基于BIM技术的建筑碳排放及无人机区域碳排放评估

2024-03-27王拓王晓璐蔡马勇张萌林派锐成子昊詹雅婷陈莉莎

智能建筑与智慧城市 2024年3期

王拓，王晓璐，蔡马勇，张萌，林派锐，成子昊，詹雅婷，陈莉莎

（东莞理工学院生态环境与建筑工程学院）

1 引言

建筑产业是全球二氧化碳排放的主要来源之一，随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，建筑领域需要大力推广低碳技术和绿色建筑理念，规范建筑行业的碳排放计算和监管，减少各阶段碳排放的产生[1-2]。

为研究建筑碳排放计算与评估方法，提出可持续建筑设计和管理的相关策略和建议，本文从单体建筑和区域层面进行碳排放分析，运用斯维尔三维算量等相关软件建立BIM 模型，根据模型工程量计算物化阶段及后运维阶段的碳排放量，并运用红外热成像影像分析施工碳排放情况。同时结合无人机倾斜摄影模型及GIS 技术进行分析，评估该建筑及周边区域的相关合理性，促进可持续发展和低碳经济的建设。

2 工程概况

本文主要围绕东莞理工学院高水平理工科大学国际合作创新区学生宿舍楼及项目施工区域进行分析，项目位于东莞市松山湖区，混凝土剪力墙结构，总建筑面积24167.56㎡，地上建筑面积23190.81㎡。

3 基于BIM技术的单体建筑排放分析

本文通过构建BIM 模型，对构件进行汇总计算并导出工程量清单，基于碳排放系数法[3]计算建筑物化阶段产生的碳排放量，结合能耗参数和建筑物的特征数据计算建筑运维阶段产生的碳排放量，对单体建筑的全生命周期碳排放测算模型进行分析与评估。

3.1 建筑物化阶段碳排放计算

本文基于斯维尔三维算量软件计算地上部分建筑工程量，项目主要建设范围包括混凝土工程、钢筋工程、砌筑工程、门窗工程、装饰装修工程等分项工程，BIM模型如图1所示。

图1 斯维尔BIM模型

将编制完善的工程量清单文件导入斯维尔碳排放计算软件当中，完成碳排放因子匹配、单位换算、运输距离调整等相关工作，汇总单体建筑建筑阶段的碳排放量。

本工程混凝土工程单方含量为0.37m³/㎡，钢筋工程单方含量为45.21kg/㎡，结合建筑生产阶段、运输阶段、建造阶段的碳排放量进行分析，得到单方含量分析表如表1和表2。

表1 单方碳排放量分析表—主体建材分析

表2 单方碳排放分析表—物化阶段分析

由分析结果得知，东莞理工学院新区学生宿舍楼工程物化阶段的碳排放总量为13656.13tCO2，单方碳排放量为634.34kgCO2。物化阶段碳排放分析如图2。

图2 物化阶段碳排放分析饼图

3.2 运维阶段碳排放计算

根据建筑物的使用性质，宿舍楼首层为公共建筑，2 层及以上为居民建筑。根据项目信息设置墙体、门窗和屋顶等围护结构，建立对应的建筑框架，完善其空间划分，最终建立CEEB 碳排放建筑模型如图3所示。

图3 CEEB碳排放模型（左为公共建筑，右为居民建筑）

在模型中输入建筑物不同阶段的能耗参数，包括供暖、通风、空调、照明等方面；提取模型数据，如建筑面积，建材用量等为后续的负荷计算及碳排计算建立数据基础；最后对单体建筑进行碳排放分析与计算，各阶段碳排放计算结果及相关指标如图4和图5所示。

图4 全生命周期碳排放量分析指标

图5 全生命周期碳排放量分析饼图

3.3 单体建筑碳排放分析

为寻找建筑减碳的有效措施，本文进行敏感性分析[4]，采用单因素敏感性分析方法进行评估，研究各变量变化对模型输出结果的影响程度，计算敏感因子x 对案例建筑全生命周期的碳排放影响，物化阶段及运维阶段碳排放敏感性分析如表3 和表4所示。

表3 物化阶段碳排放敏感性分析

表4 运维阶段碳排放敏感性分析

由敏感性分析可知，对于建筑物化阶段，钢筋混凝土等主体工程材料在建材生产阶段碳排放影响最大，敏感度系数相较于其他因素来说较高，而运输过程及建造过程的浮动对于该过程的碳排放影响程度较小，因此对建材生产阶段采取相关减排措施可有效降低该过程的碳排放量。

对于建筑运维阶段，运行与维护阶段当中空调、照明及热水等工作设备的浮动可有效影响建筑全生命周期的碳排放量，因此提高运维阶段中设备的能效或引入可再生能源是建筑减排的有效途径。

综合分析结果，建筑运行阶段占全生命周期碳排放的77.99%，建筑材料生产阶段占比20.56%，二者是建筑碳排放量的主要决定性因素，且建筑运行阶段在生命周期评价中，其敏感度系数相较于物化阶段普遍偏高，因此建筑运行阶段相比于建筑物化阶段更具减排潜力。基于以上分析结果，选取敏感度系数较大的几个因素绘制单因素敏感性分析图，单因素敏感性分析如图6。从图上即可直观地看出各敏感因子的变化对单位面积碳排放的影响程度，影响程度排序为：单元式空调＞生活热水＞照明＞混凝土＞钢筋。

图6 单因素敏感性分析

4 基于无人机技术的区域建筑碳排放分析

研究结合热成像分析、气体浓度监测、无人机倾斜摄影和GIS 技术，分析与评估区域建筑及施工现场的碳排放情况，优化施工流程和管理，针对性地制定减排措施。

4.1 区域碳排放监测技术应用

建筑施工现场全区域的碳排放监测，本文采用深圳可飞科技公司Sniffer4D 灵嗅碳排放监测设备以及配套的经纬M300RTK 无人机（见图7）进行碳排放的采集，获取带有地理信息及时间标记的碳排放数据，并实时传输至配套软件进行智能可视化分析。

图7 Sniffer4D灵嗅碳排放监测设备配置

对东莞理工国际新校区进行碳排放监测，碳排放主要集中在2、3 栋教学实验楼及8、9 宿舍楼施工区域（见图8）。施工现场全景图观测，该区域存在多座塔吊并且集中布置多个材料加工棚，施工能源消耗大，区域碳排放量较为集中。

图8 施工现场碳排放监测

4.2 倾斜摄影与GIS技术应用

结合无人机倾斜摄影技术和GIS 系统，实现施工现场三维模型与地理信息系统的对接，并在三维模型数据基础上进行建筑碳排放数据分析与应用。对施工现场的设备布置、能源使用情况等进行监测，全面掌握建筑碳排放和施工过程的情况，进一步探索降低建筑碳排放的有效途径（见图9）。

图9 倾斜摄影模型与GIS 技术应用

4.3 区域建筑碳排放分析

由分析结果得知，施工现场的碳排放量稳定在570 mg/m³左右，无人机搭载二氧化碳检测仪距离施工作业面有一定距离且受机翼气流影响，其测试精度有一定的局限性。作业时的施工机械碳排放峰值接近800mg/m³，是施工现场区域碳排放的主要影响因素。因此在现场管理过程中应注重提高施工机具的工作效率，减少施工过程的碳排放量。

此外，通过Mavic3T无人机的热成像分析（见图10），可清晰观测混凝土浇筑过程及施工机械的温度变化。新校区8、9 栋宿舍楼采用预制叠合板，放热量较其他施工区域低，说明施工方式也是造成碳排放量差异的主要原因之一。现浇混凝土结构需要大量机械和人员进行浇筑和养护，施工碳排放量大；而预制叠合板规模化生产方式减少施工现场的机械和能源消耗，降低施工现场的碳排放量[6]。