建筑施工过程低碳信息集成管理技术

杨云英， 权长青,2， 金仁和， 李胜强

(1. 广东石油化工学院 建筑工程学院， 广东 茂名 525000; 2. 广州大学 土木工程学院， 广东 广州 510006)

2016年，住建部印发了2016—2020年(即“十三五”期间)建筑业信息化发展纲要，纲要明确指出，在五大发展理念和节能减排要求的指引下，建筑业要实现绿色发展，离不开信息技术，尤其是BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)技术的支撑。BIM是指“通过仿真模拟建筑物所具有的真实信息而得到的所有数字信息的总和”[1]。

目前，国家大力倡导BIM技术，BIM技术在建筑业的信息化发展进程中发挥着积极作用，尤其是建筑信息集成管理的应用上。5D BIM技术的实现已为6D BIM技术乃至nD BIM技术的提出作好了充分的铺垫。基于这一思路，结合建筑业二氧化碳排放问题，将实现建筑业低碳的相关信息融入6D BIM技术中，以期实现碳排放可视化监控和成本测算，从而实现建筑业低碳化、可持续化发展。

BIM与建筑业低能耗、低污染、可持续化的发展需求相契合。本文基于5D BIM思维，提出6D BIM信息集成技术，即在5D BIM基础上，增加低碳信息维度，形成由“3D建筑模型+1D进度+1D成本+1D低碳”的六维建筑信息模型。6D BIM技术将建筑施工进度、成本、低碳信息进行集成，一定程度上加快了建筑信息化、低碳化、可持续化的管理进程。建筑施工阶段应用6D BIM技术，可以提高管理效率，减少施工索赔，从而最大化项目利益，倍受各参与方的亲耐；同时，也实现了BIM与低碳建筑的双赢发展，基于6D BIM的建筑工程项目，正在逐渐地向低碳化、可持续化的方向发展，也为BIM技术在建筑工程建设领域的全面应用铺开了道路。

1 国内外研究现状

近年来，国内外学者们在低碳信息、集成管理技术及BIM方面进行了大量研究，已取得了相当可观的成果，为本文的探索提供了扎实的研究基础。

1.1 建筑低碳信息研究现状

Urge-Vorsatz等[2]针对低碳建筑，研究了居住者能源使用效率对碳排量的影响；Newell等[3]研究发现，征收碳税一定程度上能减少能源消耗，促进建筑减碳；Li等[4]认为经济收入越高，建筑需求越大，建筑能耗反而增加；Donglan等[5]分析城市与农村住宅年均碳排量变化趋势，发现城市增量明显高于农村，表明未来减碳任务应以城市建筑为重点；Chen等[6]针对低碳建筑的各个环节建立了碳排量分析模型，从而界定了建筑碳排量的来源；；Heydarian等[7]研究实时监管碳排放的技术框架，监控建筑生产率和碳足迹； Wong等[8]结合GIS(Geographic Information System，地理信息系统)和设计软件，将建筑行为可视化，并计算、分析碳排放，结果表明，建筑排碳量每年递增，说明建筑减碳任务迫在眉睫。

李兵[9]针对建筑的全寿命期构建了碳排放量的测算模型；温日琨等[10]则构建了建筑全寿命周期碳排放流的静动态模型；郑生钦等[11]运用系统动力学的方法研究公共建筑的碳排放激励政策对碳排放交易权的影响。

1.2 建筑信息集成管理研究现状

Khanzode等[12]结合VDC(Virtual Design and Construction)优势研究了MEP(Mechanical, Electrical and Plumbing)的协同工作流程；Dossick等[13]基于Khanzode的研究基础，将BIM应用于MEP(Management Enhancement Program)并研究其协同效应；Isikdag等[14]应用系统层次理论，构建全新的信息集成框架；Singh等[15]研究了美国建筑业中不同专业之间的信息集成问题，并主张将BIM作为集成管理平台。BIM集成管理成功试行的关键在于数据、信息、组织、流程、环境的完善。

张建平等[16]研究了新的4D SMM++(4D Site Management Model++)施工信息管理模式，该模式集进度、人、材、机、成本、场地布置等动态管理于一体；冯立业[17]建立了IBMS(Intelligent Building Management System，智能大厦管理系统)数据库平台，实现智能(安全、舒适、自动、便捷)建筑的联动控制；沈良峰等[18]对建筑全生命周期低碳管理进行了研究；李兵[9]根据低碳建筑的运行模式构建了低碳技术集成模型；汪久中[19]利用BIM技术优势，对节能建筑的全寿命期信息进行集成管理；徐磊[20]基于数字化集成管理理论，创新性地提出了“工业化+物联网+ BIM+项目信息门户”的集成模式。

1.3 BIM技术研究现状

Eastman[21]于1999年首次提出BIM概念。2003年，美国发布了国家BIM指南，自此，BIM开始真正登上历史舞台，并在各类工程项目中得到广泛应用。Kam等[22]开发出BIM 4D系统，实现4D(3D+时间维度)可视化施工过程模拟。Fu等[23]研究5D BIM模型，集建筑性能、进度、成本等信息于一体，扩展了BIM的应用。

程建华等[24]从设计师、工程师、建筑师的角度思考了BIM技术的应用价值(协同、创新、可持续)，提出BIM技术应得到更多维、更高效的推广应用；李云霞[25]在原有建筑模型的基础上，便捷地计算出建筑材料的碳足迹，但是施工技术的碳足迹计算模型并未提及，不能真正找到施工过程碳足迹最小的施工方案。

杨宇等[26]对比分析了现行相关的能耗分析软件，构建了基于公共建筑碳交易的BIM低碳机制；华虹等[27]运用BIM碳排放测算模型对建筑施工、运维、拆除三个阶段进行了碳排放量计算；王玥[28]将BIM与现有的碳排放测算工具对比，发现BIM在碳排放测算上更准确、更标准。

国内外对BIM技术的研究主要集中在BIM理念(建筑信息化)、信息集成、软件开发、标准发行、BIM建模、工程应用推广等方面，其关系如图1所示。从图1可知，由于建筑行业信息化发展需求，导致nD BIM信息集成技术产生；而nD BIM信息集成技术需要相关软件和标准的支撑；BIM相关软件又为建筑行为活动建模；最终建筑BIM模型又为建筑业信息化发展需求(工程应用推广)提供支持。他们之间形成了一条循序渐进、首尾相连的闭合环路，是BIM技术的产业价值链。每一次循环都是一次提升，推动着BIM技术的发展。

图1 BIM技术产业价值链

1.4 水平发展趋势分析

国外在低碳管理上进行深入研究，体现了低碳管理由理论阶段到实践的过程。国内对于低碳管理较多还是理论研究，尤其在低碳管理和BIM信息技术结合上，还有待深入探索。

要实现BIM在建筑业的全面化应用，国内对BIM维度、技术标准以及理论—实践环节的研究还需进一步扩展，总的来说，BIM是新型建筑业的希望，未来低碳、绿色、环保、和谐、安全、智能、便捷、交互、低价、高效的建筑成品离不开BIM技术的支撑。

2 建筑施工过程低碳信息的收集

2.1 建筑施工过程低碳信息集

建筑施工过程的低碳信息主要有三类：碳排放可视化测算、低碳成本和碳排放分析。其中，碳排放可视化测算是指将建筑施工进度信息(施工进度计划)融入低碳测算模型；低碳成本则是融合了施工成本信息(工程量清单报价)的低碳模型；而碳排放分析主要指碳排放量的计算，需要碳排放因子和排碳对象(人工、材料、机械、施工方案等)信息。

所谓低碳信息集成管理，即将已有的低碳信息(碳排放可视化测算、低碳成本和碳排放分析)融入到BIM模型中，并建立详细的低碳信息库，同时集成已有的施工数据信息(建筑功能、进度、成本、资源消耗等)，从而实现碳排放量的实时测算并计算相应的低碳成本以及分析各施工行为对碳排放的影响程度。表1列出了低碳信息集成管理具体目标下所需的信息。

表1 施工过程低碳管理信息集

2.2 碳排放可视化测算信息的收集

如前所述，碳排放可视化测算是指将建筑施工进度信息(施工进度计划)融入低碳测算模型中，因此收集施工进度信息是关键。将3D建筑模型与施工进度计划相关联，从而实现4D实时动态模拟。不仅形象地展示了施工现场及各项施工信息的变化情况，而且可以针对某日某工序的进展情况进行实时调用和控制。借用BIM技术平台的集成管理功能，对施工现场、施工进度、施工设施、资源需要量等各种复杂的信息进行实时展示、链接，能真正实现各软件之间的信息互通和双向反馈。

在每一个进度节点上增加碳排放测算信息，就像横道图下方的资源消耗量曲线一样，将碳排放测算信息实时地展现出来，这才是碳排放实时、可视化跟踪测算。目前4D BIM技术已相当成熟，因此，基于4D BIM模型的碳排放可视化测算可行。

2.3 低碳成本信息的收集

同理，由于低碳成本是融合了施工成本信息(工程量清单报价)的低碳模型，因此低碳成本信息的收集关键在于施工成本信息的收集与管理。2013年，建设部颁布了GB 50500-2013《建设工程工程量清单计价规范》(简称“13新规范”)，至此，“03规范”同时废止。13新规范的颁布标志着我国工程造价的计价方式——工程量清单计价模式的进一步完善，也展示了中国政府广泛深入地推广清单计价的决心。而本文中要实现低碳成本同步测算的目标，必须与国家计价方式保持一致，即也采用工程量清单计价模式。

工程量清单计价的重心是工程量×单价，其中，单价的获取一般参照造价机构发布的人材机价格信息，工程量则由BIM软件建模后自动计算汇总。5D BIM技术已很好地实现了量、价信息的双向链接。它也对每个构件进行工程量清单编码，既可按分部分项工程量清单汇总，又可按编码形成清单模式计价。当3D BIM建筑模型改变时能实时地(1D进度)展现出施工成本信息(1D成本)的变化，生成S型施工成本曲线图。

低碳成本信息的收集就是借助已有的5D BIM模型，将低碳成本像工程量清单计价一样融入其中，实现低碳成本信息的实时计算，实现量价(碳排放量×单位碳排量价格)统一。

2.4 碳排放量信息的收集

不管是碳排放可视化测算信息的收集还是低碳成本信息的收集，都离不开碳排放量的计算。碳排放量的计算也是碳排放分析的基础。因此，首要任务是收集碳排放来源信息。在建筑施工阶段，碳排放来源主要有：建筑材料的使用、施工机械设备的使用、具体的施工方案等。针对这些碳排放源，分别将建筑材料碳排放、施工机械碳排放、设备碳排放、施工方案碳排放进行量化。

建筑材料碳排放信息包括三种：建筑材料清单、建筑材料消耗量和建筑材料碳排放因子。施工机械碳排放信息也包括三种：施工机械清单、施工机械台班数、施工机械碳排放因子。设备碳排放信息有设备清单、设备台数、设备碳排放因子。施工方案碳排放信息包含施工方案数量、施工方案个数、施工方案碳排放因子。

建筑材料、施工机械设备、施工方案等清单是确定碳排放范围和碳排放来源的清单；碳排放因子可以通过查阅IPCC(Intergovernmental Panelon Climate Change，联合国政府间气候变化专门委员会)指导文件、学术论文与研究文献等，再结合建筑自身的特点确定。建筑材料消耗量、施工机械台班数、设备台数、施工方案个数则是利用BIM技术模型进行计算汇总。其中建筑材料碳排放因子是材料碳排放量测算的关键，是将材料和碳排放量联系的桥梁。

3 建筑施工过程低碳信息集成管理的模型构建

施工过程低碳信息集成管理的目的是实现碳排放可视化测算、低碳成本和碳排放分析，实质是利用BIM技术，在3D建筑模型的基础上融入1D进度信息、1D成本信息和1D低碳信息，形成最新的6D BIM技术模型。BIM技术使3D建筑模型更具包容性、和易性，它根据建筑工程各参与方的不同目标需求，将更多的工程信息融入其中，并实现信息的实时跟踪、提取和调用。

(1)构建碳排放可视化测算模型。可视化测算模型是将收集到的低碳信息中的碳排放量以资源消耗量形式反映到施工进度计划的资源(人、材、机、施工技术及排碳量等资源)消耗量曲线图(图2)中，即在4D BIM模型基础上增加碳排放量这一资源消耗量曲线。将碳作为一种资源，其进度计划表下方的资源消耗量曲线直接可反映碳排放量变化趋势，实现低碳信息(碳排放量)与进度计划的同步，即实现碳排放可视化测算。

(2)构建低碳成本模型。低碳成本模型是将低碳信息(碳排放量)融入5D BIM模型而成。采用工程量清单计价模式，对相应构件进行清单编码，利用BIM相关软件进行分部分项工程量计算汇总的同时计算相应分部分项工程量清单的碳排放量，统计出碳排放量后与单位碳排放价格进行计算，即为碳排放成本。因为5D BIM模型已经实现了工程量成本与施工进度及建筑模型的同步，因此，在此基础上增加碳排放成本信息已是可行方案。

(3)构建碳排放分析模型。碳排放分析模型需要碳排放清单、碳排放量和碳排放因子等后台数据的支持。作为碳排放可视化测算模型和低碳成本模型的组成部分，碳排放分析模型是低碳信息集成管理的核心。其模型构建的关键在于碳排放量与碳排放因子的集成计算。

(4)构建低碳信息集成管理模型。低碳信息集成管理模型是指上述三种模型的集成，即碳排放可视化测算模型、低碳成本模型和碳排放分析模型，是低碳信息集成管理模型的子模型。这三种子模型之间具有关联性，碳排放分析模型是碳排放可视化测算模型和低碳成本模型的支柱。图3为低碳信息集成管理模型方案。

图2 ***大楼主体工程施工进度计划横道图及排碳量变化曲线

图3 低碳信息集成管理方案

由图3可知，低碳信息的集成实质是将各种信息赋予碳排放源清单(材料、机械、设备及施工方案等)中，因此，碳排放源清单是连接各种信息的关键所在。上述集成模型的实现，首先是收集相关信息以及对碳排放源清单进行编码。将碳排放信息与施工进度信息融合则可实现碳排放实时可视化测算。再将输出的碳排放量按工程量清单计价模式进行汇总，形成有清单编码的碳排放量清单，连接碳排放量及单位碳排量价格，便可实现低碳成本的汇总计算。至于碳排放分析则需要将已有清单编码的碳排放量与相应的碳排放因子相匹配。综上所述，可以实现碳排放量、碳排放成本与施工过程的实时同步展示，这便是6D BIM技术的实质。

应用该低碳信息集成技术，可以反过来监控信息，因为从该集成模型中可以输出三种信息，分别是碳排放可视化、碳排放量及碳排放成本。这三种信息随着施工进度的推进，显示在一系列的施工工序中，从而可以实现碳排放高峰期的监控、材料机械设备等的使用效率以及比对不同施工方案碳排放状况，作为方案比选的参考数据。由此，可真正实现建筑施工的低碳管理，实现建筑低碳化、可持续的发展目标，同时也是对BIM技术的应用推广。

4 结 语

根据低碳信息各目标控制特点，结合以往的研究基础，对施工过程低碳信息进行收集，并提出了建筑施工过程低碳信息集成管理的6D BIM技术。该技术集施工低碳、进度、成本等相关信息于一体，实现各信息的同步控制。在施工进度模型4D BIM基础上，融入施工构件成本信息5D BIM及施工材料、机械、设备、方案等碳排放源的低碳信息6D BIM，能实时跟踪碳排放源的低碳信息以及相应的成本信息。目前6D BIM技术仍然有待进一步研究，BIM技术产业价值链说明：一项技术的发展离不开软件和标准的支撑。

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