建筑物化碳足迹关键技术研究

刘亮俊 王立梅 邵航 俞坚 翟跃忠

【摘要】碳足迹的概念源于碳排放，两个之间是包含于被包含的关系，碳足迹是表示一个产品的碳排放，在某种意义上，碳足迹也是确定未来可以在哪些方面采用何种方式减少碳排放的重要工具之一。

【关键词】建筑物化;碳足迹          【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.34.076

1、建筑物化碳足迹分析

建筑工程物化过程是一项较为复杂的过程，涉及到的因素较多，通过分析建筑物化碳足迹各阶段的来源及影响因素，指出模型中所涉及到的参数，为模型建立提供基础。

1.1建材开采（生产）阶段

材料是构成一切产物的基础，建材也是建筑工程的源头，属于建筑工程最源头的产物，建材开采（生产）本应属于工业领域，但在比较建筑物化过程碳足迹时应包含所使用的材料。对不同建筑物物化过程碳足迹进行比较时，应充分考虑物化过程各方面碳排放，其中原材料开采、生产为物化过程碳排放来源之一，并且不同材料生产和使用过程中碳排放存在较大差异，前后碳排放比例不一致，因此材料开采、生产需考虑在建筑碳足迹内。建筑材料开采、生产所产生的碳排放应涵盖其全生命周期各个不同部分，包括将原材料加工至成品过程中材料本身所排放的碳以及其他辅助资源的碳排放。在材料使用过程中，考虑部分材料非一次性使用，存在重复周转使用，因此在进行模型建立时应充分考虑材料使用情况。随着工业化的发展，建筑实体的增多，建筑材料生产阶段所消耗的资源以及碳排放在建筑全生命周期内所占比例不容忽视，在物化过程中整体碳排放比例更高，因此，能够更加有效的控制建筑材料生产过程的碳排放对于建筑行业节能发展具有十分重要的意义。

1.2物料运输阶段

物料运输阶段指将材料成品、半成品等由材料生产地运至施工现场的过程，不包含原材料运输至材料生产地的运输过程能源碳排放，该阶段所产生的碳排放主要来自运输工具的能耗温室气体排放，其影响因素较多，主要有运输建材种类、所用运输工具型号（载重）、燃料类型、运输距离、运输量等影响因素，不同工程涉及的每项影响因素均不同。

1.3主体施工阶段

现阶段建筑施工主要依据施工机械进行，故在建筑施工阶段所产生的碳足迹主要来自施工照明和机械作业施工消耗能源产生的碳足迹。施工机械设备的动力为能源消耗，部分施工机械消耗电能，部分消耗柴油，还存在一部分消耗的是汽油等;施工机械的碳足迹影响因素主要是机械型号、台班能源消耗量等，其中机械型号即表示功率、能耗等信息。

1.4施工配套设施

施工阶段施工场地布置一般遵循“三区分离”原则，即作业区、材料堆放区和办公生活区配套设施主要在办公生活区，分为办公区和生活区，其中办公区主要能源消耗为电，有电脑、空调、照明等设备，生活区除了消耗电能外，还包括燃气消耗。

2、建筑物化碳足迹因子分析

碳足迹因子指完成某一种单位工作所产生的碳排放，其中可能包含能源燃烧和材料成品或半成品等，是量化碳足迹的重要参数，不同国家存在不同的标准，但一般在建筑碳足迹计算过程中，认定碳足迹因子是不变的，不会随着计算方法与计算过程的变化而变化。碳足迹因子也是通过能源、材料等数据计算而得，系统边界为产品或活动的全生命周期，在全生命周期中所产生的温室气体。模型中所涉及的碳足迹因子主要有能源、材料、运输机械以及施工机械碳足迹因子，其中，能源碳足迹因子为所有数据研究的基础，不管在材料生产、机械运作过程中都将消耗各种不同的能源，因此在进行碳足迹因子计算时，能源因子作为基础数据，保证后期因子数据的准确性，就必须保证能源因子的数据准确性。

在碳足迹因子选取过程中，一般情况下需要通过实验测定，但由于试验方法和设备差异，试验条件的不同，导致数据差异性较大，无法提供统一的数据，但随着绿色建筑的推广，学术界对碳足迹因子的研究也愈发增多，随之，碳足迹因子的研究成为目前学术界讨论的热点。本项目依据权威性原则、就近性原则以及均值原则进行碳足迹因子选取与计算。为横向对比提供依据。

（1）权威性原则，在选取过程中主要依据 IPCC 所提供的数据，IPCC 为国际委员会，能够给出精确度准、适用性广的数据，本项目的基础能源以及原材料因子可直接进行选取，但部分成品、半成品还需进一步采用权威数据计算，以便提高研究的准确性。

（2）就近性原则，由于学术界对碳足迹因子尚未有一个完整的数据库，在 IPCC 提供数据的基础上，通过对文献研究，其中部分学者对部分材料碳足迹因子已进行了相关的研究计算，采取就近性原则在其中选取与本项目研究工艺相同的数据，若研究范围存在差距，则进行多者对比选取最相近的。

（3）均值原则，由于 IPCC 所提供的数据不完整，采取就近性原则，但由于试验设备、条件大相径庭，所产生的数据也有所差异，在范围相同的基础上存在几种试验结果，需要对不同结果进行对比分析，在满足要求的情况下选取其均值作为本次研究的基础数据。依据以上原则进行碳足迹因子选取，保证所选取的基础数据最合适本项目的研究评价，提高研究的准确性。

3、建筑物化碳足迹计算系统设计

3.1 需求分析

（1）模型應用需求

前文中所建立的基于 BIM 的建筑物化碳足迹计算模型能够有效量化建筑物化阶段碳足迹，达到对建筑碳足迹的管理，但模型的研究是为了能够实际应用，为了提高模型的可应用性以及可操作性，需要将模型进一步开发成应用操作系统，为建筑碳足迹提供基础，为绿色建筑发展提供量化因子。

（2）碳足迹快速计算需求

建筑全生命周期碳足迹一个难以量化的数据，要实现物化阶段快速计算更为量化碳足迹增加困难，但本项目所研究的物化碳足迹计算是在工程设计阶段，通过初步设计量化碳足迹进行建筑优化设计，可能会存在多次优化，但设计阶段周期较短，如果进行手工计算，会耽误设计周期，造成设计工作无法在规定的时间内完成，产生延期，以致工程整体进度产生延误。因此，快速计算建筑碳足迹成为工程进度保证的需要。

（3）信息化发展趋势需求

当前，建筑行業 BIM 技术迅速发展，带动着整个行业信息化的发展，未来 BIM 技术将会贯穿于建筑全生命周期各个阶段，本项目建立的模型是基于 BIM 技术完成的物化碳足迹的量化，通过提取 BIM 三维模型中有效数据进行碳足迹计算，为适应当前行业信息化的发展以及行业未来的发展趋势，将所建立的模型进行系统应用开发是行业所需要的。

3.2 可行性分析

系统可行性分析是在系统开发前必须进行的一项工作，目的不是解决问题，而是判定所提出的问题能否被解决，在一定程度上能够减少由于未进行可行性分析导致的投资损失，具有两方面的作用，一是为系统的后期研究提供经验，二是避免了损失。本项目主要是从经济、技术和操作三个角度的可行性进行你分析，为系统开发提供前期经验教训。

（1）技术可行性

技术可行性需要考虑系统的开发风险，在现有的技术条件下能否实现系统的功能和性能，基于 BIM 的建筑物化碳足迹计算系统的主要任务是结合 BIM 导出的工程量快速计算建筑物化阶段碳足迹，并分阶段进行可视化展示。本系统运行平台为中文 Windows  7 及以上版本，后台数据库为 Access，系统前端的开发工具选择易用且能实现系统快速开发的 Borland Delphi 进行开发。Delphi 是在 Windows 平台下工作的开发工具，作为一个集成开发环境（IDE），可以在多种系统环境下使用，而且它提供了 500 多个可供使用的构件，利用这些部件，开发人员可以快速地构造出应用系统，也可以根据自己的需要修改部件或用 Delphi 本身编写自己的部件。平台本身已经非常成熟，基于此平台已经开发了多种应用系统，在技术上能够实现本项目所研究的系统开发。

（2）操作可行性

一个系统的应用反馈情况主要依据具体操作人员，新系统的使用可能带来组织、人员及信息流程的变更，在已经习惯现有操作的情况下，新系统的应用可能会出现人员抵制，越具有操作可行性的系统越容易被用户所接受。本系统从登陆开始均采用人性化设计，可以依据用户需求在原基础上进行更新，且所选的开发工具已经成熟，能够满足开发的操作可行性。

（3）经济可行性

本系统采用 Borland Delphi 和 C/S 模式结构，Access 作为后台数据库，开发工具均为市场上常用的，且均可免费获取的零成本软件，开发技术也是开发人员已经熟练掌握的技术，内置的碳足迹因子是由联合国政府间气候变化专门委员会所提供的，其中部分因子与国内数据存在差异，材料需要按照组成与生产工艺进行碳足迹因子计算，机械需按照其机械能源消耗类型进行计算，内置的定额由各省份定制，这就大大降低了系统的开发成本，且系统开发完成后可以提供给建筑行业各个单位，系统出售所能够带来的经济效益远远大于系统开发的成本，因此，系统开发的经济可行性满足要求。

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