基于建筑信息模型的全生命周期碳排放测算及对策

马彩云 赖芨宇 潘 杰 陈静怡 孙华威

（1.福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002;2.福建省建融工程咨询有限公司，福建 福州 350001）

根据2017年编制的《中国统计年鉴-2017》能源统计可以得出工业、建筑业、交通运输业是排放温室气体的三大重点控制领域。[1]从联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的第五次气候变化评估报告可以得出建筑消耗的能源大约占到40%，该占比引起全球各国重视，同时也成为全球关注的减碳焦点行业。[2]我国在2009年的《哥本哈根协议》中便提出这样一个目标：2020年单位GDP(国内生产总值)CO2排放与2005年相比下降40%～45%，紧接着2015年中国政府在巴黎气候变化大会上又对世界作出承诺：到2030年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降60%～65%。[3]本文基于建筑信息模型(building information modeling)技术对全生命周期的碳排放进行测算并提出对策，相对于传统的碳排放测算能够对2020年的碳减排目标的实现起到推动作用。

1 目前研究现状

1.1 碳排放的研究现状

经过对文献进行整理得出国外的一些学者主要是在全生命周期清单的基础上对建筑物碳排放量进行测算。G．Verbeeck等[4]学者基于全生命周期清单建立了碳排放模型，并对五种不同结构的比利时建筑物的碳排放量进行统计，进而得出建筑围护结构的碳排放对建筑环境的影响非常大；Leif Gustavsson等[5]学者基于全生命周期，针对全生命周期的各个阶段碳排放量采用排放系数法进行计量，并且以自下而上的方法对一座瑞典的木结构住宅建筑物的碳排放总量以及能源消耗量进行了计量。国内多数学者大多也都是以全生命周期和施工过程的角度对建筑碳排放进行考虑。华虹等[6]以一栋公共建筑物为实例，建立了碳排放计量清单的构成和分析流程，指出全生命周期的运营阶段对建筑物能耗影响比较大；尚春静等[7]基于建筑全生命周期对木质、轻钢、钢筋混凝土不同结构的建筑物碳排放量进行测算，得出木质结构的建筑物在三种结构中的碳排放量最低。

1.2 BIM 的研究现状

BIM的概念引入建筑行业的时间较晚，于2002年才被引入且被作为建筑业信息化的标志。BIM在我国被翻译为建筑信息模型。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)是在开放的行业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命周期信息的可计算或运算的形式表现，与建筑信息模型相关的所有信息组织在一个连续的应用程序中，并允许进行获取、修改等操作。[8]目前BIM技术在很多国家都得到了普及，例如美国 高达541．3m的纽约自由塔、爱尔兰都柏林的Aviva体育馆。

我国对BIM的研究起步较晚，不及国外BIM技术应用的发展程度。李兵等[9]通过碳足迹评价标准对建筑施工中排放的碳源进行整理，首次提出利用BIM技术对施工过程中的碳排放进行测算并给出了碳排放测算模型。在2016年国家住建部发布的《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》中便提出BIM技术作为“十三五”建筑业重点推广的技术在未来一段时间内能够实现建筑全生命周期的信息共享，并明确提出大力推进BIM、GIS、虚拟现实等技术开展规划、设计，并基于大数据、云计算等的运营管理。我国目前也有很多工程项目应用到了BIM技术如中国世博会电网馆，北京政务服务中心等。

2 基于BIM技术的碳排放测算方法

2.1 碳排放测算基本方法

由于我国的碳排放测算处于起步阶段，项目碳排放数据获取困难，主要因为缺少统一的计算标准，所以目前我国碳排放测算主要采用国际上常用的以下四种方法：实测法、物料衡算法、排放系数法、投入产出法，为了更方便地计量碳排放量，所以本文将BIM技术和碳排放系数法进行结合从而获取碳排放量。

2.2 碳排放核算范围的界定

张智慧等将建筑全生命周期分为三个阶段分别为物化阶段、使用阶段和建筑物拆除阶段。本文主要结合我国2014年开始施行的《建筑碳排放计量标准》对建筑全生命周期进行划分，分别为设计规划阶段、物化阶段(材料生产阶段、施工建造阶段)、运行维护阶段、拆解阶段和回收阶段。[10]

2.3 基于BIM技术的碳排放测算模型

2．3．1 设计规划阶段

设计规划阶段是指设计单位从接到工程项目任务开始到设计规划结束，该阶段采用Revit建模软件对工程项目进行建模设计。图1为设计规划阶段的碳排放平台的构成。

图1 设计规划阶段的碳排放平台的构成

对于设计规划阶段本身的碳排放量主要来源于是使用的物质和设备消耗所排放的CO2。其中包括办公区的照明、空调、车辆设备等消耗的电能和燃油以及生活区所消耗的电能、燃气等，该阶段的碳排放量占比少，所以本文将设计阶段的碳排放量百分比设为0．5%。

2．3．2 物化阶段

物化阶段的碳排放主要分为两个部分，分别为材料生产阶段和施工建造阶段，该阶段的碳排放量计量可以将BIM技术和上文所提及的碳排放系数法相结合。首先要用Revit Architecture构建建筑物模型，Revit界面内有明细表功能，可得到所有材料用量。Revit内明细表界面如图2所示。

图2 Revit2018中的明细表

图3 物化阶段碳排放量计算流程

对物化阶段的碳排放计算根据图3且该阶段计算模型如下：

(1)材料生产阶段的碳排放量主要从材料生产时的碳排放量以及建材在运输期间的碳排放量着手。

材料生产中碳排放量测算公式如下：

Pi为各部分建筑材料的消耗量，Ci为各建筑材料的碳排放因子，ai为建筑材料回收系数。

运输阶段的碳排放量测算公式如下：

Pi为第i种运输工具公里耗油量，Li为第i种运输工具公里数，Ci为第i种运输工具公里所消耗能源的碳排放因子，K指百里与千克换算系数。

综上材料生产阶段碳排放总量ECLSC=ESC+EYS

(2) 施工建造阶段

施工建造阶段的碳排放量主要是建筑施工时各种机械设备消耗的能源所排放出的二氧化碳，其测算模型如下：

Pi为第i种施工机械每单位台班消耗量；Ri为第i种施工机械的台班数；Ci为第i种施工机械的碳排放因子。

2．3．3 运行维护阶段

运行维护阶段分为两个部分：一是运行阶段产生的碳排放量，二是运行维护阶段材料更新替换和维护施工过程时产生的碳排放量。运行维护阶段的碳排放量可以在Revit模型建立后，在“族”模块内导入所需要的能源设备。该阶段碳排放量可以结合基于云端的Green Building Studio能耗计算软件进行计算。并且要将Revit文件保存为GBS能够兼容的gbXML格式。图4为运行维护阶段的碳排放计算流程图。

图4 运行维护阶段的碳排放计算流程图

(1)运行阶段产生的碳排放量测算模型如下：

Pi为第i种设备的碳排放量；Yi为建筑运行年限。

运行维护阶段材料更新替换和维护施工过程产生的碳排放量根据实际情况进行计算，可以根据维护记录对材料和能源的消耗进行统计。

2．3．4 拆解阶段

拆解阶段的碳排放量主要来源于施工机械拆除建筑物所消耗的能源、废旧建材运输以及废弃物处理时产生的碳排放，其拆除过程碳排放测算模型如下：

Pi为机械使用第i种能源消耗量；Ci为第i种能源碳排放因子。

废旧建材运输产生的碳排放测算模型如下：

P为废旧需处置的建材数量；C为不同种运输方式下运输单位建材的碳排放因子；L为运输距离；i为建材种类；j为运输方式。

综上拆解阶段碳排放量为ECJ=ECJ1+ECJ2。

根据一些文献进行例证该阶段占全生命周期碳排放量仅为1%，所以一般该阶段的碳排放量按照建造阶段碳排放量的10%进行估算。[6]

2．3．5 回收阶段

回收阶段的碳排放量其测算模型如下：

P为材料数量；K为回收材料系数；C为回收材料的碳排放因子；i为材料种类。

2.4 碳排放因子的选择

碳排放因子是用于量化单位活动水平数据的碳排放量，对于计算碳排放量是重要的基础数据。[10]目前我国没有建立统一的碳排放因子库，对于能源碳排放因子如汽油、煤油、柴油等主要根据《IPCC国家温室气体清单编制指南》(2006年)确定。电力能源碳排放因子主要参考《省级温室气体清单编制指南(试行)》确定。

对于建筑材料的碳排放因子是比较难以确定的一项，需要大量的实验进行验证，计算较为复杂，很难进行确定。主要通过对大量学者的研究成果进行收集获取。

建筑施工阶段机械的碳排放主要来源于对汽油、柴油和电力等能源的使用，对于机械台班碳排放因子结合《全国统一施工机械台班费用定额》(2017版)以及能源碳排放因子，便可获取机械台班的碳排放因子。

3 碳排放测算实例验证

本文以福建省某栋办公建筑物为模型，建筑面积为2285．058平方米。首先通过Revit进行模型建立，模型如图5所示，本文选取建筑物生命周期中运行维护阶段最能体现BIM技术利用到碳排放测算的一个环节进行验证。设置运营期定为1年，将Revit建立的三维模型以gbXML文件格式导出，然后将gbXML格式文件成功导入网页版GBS，GBS是基于云端的可以快速地计算建筑物的全年能耗、成本以及碳排放量等数据。计算完成后导出的数据表格见下表。该表格分为八个部分，分别为建筑类型、房屋面积、全年电费、全年燃料费、全年用电需求、全年用电量、全年燃料用量以及全年能源使用密度。

图5 基于Revit软件的某办公楼模型

通过下表可以得出 建筑能耗计算结果，发现整个建筑物年消耗电能为213690．8kw，全年燃料消耗量为1405640MJ。福建省属于华东区域，本文根据《省级温室气体清单编制指南(试行)》确定电力碳排放因子为0．92kg/kw·h。对于能源碳排放因

子如汽油、煤油、柴油等主要根据《IPCC国家温室气体清单编制指南》(2006年)确定。将该建筑模型的能源消耗量带入式(4)，便可以得出该办公室运行维护阶段的年碳排放总量为266001．120kg。

办公室建筑GBS建筑全年能耗计算表

从该实例可以看出将BIM技术用在碳排放的测算中，能够使碳排放测量工作较传统工作更加快捷同时能够吸引更多参建方参与到低碳经济的建设中。本文由于篇幅有限，所以只选取了全生命周期的运行维护阶段进行了碳排放量的测算，后面会选取更多的案例来验证本文的论点。

4 减少碳排放对策

4.1 针对物化阶段和运营期阶段碳排放量建议采取以下措施。

(1)建筑材料。我国的建筑碳排放量远高于发达国家，其中建筑材料的能源利用率有很大的改善空间。现阶段可以改善施工工艺进行清洁生产开发低碳、无污染、低辐射的绿色建材，不仅可以节省能源、减少建材在生产中排放CO2，还可以改善建筑物的保温、隔热等功能。

(2)施工机械设备。施工建造阶段会大量地使用施工机械设备，所以施工前要做好施工组织设计，科学安排施工顺序和提供足够的工作面进行施工，提高施工技术和工艺，从而减少碳排放量。同时应使用清洁能源，如可以利用太阳能、水力、风力进行发电。

(3)运营期设备。运营阶段的碳排放量是全生命周期中耗能最大的阶段，所以在建筑设计阶段要考虑节能措施。对于建筑物的维护结构可以提高其遮阳、保温、通风等性能，从而减少建筑使用阶段的能源碳排放量。对于该阶段的照明、采暖、空调系统应优先选择节能性的设备，并且可以栽种绿植增加建筑绿化碳汇率，运营期阶段的碳排放量才会得到最大化的控制。

4.2 建立完整的碳排放因子数据库

通过对大量的文献整理，可以得出我国目前并没有对碳排放因子库进行整理和收集，只有建立了完整的碳排放因子数据库，才能更好地进行低碳设计。

4.3 推广BIM技术在碳排放测算中的应用。

目前对于碳排放的计量很多都是基于全生命周期进行计算，很少通过BIM技术和碳排放分析软件的结合。BIM技术具有全面的数据信息集成能力。灵活的数据处理能力以及可视化的数据管理能力，结合碳排放分析软件Green Building Studio能够及时进行碳排放量统计。同时各参建方可以基于BIM碳排放协同管理系统就碳排放信息随时进行沟通与交流，很大程度上减少施工阶段的碳排放量。我国政府应大力推广和给予BIM技术在建筑物碳排放测算上应用的支持。

4.4 大力推动建筑碳交易实施

政府相关部门可以根据各地具体情况设置建筑碳排放量基准线，该基准线可以作为控制建设各方碳排放量的标准线。当建筑项目的碳排放量没有达到碳交易所设定的碳排放基准线时，企业可以将多余的碳排放权在碳排放市场进行售卖给别的企业，同理当建筑项目超过碳排放基准线时就要从碳排放市场进行购买碳排放权。同时政府对低于碳排放基准线的企业进行补贴奖励，既能够从碳排放源头降低建筑碳排放又能够提高各企业参与低碳经济发展的积极性。

5 结语

本文基于建筑信息模型的的全生命周期对建筑碳排放模型进行建立，通过BIM技术与碳排放测评软件GBS进行结合以方便快速地进行碳排放测算并对减少碳排放提出了建议。但我国目前的建筑碳排放计量技术比较落后，低碳节能技术也比较落后。利用BIM技术能够实现对施工过程的模拟，同时采用“云”技术能够建立碳排放协同管理平台，各参建方能够随时地通过不同的移动客户端对碳排放量进行跟踪以便进行碳排放控制。本文认为提高碳排放计量技术对企业进行节能减排有很大的指导意义，同时能进一步推进我国的低碳经济发展。