基于BIM 技術的建筑碳排放計算與分析方法

李 欽，鄧玉輝

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

近些年來，隨著全球氣候的變暖，建筑工程項目的碳排放控制已成為亟待解決的一個重要問題。BIM 技術作為當前建筑行業中一種先進的技術，以其獨特的優勢在建筑碳排放計算與分析中發揮出了愈加重要的作用。廣東省技師學院新校區建設（一期）項目作為重要的教育基礎設施建設項目，其碳排放控制具有重要意義。

1 建筑碳排放的界定

對于建筑碳排放，對其進行綜合評價需要貫穿建筑的全生命周期，包括規劃與設計、材料構件生產和建造與運輸階段、建筑建造階段、建筑拆除階段的碳排放等多個階段。在這一全循環過程中，物質能源流動對環境帶來的影響，以及由此帶來的經濟效益、社會效益和環境綜合效益，都是評價建筑碳排放時不可或缺的重要因素。其中，規劃與設計階段是建筑碳排放的源頭。在這一階段，設計人員的設計理念和設計方法直接影響著建筑整體的碳排放水平?？茖W與合理的建筑設計可以優化和提升建筑的布局，提高建筑物體的采光和通風效果，減少能源消耗和碳排放；材料構件生產和建造與運輸也是建筑碳排放的重要組成部分，在這一階段建筑材料的使用和生產工藝，都會對建筑的碳排放產生深遠影響；特別是在建筑建造階段，建筑物體的實際情況直接反映著碳排放的水平，在這一階段中碳排放主要集中于能源消耗，如燃氣和電力；在建筑拆除階段，建筑完工后的廢棄物處理也是評價碳排放指標的重要因素，合理的廢棄物處理方法和二次利用不僅可以減少其對于周邊環境的污染，還可以實現資源的循環利用，降低和減少碳排放[1]。

2 碳排放技術路線及計算過程

2.1 技術路線

碳排放技術路線的實施是一個復雜且系統的過程，涉及多個環節和步驟。首先，需要進行實施準備。這一階段主要包括收集碳排放相關的數據和信息，明確技術路線的目標和要求，以及確定所需的資源和技術支持。同時，建立建筑信息模型（BIM）。模型也是這一階段的重要任務，它能夠為后續的碳排放計算提供準確的基礎數據[2]。將建立的BIM 模型用來收集建筑物的相關資料和數據，并利用專業的BIM 軟件，創建一個精確的三維建筑模型。BIM 模型建立完成后，將其導入專業的碳排放計算軟件中。通過軟件的分析和計算，可以得出建筑物在運行過程中產生的碳排放量以及各個環節的碳排放貢獻度。這些數據可以為后續的碳排放專業設計提供了重要的參考依據。在數據傳輸環節，將碳排放計算軟件的分析結果傳遞給專業設計團隊。設計團隊根據這些數據，結合建筑物的實際情況，制定針對性的碳排放減排方案。這些方案主要包括優化建筑設計、改進能源使用方式、采用低碳材料等措施。最后，進入運行階段。在這一階段，將實施專業設計團隊制定的減排方案，并持續監測建筑物的碳排放情況。通過不斷的數據反饋和調整，可以確保建筑物在運行過程中達到預期的碳排放目標。

2.2 BIM 技術的建筑碳排放計算

2.2.1 碳排放BIM 模型創建

BIM 模型主要由墻體、門窗、樓板、屋面，組成。模型應保證構件基本參數準確性。模型深度應符合《建筑信息模型設計交付標準》中LOD3.0 的規定。模型房間墻體必須閉合，不應使用房間分割線劃分房間。門聯窗中的門窗構件應分開放置。BIM 模型構件參數準確設置，如：寬度、高度、厚度、標高等。圖1 為碳排放BIM 模型。

圖1 碳排放BIM 模型

2.2.2 碳排放BIM 模型的轉換

碳排放計算是基于綠色建筑性能設計系統PKPMGBP 軟件內操作。用于碳排放計算的模型基于BIM 模型進行轉換，首先在專業碳排放轉換插件匹配樓層標記，在利用專業碳排放轉換插件導出bdls 模型，如圖2所示。

圖2 bdls 模型

2.2.3 碳排放計算原理

（1）建材生產及運輸階段。

計算原理。對于材料構件生產、建造與運輸階段的碳排放計算，BIM 技術的計算原理得益于物料衡算法和生命周期評估法[3]。其中，物料衡算法依據質量守恒定律，對生產過程中投入物料和產出的物質進行精確計算，得出材料構件生產、建造與運輸階段的碳排放量。而生命周期評估法則是對材料構件從生產到運輸、再到建造使用的全過程中，每一個環節的碳排放進行詳細分析和計算。在BIM 技術的支持下，可以構建精細化的建筑信息模型，從而對材料構件的生產、運輸和建造過程進行模擬與分析，通過提取模型中材料的種類、數量、運輸距離等的信息，從而更準確的計算出這一階段的碳排放量。

計算過程。建材生產及運輸階段的碳排放應為建材生產階段碳排放與建材運輸階段碳排放之和，并應按式（1）計算。

式中：CJC——建材生產及運輸階段單位建筑面積的碳排放量，kgCO2e/m2；CSC——建材生產階段碳排放，kgCO2e；Cys——建筑運輸過程中的碳排放量，kgCO2e；A——建筑物體的面積，m2。

計算要點。材料構件生產的碳排放計算要點在于準確識別和統計所使用的原材料種類及其數量[4]?；贐IM 技術的建筑按面積估算主要材料如圖3 所示。

圖3 基于BIM 技術的建筑按面積估算主要材料

（2）建筑建造階段。

計算原理。在建筑的建造階段，BIM 技術通過對建筑信息模型中數據的提取和分析，識別出建造階段中涉及碳排放的主要環節和因素，比如建筑材料的使用、施工機械的運行、能源消耗以及施工過程中廢棄物的處理等等[5]。此時，BIM 技術利用預設的碳排放計算規則和系數，對提取出的數據進行處理和計算，這一計算過程是借助統計數據得出的，能夠準確反映不同材料和活動在碳排放方面的特性。最終，應用BIM 技術將計算結果以可視化的方式呈現出來，幫助項目團隊清晰地了解建筑建造階段的碳排放情況。

計算過程。建筑建造階段的碳排放量應按式（2）計算。

式中；CJz——建筑建造剪短單位建筑面積的碳排放量，kgCO2/m2；Ejz，l——建筑建造階段第l 種能源總用量，kW·h 或者kg；EFl——第l 類能源的碳排放因素，kgCO2或者kgCO2/kg；A——建筑物體的面積，m2。

計算要點。利用BIM 技術進行建筑建造階段的碳排放量計算時，需要關注數據準確性、碳排放系數的選擇、施工過程的模擬與分析、能源消耗的計算以及結果的可視化與呈現等關鍵要點。通過綜合考慮這些計算要點，可以更加準確、全面地評估建筑建造階段的碳排放情況，為制定有效的減排策略提供有力支持。

（3）建筑拆除階段。

計算原理。在建筑的拆除階段，需要考慮的碳排放來源包括拆除機械的運行、能源消耗、廢棄物的處理和運輸等。BIM 技術通過構建拆除階段的虛擬模型，準確記錄拆除過程中的各項活動及其相關信息。根據這些信息，結合預先設定的碳排放因子和算法，對拆除過程中產生的碳排放進行精確計算。在這個過程中，BIM 技術能夠實時更新模型中的數據，確保計算結果的準確性和實時性。

計算過程。建筑拆除階段的單位建筑面積的碳排放量應按式（3）計算。

式中：Coc——建筑拆除階段單位建筑面積的碳排放量，kgCO2/m2；Eco，l——建筑拆除階段第l 種能源總用量，kW·h或kg；EFl——第l 類能源的碳排放因子，kgCO2/kW·h。

計算要點。在使用BIM 技術進行拆除階段碳排放計算時，需要確保模型中的數據與實際拆除情況保持一致，避免因數據不準確或缺失導致計算結果偏差。

3 案例分享及研究成果

廣東省技師學院新校區建設（一期）項目位于惠州市博羅縣羅陽街道橫江尾桿和新角桿地段，工程建設規模：廣東省技師學院新校區建設項目總規劃用地面積1248 畝，除去留用地、安置地、市政道路等面積后，凈用地面積約1000 畝（以實際紅線圖為準）。一期用地面積344338m2。本案例已該項目B1 宿舍樓為例，使用的分析工具為建筑碳排放計算軟件PKPM-CES，計算建筑全生命周期碳排放水平。

依據《建筑碳排放計算標準》，對建筑在運行、建造及拆除、建材生產及運輸等階段的碳排放進行了全面分析，并詳細總結了各階段的碳排放核算方法，包括建筑建造階段碳排放CJZ 核算、運行階段碳排放CM 核算、拆除階段碳排放CCC 核算及碳匯量Cp 核算。結合傳統建筑碳排放計算方法，研究并總結了基于BIM 技術的建筑碳排放計算方法，包括BIM 模型的組成、模型轉換、以及具體的計算思路和計算方法。進行了實例測算，并與傳統計算方法進行了對比分析。結果表明，BIM模型在導出碳排放計算模型時由于保留了所有構件信息，因此計算結果更為全面；同時，BIM 模型避免了重復建模工作，顯著提高了工作效率。

本方法與傳統方法的建筑運行階段碳排放降低結果對比如圖4 所示。

圖4 碳排放結果分析對比

4 結語

本研究雖然取得了一定成果，但由于客觀條件的限制，仍存在諸多不足，這些不足將在后續研究中得到進一步完善。具體來說：本研究僅選取了一棟建筑單體作為實例進行測算，且建筑類型相對單一，導致研究數據不夠豐富。為了彌補這一不足，后續研究將增加公共建筑類型的樣本，進一步豐富數據，并加強對比分析，以提高研究的準確性和可靠性。在本研究中，BIM 模型的工程量數據并未得到充分利用。為了進一步提升研究的深度和廣度，后續研究將探索采用分析工程量清單的方法進行碳排放計算，以充分利用BIM 模型中的工程量數據，為建筑碳排放的精確計算提供有力支持。盡管存在不足，但本研究提出的基于BIM 的建筑碳排放計算方法仍達到了預期目標，對于將BIM 技術與建筑碳排放計算相結合的研究具有重要意義?？傮w而言，BIM 技術作為我國推進建筑業數字化轉型的關鍵手段之一，其未來在雙碳領域的應用前景廣闊，必將為綠色建造提供有力支撐。