【摘要】文中詳細分析了建筑施工物化階段碳排放，計算了施工建筑施工過程碳排放模型，提出了基于BIM技術(shù)的建筑碳減排效果評估模型。通過案例數(shù)據(jù)分析驗證了模型的有效性。研究結(jié)果表明，基于BIM技術(shù)的建筑設施碳減排效果評估模型能夠更準確、靈活地監(jiān)測和預測建筑內(nèi)的CO2濃度，有效提高了建筑環(huán)境的舒適性和安全性。

【關(guān)鍵詞】BIM技術(shù)；建筑設施；碳排放；效果評估模型

【中圖分類號】TU713 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）10-0024-03

0 引言

建筑作為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯膱鏊涫覂?nèi)空氣質(zhì)量對居民和員工的健康至關(guān)重要[1]。而CO2作為室內(nèi)空氣的一個重要指標，其濃度高低直接影響著室內(nèi)空氣的新鮮度和舒適度。隨著信息技術(shù)和建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的建筑設施監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足對空間感知能力和實時數(shù)據(jù)處理的需求。李惠[2]比較了在建造過程中現(xiàn)代施工建筑和傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑所產(chǎn)生的碳排放量的差異；劉永國等[3]比較了現(xiàn)澆法和裝配式施工法在建筑材料構(gòu)件生產(chǎn)、材料運輸和現(xiàn)場施工中的碳足跡；曹西等[4]通過對現(xiàn)代施工建筑的生產(chǎn)過程、運輸過程、施工流程等方面的考察，測算了現(xiàn)代施工建筑在生產(chǎn)、運輸、施工階段的碳排放，并建立了現(xiàn)代施工建筑在生產(chǎn)、運輸、施工階段的碳排放計算模型。在這一背景下，本研究將探討如何利用BIM技術(shù)來設計建筑設施CO2監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對建筑內(nèi)空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測和管理。

1 建筑施工碳排放核算分析

建筑物化階段碳排放核算是對建筑物化階段因建筑材料的生產(chǎn)、運輸及現(xiàn)場施工過程中的資源和能源消耗所產(chǎn)生的碳排放進行計算[5]。該過程可以根據(jù)碳排放源的不同劃分為直接碳排放和間接碳排放，并將其分為兩個范圍[6]，如圖1所示。

直接碳排放是指在建筑建造過程中因能源消耗直接向大氣排放的CO2，如預拌混凝土機的柴油消耗、塔吊工作時的電力消耗等過程中產(chǎn)生的碳排放。具體包括：①在建筑建造現(xiàn)場的電力及化石燃料產(chǎn)生的碳排放；②在建筑廠內(nèi)范圍運輸物料、廢棄物的燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放。

間接碳排放是指在建筑物化階段內(nèi)所有活動導致的、但發(fā)生建造現(xiàn)場之外的碳排放，核算時混凝土、鋼筋、水泥等建筑材料的消耗應作為主要對象。

“碳排放”和“CO2排放”具有區(qū)別。通常情況下，“碳排放”表示所有溫室氣體的排放總量；“CO2排放”則僅指CO2的排放量。因此，碳排放的范圍比CO2排放的范圍更廣泛。計算碳排放需要大量的相關(guān)活動數(shù)據(jù)。與碳排放有關(guān)的活動清單數(shù)據(jù)大致可分為前景數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)兩類。前景數(shù)據(jù)是指材料和能源的消耗情況，主要來源于企業(yè)的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括工程造價文件中每個子項目的工程量數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)以及通過采用的定額獲得的機械設備消耗量和能源利用效率。背景數(shù)據(jù)即為各種材料、能源和機械設備的碳排放因子。

2 建筑施工過程碳排放計算

常用的碳排放核算方法包括實測法、質(zhì)量平衡法以及碳排放因子法。比較三種常見的碳排放核算方法，實測法提供的結(jié)果最準確，但復雜且成本較高；質(zhì)量平衡法是一種綜合性較強的方法，但工作量大，計算復雜；碳排放因子法具有簡單易行的特點。

此外，許多權(quán)威機構(gòu)和參考資料都公布了建筑材料和相關(guān)能源的碳排放因子，使這種方法更簡單和實用。因此，本文選用碳排放因子法作為現(xiàn)代施工建筑施工階段的碳排放核算方法。

2.1 碳源分析

①直接碳排指施工現(xiàn)場工人呼吸所產(chǎn)生的碳排放和各種機械由于消耗燃油等一次能源而產(chǎn)生的碳排放；②間接碳排放指施工現(xiàn)場機械消耗電能等二次能源而產(chǎn)生的碳排放。這一部分碳排放實際發(fā)生在發(fā)電廠內(nèi)；③隱含碳排放指施工現(xiàn)場所需的除了預制構(gòu)件之外的原材料在其生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放，通過材料的消耗數(shù)量核算該部分碳排放。

對于材料隱含的碳排放是否應該計入施工過程中是存在爭議的，本文認為應該計入，因為對于整個施工工程來說，建筑材料并不一定會全部應用于建筑中，還可能會存在資源浪費等情況，不同的建筑，不同的施工階段所浪費的材料都不同。

2.2 碳排放計算

現(xiàn)代施工建筑施工階段碳排放總量等于直接排放、間接排放和隱含碳排放之和。計算如式（1）。

E = Ed + Ein + Eim " " " " " " " "（1）

式中：E為施工建筑施工階段的總碳排放量，kg；Ed為現(xiàn)代施工建筑施工階段的直接碳排放，kg；Ein為現(xiàn)代施工建筑施工階段間接碳排放，kg；Eim為現(xiàn)代施工建筑施工階段隱含碳排放，kg。

施工過程中產(chǎn)生的碳排放量可以通過直接測量獲得，但這并非普遍的做法。本文采用目前最常見的碳排放因子法，即通過將施工活動水平數(shù)據(jù)乘以對應的碳排放因子來計算碳排放量，見式（2）。

E = M .F " " " " " " " "（2）

式中：E為碳排放量 ；M為具體核算項目生產(chǎn)活動數(shù)據(jù)；F為碳排放因子。

直接排放是指現(xiàn)場活動中工人呼吸和機械設備消耗化石能源所產(chǎn)生的碳排放。計算見式（3）。

（3）

式中：mf為現(xiàn)場施工活動中所需化石燃料總量，kg；nf為第f種化石能源的消耗量，kg；Ff為第f種化石能源碳排放因子，kgCO2/kg；mh為現(xiàn)代施工建筑施工階段所需工時；Fh為工人呼吸的碳排放因子，kgCO2/人 .工日。

間接碳排放為消耗電能而產(chǎn)生的碳排放。計算見式（4）。

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

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

隱含排放是指非現(xiàn)場活動產(chǎn)生的碳排放，主要包括施工過程損耗材料所隱含的碳排放。計算見式（5）。

（5）

式中：mk為材料的消耗量，kg；為材料的損耗率，%；Fk為材料的碳排放因子，kgCO2/單位。

3 建筑碳減排效果評估模型

3.1 BIM技術(shù)原理

建筑信息模型（building information modelling）簡稱BIM，其含義總結(jié)為以下四點。

1）BIM技術(shù)的核心是信息。信息需包括建筑物全生命周期所需的信息，信息應通過廣泛采用的IFC、IDM、IFD標準進行儲存、共享、交流等。

2）BIM是包含信息的模型。模型信息的載體是將信息通過可視化的方法進行表達，模型中表達的幾何尺寸、物理性質(zhì)、數(shù)量、空間關(guān)系、地理信息、成本統(tǒng)計、項目進度等信息應與實際項目相同，可被項目相關(guān)人員調(diào)用。

3）BIM建模是虛擬的過程。此過程中應允許業(yè)主、設計、施工、運營等各方根據(jù)項目情況對模型進行創(chuàng)建、修改、完善和精簡。但此過程應在實際項目開始前進行，并保證準確性，以為項目決策提供可靠的依據(jù)。

4）BIM服務于建筑的全生命周期。BIM通過動態(tài)調(diào)整與信息共享，將建筑或設施的設計、施工、運營等過程進行關(guān)聯(lián)，使建筑信息在全生命周期內(nèi)保持一致，避免出現(xiàn)各階段不同模型形成信息孤島。

3.2 模型參數(shù)確定

建筑施工過程通常包括四個階段：基礎工程、主體結(jié)構(gòu)施工、機電安裝工程、裝飾工程。現(xiàn)代施工建筑和傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的基礎施工階段相同。但在主體結(jié)構(gòu)施工階段，現(xiàn)代施工建筑與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑的差異較大?，F(xiàn)代施工建筑的建造過程涉及工廠生產(chǎn)預制構(gòu)件、構(gòu)件運輸和現(xiàn)場施工。

由于項目質(zhì)量水平的評價具有很強的主觀性，難以用嚴格的數(shù)學指標進行直接評價。因此，需要建立量化的目標函數(shù)來客觀地評價項目質(zhì)量。在工程施工過程中，項目質(zhì)量受到多種因素綜合影響，包括人員、材料、機械（包括器械）、方法以及環(huán)境因素，因此實現(xiàn)完美的質(zhì)量要求十分困難。

模型中的每道工序都可能對應幾種不同的執(zhí)行模式，且不同工序的工期、成本、質(zhì)量和碳排放都有所不同，屬于多模式的優(yōu)化問題。因此，本文參考相關(guān)文獻，將質(zhì)量水平視為每道工序下不同執(zhí)行模式的對應參數(shù)。隨著執(zhí)行模式的變化，質(zhì)量水平也相應變動。同時，針對不同工序?qū)φw質(zhì)量的影響程度，設置相應的權(quán)重，綜合評價項目質(zhì)量。

1）工序質(zhì)量的量化。項目質(zhì)量主要受人員、材料、機械、方法以及環(huán)境因素的影響。但每道工序受影響的程度并不相同，比如預制構(gòu)件的吊裝工序主要受人員和機械因素的影響，灌漿工序主要受材料因素的影響。

2）碳排放目標。裝配式建筑施工過程產(chǎn)生的碳排放分為直接排放、間接排放和隱含碳排放。施工階段總碳排放計算。見式（6）、式（7）。

（6）

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

式中：E為項目的總碳排放；eij 為第i道工序的第j種執(zhí)行模式的碳排放量； Edij為第i道工序的第j種執(zhí)行模式的直接排放；Einij 為第i道工序的第j種執(zhí)行模式的間接排放；Eimij為第i道工序的第j種執(zhí)行模式的隱含排放。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 案例概況

本文通過對影響因素間的相互關(guān)系進行定性分析并構(gòu)建了定性模型，對每一個變量賦予數(shù)值，這一量化分析的過程通過案例分析來進行。選取某項目作為案例分析對象，項目是位于一個框架結(jié)構(gòu)的高層住宅樓，建筑總面積約11萬 m2，包括1棟29層、2棟30層以及2棟31層高層住宅樓，建設工期為20個月，月平均建筑面積為2 700 m2。

4.2 仿真結(jié)果

碳排放產(chǎn)生總量是衡量物化階段未采用任何碳減排措施的前提下，整個建筑項目隨時間推移碳排放產(chǎn)生量的累積。碳排放減少總量表示在物化階段采取了各種碳減排措施后，整個建筑項目碳排放減少的總量，可用來衡量物化階段建筑碳減排措施的實施的結(jié)果。

表1顯示了碳減排措施實施前后碳排放量的對比情況。當沒有實施減排措施時，產(chǎn)生的碳排放總量為15 984 t。在實施減排措施后碳排放減少總量為3 092.82 t，占比為19.35%。減排后產(chǎn)生的碳排放總量為12 891.18 t，占比為80.15%。

5 結(jié)語

本文以BIM技術(shù)為基礎，針對建筑設施CO2評估模型進行研究。首先，對建筑施工物化階段碳排放核算進行分析。其次，詳細計算了施工建筑施工過程碳排放模型。最后，提出了基于BIM技術(shù)的建筑碳減排效果評估模型。

研究結(jié)果表明，基于BIM技術(shù)的建筑設施碳減排效果評估模型能夠更準確、靈活地監(jiān)測和預測建筑內(nèi)的CO2濃度，有效提高了建筑環(huán)境的舒適性和安全性。

參考文獻

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[作者簡介]馬冬斌（1979—），男，黑龍江佳木斯人，本科，高級工程師，研究方向：建筑工程。