基于BIM 的装配式建筑低碳建设管理技术分析

文/程安春 金仁才 宋志强 钱元弟 黄金坤 魏鹏飞 南勃（中国十七冶集团有限公司）

一、引言

温室气体排放量的激增，不断引起全球气温上升，导致冰川融化、海平面上升、洪水、热浪及森林火灾等一系列自然灾害频繁发生，而建筑领域是我国温室气体排放的重要来源之一，控制和优化建筑业碳排放将有助于减缓温室效应的发展。

装配式建筑因建设周期短、节约材料和能源、建筑垃圾产生少，在我国建筑领域作为节能减排的重要绿色建造方式而得到大力推广应用。BIM作为一种先进数字技术，其通过与装配式建筑的深度融合，将有效减少建筑业的各种浪费，降低建筑业碳排放，实现建筑物建造阶段碳排放计算流程标准化。

对于BIM装配式建筑低碳建设技术，国内外一些学者开展了相关研究。周红波通过研究低碳施工的影响因素与控制措施，指出施工阶段碳排放是全生命周期中资源消耗量和CO2气体排放量最大的一环，其中施工工序、施工材料和施工机械对碳排放影响很大。徐静通过研究双碳背景下建筑企业装配式建筑绿色低碳发展路径，得出在建筑物物化阶段碳排放总量中，建材生产阶段和现场施工阶段的碳排放贡献最大；另外，采用装配式建筑规模化生产方式，一定程度上可减少建材消耗、建筑垃圾产生和生产活动中其他能源消耗，且与现浇部分相比，装配式部分碳排放量可降低20%左右。Heydarian 等通过将BIM模型与相关算法结合，分析了设备的布置和行为，使得建筑生产率和碳足迹得到监控；Hajibabai 等通过将BIM 和GIS 结合，分析了碳排放，该模型可以提高资源分配和可视碳排放动态。许劼通过将BIM技术融入施工过程低碳管理的信息流程，借助BIM技术对施工过程碳排放进行管理，实现了碳排放测算可视化、碳排放分析及碳排放成本测算。

二、项目概况

北京古月佳园置换房二标段项目位于北京市通州区潞城镇，临近北京城市副中心，地处北京长安街延长线东端，是京杭大运河北起点、首都北京东大门，位于环渤海经济圈中核心枢纽部位，图1 为项目位置示意。

本项目建筑面积为66543.27 平方米，主要包括2栋装配式住宅楼及相关配套设施，其中3#住宅楼地上18 层，4#住宅楼地上20 层，每栋住宅楼均为地下4 层，住宅楼结构形式为装配式剪力墙结构，项目预制率为40%。配套设施结构形式为钢筋混凝土框架结构，地下结构形式为钢筋混凝土框架- 剪力墙结构，图2 为项目模型效果。

图2 项目模型效果图

三、项目低碳建设技术难点及应对措施

结合装配式建筑施工特点，项目立足于从建筑材料生产加工直至主体结构竣工的物化阶段，定义建筑物物化阶段碳足迹四种来源，包括建筑材料、施工机械、材料运输及施工现场人工活动，分析项目低碳建设技术难点，主要包括碳排放基础数据库不充分、碳排放测算评价体系不完备、项目碳排放目标制定无经验。针对以上技术难点，项目制定了从文献查阅、碳排放计算模型和数据库建立、碳足迹分析、低碳目标提出、基于BIM的降碳措施的一套低碳建设实施流程，利用BIM深化施工过程碳排放各项技术要点，提出材料使用降碳、施工工艺降碳、运输过程降碳、能源使用降碳、运维管理降碳五个方面低碳建设措施，建立建筑施工全过程碳排放信息模型，达到降低施工碳排放的目标。

四、基于BIM 的低碳建设管理关键技术

1.碳排放计算模型建立技术

本项目施工碳排放包括完成各分部分项工程施工产生的碳排放和各项措施项目实施过程产生的碳排放，根据建筑工程定额中提供的人工、材料和机械消耗量数据，结合《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019)、中国生命周期基础数据库（CLCD）及相关文献中碳足迹因子，基于施工工序能耗估算法创建碳排放计算模型，进而利用BIM模拟选取最少碳排放施工工艺方案。

2.碳排放计算方法及技术措施

根据碳排放计算模型和基于BIM 的低碳建设实施流程，将本工程碳排放计算划分为材料使用、施工工艺、运输过程、能源使用及运维管理五大方面，利用BIM施工模拟特性对不同施工工艺进行建材消耗量、人工消耗量、机械使用量计算，通过对比计算结果选择碳排放较低的施工工艺方案，以完成低碳建设目标。

（1）材料使用降碳。本项目利用BIM技术对ALC条板、BM连锁砌块等二次结构进行深化，建立了从二次结构模型创建、节点深化、模型调整到模型指导施工的实施流程。具体包括对门窗洞口等拼装节点进行深化，生成不同ALC 条板排版设计方案，完成不同方案下材料切割损耗分析，以便配料和减少现场切锯工作量，如图3 所示；利用提前建立的BM连锁砌块排砖模型，精确砌块用料计算，减少弃砖量，节约砂浆与混凝土用量，如图4 所示。通过BIM二次结构深化达到减少材料损耗，实现材料使用降碳。

图3 拼装节点深化

图4 BM 连锁砌块排砖样板模型

（2）施工工艺降碳。本项目利用BIM技术从提高一次成品率、优化施工工艺和深化装配式施工三个方面来实现施工工艺降碳。

提高一次成品率：利用BIM技术提前进行图纸会审，规避质量隐患。将地库机电管线与一标段贯通，采用BIM模型与一标段进行协同处理，合理优化支吊架数量和形式，并结合土建模型，对机电与结构碰撞处进行开洞，提高预埋精确度。创建地上机电管井排布模型，优化室外工程管线及污水管、雨水管等重力管排布，如图5 所示。通过以上措施，提高一次成品率，避免返工。

图5 机电管线优化

优化施工工艺：本项目基坑深度16 米，与一标段在同一个地块施工，利用BIM技术提前规划好出土路线和开挖顺序，与一标段协调错开，优化工序衔接，如图6 所示。对屋面钢结构工程进行深化设计，建立吊篮布置BIM三维分析模型，实现钢结构骨架与吊臂集中碰撞处的间距优化调整，指导钢结构与吊篮安装，同时创建屋面铺砖样板、屋面分隔缝、防水及通风样板BIM模型，进一步优化屋面施工。通过生成临边防护BIM模型，进行安全分析，并对生活区、地库内进行疏散模拟分析，如图7 所示。BIM与VR 结合辅助模拟交底，优化现场安全管理。借助Iphone 激光雷达，建立各户型内精装修成品轻量化样板模型，利用Dynamo录入施工原始记录，完善竣工模型，将优化后模型保存至SQL 数据库中，做好竣工交付准备。通过以上措施，优化施工工艺，减少人、机投入。

图6 土方开挖协调分区及路线演示

图7 生活区疏散模拟分析动画

深化装配式施工：通过BIM参数化设计方式，拆分PC 构件，利用Dynamo 进行参数化建模，提前建立预制构件族库，完成预制墙板预埋管线深化设计、构件钢筋交汇密集处碰撞检测、重型预制构件吊点力学性能计算、预制墙板支模埋件预留孔位调整、斜支撑位置调整、竖向支撑体系应力分析、铝模拼装布置深化、装配式构件进度优化。通过以上措施，深化装配式施工，减少“错、漏、碰、缺”问题，降低预埋管线使用量，控制墙板交接位置漏浆。

（3）运输过程降碳。建立动态的施工场地布置BIM模型，采用遗传算法优化临时设施布置，估算各临时设施需求面积，综合考虑现场设施之间物料流动、成本权重与安全环境等因素，设立场地布置成本管理和安全性能目标函数，借助MATLAB 计算出最优化方案，如图8 所示，以减少物料运输和搬运距离，通过运行模拟避免大型机械碰撞，减少机械台班，实现运输过程降碳。

图8 MATLAB 多目标计算

（4）能源使用降碳。利用BIM提前策划出临建方案，对办公区和生活区布置进行自然光光照分析，模拟场地内监控位置，减少电能使用，实现能源使用降碳。

（5）运维管理降碳。利用Iphone 激光雷达建立电子样板，留做项目质量管理备份，以构件编码为纽带，通过Dynamo 编程自动录入施工原始记录，初步实现数模分离，完成竣工模型电子交付，形成无纸化办公，实现运维管理降碳。

五、结语

本文以北京古月佳园置换房二标段装配式住宅项目为例，通过对项目低碳建设技术难点的总结，提出基于BIM 的装配式建筑低碳建设管理技术应对措施，在助推项目低碳建设过程中取得了一定的成效：

（1）利用BIM 技术进行装配式建筑深化设计，通过碰撞检查、管线综合提前发现并优化设计问题和图纸错误339 处，避免了施工过程返工。

（2）利用BIM 进行项目进度管理应用，大大提高了项目计划的可行性，通过BIM施工方案模拟实现了施工组织设计和专项施工方案的优化，缩短了施工工期。

（3）利用BIM进行施工工艺优化，从材料控制、能源节约、工艺优化等各方面强化了减碳措施，充分发挥了BIM在项目低碳建设过程管理中的优势。

（4）通过将BIM与智慧工地数字决策系统相结合，实现了数据实时汇总与分析，助力碳排放数据库的建立。

（5）创建的建筑物建造阶段能耗和资源消耗数据信息模型，进一步优化了碳排放量计算，为项目低碳管理决策提供数据支撑，并通过质量管理、生产管理等管理系统汇集质量数据和生产数据，进而从质量提升、施工优化等方面降低了施工碳排放。

综上所述，装配式建筑是实现建筑业“双碳”目标的重要技术路径，实施基于BIM的装配式建筑全过程低碳建设管理，更是有效降低装配式建筑建造过程中碳排放的关键所在。本项目在采用装配式建筑工厂统一加工、现场安装方式来降低材料损耗和减少人工投入的基础上，借助BIM深化手段，对临时堆场、吊装设备布置、砌筑与精装修施工、危大方案、装配式构件等主要施工工艺进行深化，大大减少了施工返工，提升了安装效率，进一步节约了材料用量，降低了建造过程中的碳排放，具有显著的社会效益和经济效益，对推动企业装配式建筑业务的绿色低碳转型，促进我国“双碳”目标的实现具有重要的意义。