白 蕾 王赟瀟 魏留明

（河南建筑職業(yè)技術學院，河南 鄭州 450064）

0 引言

信息化浪潮席卷全球，數(shù)字經(jīng)濟迅速崛起，全球正加速向萬物互聯(lián)的數(shù)字經(jīng)濟時代邁進，數(shù)字化轉型成為各產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。建筑業(yè)目前面臨高消耗、低品質(zhì)的發(fā)展難題，數(shù)字化轉型恰恰能夠通過產(chǎn)業(yè)鏈條改造實現(xiàn)建筑業(yè)的綠色低碳發(fā)展?！稊?shù)字建筑發(fā)展白皮書（2022年）》指出，數(shù)字建筑覆蓋協(xié)同設計、智能生產(chǎn)、綠色建造、智慧工地、智能運維等建設各階段，可實現(xiàn)項目全生命周期的提質(zhì)增效，降低其對環(huán)境的不利影響。

隨著大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、云計算等技術的快速發(fā)展，數(shù)字化轉型成為經(jīng)濟發(fā)展與社會變革的重要推力。河南省政府近年來在全省產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉型方面頻頻發(fā)力，2022 年3 月1 日，《河南省數(shù)字經(jīng)濟促進條例》正式實施，同年8 月全省數(shù)字化轉型工作會議召開，會議全面部署推進數(shù)字化轉型戰(zhàn)略。建筑業(yè)數(shù)字化轉型是提升管理效率、降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇，也是建筑業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要途徑。相關研究顯示，目前河南省建筑領域能源消耗與碳排放總量仍呈攀升趨勢，這將給未來省域減排目標的實現(xiàn)及碳達峰目標的如期完成帶來巨大挑戰(zhàn)，有必要結合現(xiàn)有數(shù)字化技術，根據(jù)河南省建筑碳排放實際情況，在建筑全生命周期中恰當應用數(shù)字化技術，構建河南省建筑業(yè)全生命周期減排路徑，為全省如期實現(xiàn)碳達峰與碳中和目標奠定技術基礎。

1 建筑碳排放相關概述

1.1 碳排放定義

碳排放泛指溫室氣體排放，包括水蒸氣、二氧化碳、甲烷等在內(nèi)的多種物質(zhì)，因二氧化碳作為其主要成分，常用碳作為溫室氣體的統(tǒng)稱，將“碳排放”等同理解為“二氧化碳排放”。大部分科學家和政府逐漸認識到溫室氣體已逐漸危害地球和人類生存，因此隨著各地城鎮(zhèn)化速度的加快，減少碳排放量成為21世紀各行各業(yè)的最主要任務［1］。

1.2 建筑全生命周期碳排放概述

根據(jù)計算范圍不同，建筑能耗有廣義與狹義之分，廣義建筑能耗包括建筑設計、建材運輸與消耗、建筑施工、建筑運行、建筑物維修與處理等環(huán)節(jié)，即全生命周期的建筑能耗；狹義建筑能耗通常包括建筑運行階段的能源消耗。根據(jù)建筑能耗的不同，建筑碳排放也有廣義與狹義之分。廣義建筑碳排放基于建筑全生命周期理論，不同研究對于建筑階段的劃分也存在差異，部分研究僅將其劃分為準備、建造與使用階段，也有研究將其進行詳細劃分，如認為建筑全生命周期包括原材料加工與使用、建筑構件制造與現(xiàn)場施工、建筑使用和維護、建筑物處理與廢物利用等，狹義的建筑碳排放僅包括建筑運行階段的碳排放測算。

1.3 數(shù)字化技術在建筑低碳發(fā)展中的必要性分析

隨著全球氣候變化和能源短缺問題的日益凸顯，建筑業(yè)的供給側結構性改革和轉型升級勢在必行，數(shù)字化技術在建筑業(yè)低碳發(fā)展中是一個很好的切入點，其通過智能建造、BIM、智慧工地、物聯(lián)網(wǎng)等技術在建筑全生命周期中的應用，為傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新鮮血液，顯著降低建筑全生命周期減排成本及其對人居環(huán)境的影響，同時為建筑業(yè)企業(yè)提供以數(shù)據(jù)為核心的內(nèi)驅動力。在建筑全生命周期中，不同階段皆可對數(shù)字化技術進行應用，如材料生產(chǎn)階段，數(shù)字化技術可以用豐富的形式和手段對綠色建筑材料進行評估與分析，提高材料應用效率；建造階段，數(shù)字化技術可對建筑進行全方位的模擬和分析，通過優(yōu)化設計、改善施工等措施降低能耗；運行階段，數(shù)字化技術可對建筑資源使用及能耗情況進行實時監(jiān)測和調(diào)整，實現(xiàn)能源的高效利用。

2 傳統(tǒng)建造模式下河南省建筑全生命周期碳排放測算及結果分析

2.1 河南省建筑全生命周期碳排放測算方法綜述

實測法、投入產(chǎn)出法、過程分析法是目前碳排放測算中常用的方法，本研究根據(jù)研究目的及研究的可行性，搜集碳排放源消耗情況及其碳排放系數(shù)有關數(shù)據(jù)，選擇過程分析法測算河南省建筑全生命周期碳排放量。建筑全生命周期各階段碳排放計算公式見表1。

表1 河南省建筑全生命周期各階段碳排放計算公式

2.2 河南省建筑全生命周期碳排放測算結果分析

根據(jù)以上計算公式，搜集整理《中國建筑業(yè)統(tǒng)計年鑒》《中國能源統(tǒng)計年鑒》《河南統(tǒng)計年鑒》及《綜合能耗計算通則》中相關數(shù)據(jù)，結合以往研究成果［3-6］，計算得到2011—2020 年河南省建筑全生命周期碳排放總量及各階段年均比例，結果如圖1、圖2所示。

圖1 2011—2020年河南省建筑全生命周期碳排放總量

圖2 2011—2020年建筑全生命周期不同階段碳排放年均構成

由計算結果可知，在建筑全生命周期碳排放中，材料生產(chǎn)及運行階段作為碳排放的主要來源，約占全生命周期碳排放總量的97%以上，這兩個階段也是未來減排的關鍵階段。通過分析每年不同階段碳排放構成可知，2014年河南省建筑全生命周期中材料生產(chǎn)階段的碳排放量大大提升，約占整個全生命周期的77%，遠超與之相鄰的2013 與2015年。究其原因發(fā)現(xiàn)，2014年河南省建筑業(yè)企業(yè)鋼材消耗111 702 852 t，鋁材消耗4 968 422 t，鋼材消耗量是2013年的4.85倍，是2015年的4.47倍，鋁材消耗量是2013 年的4.78 倍，是2015 年的1.69 倍。鋼材、鋁材消耗量的大幅度提升造成2014 年材料生產(chǎn)階段的碳排放量大大增加，從而造成該年建筑全生命周期碳排放量的異常；2015—2016年運行階段碳排放較多，第三產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展及居民消費水平的提高導致能源消耗增加，從而造成建筑運行階段碳排放量增加；2017 年之后，隨著綠色低碳技術的發(fā)展，相關理念受到大眾關注，建筑運行階段的碳排放量不斷下降，材料生產(chǎn)階段又成為建筑全生命周期碳排放的主要階段。

3 基于數(shù)字化轉型的河南省建筑全生命周期減排技術應用

3.1 數(shù)字化技術在河南建筑業(yè)的發(fā)展應用

在建筑全生命周期中，數(shù)字化技術對各個階段的減排發(fā)揮了積極作用，具有良好的發(fā)展前景。在建筑規(guī)劃與設計階段，BIM 技術的應用能夠對建筑能耗、材料及水資源使用等進行模擬分析，優(yōu)化設計方案，減少后期建造過程中的碳排放量；在施工階段，數(shù)字化技術如智慧工地、物聯(lián)網(wǎng)技術等的應用可協(xié)助管理施工進度與質(zhì)量，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的精細化管理，減少材料浪費、施工延誤等問題的發(fā)生，從而降低碳排放量；在建筑運行階段，數(shù)字化技術可應用于建筑能耗的控制與管理，實時監(jiān)測建筑的能耗，從而優(yōu)化建筑運行方案，減少能源的浪費和碳排放；在建筑拆除階段，數(shù)字化技術可應用于建筑垃圾的分類與處理，使廢棄建材得到重復利用，減少了環(huán)境污染和碳排放。

3.1.1 BIM 技術的應用。BIM 技術是數(shù)字化轉型背景下河南省建筑全生命周期減排的重要技術手段之一。借助BIM 技術，能夠實現(xiàn)建筑設計、施工、運行及拆除階段的數(shù)字化管理，從而降低建筑能耗與碳排放量。如在建筑設計階段，設計人員可在建筑設計中利用BIM 技術獲取能源消耗和碳排放可能出現(xiàn)的情景，從而在建筑設計時充分考慮建材的環(huán)保性能和建筑的節(jié)能性，以降低建筑物材料生產(chǎn)與運行階段的能源消耗與碳排放量。

3.1.2 智慧工地的應用。智慧工地是指利用先進的數(shù)字化技術，實現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場的智能化和精細化管理，從而提高施工效率、降低成本、減少碳排放。智慧工地對于建筑全生命周期減排主要可應用于以下方面。第一，智能監(jiān)測與控制，施工現(xiàn)場通過傳感器與控制設備的安裝，實現(xiàn)對各項工作的實時監(jiān)控。第二，智能建造與裝配，智慧工地采用機器人技術，實現(xiàn)建筑構造組裝的自動化，同時裝配式技術的應用也簡化了建造過程，減少污染的產(chǎn)生。第三，智能物流和運輸，智慧工地利用數(shù)字化技術實時監(jiān)測建筑材料的位置及運輸狀況，提前獲取材料在各部位的利用水平。第四，智能能源管理，智慧工地利用現(xiàn)場安裝的智能能源管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測建造過程能耗情況，從而優(yōu)化能源使用，減少碳排放。

3.1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術的應用。物聯(lián)網(wǎng)技術將可能產(chǎn)生碳排放的實物與計算機系統(tǒng)相連接，在系統(tǒng)中反映出其碳排放水平，主要運用于智能能源管理、智能照明管理、智能排放管理、智能垃圾分類等方面。針對智能能源管理，物聯(lián)網(wǎng)技術利用在建筑物內(nèi)部安裝的傳感器，實時監(jiān)測建筑的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。智能照明系統(tǒng)使用光纖傳感器與智能控制設備，實現(xiàn)對照明設備的自動調(diào)節(jié)與控制。智能排放管理系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過安裝有害氣體傳感器和排氣設備，實現(xiàn)對有害氣體的實時監(jiān)測和排放控制管理。在建筑物的公共場所中，利用智能垃圾分類系統(tǒng)，安裝智能垃圾桶和傳感器，實現(xiàn)對垃圾的分類和回收。

3.2 基于數(shù)字化轉型的河南省建筑減排實施路徑

近年來，隨著河南省居住與公共建筑面積的不斷增加，二氧化碳排放量增加。根據(jù)前述近十年碳排放量的計算情況，要想降低建筑全生命周期碳排放總量，一方面需要著重關注已建成在使用中的建筑，降低其運行過程中的能耗水平，另一方面可將擬建建筑向能耗高、二氧化碳排放量低的低碳建筑轉變，使用環(huán)保建材，減少其在建造過程中的能耗量。本研究重點關注碳排放量較大的材料生產(chǎn)及運行階段，從已有建筑與新建建筑兩方面入手，應用數(shù)字化技術構建河南省建筑減排實施路徑。

3.2.1 已有建筑減排路徑。對于已有建筑，其減排目標的實現(xiàn)有賴于建筑運行過程中能耗的降低，通過建立能耗監(jiān)測系統(tǒng)、優(yōu)化建筑節(jié)能體系、采用綠色運營管理等方式，在其過程中有效應用數(shù)字化技術，可最終實現(xiàn)減排目標。①建立能耗監(jiān)測系統(tǒng)。對于已建建筑而言，能耗檢測系統(tǒng)可實時檢測建筑運行過程中的能耗情況，對能耗水平進行定期評估，為合理制定建筑減排方案提供充分依據(jù)。②優(yōu)化建筑節(jié)能體系。建筑節(jié)能系統(tǒng)的優(yōu)化升級是提高建筑能效、降低能源消耗的有效方式，針對已建并在使用中的建筑物，可通過對建筑的制冷、供暖、照明等設備進行改造升級，引入數(shù)字化技術。③采用綠色運營管理。綠色運營管理包括建筑設備的優(yōu)化維護、能源消耗的管理和控制、節(jié)水減排等，將物聯(lián)網(wǎng)、BIM 技術等加入綠色運營管理過程，能有效降低建筑的運營成本與碳排放量。

3.2.2 新建建筑減排對策。對于新建建筑，在設計階段可將其按照綠色低碳建筑標準進行設計，通過BIM 等數(shù)字化技術的應用，模擬未來建造過程，優(yōu)選新型節(jié)能材料和技術，利用可再生能源，最大程度降低其在材料生產(chǎn)及建造階段的碳排放量。①優(yōu)化設計方案。在新建建筑的設計階段，可按照綠色建筑標準、被動式建筑設計標準等進行建筑設計，重點關注后期可能產(chǎn)生的碳排放，利用BIM 技術對未來建造情況進行模擬，優(yōu)化設計方案，選擇環(huán)保建材，最大限度地降低碳排放的可能性。②優(yōu)選新型節(jié)能材料和設備。采用新型節(jié)能材料和技術是實現(xiàn)新建建筑減排的重要途徑，如高效隔熱材料、地源熱泵、LED 照明等新型節(jié)能技術與設備。同時，物聯(lián)網(wǎng)技術可實現(xiàn)新型節(jié)能材料和設備與建造及使用者的有效交互，從而降低建筑能耗。③采用可再生能源。在新建建筑建造過程中，通過智慧工地建設，實時監(jiān)測建筑的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)，了解施工現(xiàn)場環(huán)境污染情況，根據(jù)各參數(shù)表現(xiàn)進行優(yōu)化調(diào)節(jié)，依據(jù)實際情況積極采用可再生能源，實現(xiàn)減排目標。

4 結語

建筑業(yè)數(shù)字化轉型是提升管理效率、降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇，也是建筑業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要途徑。建設項目通過BIM、智慧工地、物聯(lián)網(wǎng)等技術在全生命周期中的應用，為傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新鮮血液，并顯著降低建筑全生命周期減排成本及其對人居環(huán)境的影響，同時為建筑業(yè)企業(yè)提供以數(shù)據(jù)為核心的內(nèi)驅動力，推動河南省建筑行業(yè)的轉型升級與高質(zhì)量發(fā)展，早日實現(xiàn)減排目標。