳排放量等。