基于BIM的施工成本与低碳信息集成管理

姜彩琳

(烟台大学 土木工程学院，山东 烟台 264005)

建筑项目施工的成本控制是工程项目管理中的重点，目前,施工阶段成本控制方法较多，如:价值工程法、挣值法等，但施工阶段成本控制依然存在着现场施工数据收集困难、可视化程度不高的问题[1]。我国建筑行业的碳排放量占碳排放总量的40%，建筑项目的施工阶段占整个建筑生命周期的23%左右，但建筑施工时间相比于建筑全生命周期的时间较短，因此,建筑施工阶段的低碳管理同样是不可忽视的问题[2]。对于施工阶段的低碳管理，目前大多数研究是基于绿色建筑指标体系的认证评价，但绿色评价认证又面临着商业性质严重的危机[3]。因此,部分学者提出根据碳排放指标来衡量建筑物的低碳管理，但碳排放的测算存在着测算不精准、与实际工程脱轨的问题。

建筑信息模型(BIM)作为建筑业的新型信息化技术，具有参数化、可视化等优点，笔者通过BIM技术将建筑施工过程中的成本信息、碳排放信息等进行集成管理，达到成本可视化、碳排放可视化的效果，从而对成本和低碳进行有效控制。

1 基于BIM的施工成本与碳排放计算分析

1.1 施工成本计算理论

施工成本是指施工单位为完成某个特定的建筑施工项目所花费的全部物质资源以及施工人员劳动所创造出的价值，施工成本又可以叫作建筑安装工程费。建安工程费有两种分类方式，一种是按照其费用组成进行分类，另一种是按照其造价形成的过程分类，建安工程费按造价形成过程的费用划分如图1所示。

图1 建筑安装工程费按造价形成过程的费用划分

工程计价方式有清单计价和定额计价两种方式，两种方式的主要区别在于两者分部分项工程项目不同以及管理费和利润的计算过程不同。但无论是何种计算方式，在计价过程中需要计算的是分部分项工程中人、材、机的价格，而其他价格一般是根据前三者的价格与相应的费率的乘积或省价求得。

人工费、材料费、施工机具使用费计算规则如下:

人工费=∑(工日消耗量×日工资单价)

(1)

材料费=∑(材料消耗量×材料单价)

(2)

材料预算单价=[(材料原价+运杂费)×(1+运输损耗率)]×[1+采购保管率]

(3)

施工机具使用费=∑(施工机械台班消耗量×台班单价)

(4)

上述式中人、材、机的消耗量可通过各省消耗量定额进行查询，人、材、机的单价由造价机构不定期测算发布。

通过BIM模型可以从中得到各种材料的工程量，机械台班的消耗量，材料生产的运距等，同时，可以将计价规范、省价、费率等信息录入到BIM模型中，最终通过BIM模型得到施工总成本。

1.2 施工碳排放计算理论

1.2.1 施工碳排放测算范围及碳源分析。施工阶段碳排放的测算范围包括时间范围和空间范围[4]。其中施工阶段碳排放测算的时间范围是建筑物从无到有的过程，它包括建筑材料的加工生产阶段、运输阶段以及现场的安装施工阶段[5]。施工阶段的碳排放的空间范围则包含建筑材料的加工生产地，及其运输路线以及施工现场地点。根据上述施工过程碳排放的测算范围，可以得出对于施工过程的碳排放主要在于上述的时间范围和空间范围内，所需材料、人工、机械、运输车辆等所产生的碳排放，它包括燃料、电力以及能源的排放。

1.2.2 施工碳排放因子选择。碳排放因子，也称碳排放系数，是指每消耗单位碳源所产生的二氧化碳的量。现如今，国内尚未形成权威的碳排放因子数据库，但建筑行业的碳排放因子的研究已经比较成熟，可以通过文献及行业相关标准得到相应碳源的碳排放因子，根据现有文献和现有行业标准整理出施工过程中较为重要的碳排放因子，如表1所示。

表1 施工过程主要碳排放因子汇总[6～8]

1.2.3 施工过程碳排放测算。目前，碳排放测算的方法主要是生命周期测算法(LCA)，LCA又衍生出3种方法：基于过程法(Process-based)、经济投入产出法(Economic input-output)以及两者混合方法(Hybrid)。一般情况下，经济投入产出法适用于测算边界过大利用基于过程法计算较为困难时应用，对于施工过程的碳排放测算，其一般是指某个特定的建筑物的施工过程的碳排放，测算范围较小，所以，本文应用基于过程法的LCA构建施工过程碳排放测算的模型，其基本原理为：碳排放量=各项指标×指标相应的碳排放因子。

施工过程碳排放量计算规则如下：

C=Cx+Cy+Cz

(5)

公式(5)中：C表示施工过程总碳排放量；Cx表示在材料生产过程中的碳排放；Cy表示运输阶段的碳排放；Cz表示施工现场安装过程中的碳排放。

Cx=Σ(Qi×Ii)×(1+αi)

(6)

公式(6)中：Qi表示i种材料的需要量；Ii表示第i种材料的碳排放因子；αi表示第i种材料的损耗率。

Cy=ΣQi/qi×Li×Iy

(7)

公式(7)中：qi材料表示第i种材料运输时所用到运输工具的运载量；Li表示第i种材料运输时的运距；Iy表示第y种运输方式的碳排放因子。

Cz=ΣD×P×I+Mi×Ni×Ii

(8)

公式(8)中：D表示施工工日；P表示施工过程人员数量；I表示施工人员碳排放因子；Mi表示第i种施工工艺的机械单位消耗量；Ni表示第i种施工工艺工程量；Ii表示第i种施工工艺的机械的碳排放因子。

1.3 基于BIM的施工成本与碳排放计算模型

利用BIM技术对施工阶段的成本计算已经比较成熟，但基于BIM的碳排放计算还在不断地研究中。高源雪[9]通过大量文献的搜集整理，以及经过具体案例认证，认为利用工程计量造价系统进行碳排放计算是可行的。因此，笔者根据上述成本计算和碳排放计算模型，并结合BIM模型和参数化设计得到的参数，构建出基于BIM的施工成本与碳排放计算模型，如图2所示。

图2 基于BIM的施工成本与碳排放计算模型

结合图2中施工成本及碳排放计算模型，可提取的主要信息分为：材料信息、人员信息、施工信息和运输信息。材料信息主要包括材料类型和材料数量，以得出相应的材料费和材料生产阶段的碳排放量；人员信息主要为施工人员的数量、工种、工日等信息，以得出人工费和施工人员碳排放信息；施工信息包括施工工艺和施工机械设备信息，以得出施工机械使用费和建造施工阶段的碳排放信息；运输信息包括运输方式和运输距离，根据材料数量得出材料运输费和运输阶段碳排放信息。

2 基于BIM的施工成本与低碳信息集成管理

基于BIM的施工成本与碳排放信息集成管理模型。建筑物施工过程的成本与碳排放的产生与材料的选择存在较大联系，并且施工工艺、施工方案以及施工过程对成本和碳排放的产生也有较大影响。但通常，建筑物所需的材料在施工过程中变化不大，材料方面的成本及低碳的控制应在设计阶段进行考虑，施工过程的成本及低碳的控制应从施工过程的施工方案中选择出成本及低碳双重控制下最优的施工方案。

施工过程的成本与碳排放信息集成管理主要包括成本动态可视化管理、碳排放动态可视化管理、低碳成本可视化管理[10]。其中成本动态可视化管理是指将基于BIM的成本计算信息中添加施工进度信息，以得到5D成本建筑信息模型，从而根据资金时间曲线得到施工过程中任一时间段内产生的施工成本信息；碳排放动态可视化是指将基于BIM的碳排放计算信息中添加施工进度信息，得到5D碳排放建筑信息模型，同样，可以通过碳排放时间曲线得到施工过程中任一时间段内产生的施工碳排放信息；低碳成本可视化管理是指将成本动态可视化与碳排放动态可视化两者相结合，实现二者的可视化管理。基于BIM的施工成本与碳排放信息集成管理模型，如图3所示。

图3 基于BIM的施工成本与碳排放信息集成管理模型

基于BIM的施工成本与碳排放信息集成管理是指将材料、人工、机械等信息融入BIM模型中，根据相应的计价规范与碳排放因子，计算出建筑物施工过程中的成本信息及碳排放信息，将计算得到的成本信息与碳排放信息与进度信息结合，得到成本与碳排放的实时计算以及实现两者的动态管理。

在管理过程中，①寻找成本及碳排放计算结果均较高的时间段，对该时间段内的施工工艺及施工方案进行改进。②施工中控制碳排放的排放会导致成本的增加，因此，在管理中也应注意成本较高，碳排放量不高或者碳排放量较高，但成本较低的时间段。对施工过程成本与碳排放的集成管理是一种多目标管理过程，现阶段在工程中的管理方法有价值工程法、挣值法等，但两者更注重的是成本、质量与进度的控制，且这些方法是相对静态的，无法实现实时的管理。

3 结束语

笔者从施工阶段的成本计算与碳排放计算的原理出发，构建出基于BIM的成本及碳排放计算模型，实现成本及碳排放的可视化计算；将成本及碳排放的计算结果与施工进度信息相结合，得到两者的动态可视化信息管理，实现成本及碳排放的实时测算以及实时管理。