基于BIM 的碳排放预测及低碳城轨设计分析

常丽燕，张 钊

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545001）

0 引言

“双碳”战略是新时代城轨行业发展的重大机遇。城轨行业需要充分利用其独特的资源，并积极响应国家的政策，完善其基础设施，加强对新技术的研究，搭建完善的能源监测平台，大力发展可再生能源，完善城轨的用电、节电等方面的标准，并且要加强城轨的智慧城轨，将其作为实现城轨节能减排的重要工具，从而实现城轨的高品质、可持续的发展。

1 BIM 技术基本概念

建筑信息模型（building information modeling, BIM）在制造、建设等领域得到了大量的运用，为提高建筑工程的质量和效率提供了有力的支持，现已成为一个广泛使用的建筑工程管理方法。

BIM 技术的核心优势包括：信息系统完整、对象参数化、3D 模拟以及多样的结果输出。它不仅能够帮助企业提高工程管理水平，还能够提升项目的效率和质量，从而为企业提供更加优质的服务。在整个建设项目的执行过程中，采用数字技术来展示所有相应的内容，并利用3D 技术来构造出真正的建筑物形态，以及利用协作的方式来进行数据分析，为整个工作流程提供依托。BIM 技术的实际运用可以从3 个方向进行：首先，利用BIM 软件，如Sketchup、Revit、CATIA，对建筑物的空间、物理、力学和物理、建筑材料进行模拟，并以各种参数和属性的方式，对建筑物的细节进行建模，以更好地反映建筑物的整体外观，以满足建筑设计的需求。BIM 技术能够有效地帮助我们实现从建筑规划、长期评估、成本核算、模拟验证、日常运行和数据展示的一整套流程，从而实现对整个项目的有效监督和管理[1]。

2 BIM 技术在城轨建设中的应用

根据最新的统计数据，建筑行业的能源消耗占到了全行业的40%以上，而排放的温室气体也达到30%左右。因此，推进建筑行业的低碳节能工作显得尤为迫切。

2.1 BIM 技术应用于城轨设计

利用BIM 技术，可以准确地计算建筑物的建筑使用面积，并对建筑物的内部和外部环境进行模拟设计，以实现最佳的建筑物使用和资源利用。在设计前期，首先要确认各项基本要求，如室内的温湿度、噪音水平、灯光效果、采暖、制冷、通风和日照情况，以及预期实现的节能减排目标。然后，利用相关的技术和工具，运用BIM 软件模型，进行建筑的结构、平面布局和围护结构的仿真，综合各种专业资料，以达到室内外环境的均衡和最佳状态，最终给出一个完善的概念性方案，以便更好地满足实际的应用要求。深度设计最终呈现具体的施工图方案报告，并对初步设计进行细节上的优化，形成最终建筑节能设计成果。

2.2 BIM 技术应用于城轨项目评价

城轨项目的评价是基于全生命周期的评价，要建构一个全面的评价机制，对城轨项目展开环保、安全、能源、舒适度等多维度的评价，从而推动城轨建设的发展。该机制以定性和定量的评价方式，结合建筑物的绿化、采光、能源利用、可再生资源的使用，构建一个完整的体系。在国内，《绿色建筑评价标准》《绿色奥运建筑设计体系》以及一些国内外的相关技术指南，都为绿色生态建筑设计的可持续发展提供了重要的理论依据[2]。

2.3 BIM 技术应用于城轨运营

在运营阶段，需要将可持续发展理念融入前期的目标制定和设计中，并且在日常运维中贯彻落实。BIM技术的应用，使的城轨项目的运维节能管理更加便捷高效，它具有信息化、精确化和可视化等多项优势，为姓名的运维节能提供了强有力的支撑。BIM 控制平台提供了强大的技术支撑，它能够有效地协调和控制各种电气系统，包括空调、新风、照明、电梯，以及其他水资源，从而达到更加准确地使用，并且能够对物业管理进行有效的监测，从而有效地节约成本。

2.4 BIM 技术应用于建筑材料低碳减排

广义上讲，建筑碳排量分为建造碳排量、使用碳排量和拆除碳排量3 个部分。而城铁项目的全生命周期大概可以分为设计、建造、运维、拆除、回收等阶段，每一个阶段都与会产生一定的碳排放。在设计阶段的碳排放占比较低；建造阶段则是建筑材料的运输、仓储、使用等造成的碳排放；运维阶段则是空调、照明、列车制动等产生的碳排放；拆除与回收则是由于建筑废弃物回收、建筑翻新等造成的碳排放。利用BIM 技术，可以建立项目模型，对每一个阶段可能产生的碳排放进行模拟计算，从而在实施之前进行合理设计，从而使碳排放总量较少[3]。

3 基于BIM 的碳排放预测

3.1 材料生产阶段碳排放预测

城轨项目中，很多施工材料在采购回来后需要在施工现场进行二次处理。这一阶段被称为材料生产阶段，近年来大量学者对这一阶段的碳排放因子的确认方法进行了深入的研究。但是由于研究的方向和应用场景不同，因此当前尚未形成统一的指导性方法。各地区在进行预测时，应该结合项目的实际情况加以选择，从而形成合适的材料生产碳排放因子数据库。在数据库形成后，即可结合工程消耗量定额或概预算定额，来对碳排放进行计算。

计算方法可表述如下：

式中：MQEi——第i 个定额项目的材料碳排放，在同一个定额项目中，使用的材料种类较多，可按照约定的属性对其进行分类；Mij——第i 个定额项目下，第j 类材料的消耗类标准；MEFij——第i 个定额项目的第j 类材料的生产碳排放因子。

因此，可以通过式（2）计算第i 个项目材料生产阶段的碳排放总量（MEP）。

式中：Qi——第i 个定额项目的工程量。

计算结果存储至BIM 系统的数据库，最终将所有子项目的MEP 相加，即可实现对材料生产阶段碳排放总量的预测。

3.2 施工建造阶段碳排放预测

在建筑行业的相关标准中，施工阶段的碳排放主要由3 个方面组成：材料运输导致的碳排放（CETP）、施工设备运行导致的碳排放（CEPC）以及施工现场导致的碳排放（CEPO）。因此，这一阶段内，项目总体碳排放（CEP）可以表述如下：

3.2.1 材料运输的碳排放预测

考虑到在实际的城轨建设项目中所需要的建筑材料品类众多，且每一种材料的生产厂家较为分散，且材料的运输方案与运输距离也难以预测。因此，各地在进行本阶段碳排放预测时，需要结合实际来选择适当的研究方法。确定材料的运输方式，并计算出材料运输的平均距离。预测材料的CEPT，可表述如下：

式中：Mi——第i 种建筑材料的使用总量；Tij——第i 种建筑材料在使用第j 种运输方式的情况下单位距离内产生的碳排放总量；Di——运输该材料的总距离。

3.2.2 施工机具运行的碳排放预测

每个定额项目的CEPC 可表述如下：

式中：CEPCi——第i 个定额项目在开展的过程中材料运输阶段内产生的碳排放总量；Cij——第i 个定额项目中的第j 类设备在标准运行状态下碳排放；CEFij——碳排放因子，该因子可以依据当地建筑领域的执行标准或者项目本身的实际情况来确定。

然后，结合城轨项目的工程总量即可对CEPC 进行预测，如式（6）所示。

3.2.3 施工现场碳排放预测

这一部分的碳排放相对于前两个部分而言不确定因素更多，因此难以进行精确的预测。为了提升测算结果的有效性，可以提取施工现场内行政管理办公室的相关数据作为基础资料，在此基础上结合当地碳排放基准数据以及实际的办公面积来进行计算。

式中：EI——当地单位面积内碳排放基准数据；A——施工现场总面积。

3.3 运营维护阶段碳排放预测

运营维护阶段所包含的实际上是运营阶段以及维护更替阶段这两个大的阶段，通俗来说就是在城轨项目建成后的全部阶段。该阶段的碳排放总量用OEP 表示，两个子阶段则用OEPO、OEPM 来分别进行表示。

3.3.1 建筑运行的碳排放预测

城轨在运营阶段的能耗与碳排放都是可以通过相关的软件进行模拟和计算的，常见的模拟软件有Enerˉ gyPlus、DOE 等。不同的仿真模拟软件功能侧重点不同，各地区可以按需选择。在模拟软件内建立模型，计算出每一年内城轨项目在运行阶段产生的碳排放，再结合项目的预期使用年限即可计算出全生命周期内的碳排放总量。

式中：Y——预计使用年限；Ei——在一年内第i 种能源的碳排放因子；ei——一年内消耗第i 种能源的总量。

3.3.2 建筑维护更替的碳排放预测

本阶段的碳排放由两个方面组成：①由于进行维护更替活动所进行的原材料生产而导致的碳排放。②进行维护更替活动本身所产地的碳排放。计算方法表示如下：

式中：RQEi——第i 个项目产生的碳排放总量；Mij、MEFij、Cij和CEFij的含义同前。

4 基于BIM 的低碳施工设计

城轨项目中建材的耗能占据建设总耗能的17%，当中，尤其钢铁、木料和混凝土等建材耗能量非常庞大，对国家生态危害尤为突出。为此，国家标准和有关文件精神中均明确指出将节材列为建筑工程节能环保的一个主要考核指标。《绿色建筑评价标准》中关于节材和材料利用已做出了详尽的说明，根据该国家标准的控制要点，可利用BIM 模式完成有关控制要点的数据分析，在估算建筑材料碳排放的基本，通过国家标准的符合性检查判断，不但节约了成本，而且准确性也有很好的保障[4]。

采用BIM 技术Revit 平台从事建筑设计方法的工程设计，Revit 中所建立的BIM 模式，应包含有大量的建设信息内容，包含结构的成分、建筑材料类型、建筑材料从加工地到施工现场的方式及运距、结构的应用年数、结构建筑材料的利用比例状况、建筑材料供应地等信息内容，以及在建筑材料属性中标明是否是为能源或可循环建筑材料。将工程量清单中对应的分部分项工程编号加入BIM 模式中各个构件属性后，就能够自动调用其特征属性完成各种结构和资料的数据分析。通过采取有效的建筑材料选择、重复使用以及循环利用，不仅有助于节约能源，而且还有助于减少污染物的排放，从而达到绿色建筑的目的。为此，我们应当严格控制建筑物的运输时间，并且尽可能地使用可持续的建筑材料，以达到节约资源的目的[5]。

（1）利用BIM 技术，能够更好地利用信息化设计的特点，从而更加准确地测算出材料的使用情况，包括循环使用率、再利用率以及材料的运输成本。可以对项目进行模拟，从而计算出碳排放总量。这样，能够更好地管理材料的使用情况，从而更有效地完成项目。

（2）利用BIM 技术，可以在系统中嵌入各种标准值。当输入材料时，系统会自动调用相应的控制标准值，并对模型中的材料进行统计和评估，以确定其与标准之间的差异，从而实现对材料的自动符合性检查。

（3）通过使用模拟技术，我们能够通过输入不同的材料编号，来查看它们的分布情况，包括数量、运输路线。这样，就能够清楚地展示出如何有效地控制使用这些资源，同时也能够按照实际需求来调整使用的资源，例如：使用更加环保的可回收资源，或者改善建筑物的结构与特征，从而达到节省资源的目的。

5 结语

BIM 技术自被研发以来，经过几轮技术更新已经相对完善，已被广泛应用与建筑行业的各个领域之中。环保与能源问题是新时期人们最关注的问题之一，而城轨项目的全生命周期内都伴随着大量的碳排放以及能源消耗，为此能否借助新技术来对城轨项目进行低碳设计早已是决定该行业能否健康、快速发展的关键因素。通过BIM 技术可以实现对项目进行过程中每一个环节的碳排放预测，将预测结果与国家相关标准进行比较可以找出建设与运营过程中可能存在的碳排放超标环节，并及时加以调整和改进，从而促使城轨项目符合绿色发展理念。