基于BIM技术的建筑设施碳排放效果评估模型研究

【摘要】文中详细分析了建筑施工物化阶段碳排放，计算了施工建筑施工过程碳排放模型，提出了基于BIM技术的建筑碳减排效果评估模型。通过案例数据分析验证了模型的有效性。研究结果表明，基于BIM技术的建筑设施碳减排效果评估模型能够更准确、灵活地监测和预测建筑内的CO2浓度，有效提高了建筑环境的舒适性和安全性。

【关键词】BIM技术；建筑设施；碳排放；效果评估模型

【中图分类号】TU713 【文献标志码】A 【文章编号】1673-6028（2024）10-0024-03

0 引言

建筑作为人们日常生活和工作的场所，其室内空气质量对居民和员工的健康至关重要[1]。而CO2作为室内空气的一个重要指标，其浓度高低直接影响着室内空气的新鲜度和舒适度。随着信息技术和建筑技术的不断发展，传统的建筑设施监控系统已经不能满足对空间感知能力和实时数据处理的需求。李惠[2]比较了在建造过程中现代施工建筑和传统现浇建筑所产生的碳排放量的差异；刘永国等[3]比较了现浇法和装配式施工法在建筑材料构件生产、材料运输和现场施工中的碳足迹；曹西等[4]通过对现代施工建筑的生产过程、运输过程、施工流程等方面的考察，测算了现代施工建筑在生产、运输、施工阶段的碳排放，并建立了现代施工建筑在生产、运输、施工阶段的碳排放计算模型。在这一背景下，本研究将探讨如何利用BIM技术来设计建筑设施CO2监控系统，以实现对建筑内空气质量的实时监测和管理。

1 建筑施工碳排放核算分析

建筑物化阶段碳排放核算是对建筑物化阶段因建筑材料的生产、运输及现场施工过程中的资源和能源消耗所产生的碳排放进行计算[5]。该过程可以根据碳排放源的不同划分为直接碳排放和间接碳排放，并将其分为两个范围[6]，如图1所示。

直接碳排放是指在建筑建造过程中因能源消耗直接向大气排放的CO2，如预拌混凝土机的柴油消耗、塔吊工作时的电力消耗等过程中产生的碳排放。具体包括：①在建筑建造现场的电力及化石燃料产生的碳排放；②在建筑厂内范围运输物料、废弃物的燃料燃烧产生的碳排放。

间接碳排放是指在建筑物化阶段内所有活动导致的、但发生建造现场之外的碳排放，核算时混凝土、钢筋、水泥等建筑材料的消耗应作为主要对象。

“碳排放”和“CO2排放”具有区别。通常情况下，“碳排放”表示所有温室气体的排放总量；“CO2排放”则仅指CO2的排放量。因此，碳排放的范围比CO2排放的范围更广泛。计算碳排放需要大量的相关活动数据。与碳排放有关的活动清单数据大致可分为前景数据和背景数据两类。前景数据是指材料和能源的消耗情况，主要来源于企业的实际生产数据。这些数据包括工程造价文件中每个子项目的工程量数据、现场勘察数据以及通过采用的定额获得的机械设备消耗量和能源利用效率。背景数据即为各种材料、能源和机械设备的碳排放因子。

2 建筑施工过程碳排放计算

常用的碳排放核算方法包括实测法、质量平衡法以及碳排放因子法。比较三种常见的碳排放核算方法，实测法提供的结果最准确，但复杂且成本较高；质量平衡法是一种综合性较强的方法，但工作量大，计算复杂；碳排放因子法具有简单易行的特点。

此外，许多权威机构和参考资料都公布了建筑材料和相关能源的碳排放因子，使这种方法更简单和实用。因此，本文选用碳排放因子法作为现代施工建筑施工阶段的碳排放核算方法。

2.1 碳源分析

①直接碳排指施工现场工人呼吸所产生的碳排放和各种机械由于消耗燃油等一次能源而产生的碳排放；②间接碳排放指施工现场机械消耗电能等二次能源而产生的碳排放。这一部分碳排放实际发生在发电厂内；③隐含碳排放指施工现场所需的除了预制构件之外的原材料在其生产过程产生的碳排放，通过材料的消耗数量核算该部分碳排放。

对于材料隐含的碳排放是否应该计入施工过程中是存在争议的，本文认为应该计入，因为对于整个施工工程来说，建筑材料并不一定会全部应用于建筑中，还可能会存在资源浪费等情况，不同的建筑，不同的施工阶段所浪费的材料都不同。

2.2 碳排放计算

现代施工建筑施工阶段碳排放总量等于直接排放、间接排放和隐含碳排放之和。计算如式（1）。

E = Ed + Ein + Eim " " " " " " " "（1）

式中：E为施工建筑施工阶段的总碳排放量，kg；Ed为现代施工建筑施工阶段的直接碳排放，kg；Ein为现代施工建筑施工阶段间接碳排放，kg；Eim为现代施工建筑施工阶段隐含碳排放，kg。

施工过程中产生的碳排放量可以通过直接测量获得，但这并非普遍的做法。本文采用目前最常见的碳排放因子法，即通过将施工活动水平数据乘以对应的碳排放因子来计算碳排放量，见式（2）。

E = M .F " " " " " " " "（2）

式中：E为碳排放量 ；M为具体核算项目生产活动数据；F为碳排放因子。

直接排放是指现场活动中工人呼吸和机械设备消耗化石能源所产生的碳排放。计算见式（3）。

（3）

式中：mf为现场施工活动中所需化石燃料总量，kg；nf为第f种化石能源的消耗量，kg；Ff为第f种化石能源碳排放因子，kgCO2/kg；mh为现代施工建筑施工阶段所需工时；Fh为工人呼吸的碳排放因子，kgCO2/人 .工日。

间接碳排放为消耗电能而产生的碳排放。计算见式（4）。

Ein=ne .Fe" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中：ne为电力的消耗量，kW .h；Fe为电力的碳排放因子，kgCO2/kW .h。

隐含排放是指非现场活动产生的碳排放，主要包括施工过程损耗材料所隐含的碳排放。计算见式（5）。

（5）

式中：mk为材料的消耗量，kg；为材料的损耗率，%；Fk为材料的碳排放因子，kgCO2/单位。

3 建筑碳减排效果评估模型

3.1 BIM技术原理

建筑信息模型（building information modelling）简称BIM，其含义总结为以下四点。

1）BIM技术的核心是信息。信息需包括建筑物全生命周期所需的信息，信息应通过广泛采用的IFC、IDM、IFD标准进行储存、共享、交流等。

2）BIM是包含信息的模型。模型信息的载体是将信息通过可视化的方法进行表达，模型中表达的几何尺寸、物理性质、数量、空间关系、地理信息、成本统计、项目进度等信息应与实际项目相同，可被项目相关人员调用。

3）BIM建模是虚拟的过程。此过程中应允许业主、设计、施工、运营等各方根据项目情况对模型进行创建、修改、完善和精简。但此过程应在实际项目开始前进行，并保证准确性，以为项目决策提供可靠的依据。

4）BIM服务于建筑的全生命周期。BIM通过动态调整与信息共享，将建筑或设施的设计、施工、运营等过程进行关联，使建筑信息在全生命周期内保持一致，避免出现各阶段不同模型形成信息孤岛。

3.2 模型参数确定

建筑施工过程通常包括四个阶段：基础工程、主体结构施工、机电安装工程、装饰工程。现代施工建筑和传统现浇建筑的基础施工阶段相同。但在主体结构施工阶段，现代施工建筑与传统现浇建筑的差异较大。现代施工建筑的建造过程涉及工厂生产预制构件、构件运输和现场施工。

由于项目质量水平的评价具有很强的主观性，难以用严格的数学指标进行直接评价。因此，需要建立量化的目标函数来客观地评价项目质量。在工程施工过程中，项目质量受到多种因素综合影响，包括人员、材料、机械（包括器械）、方法以及环境因素，因此实现完美的质量要求十分困难。

模型中的每道工序都可能对应几种不同的执行模式，且不同工序的工期、成本、质量和碳排放都有所不同，属于多模式的优化问题。因此，本文参考相关文献，将质量水平视为每道工序下不同执行模式的对应参数。随着执行模式的变化，质量水平也相应变动。同时，针对不同工序对整体质量的影响程度，设置相应的权重，综合评价项目质量。

1）工序质量的量化。项目质量主要受人员、材料、机械、方法以及环境因素的影响。但每道工序受影响的程度并不相同，比如预制构件的吊装工序主要受人员和机械因素的影响，灌浆工序主要受材料因素的影响。

2）碳排放目标。装配式建筑施工过程产生的碳排放分为直接排放、间接排放和隐含碳排放。施工阶段总碳排放计算。见式（6）、式（7）。

（6）

eij = Edij + Einij + Eimij" " " " " " " （7）

式中：E为项目的总碳排放；eij 为第i道工序的第j种执行模式的碳排放量； Edij为第i道工序的第j种执行模式的直接排放；Einij 为第i道工序的第j种执行模式的间接排放；Eimij为第i道工序的第j种执行模式的隐含排放。

4 仿真结果分析

4.1 案例概况

本文通过对影响因素间的相互关系进行定性分析并构建了定性模型，对每一个变量赋予数值，这一量化分析的过程通过案例分析来进行。选取某项目作为案例分析对象，项目是位于一个框架结构的高层住宅楼，建筑总面积约11万 m²，包括1栋29层、2栋30层以及2栋31层高层住宅楼，建设工期为20个月，月平均建筑面积为2 700 m²。

4.2 仿真结果

碳排放产生总量是衡量物化阶段未采用任何碳减排措施的前提下，整个建筑项目随时间推移碳排放产生量的累积。碳排放减少总量表示在物化阶段采取了各种碳减排措施后，整个建筑项目碳排放减少的总量，可用来衡量物化阶段建筑碳减排措施的实施的结果。

表1显示了碳减排措施实施前后碳排放量的对比情况。当没有实施减排措施时，产生的碳排放总量为15 984 t。在实施减排措施后碳排放减少总量为3 092.82 t，占比为19.35%。减排后产生的碳排放总量为12 891.18 t，占比为80.15%。

5 结语

本文以BIM技术为基础，针对建筑设施CO2评估模型进行研究。首先，对建筑施工物化阶段碳排放核算进行分析。其次，详细计算了施工建筑施工过程碳排放模型。最后，提出了基于BIM技术的建筑碳减排效果评估模型。

研究结果表明，基于BIM技术的建筑设施碳减排效果评估模型能够更准确、灵活地监测和预测建筑内的CO2浓度，有效提高了建筑环境的舒适性和安全性。

参考文献

[1] 李小冬，朱辰.我国建筑碳排放核算及影响因素研究综述[J].安全与环境学报，2020，20（1）：317-327.

[2] 李惠.绿色建筑生命周期碳排放及生命周期成本研究[J].新城建科技，2024，33（8）：46-48.

[3] 刘永国，韩立红.装配式建筑碳排放影响因素及减排路径研究：基于改进的DEMATEL-ISM方法[J].工程管理学报，2024，38（4）：26-31.

[4] 曹西，缪昌铅，潘海涛.基于碳排放模型的装配式混凝土与现浇建筑碳排放比较分析与研究[J].建筑结构，2021，51（S2）：1233-1237.

[5] 高宇，李政道，张慧，等.基于LCA的装配建筑建造全过程的碳排放分析[J].工程管理学报，2018，32（2）：30-34.

[6] 杨浩.基于CPS的装配建筑施工现场碳排放实时监测与多目标优化[D].重庆：重庆大学，2020.

[作者简介]马冬斌（1979—），男，黑龙江佳木斯人，本科，高级工程师，研究方向：建筑工程。