建筑施工碳排放测算模型研究

李 兵 李云霞 吴 斌 付菲菲

(1.华中科技大学土木工程与力学学院工程管理研究所,武汉 430074;

2.武汉新城国际博览中心有限公司,武汉 430074)

建筑施工碳排放测算模型研究

李 兵1,2李云霞1吴 斌2付菲菲1

(1.华中科技大学土木工程与力学学院工程管理研究所,武汉 430074;

2.武汉新城国际博览中心有限公司,武汉 430074)

建设项目施工过程中消耗了大量的资源和能源,是项目全寿命周期低碳建设中最为重要的一个阶段,本文采用国际先进的碳足迹评价标准对建筑施工中的碳源进行了归类整理,首次提出了基于BIM及相关软件的建筑施工碳排放测算方法,详细介绍了碳排放测算步骤,对指导低碳施工具有重要的借鉴意义。

低碳施工;建筑信息模型;碳排放测算

1 引言

全球气候变暖的危机严重影响着人类的生存与发展,已成为 21世纪人类社会亟需面对的重要挑战。2009年的联合国气候大会在哥本哈根举行,旨在寻求减少碳排放以解决全球气候变暖问题的途径。建筑建造、使用和拆除过程中对能源和资源的消耗及固体废弃物的处理将带来巨大的温室气体排放量。由建筑的碳排放带来的环境影响越来越大,我国正处于城镇化和工业化加速发展阶段,建设规模和建设速度都为世界发展史上所罕见的。与此同时,二氧化碳排放量也随之不断加大,据统计,每年建筑领域排放的二氧化碳排放量占到总排放量的 35%以上,因此,如何减少建筑的二氧化碳排放就显得尤为重要。施工阶段作为建设项目全生命周期中非常重要而且最为复杂的阶段,会消耗大量的资源和能源,产生大量的温室气体[1]。然而,由于国家的大力支持与政策要求,低碳节能建筑大行其道,部分低碳技术应用之后所减少的碳排放却尚不足以抵消因采用这项技术而带来的生产和施工过程中增加的碳排放,使得其应用毫无意义。因此,研究建筑施工阶段碳排放测算很有现实意义。

2 建筑施工过程中的碳源分析

2.1 国际碳足迹评价标准

解决全球气候变暖的方法就是要做到碳减排,那么首要的问题是找到合适的研究方法去定量评价碳排放,从中找到主要碳排放因子以形成碳减排措施,并对每种措施进行量化评价找到最低碳的途径。目前,国内外普遍认可的定量评价碳排放的方法是采用碳足迹评价标准。综合学者们对碳足迹的定义,可以认为碳足迹是一项活动、一个产品(或服务)的整个生命周期,在某一地理范围内直接和间接产生的二氧化碳排放量(或二氧化碳当量排放量)[2]。根据国家环境毒理和化学学会(SETAC)的定义,碳足迹评价就是碳足迹的计算方法,碳足迹评价标准就是对碳足迹计算方法的规定。

碳足迹已日益成为了研究的焦点和热点,目前利用碳足迹评价的规范和标准也不断推出,主要包括欧盟的温室气体盘查议定书(ENCORD)、英国的PAS 2050:2008、日本的 TSQ 0010和国际标准化组织正在制定的 ISO 14067等。其中 ENCORD是最早颁布的,于 2001年 10月颁布了第一版,2010年 2月颁布了第三版[3],在当前众多国际碳足迹评价标准中发展相对成熟,并且应用最为广泛。ENCORD指出只有清晰定义了碳排放的测量边界才能保证碳足迹计算的关联性、完整性、一致性、透明性与准确性。ENCORD将碳足迹的测量范围定义为三种:直接碳排放、间接碳排放、其他间接碳排放,并要求根据这三种碳排放量形成碳评估评价报告[4]。

本文选用 ENCORD为依据,根据该标准中碳源分类思想和计算方法,针对我国国情和建筑特点进行建筑施工中的碳源分析。碳源即二氧化碳的来源,分析碳源就是要找到产生二氧化碳的各种活动即碳足迹,从而通过碳足迹得到碳排放量。

2.2 建筑施工过程中的碳源分类

对国际上先进的碳足迹评价标准——欧盟温室气体盘查议定书分析,结合我国建筑施工业的管理现状,得到建筑施工中的碳源。

2.2.1 建筑施工活动的操作边界即三大测量范围的确定

结合我国建筑业环境,将直接碳排放定义为通过机械设备的动力燃料的燃烧直接向大气排放温室气体的影响;将间接碳排放定义为机械设备电力及蒸汽的能源使用引起的碳排放;将其他间接碳排放定义为施工消耗材料、施工建筑垃圾引起的碳排放,通常情况下施工过程中不可测量的碳排放,如从空调和制冷剂泄漏的温室气体排放量以及施工人员的碳排放量等,相对建筑施工总的碳排放比重很小,可以忽略,故在其他间接的碳排中只考虑材料、建筑垃圾引起的碳排放。故得到建筑施工中的碳源,如图 1所示。

图 1 建筑施工中的碳源

对建筑施工中的碳源分析可以看到机械设备和材料是引起碳排放主要来源,机械设备的碳排放就是因为需要消耗动力能源而产生碳排放,根据动力能源与碳排放的直接、间接关系分为:直接来源即燃料、间接来源即电力和蒸汽。而材料的碳排放则占剩余碳源中的绝大部分,建筑施工中消耗的大部分资源都是摊销在建筑材料上。因此,本文针对机械设备的碳排放、材料的碳排放进行重点分析。

2.2.3 机械设备的碳排放

机械设备的碳排放是由于消耗动力燃料或电力或蒸汽而引起的。建筑中机械设备众多,有必要对其进行分类,分类依据既要体现碳排放量的影响程度又要有利于安排施工以指导低碳施工。为此将建筑中的机械设备分成了三类:办公室设备、施工机械设施、仓储维修设备。这样的分类体现了对分类依据的要求,可以在施工前知道现场办公、现场施工、现场布置(仓储维修)所产生的碳排放,能针对性的加强施工管理。

2.2.4 建筑材料的碳排放

大量的建筑材料,如结构钢框架组件、混凝土和混凝土制品、钢筋、沥青产品等,是通过形成建筑实体的运营、维修保养、报废而产生碳排放,不同的施工方案其材料的使用量计划也不同,带来的碳排放就不同,而且材料的碳排放占的比重较大,ISO14067鼓励采用全生命周期评价法(LCA)来考量施工引入的材料碳排放量。施工中的碳排放测算也必须将材料的碳排放纳入,只有这样才能鉴别不同的施工方案的碳排放量影响,进而改进施工方案指导低碳施工。国外一些机构,如美国国家标准与技术研究所,为对材料全生命期中二氧化碳的排放量进行充分的掌握和测量进行了诸多的实验,从而形成了较为完善的建筑材料碳排放数据库,而我国还未进行全面的碳排放测量实验,各种材料碳排放测算的精确度与国外相比尚有较大差距。从施工消耗建筑材料引起的碳排放角度,可将其分为五个阶段的影响:原材料的开采和掘取、原材料运输、建筑材料的生产和施工、材料使用、材料报废。

3 基于 BIM的建筑施工碳排放的测算方法

3.1 碳排放测算基本方法介绍

由于数据获取困难,无法形成数据统计的规模效应,我国建筑碳排放的测算还处于比较初级的阶段。目前,对建筑碳排放的测算主要采用三种方法:实测法、物料衡算法和排放系数法[5]。

(1)实测法

主要通过监测工具或国家认定的计量设施,对目标气体的流量、浓度、流速等进行测量,得到国家环境部门认可的数据来计算目标气体总排放量。实测法要求采集的样品数据具有很强代表性和较高的精确度,当能满足这些要求时,这是一种比较可靠的方法,但如果无法保证样品数据的代表性和精确度,即使测试分析很正确,所得数据也毫无意义。

(2)物料衡算法

是建设过程中使用的物料进行定量分析,根据质量守恒,投入物质量等于产出物质量,把工业排放源的排放量、生产工艺和管理、资源、原材料的综合利用及环境治理结合起来系统地、全面地研究生产过程中碳排放的一种科学有效的计算方法。这种方法虽然能得到比较精确的碳排放数据,但是需要对建筑全过程的投入物与产出物进行全面的分析研究,工作量很大,过程也比较复杂。

(3)排放系数法

是指在正常技术经济和管理条件下,根据生产单位产品所排放的气体数量的统计平均值来计算总排放量的一种方法。目前的排放系数分为有气体回收和无气体回收两种情况下的排放系数,而且在不同的生产状况、工艺流程、技术水平等因素的影响下,排放系数也存在很大差异。因此使用排放系数法的不确定性也较大。

3.2 基于 BIM技术的建筑施工碳排放测算模型

纵观现有的碳排放测算基本方法的原理,可以从两个方面去克服当前研究的弊端,一是综合选用碳排放测算基本方法以克服各种方法的不足,发挥它们的最大优点,为此本文选用了国际上先进碳排放评价标准——温室气体盘查议定书,结合我国建筑业确定建筑施工中可测算且精度可靠的碳源类别,对材料选用全生命期周期评价方法,从而最大程度地减少隐含碳排放的影响[6];二是在具体考量施工碳排放时,由于涉及施工碳排放因子的数据多、难于获取且不能形成统计的规模效应,为此本文采用基于BI M技术,及时且准确地调用海量工程数据,利用碳排放测评软件测算建筑施工碳排放。

国际标准组织设施信息委员会对 BIM进行了定义:建筑信息模型(BIM)是利用开放的行业标准,对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命周期信息进行数字化形式的表现,从而为项目决策提供支持,有利于更好地实现项目的价值[7]。方法是由目的决定的,怎样利用 BIM技术建立建筑施工碳排放的测算模型来实现相关海量工程数据的便捷提取呢?研究的基础是用建模软件建立 BI M模型,在 BI M模型中添加材料、机械的有关碳排放的基础数据信息,利用 BIM模型的工程量统计工具,得到材料、机械的耗用量,确定施工方案中的施工区、办公区、仓储中的各种机械设备所消耗的燃料、电力及蒸汽的数量、材料使用量的信息,将这些信息导入到碳排放测评软件,就可以计算出施工阶段的碳排放,生成相应于该施工方案中的机械、材料使用量计划的碳排放测评报告,给出指导低碳施工的建议措施,见图 2所示。

图2 基于 BI M技术的建筑施工碳排放测算模型

4 基于 BIM技术的建筑施工碳排放测算步骤

4.1 基于 BIM的建筑施工碳排放的信息模型

利用BIM的核心建模软件基础模型,在基础模型里的单元构件属性里加入有关碳排放属性信息:(1)单元构件的结构材料;(2)单元构件的粉刷材料;(3)单元构件的饰面材料;(4)前三种材料的综合信息(对应的原材料、对应材料到现场的运距、对应材料的属性如混凝土砂浆等的强度、对应材料的使用寿命、报废时回收利用程度),作为丰富的测算碳排放依据的材料信息。

利用 BIM基础模型转换好施工图设计模型前,加入各种机械设备后要添加机械设备用电耗油的性能属性参数。根据 BIM施工图设计模型形成BIM的施工方案,利用前面丰富的材料信息、机械设备信息,借助 BIM统计工程量的功能得到材料的消耗量、建筑垃圾量、施工区、办公区及仓储区的机械设备使用量信息,形成碳排放测算的基础信息导入到碳排放测评软件。

4.2 施工过程碳排放的测算

根据建筑施工中的碳源分类测算施工过程中的碳排放,需考查其三个测量边界的影响:机械设备消耗燃料直接碳排放、机械设备消耗电力及蒸汽间接碳排放、来自于材料和建筑垃圾的其他间接排放。下面,借助于建立好的基于 BI M的建筑施工碳排放的信息模型(包含材料、机械的测算碳排放基础参数),分别阐述这三种测量边界的计算步骤。

(1)燃料、电力及蒸汽的碳排放

根据 BIM的建筑施工碳排放的信息模型,得到施工区、办公区、仓储间的各种机械设备的使用量及其燃料、电力及蒸汽的消耗量,将机械设备的使用量及其燃料、电力及蒸汽的消耗量作为测算碳排放的基础数据导入碳排放测评软件,得到机械设备消耗的燃料、电力及蒸汽带来的碳排放。

(2)材料的碳排放

根据 BIM的建筑施工碳排放的信息模型,得到建筑材料的使用量及对应的原材料、对应制成材料成品的信息、运输距离对应材料的使用寿命、报废时回收利用程度的信息,将这些信息作为测算碳排放的基础数据导入碳排放测评软件,得到材料的碳排放。其计算思路见图 3。以某工程屋顶施工为例,构建屋顶 BIM模型,统计相关材料的属性,并导入碳排放测评软件 BEES进行分析,如图 4所示。

(3)建筑垃圾的碳排放

根据 BIM的建筑施工碳排放的信息模型(赋予建筑垃圾的种类信息)得到的 BIM的施工方案,可以得到各种建筑垃圾的数量信息,将这些数量信息作为测算碳排放的基础数据导入碳排放测评软件,得到建筑垃圾的碳排放。

图 3 材料碳排放的全寿生命周期评价法

图 4 某工程低碳测算示意图

4.3 施工方案碳排放性能分析

根据前面计算的各种材料的碳排放,得到材料碳排放的大小顺序及各种材料占所有材料碳排放的比重。根据前面计算的施工区、办公区、仓储区的各种机械设备的燃料、电力、蒸汽的耗用量及其这些耗用量对应的碳排放,得到施工区、办公区、仓储区各种机械设备碳排放的大小顺序及各机械设备占所有机械碳排放的比重。

4.4 措施和改进分析得到低碳的施工方案

根据碳排放测评软件计算机械设备、材料及建筑垃圾,得到施工中总的碳排放及相应的碳排放测评报告和前面的施工方案碳排放性能分析。按照材料碳排放的大小顺序、机械设备碳排放的大小顺序,逐渐更改 BIM的建筑施工碳排放的信息模型中的材料参数、机械参数。基于 BIM技术和碳排放测评软件,得到改进后的施工方案中因不同的材料、机械设备的信息带来的施工碳排放及碳排放评估报告。经过多次改进,得到碳排放最小的即为低碳施工的施工方案。

5 结论

在呼吁低碳建筑的今天,我国大力推行各种低碳节能技术,想要实现低碳建筑的目标,在考虑低 碳运营的同时也必须要考虑低碳施工。本文建立了基于 BIM信息模型的建筑施工碳排放测算方法,利用 BIM技术添加提取与碳排放相关的基础信息,借助碳排放测评软件实现了建筑施工阶段的碳排放测算,可为建设项目的低碳目标提出可行的低碳施工方案,对建筑企业的节能减排具有很好的指导意义。同时,所建立的 BIM建筑施工碳排放信息模型为后期运营和物业管理提供了丰富的施工碳排放信息,是对建设项目全寿命期低碳建设的进一步完善。

[1]帅小根,李惠强,柯华虎.工程建设及资源消耗对环境影响的定量评价.华中科技大学学报(城市科学版),2009,(6):34-38.

[2]Johnson E.D isagreement over Carbon Footprints:A Co mparison of Electric and LPG Forklifts[J].Energy Policy,2008,36(4):1569-1573.

[3]耿涌,董会娟,郗凤明,刘竹.应对气候变化的碳足迹研究综述.中国人口.资源与环境,2010,(10):6-12.

[4]EuropeanNe twork ofConstruction Companies for Research and Development.

[5]张德英,张丽霞.碳源排碳量估算办法研究进展.内蒙古林业科技,2005,(1):20-23.

[6]陈红敏.包含工业生产过程碳排放的产业部门隐含碳研究.中国人口.资源与环境,2009,(3):25-30.

[7] Deke Sm ith,United States Building Infor mation Model Standard[C].美国:The 2nd Congress on D igitalCollaboration in the Building Industry,2005.11.

Research on Low-carbon Calculation Model in Building Construction Stage

LiBing1,2,LiYunxia1,Wu Bin2,Fu Feifei1

(1.School of Civil Engineering andMechanics,Huazhong University of Science and T echnology,Wuhan430074,China;2.Wuhan International Expo CentreLimited Company,Wuhan430074,China)

As one of the most important stages in a project lifecycle, the construction stage consumes vast quantities of resources and energy and has become a control point for the low-carbon construction.The international stage of carbon footprint evaluation standard has been used in this paper for defining the carbon source in construction stage.A carbon consumptionm ethod based on BIMand other related software hasbeen put forward firstly,along w ith the detailed calculation procedure which holds an important reference meaning to guide the low-carbon construction.

Low-carbon Construction;Building Info rmationModeling;Low-carbon Calculation

X831.02;TU198+.2

A

1674-7461(2011)02-0005-06

李兵(1965-),男,高级工程师。主要研究方向:项目管理,绿色建造技术。