基于BIM 技术的建筑碳排放计算与分析方法

李 钦，邓玉辉

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510000）

0 引言

近些年来，随着全球气候的变暖，建筑工程项目的碳排放控制已成为亟待解决的一个重要问题。BIM 技术作为当前建筑行业中一种先进的技术，以其独特的优势在建筑碳排放计算与分析中发挥出了愈加重要的作用。广东省技师学院新校区建设（一期）项目作为重要的教育基础设施建设项目，其碳排放控制具有重要意义。

1 建筑碳排放的界定

对于建筑碳排放，对其进行综合评价需要贯穿建筑的全生命周期，包括规划与设计、材料构件生产和建造与运输阶段、建筑建造阶段、建筑拆除阶段的碳排放等多个阶段。在这一全循环过程中，物质能源流动对环境带来的影响，以及由此带来的经济效益、社会效益和环境综合效益，都是评价建筑碳排放时不可或缺的重要因素。其中，规划与设计阶段是建筑碳排放的源头。在这一阶段，设计人员的设计理念和设计方法直接影响着建筑整体的碳排放水平。科学与合理的建筑设计可以优化和提升建筑的布局，提高建筑物体的采光和通风效果，减少能源消耗和碳排放；材料构件生产和建造与运输也是建筑碳排放的重要组成部分，在这一阶段建筑材料的使用和生产工艺，都会对建筑的碳排放产生深远影响；特别是在建筑建造阶段，建筑物体的实际情况直接反映着碳排放的水平，在这一阶段中碳排放主要集中于能源消耗，如燃气和电力；在建筑拆除阶段，建筑完工后的废弃物处理也是评价碳排放指标的重要因素，合理的废弃物处理方法和二次利用不仅可以减少其对于周边环境的污染，还可以实现资源的循环利用，降低和减少碳排放[1]。

2 碳排放技术路线及计算过程

2.1 技术路线

碳排放技术路线的实施是一个复杂且系统的过程，涉及多个环节和步骤。首先，需要进行实施准备。这一阶段主要包括收集碳排放相关的数据和信息，明确技术路线的目标和要求，以及确定所需的资源和技术支持。同时，建立建筑信息模型（BIM）。模型也是这一阶段的重要任务，它能够为后续的碳排放计算提供准确的基础数据[2]。将建立的BIM 模型用来收集建筑物的相关资料和数据，并利用专业的BIM 软件，创建一个精确的三维建筑模型。BIM 模型建立完成后，将其导入专业的碳排放计算软件中。通过软件的分析和计算，可以得出建筑物在运行过程中产生的碳排放量以及各个环节的碳排放贡献度。这些数据可以为后续的碳排放专业设计提供了重要的参考依据。在数据传输环节，将碳排放计算软件的分析结果传递给专业设计团队。设计团队根据这些数据，结合建筑物的实际情况，制定针对性的碳排放减排方案。这些方案主要包括优化建筑设计、改进能源使用方式、采用低碳材料等措施。最后，进入运行阶段。在这一阶段，将实施专业设计团队制定的减排方案，并持续监测建筑物的碳排放情况。通过不断的数据反馈和调整，可以确保建筑物在运行过程中达到预期的碳排放目标。

2.2 BIM 技术的建筑碳排放计算

2.2.1 碳排放BIM 模型创建

BIM 模型主要由墙体、门窗、楼板、屋面，组成。模型应保证构件基本参数准确性。模型深度应符合《建筑信息模型设计交付标准》中LOD3.0 的规定。模型房间墙体必须闭合，不应使用房间分割线划分房间。门联窗中的门窗构件应分开放置。BIM 模型构件参数准确设置，如：宽度、高度、厚度、标高等。图1 为碳排放BIM 模型。

图1 碳排放BIM 模型

2.2.2 碳排放BIM 模型的转换

碳排放计算是基于绿色建筑性能设计系统PKPMGBP 软件内操作。用于碳排放计算的模型基于BIM 模型进行转换，首先在专业碳排放转换插件匹配楼层标记，在利用专业碳排放转换插件导出bdls 模型，如图2所示。

图2 bdls 模型

2.2.3 碳排放计算原理

（1）建材生产及运输阶段。

计算原理。对于材料构件生产、建造与运输阶段的碳排放计算，BIM 技术的计算原理得益于物料衡算法和生命周期评估法[3]。其中，物料衡算法依据质量守恒定律，对生产过程中投入物料和产出的物质进行精确计算，得出材料构件生产、建造与运输阶段的碳排放量。而生命周期评估法则是对材料构件从生产到运输、再到建造使用的全过程中，每一个环节的碳排放进行详细分析和计算。在BIM 技术的支持下，可以构建精细化的建筑信息模型，从而对材料构件的生产、运输和建造过程进行模拟与分析，通过提取模型中材料的种类、数量、运输距离等的信息，从而更准确的计算出这一阶段的碳排放量。

计算过程。建材生产及运输阶段的碳排放应为建材生产阶段碳排放与建材运输阶段碳排放之和，并应按式（1）计算。

式中：CJC——建材生产及运输阶段单位建筑面积的碳排放量，kgCO2e/m2；CSC——建材生产阶段碳排放，kgCO2e；Cys——建筑运输过程中的碳排放量，kgCO2e；A——建筑物体的面积，m2。

计算要点。材料构件生产的碳排放计算要点在于准确识别和统计所使用的原材料种类及其数量[4]。基于BIM 技术的建筑按面积估算主要材料如图3 所示。

图3 基于BIM 技术的建筑按面积估算主要材料

（2）建筑建造阶段。

计算原理。在建筑的建造阶段，BIM 技术通过对建筑信息模型中数据的提取和分析，识别出建造阶段中涉及碳排放的主要环节和因素，比如建筑材料的使用、施工机械的运行、能源消耗以及施工过程中废弃物的处理等等[5]。此时，BIM 技术利用预设的碳排放计算规则和系数，对提取出的数据进行处理和计算，这一计算过程是借助统计数据得出的，能够准确反映不同材料和活动在碳排放方面的特性。最终，应用BIM 技术将计算结果以可视化的方式呈现出来，帮助项目团队清晰地了解建筑建造阶段的碳排放情况。

计算过程。建筑建造阶段的碳排放量应按式（2）计算。

式中；CJz——建筑建造剪短单位建筑面积的碳排放量，kgCO2/m2；Ejz，l——建筑建造阶段第l 种能源总用量，kW·h 或者kg；EFl——第l 类能源的碳排放因素，kgCO2或者kgCO2/kg；A——建筑物体的面积，m2。

计算要点。利用BIM 技术进行建筑建造阶段的碳排放量计算时，需要关注数据准确性、碳排放系数的选择、施工过程的模拟与分析、能源消耗的计算以及结果的可视化与呈现等关键要点。通过综合考虑这些计算要点，可以更加准确、全面地评估建筑建造阶段的碳排放情况，为制定有效的减排策略提供有力支持。

（3）建筑拆除阶段。

计算原理。在建筑的拆除阶段，需要考虑的碳排放来源包括拆除机械的运行、能源消耗、废弃物的处理和运输等。BIM 技术通过构建拆除阶段的虚拟模型，准确记录拆除过程中的各项活动及其相关信息。根据这些信息，结合预先设定的碳排放因子和算法，对拆除过程中产生的碳排放进行精确计算。在这个过程中，BIM 技术能够实时更新模型中的数据，确保计算结果的准确性和实时性。

计算过程。建筑拆除阶段的单位建筑面积的碳排放量应按式（3）计算。

式中：Coc——建筑拆除阶段单位建筑面积的碳排放量，kgCO2/m2；Eco，l——建筑拆除阶段第l 种能源总用量，kW·h或kg；EFl——第l 类能源的碳排放因子，kgCO2/kW·h。

计算要点。在使用BIM 技术进行拆除阶段碳排放计算时，需要确保模型中的数据与实际拆除情况保持一致，避免因数据不准确或缺失导致计算结果偏差。

3 案例分享及研究成果

广东省技师学院新校区建设（一期）项目位于惠州市博罗县罗阳街道横江尾杆和新角杆地段，工程建设规模：广东省技师学院新校区建设项目总规划用地面积1248 亩，除去留用地、安置地、市政道路等面积后，净用地面积约1000 亩（以实际红线图为准）。一期用地面积344338m2。本案例已该项目B1 宿舍楼为例，使用的分析工具为建筑碳排放计算软件PKPM-CES，计算建筑全生命周期碳排放水平。

依据《建筑碳排放计算标准》，对建筑在运行、建造及拆除、建材生产及运输等阶段的碳排放进行了全面分析，并详细总结了各阶段的碳排放核算方法，包括建筑建造阶段碳排放CJZ 核算、运行阶段碳排放CM 核算、拆除阶段碳排放CCC 核算及碳汇量Cp 核算。结合传统建筑碳排放计算方法，研究并总结了基于BIM 技术的建筑碳排放计算方法，包括BIM 模型的组成、模型转换、以及具体的计算思路和计算方法。进行了实例测算，并与传统计算方法进行了对比分析。结果表明，BIM模型在导出碳排放计算模型时由于保留了所有构件信息，因此计算结果更为全面；同时，BIM 模型避免了重复建模工作，显著提高了工作效率。

本方法与传统方法的建筑运行阶段碳排放降低结果对比如图4 所示。

图4 碳排放结果分析对比

4 结语

本研究虽然取得了一定成果，但由于客观条件的限制，仍存在诸多不足，这些不足将在后续研究中得到进一步完善。具体来说：本研究仅选取了一栋建筑单体作为实例进行测算，且建筑类型相对单一，导致研究数据不够丰富。为了弥补这一不足，后续研究将增加公共建筑类型的样本，进一步丰富数据，并加强对比分析，以提高研究的准确性和可靠性。在本研究中，BIM 模型的工程量数据并未得到充分利用。为了进一步提升研究的深度和广度，后续研究将探索采用分析工程量清单的方法进行碳排放计算，以充分利用BIM 模型中的工程量数据，为建筑碳排放的精确计算提供有力支持。尽管存在不足，但本研究提出的基于BIM 的建筑碳排放计算方法仍达到了预期目标，对于将BIM 技术与建筑碳排放计算相结合的研究具有重要意义。总体而言，BIM 技术作为我国推进建筑业数字化转型的关键手段之一，其未来在双碳领域的应用前景广阔，必将为绿色建造提供有力支撑。