国内装配式建筑的能源影响分析

高 欣 鲍轶群 贺文智 徐竟成 李光明

同济大学环境科学与工程学院

国内装配式建筑的能源影响分析

高 欣 鲍轶群 贺文智 徐竟成 李光明

同济大学环境科学与工程学院

装配式建筑具有速度快、成本低、环保节能、受气候条件制约小、节约劳动力并可提高建筑质量等优点，近几年来在我国得到了极大的关注、发展和应用，并渐渐走入了人们的工作和生活环境中。在全球能源储量堪忧大背景下，研究装配式建筑的能源影响可帮助了解其具体的能源优势，及时对装配式建筑的过程或阶段进行调整，以达到能源的最佳管理和利用。

装配式建筑；能源影响；全生命周期；建筑信息模型（BIM）

装配式建筑是一种新型房屋建筑方式，即是先在生产厂生产好预制构件，然后运输到施工现场进行现场装配。具有施工速度快、建筑质量高、环保节能好、经济效益好等优点。[1,2]装配式建筑在国外发展较早，17世纪时欧洲便已经出现了用木架拼装房屋的最简单的装配式建筑；世界大战后的德国，工业化住宅得到快速发展，20世纪70年代民主德国工业化达到90%；19世纪70年代美国便通过了国家工业化住宅建造及安全法案，并出台了一系列严格的行业规范标准，一直沿用至今；日本于1968年就提出了装配式住宅的概念，2008年建造的日本东京塔是典型代表。[3,4,5]

我国装配式建筑的起步比较晚，20 世纪70 年代装配式建筑才开始在国内流传， 90 年代才得到进一步的发展。[3]目前全国已有30多个省市出台了装配式建筑专门的指导意见和相关配套措施，不少地方更是对装配式建筑的发展提出了明确要求，越来越多的市场主体开始加入到装配式建筑的建设大军中。在各方共同推动下，近15年数据显示全国新开工的装配式建筑面积达到3 500万m2～ 4500万m2，近3年新建预制构件厂数量达到100个左右。

随着装配式建筑在国内外的发展，装配式建筑的能源效益分析也显得越来越重要。能源是国民经济的命脉。一次能源煤、天燃气等越来越枯竭。在我国，建筑能耗占总能耗的27%以上，而且还在以每年1个百分点的速度增加。建设部统计数字显示，我国每年城乡建设新建房屋建筑面积近20亿m2，其中80%以上为高能耗建筑；既有建筑近400亿m2，95%以上是高能耗建筑。建筑能耗占全国总能耗的比例将从现在的27.6%快速上升到33%以上。加强建筑物的能源管理迫在眉睫。了解装配式建筑的能源影响，特别是整个建筑过程的能源消耗机制，有助于控制能源利用和避免不必要的能源损耗，促进装配式建筑节能的发展，有效地开展能源管理工作。目前国内外常见的方法有全生命周期分析、BIM分析、评价模型分析、以及其结合应用等等。

1 基于全生命周期（LCA）的能源影响分析

LCA的定义有各种不同的表达方式，但其核心内容都是一致的。最常见的两种是ISO 4000系列标准和联合国环境规划署所定义的，即“LCA是对一个产品系统整个生命周期中输入、输出及潜在环境影响的汇编和评价”或“评价一个产品系统生命周期整个阶段——从原材料的提取和加工，到产品生产、包装、市场营销、使用、再使用和产品维护，直至再循环和最终废物处置——的环境影响的工具”。[6,7]其生命阶段和技术框架均如图1、2所示。[8]

图1 一个生产系统中的生命阶段

图2 . LCA技术框架

1.1 建筑物全生命周期

对于建筑物的生命周期，综合相关研究，建筑物LCA从基本的设计、施工、使用、拆除及建筑垃圾处理阶段，在绿色建筑理念提出的背景下加入了使用阶段的环境污染，最新研究中还在上述的几个过程之前, 将建筑材料的原料采集、生产和运输等上游过程考虑在内，进一步完善了建筑物的全生命周期。如图3所示。[9,10]

根据生命周期不同阶段的能耗情况可以对装配式建筑进行能源影响分析。

1.2 装配式建筑LCA能源影响评价方法

刘猛、姚润明等人[11]运用《火用》方法分析建筑物的能源消耗，建立了建筑生命周期能源影响《火用》分析通用模型，对能源消耗环境影响进行量化，将燃料(能源)的影响取为化学反应时作出的最大有用功、水电能源影响取为水电热量值、其他可再生能源主动利用时能源影响取为电力热量值并同时考虑能源物化过程带来的附加能源消耗，该建筑物能源利用影响通用模型可反映装配式建筑造成的客观能源影响并用于评价装配式建筑发展的能源可持续性。

图3 建筑物的全生命周期示意图

谷立静、林波荣等人[12]建立了中国建筑生命周期影响评价的终点破坏模型，与上述仅用热值作为不同能源的评价标准不同的是该模型引入了能质系数的概念，即能源对外所能够做的功与其总能量的比值, 据此可得出一些常用一次能源的能质系数，利用能质系数求出建筑过程能源消耗。终点评价模型将能源消耗作为其中的一个终点环境影响类型，将清单结果分类并特征化，对中点能源影响进行危害分类和特征化，再对终点能源影响进行标准化和加权得出最终的能源综合指标，具有更好的时间和空间适用性，更适于解决长期发展问题。

2 基于建筑信息模型（BIM）的能源影响分析

建筑信息模型BIM是以三维数字为基础，对建设项目全生命周期的所有功能和几何特性等项目信息的数字化表达和综合集成，从而为整个工程项目提供可信赖的信息共享资源。[13]利用BIM的可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等五大特点，可将信息技术应用于项目的全生命周期过程中，致使建筑工业化的优势大大提升，使工程建设真正实现信息化。[14]

BIM自2001年引入国内，经过十多年的不断发展应用及政府相关得政策支持，已取得了长足的发展。BIM 包含与能源分析有关的信息，当与其他节能设计及分析软件连接时能够适用于建筑节能设计。[15]本节主要讨论国内BIM在建筑能源优化利用上的应用。

郭娟利、冯宏欣等人[16]研究了BIM技术在装配式建筑绿色施工过程的评价标准中的应用。装配式建筑的预制构件现场装配特点，有利于节约能源资源，尤其在降低场内的耗油耗电量方面效果明显。根据绿色施工的相关导向准则，节能是其评价标准重要的组成部分。BIM的参数化和三维可视化等优势能够快速精准的识别施工现场的错误、指导施工流程中各种能源参数按照绿色施工的要求顺利进行。

李天华等人[17]分析了建筑信息模型BIM 和无线射频识别BFID结合在一起，并探索其在对装配式建筑全寿命周期管理中的应用，与其他传统手段相比，BIM 和BFID结合具有信息及时、易查找、与项目进度关联等优点，解决了局部最优整体薄弱的建筑信息体系问题，能使各阶段、各参与方及时共享和交流信息，若将该技术应用于装配式建筑阶段能源的输入中，既可关联能源利用的各个分过程，又可将整体的能源消耗过程与其他建筑生命周期阶段联系起来，及时做出有效的分析。

陈楠等人[18]结合BIM和LCA方法并建立层次分析评价指标体系，对工程项目全生命周期的环境影响评价与决策分析方法进行了研究。BIM技术作为建筑设施的物理与功能特征的数字化表示，为建筑全生命周期环境影响提供定量评价的评估范围；运用层次分析法的基本理论建立层次结构评价框架并构件决策模型；最终得到生产阶段、运营与维护阶段、回收阶段等三个不同阶段的能源、资源消耗情况和环境影响情况。

3 总结展望

综上所述，目前对于建筑物的能源分析大多还是作为环境影响分析的一部分来进行，单独的能源影响分析模型仍较少；大多数模型均基于LCA和BIM分析方法进行，目前最受到欢迎的方法是将BIM用于建筑物的全生命周期环境影响分析，BIM的数据化和可视化等优点为LCA分析提供捷径。虽然从LCA分析到BIM分析，再到二者结合分析的成功过渡到我国建筑环境（能源）影响分析的不断进步和发展，但与国外相比，我们仍存在较大的差距并面临障碍因素。其中最主要的障碍便是数据源不全面。数据是BIM的灵魂[19]，尤其是在建造阶段，数据成为制约BIM发展的困难之一。由此，完善建筑数据库也成为促进BIM发展的主要任务。

最近国务院印发的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》显示，未来十年，我国将以京津冀、长三角、珠三角三大城市群为重点推进地区，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。因此，建立能够分析装配式建筑能源影响的模型显得弥足重要，有效的能源分析模型必将是建立在全面的数据库之上，并能为指导装配式建筑全生命周期的能源管理提供准确的方向。

[1] 李湘洲. 21世纪建材、建筑业"大革命"--装配式建筑[J]. 建材发展导向, 2003, 1(4):11-13.

[2] 王艳飞, 杨正俊. 浅析装配式建筑的发展[J]. 中外建筑, 2017(1):57-59.

[3] 郭章林, 梁婷婷. 浅谈装配式建筑的发展[J]. 价值工程, 2017, 36(2):233-235.

[4] KIM SEEBER, 宗德林, 楚先锋,等. 美国装配式建筑发展历程相关政策与实现方式[J]. 住宅产业, 2017(5).

[5] 肖明. 日本装配式建筑发展历程政策特点与标准规范[J]. 住宅产业,2017(5).

[6] 谷立静. 基于生命周期评价的中国建筑行业环境影响研究[D]. 清华大学, 2009.

[7] 龚志起. 建筑材料生命周期中物化环境状况的定量评价研究[D]. 清华大学, 2004.

[8] RitaSchenck, PhilipWhite. Environmental life cycle assessment: measuring the environmental performance of products[M]. American Center for Life Cycle Assessment, 2014.

[9] 李振翔, 张三明. 生命周期评价与建筑[J]. 工业建筑, 2004, 34(3):30-32.[10] 程敏, 武田艳. 全生命周期建筑能耗及节能研究[J]. 工业建筑, 2009,39(7):1-3.

[11] 刘猛, 姚润明. 建筑生命周期环境影响《火用》分析通用模型及应用[J]. 土木建筑与环境工程, 2009, 31(3):114-118.

[12] 谷立静, 林波荣, 顾道金,等. 中国建筑生命周期环境影响评价的终点破坏模型[J]. 科学通报, 2008(15):1858-1863.

[13] 刘波, 刘薇. BIM在国内建筑业领域的应用现状与障碍研究[J]. 建筑经济, 2015, 36(9):20-23.

[14]李俊杰, 杨晖. 基于BIM技术的建筑工业化发展研究[J]. 建筑经济,2016, 37(11):10-14.

[15] 赵源煜. 中国建筑业BIM发展的阻碍因素及对策方案研究[D]. 清华大学, 2012.

[16]郭娟利, 冯宏欣, 王杰汇,等. 基于BIM的装配式建筑绿色施工流程研究[J]. 建筑节能, 2017(8).

[17] 李天华, 袁永博, 张明媛. 装配式建筑全寿命周期管理中BIM与RFID的应用[J]. 工程管理学报, 2012, 26(3):28-32.

[18] 陈楠, 徐照, 李启明. 结合BIM的工程项目全生命周期环境影响评价与决策分析方法研究[J]. 工程管理学报, 2016, 30(2):97-102.

[19] 于巧稚. 数据,BIM发展的灵魂[J]. 中国建设信息化, 2014(2):42-43.

Energy Impact Analysis of Domestic Fabricated Building

Gao Xin, Bao Yiqun, He Wenzhi, Xu Jingcheng, Li Guangming Tong Ji University Environment Science and Engineering College

Fabricated building many advantages, such as rapid speed, low cost, environment protection and energy saving, less climate chance restriction, saving labor forces and improving building quality. In recent years fabricated building attracts focus, development and application in China, which enters citizen's life and working environment. Under the background of low global energy storage, studying fabricated building energy impact could help people know detailed energy advantages and adjust fabricated building process or stage to achieve best management and utilization.

Fabricated Building, Energy Impact, Whole Life Cycle, Building Information Model (BIM)

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.003