基于BIM睱CA的建筑环境影响评价方法

沈琳　李希胜　李明瑞　李红

摘要：建筑业每年对全球资源的消耗和温室气体的排放几乎占全球总量的一半，采用有效手段减少建筑对环境的影响具有重要的意义。当前在规划设计阶段应用全寿命周期评价（LCA）方法存在着缺乏有效数据信息、工作量大、标准不统一等缺陷。本文将BIM与LCA相结合，建立了BIMLCA的框架模型，并运用Revit插件Tally实现建筑材料的环境影响分析，为BIMLCA全面整合提供借鉴和指导。

关键词：建筑设计；环境影响；评价

中图分类号：S 772；TP 391.9文献标识码：A文章编号：1001-005X（2015）01-0149-07

Building Environmental Impact Assessment

Method Based on BIMLCA

Shen Lin，Li Xisheng*，Li Mingrui，Li Hong

（College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037）

Abstract：The consumption of global resources and emissions of greenhouse gas in the field of construction industry almost accounted for half of the global total annually.It is significant to conduct the environmental assessment on the construction projects and take effective measures to reduce the impact of construction on the environment in the planning and design stage.Currently，the lifecycle assessment method（LCA）applied in the planning and design stage exists a series of defects such as lack of effective data，heavy workload，and multiform standards.This paper provides a reference for the full integration of BIMLCA by establishing a framework model of BIMLCA and performing the environmental impact analysis of building materials by using Revit and its plugin Tally based on BIM technology and LCA theory.

Keywords： architecture design；environmental impact；evaluation

收稿日期：2014-12-10

基金項目：江苏省住房与城乡建设厅资助项目（js2011jh9）；2014江苏省普通高校学术学位研究生科研创新计划项目（KYLX_0887）

第一作者简介：沈琳，硕士研究生。研究方向：工程管理与信息化。

*通讯作者：李希胜，教授。研究方向：工程管理与信息化。Email：Xishengli@163.com

引文格式：沈琳，李希胜，李明瑞.基于BIMLCA的建筑环境影响评价方法[J].森林工程，2015，31（1）：149-155.作为国民经济的支柱产业，建筑行业造成的环境影响和面临的环境负担尤为严重。据统计，建筑业每年对全球资源的消耗和温室气体的排放几乎占全球总量的一半。我国的建筑总能耗占社会总能耗的25%～28%，CO2排放量占社会总排放量的40%左右[1]。建筑的高能耗和高碳排放对节能减排工作造成了巨大压力，建筑全寿命周期环境影响评价也成为研究的热点。

BIM（Building Information Modeling）是创建并利用数字化模型对建设项目进行设计、建造和运营全过程进行管理、优化的方法和工具，通过对信息的插入、提取、更新和修改来支持在建设项目不同阶段、不同利益相关方的协同作业[2]。目前BIM技术通过全球范围的研究和实际工程应用，已经被证明是未来提升工程建设行业技术及实现节能减排的核心信息技术之一，其对于可持续和生态绿色低碳理念的升华，提高了人们对建筑环境和建筑品质的要求，增大了人们对BIM技术应用效果的期望。

LCA（Life Cycle Assessment）是资源环境保护领域的重要理论。经过20年的发展，LCA已经成为评价产品资源环境影响的国际通用标准方法，并得到了国内外政策和市场的广泛认同。从方法体系来看，LCA在技术研发、产品设计、绿色制造、清洁生产、绿色采购和市场营销等领域有着广泛的应用前景，从而用于实现低碳发展、节能减排、循环经济和生态文明等社会可持续发展目标[3]。

相比于在工业产品生产对环境影响方面的应用，LCA在建筑领域的研究实践应用还比较滞后。总结近十五年有关LCA在建筑方面应用的文献资料可以发现，美国、欧洲和亚洲的部分国家，已经有越来越多的人开始运用 LCA 理论，对建筑进行全生命周期评价。其研究应用可以分为以下三个方向：LCA 在建筑产品选择方面的应用[4-6]、LCA 在建筑评价体系方面的应用[7-8]、LCA 在建筑理论方面的应用[9-10]。目前关于BIM的研究集中在建筑设计、管线碰撞和成本预算等几个方面[11-13]，在全生命周期环境评价中并没有一套完善的应用流程和标准。针对LCA研发的评价软件（Athena/Simapro/Gabi/Bees等）有很多，但不同数据库之间所选用的标准仍然不够明确和具体，所得出的评价结果之间差距较大，BIM与LCA的集成应用仍处于探索阶段。因此，如何利用BIM已提供的完整建筑信息，进行数据的共享和传递，并通过LCA评价软件进行大量数据的分析和对比，在设计之初提高建筑决策的质量，是本文要研究的核心问题。

第1期沈琳等：基于BIMLCA的建筑环境影响评价方法

森林工程第31卷

1基于BIMLCA的建筑环境影响评

价方法目前针对绿色建筑管理建立的多种评价标准，其实现大多通过人工进行数据的收集、评价和报告，评价过程的主观性较强且工作效率低。尤其是针对建筑全生命周期评价（LCA），其评价过程中涉及海量数据的收集、处理和分析，仅仅依靠人工来完成评价工作将费时费力，因此亟需通过信息化软件工具提供的支持来完成建筑全生命周期评价。目前与BIM相关的软件有几十种，其主要开发公司有Autodesk公司、Bentley公司和Graphisoft公司等，且所开发的BIM建模软件大多支持二次开发的功能。鉴于BIM和LCA对建筑性能模拟评价方面具有的强大优势，本文主要从集成BIMLCA的角度研究，以BIM数据交换标准IFC（Industry Foundation Class）作为媒介，将BIM模型中的数据通过插件提取至LCA软件中进行环境影响的分析和评价，基本思路如图1所示。

图1基于BIMLCA的建筑环境影响评价研究思路

Fig.1 The BIMLCAbased research idea of building environmental impact assessment

1.1生命周期评价概述

生命周期评价（LCA）是以确认和量化产品生产过程或相关活动所需的材料、能源和排放等环境负荷为基础，统计、汇编和评价系统的输入输出及潜在的环境影响，寻找和探索改善环境影响的方法和机会。ISO将LCA分为相互联系的、反复交互的4个步骤，评价过程包括目的与范围的确定（Goal Define and Scoping）、清单分析（Inventory Analysis）、影响评价（Impact Assessment）和结果解释（Interpretation）[14]。其研究的产品环境负荷和潜在的环境影响贯穿产品生命周期的全过程，包括材料生产、规划设计、建造与运输、使用、拆除与处理全过程中的物质、能量流动和循环。

其中，目的和范围的确定是为了说明研究的目的、系统边界的定义和划分，并阐述数据要求、假设条件，以保证研究的深度、广度和精度的目标一致性；清单分析是对确定范围内的产品系统生命周期过程的输入（能源消耗）、输出（污染物排放）进行数据量化分析；影响评价是以清单分析为基础，对各种环境影响进行量化评估的具体过程；结果解释则是按照研究目标和范围的规定，识别、判定和检查研究结果，形成包括对重大问题的判断、完整性、敏感性检查等内容在内的最终结论。

此外，在确定LCA的评价范围及建筑生命周期清单的基础上，还需要建筑生命周期清单相对应的环境影响基础数据库的支持，进一步明确系统的输入与输出，并按照不同的特征化指标进行归类，最终得出评价结果。计算结构见表1。表1LCA计算结构

Tab.1 The computing structure of LCA

生命周期模型过程1贡献过程2贡献过程3贡献…LCA结果LCI结果特征化因子特征化指标归一化指标权重因子综合指标S1×CO21+S2×CO22+S3×CO23+…=CO2LC×cfCO2S1×CH41+S2×CH42+S3×CH43+…=CH4LC×cfCH4S1×CFC1+S2×CFC2+S3×CFC3+…=CFCLC×cfCFC…→

GWP

（温室效应）→GWPNGWP×WGWP

→SS1×SO21S2×SO22S3×SO23+…=SO2LC×cfSO2S1×NOX1S2×NOX2S3×NOX3+…=NOXLC×cfNOX…→

AP

（酸雨效应）→APNAP×WAP…注1：Si为过程系数（下游消耗量与上游产出之比），归一化基准值Ni通常选取全国年总发生量

1.2基于IFC标准的建筑环境影响评价信息模型

解决信息交换与互用问题的关键在于建立一套合适的信息格式标准，IAI（International Alliance for Interoperability）发布的IFC，提供了建筑过程中的各种信息描述和定义规范，已被公认为建筑行业数据交换的公共标准。

图2IfcRoot主要派生关系

Fig.2 The main derived relations of IfcRoot

IFC使用类的概念来描述建筑对象、对象的属性及对象间的相互关系，主要的派生关系如图2所示，其中包含了所有建设项目全生命周期内一切项目成员及其应用软件需要用到的信息，为实现全生命周期不同专业间的数据共享与交换奠定了基础[15]。目前，国际上一些主流的BIM软件都通过了IFC2×3认证，支持IFC数据格式的输入和输出。

基于IFC标准的建筑模型描述体系，可以描述基础、墙、柱、梁和板等结构构件。这些结构构件均派生于建筑构件（IfcBuildingElement）实体。通过对《建筑工程生命周期可持续性评价标准》JGJ/T222-2011、《環境管理生命周期评价原则与框架》GB/T 24040-2008/ISO 14040：2006、《建筑对象数字化定义》JG/T 198-2007、《工业基础类平台规范》GB/T25507-2010等规范的分析，采用EXPRESSG表达法建立了基于IFC标准的建筑环境影响评价信息模型，如图3所示。

图3基于IFC标准的建筑环境影响评价信息模型

Fig.3 The information model of building environmental impact assessment based on the IFC standard

建筑环境LCA分析在不同建设阶段的目标是不同的，应根据不同阶段的目标来确定LCA的评价范围。设计阶段的主要目的是比较多种方案，从而选出最可行的方案，即可依据图3所示的信息关系提取基于IFC标准的构件几何信息、构件属性信息、材料信息、设备与系统信息等，建立建筑生命周期清单LCI（Life Cycle Inventory）。

2实例分析

2.1工程概况

本工程为三层框架结构小别墅，地处南京，基础为条形基础，建筑总面积为250 m2。首层层高为3.6 m，二三层层高为3.3 m，室内外高差0.45 m。设计使用年限为50 a，屋面防水等级为Ⅱ级，耐用年限15 a，建筑耐火等级为Ⅲ级。年平均单位面积用电量取31 kW·h/m2.a，年平均单位面积能耗取385.5 MJ/m2.a-1[16]。

2.2基于BIMLCA的评价工具——Tally

对于LCA来说，获取的数据有效性对最终的结果有着极大的影响。目前国内外也有部分高校和科研机构在开发建筑生命周期数据库，但都是各自独立的评价软件，尚未与BIM结合起来，且清单数据库在能耗统计方法、能源排放因子、建材生命周期界定以及数据的时间等方面并不统一。

Tally是一款基于Revit的LCA评价插件，其LCA清单数据库经过德国斯图加特大学LBP研究所十几年的搜集和完善。依据IFC标准，能够快速提取BIM模型中相关的建筑材料属性，生成建筑模型的树状结构图，用户只需后期添加材料的工艺链接，软件即可计算出建筑的各项环境影响值。

以墙体的材料属性定义为例，在IFC模型中，支持对构件进行多层材料定义，假设某墙体由外墙面砖、隔热层、结构层和内墙面砖4层材料构成。则首先应当通过材料实体（IfcMaterial）定义材料属性，再通过材料分层实体（IfcMaterialLayer）、材料层集合实体（IfcMaterialLayerSet）和材料层集合使用实体（IfcMaterialLayerSetUsage）定义“层材料”模型，最后通过材料关联实体（IfcAssosiatesMaterial）建立墙体与墙体材料的关联。

这样，利用BIM核心建模软件Revit建立基础模型，在基础模型的单元构件属性里加入有关LCA评价的相关属性信息，包括单元构件的结构材料、粉刷材料、饰面材料以及前三种材料的综合信息（对应的原材料、材料到现场的运距、材料的属性如混凝土砂浆等的强度、材料的使用寿命以及报废时回收利用程度），作为测算建筑环境影响依据的材料信息。将相关信息依据IFC标准，导入到Tally测评软件，即可计算出总环境影响，生成该设计方案的LCA评价报告，相关的流程示意图如图4所示。图4基于BIMLCA的Tally插件功能流程示意图

Fig.4 The BIMLCAbased functional process diagram of plugin Tally

2.3基于BIMLCA的模型计算结果

借助Tally的模拟计算，依据8个不同的特征化指标，表2给出了该别墅项目在建设阶段和运营阶段总的资源消耗量/排放量，考虑到后期不同设计方案的比选标准，又以建筑总面积（250 m2）为功能单元，计算出单位面积的资源消耗量和排放量。

表2建筑项目各项环境影响值

Tab.2 The various environmental impact value of the construction project

评价指标单位建设阶段总消耗量

/排放量单位面积消耗量

/排放量运营阶段总消耗量

/排放量单位面积消耗量

/排放量酸雨效应kgSO2eq·m-2176.00.704313312.53富营养化效应kgNeq·m-214.70.058 8144.40.577 4温室效应kgCO2eq·m-260 163240.7709 4322 838臭氧层分解效应CFC-11eq·m-28.418×1043.367×1063.687×1071.475×109臭氧效应O3eq·m-22 52210.0966 105264.4初级能源消耗MJ·m-2872 4553 4909 916 70439 667不可回收资源消耗MJ·m-2828 8853 3169 552 63838 211可回收资源消耗MJ·m-243 570174.336 40661 456

2.4结果分析

图5显示了该别墅各生命周期阶段的环境影响结果，其中，上半部分显示的是包含使用阶段的总的环境影响结果，下半部分是只包含建材生产制造、维修与更新和回收利用三个阶段的环境影响结果。可以发现，使用阶段的环境影响值要远远高于其他阶段，约占90%。考虑到运营时间较长，倘若按单位时间比较（建筑运营期为50 a，建设期1 a），建设期的环境影响总量则是运营期的2～3倍。从减小环境影响的角度出发，建材生产阶段的环境影响也不容忽视，所以在分析建筑环境影响时，应当从全生命周期的角度、由建材生产阶段开始深入分析。

图6给出了建筑材料对环境的影响示意图，其中混凝土和钢材在不同的评价指标中影响都较大，在温室气体效应指标中影响值更是达到了34%。后期的装饰装修如天花板、墙体的抹灰粉刷工程和地面的鋪贴工程，由于涉及的材料生产工艺复杂，对环境的影响比例也较高。因此在设计阶段应当充分重视不同建筑材料对环境的影响，在不影响设计方案安全性的前提下优先选择对环境影响值较小的环保材料，同时在建筑使用运营过程中，重视建筑的主动设计，减少不必要的设备能耗。

图5建筑全生命周期各阶段的环境影响示意图

Fig.5 The various stages of environmental impact diagram in building full life cycle

图6建筑材料的环境影响示意图

Fig.6 The environmental impact diagram of building materials

3结束语

从理论及实践上来说，基于BIMLCA的建筑环境评价方法是可行的，可以有效提高BIM模型的应用拓展，减少现有LCA评价工具（如Simapro、Athena等）重复建模的麻烦。

对于环境影响分析而言，数据库是完成任何LCA案例必不可少的基础，本次建模分析的LCA工具（Tally）中的数据均来自于德国PE公司的Gabi数据库，保证了数据的质量。但从我国的国情和标准角度来说，统一国内的建材清单数据，建立中国本地化的LCA基础数据库，形成BIM与建筑LCA的集成应用，提高评价的效率和准确性，仍然是今后研究的重点。

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[责任编辑：刘美爽]