全生命周期理念下的建筑碳排放测算方法

杨 勇

（中国建筑西北设计研究院有限公司，陕西 西安 710018）

1 建筑项目的全生命周期理论

运用不同的政策评价工具可衡量低碳政策的有效性，具体涉及投入产出模型、凯恩斯系数等，以此来探寻低碳建筑与社会经济具备的关系。从建筑全生命周期的角度来看，建筑的碳排放量表现在一次性能源消耗中，因此可计算建筑各阶段的碳排放量，围绕多个阶段的数据对比分析，加深对低碳建筑的认识，提高决策水平。建筑工程的生命周期延续性较强，其涵盖设计、施工、使用、运维、废弃拆除等阶段，并贯穿始终。建筑项目的技术类型多、复杂度高，建设期间伴有风险，因此合理划分建筑生命周期尤为关键。

本文将建筑分为设计、施工、运营维护、拆除4个阶段，各自涵盖多项细分内容，例如：①设计阶段，图纸设计、建材的选择及运输；②施工阶段，填挖地基、楼房建设等；③运营维护阶段，燃气消耗、设备维护等；④拆除阶段，模板的拆除与回收。

2 BIM技术概述

BIM为建筑信息模型，在现代建筑工程领域取得广泛的应用。随着BIM技术理论的深化及应用水平的提高，其在工程建设中的便捷性、可靠性等多重优势愈发明显，构建的信息模型具有全面、详细、准确等特点，且允许获取、修改等。在国外，BIM技术的普及范围较广，例如纽约自由塔、都柏林Aviva体育馆。在国内，BIM的研究起步相对较迟，较之于部分发达国家尚有诸多有待提升之处，但在相关人员的不懈努力下正逐步取得显著的发展成果。

建筑建设中，碳排放的控制尤为关键，根据碳足迹评价标准加以分析，并将碳排放测算领域融入BIM技术，构建适用性较好的碳排放测算模型。将BIM技术推广至建筑全生命周期中是行业发展的趋势，能够实现全周期的信息共享目标，同时在BIM技术发展的同时积极推进GIS技术、虚拟现实技术等相关技术的进步，并在云计算、大数据等技术的支撑下提高运营管理水平。在我国的工程建设中，BIM技术也正在大放异彩，例如其在中国世博会电网馆的应用便具有代表性。

3 基于BIM技术的碳排放测算方法

3.1 碳排放测算的常见方法

纵观现状，我国的碳排放测算尚处于起步阶段，由于缺乏统一的计算标准，日常工作中存在碳排放数据获取难度大的局限性，在这方面普遍采用国际主流的方法，常见有实测法、排放系数法、投入产出法、物料衡算法。考虑到碳排放量计算的便捷性要求，此处综合考虑BIM技术和碳排放系数法，以综合化的模式确定碳排放量。

3.2 碳排放核算范围

根据2014年实施的《建筑碳排放计量标准》（CECS 374—2014），对建筑全生命周期加以划分，共产生5个阶段，即设计规划、物化、运行维护、拆解、回收，各阶段共同组成建筑全生命周期的各项内容。

3.3 基于BIM技术的建筑项目各阶段碳排放测算模型

3.3.1 设计规划阶段

设计规划阶段，时间跨度为设计单位接到任务至设计规划完成，建模设计为重点内容，普遍采用Revit建模软件开展工作。对于此阶段的碳排放平台架构如图1所示。

图1 设计规划阶段的碳排放平台架构

设计规划阶段，物质的使用和设备的消耗过程中有不同程度的CO2排放现象，是碳排放的主要来源，具体体现在办公区照明、空调等消耗的电能及车辆设备的燃油消耗等方面。在建筑全生命周期的碳排放量中，设计阶段的占比较小，设为0.5%。

3.3.2 物化阶段

材料生产、施工建造是物化阶段的主要碳排放途径，在碳排放量的计算中，考虑到全面性和准确性的要求，采用到BIM技术和碳排放系数法。依托Revit软件构建建筑物模型，该软件界面的功能丰富，可为操作者提供明细表功能，以便准确掌握材料的用量情况。具体计算思路如图2所示。

图2 物化阶段碳排放量计算流程

物化细分为多个阶段，分别计算碳排放量，具体如下。

1）材料生产阶段。材料生产和建材运输是碳排放的主要途径，因此考虑生产和运输阶段，分别对碳排放量予以计算。

材料生产时：

式（1）中：P1为材料的消耗量，kg；C1为材料的碳排放因子；a为材料回收系数。

运输时：

式（2）中：P2为第i种运输工具耗油量，kg；C2为第i种运输工具消耗能源的碳排放因子；L1为第i种运输工具公里数，km；K为百里与千克换算系数。

按公式（1）、（2）计算后，确定材料生产、运输阶段的碳排放量，两者的总和则为生产阶段的碳排放总量。

2）施工建造阶段。以机械设备运行过程中消耗的能源所排的CO2为主，按公式（3）计算：

式（3）中：P3为第i种机械每单位台班消耗量，kg；R为台班数；C3为施工机械的碳排放因子。

3.3.3 运行维护阶段

从两个方面考虑运行维护的碳排放量，一是运行时产生，二是运行维护时由于维护工作的开展或是材料的更换而产生。在此阶段的碳排放量计算中，可以建立Revit模型，在此前提下，在“族”模块内导入特定的能源设备。通过Green Building Studio能耗计算软件的应用，便捷地计算出运行维护阶段的碳排放量。此外，考虑到Revit文件的可用性要求，将其保存为GbXML格式，目的在于使GBS能够有效兼容。具体的计算流程如图3所示。

图3 运行维护阶段的碳排放计算流程

按公式（4）计算，确定运行维护阶段的碳排放量：

式（4）中：P4为第i种设备的碳排放量，kg；Y为建筑运行年限，年。

如前文所述，维护施工、材料更新替换是重要的碳排放途径，在计算中，根据具体的情况做针对性的计算。例如全面收集维护记录，结合记录的信息进行统计，确定材料和能源的消耗量。

3.3.4 拆解阶段

施工机械拆除建筑物时耗费能源、产生的废旧材料运输时耗费能源、针对拆解后的废弃物做相应处理时耗费能源，此时均有碳排放现象，在计算时应当充分考虑到各细分环节。

其中，拆除时的碳排放测算方法，按公式（5）计算：

式（5）中：P5为机械使用第i种能源消耗量，kg；C4为第i种能源碳排放因子。

废旧建材运输时：

式（6）中：P6为废旧需处置的建材量，kg；C5为运输建材的碳排放因子；L2为路段长度公里数，km。

在逐一计算各细分环节的碳排放量后，取得总和，所得结果则为建筑全生命周期中拆解阶段的碳排放量。

3.4 碳排放因子的选择

碳排放因子是碳排放计算中不可或缺的要素，从我国现阶段的行业发展状况来看，尚未建立统一的碳排放因子库，主要参照的是《IPCC国家温室气体清单编制指南》（2022年），根据其中的规定对汽油、煤油等予以确定。

建筑材料的碳排放因子具有确定难度高的特点，为了尽可能保证该项数据的合理性，应进行实验，通过此途径加以验证，但期间操作要点较多，计算较为复杂，可能存在确定难度大、确认结果准确性有限的问题[1]。为此，通常从既有研究成果中汲取经验，收集相关的碳排放因子数据。具体至建筑施工环节，机械设备的碳排放量占据较大的比重，具体与电力、汽油、柴油等能源的使用有关。在确定机械台班碳排放因子时，需要综合考虑两方面内容，一是参照《全国统一施工机械台班费用定额》（2017版），从中提取具有参考价值的信息，二是参考能源碳排放因子，经系统性分析后确定机械台班的碳排放因子。

4 基于实例的建筑全生命周期碳排放测算分析

某栋建筑，建筑面积2 285.058 m2。工程技术人员用Revit软件建模。根据上述分析，BIM技术在碳排放测算方面具有突出的优势，为加深认识，此处以运行维护阶段为例探讨该项技术的应用特点。运营期设定为1年，建模后导出为GbXML文件格式，进而将其导入网页版GBS，计算建筑物的碳排放量、能耗等关键的数据。计算结果可完整导出，以便相关工作人员分析在建筑面积、燃料用量、燃料费、用电量等方面的具体情况，为日常管理工作提供重要的参考。

所提建筑项目的年消耗电量为213 690.8 kW，燃料消耗1 405 640 MJ，根据项目所在地区确定电力碳排放因子（0.92 kg/kW·h）。参照《IPCC国家温室气体清单编制指南》（2022年），确定能源碳排放因子，具体体现在柴油、汽油等方面。在确定消耗量后，将该数据代入公式（4），经计算即可确定年碳排放总量，用于反映运行维护阶段的实际状况。

在整个碳排放的测算中，BIM技术具有举足轻重的地位，相比于传统方法，有效提升了碳排放测量工作的便捷性，测算结果的可靠性也将增强，能够引导参建方高度重视碳排放控制工作，积极参与到低碳经济的建设事业中。

5 减少建筑碳排放量的策略

5.1 物化阶段和运营期阶段的措施

1）建筑材料的选择。鉴于我国建筑碳排放量偏高的状况，建议从建材优化的角度着手，尽可能减少建材方面的碳排放量。例如，对建材制造工艺加以升级，开发具有低碳、低污染特性的绿色环保建材，减少建材生产环节的CO2排放量，同时优质的建材可起到保温、隔热的作用，减少暖通空调设备的使用量，降低电能消耗。

2）机械设备的配套。现代建筑建设规模普遍较大，机械化施工成为主流的趋势，需配套的机械设备较多，各类设备运行时有电能消耗、燃油消耗等现象需要合理配置，提高绿色节能运行水平。在机械设备的配套中，除了考虑单台机械设备的稳定运行要求外，还需注重机械设备间的协同性，以保证整体运行效果。此外，对发电方式加以升级也具有必要性，例如积极采用太阳能、风力等清洁能源。

3）运营期的管控。在建筑全生命周期中，运营阶段的碳排放量较大，合理采取节能措施具有必要性。围护结构是建筑物外围组成部分，具有保温、通风、遮阳的作用，合理设置围护结构有助于减少建筑使用阶段的碳排放量。在设施选择方面，照明、空调等均应优先考虑节能型设备，且可以考虑栽种绿植的方法，以提高氯化碳汇率（碳吸收和储存量与碳产生和排放量之比），实现对碳排放量的有效控制。

5.2 建立并持续完善碳排放因子数据库

多途径收集资料，系统性整理，建立碳排放因子库，并随着工程建设事业的发展逐步完善，从而得到日益成熟的碳排放因子数据库，为低碳设计提供重要的参考，由此提高低碳设计水平，降低碳排放量。

5.3 提高BIM技术在碳排放测算中的应用水平

基于全生命周期的计算是碳排放计量常用的方法，而BIM技术和碳排放分析软件结合的方式则更具可行性，原因在于BIM技术具有较强的数据集成能力，同时配套软件的分析功能较强，有助于推动碳排放测算工作的顺利开展，保证测算结果的可靠性。参建方应对BIM碳排放协同管理系统形成深入的认识，就碳排放信息加强沟通，积极开展设计和管理工作，尽可能减少建筑全生命周期的碳排放量。对于政府部门，建议其注重BIM技术的应用推广，给予政策层面的支持，有效发挥出其在碳排放测算方面的作用，给日常测算工作的开展提供可靠的技术支撑。

5.4 实施建筑碳交易策略

政府相关部门紧密结合实际状况，以因地制宜的方式规划建筑碳排放基准线，以便有效采取碳排放量控制措施。在建筑工程中，若碳排放量未达到基准线，则将多余的碳排放权在碳排放市场售卖，以满足其他企业的需求，从而创造经济效益[2-3]。反之，若部分建筑项目的实际碳排放量超出基准线，为了顺利推动后续工作的开展，可以从碳排放市场购买碳排放权。在售卖与购买的方式下，营造均衡的发展环境。

6 结语

综上所述，本文从建筑全生命周期的视角切入，对建筑碳排放测算的思路与方法展开探讨，提出BIM技术与碳排放测评软件GBS相综合的方案，其优势在于可高效测算碳排放量。但纵观现状，我国的建筑碳排放量测算技术仍有较大的进步空间，在未来的探索中，工程技术人员应在既有方法的基础上加以突破，以此来推动碳排放量测算技术的进步，为低碳经济发展助力。