基于“BIM＆云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理研究*

汪振雙 趙一健 周新健 高平 趙寧

(1. 東北財財經大學投資工程管理學院，遼寧 大連 116025;2. 東北財經大學工程管理研究中心，遼寧 大連 116025;3. 東北財經大學金融學院，遼寧 大連 116025)

0 引言

人類生存活動產生的碳排放已成為世界經濟發展的瓶頸。在低碳經濟發展的約束下，中國政府做出了到2020 年單位GDP 的CO2排放量相對于2005 年降低40% ～45%的承諾。已有的統計資料顯示，建筑材料生產過程中的碳排放量占城市碳排放量60%以上［1-3］。因此，減少和控制建筑材料碳排放量是我國能否兌現此承諾的關鍵。建筑材料碳排放涉及材料生產、運輸、施工、維護和拆除等全生命周期各階段，涉及的參與方眾多，這就要求在整個建筑行業產業鏈上實現建筑材料碳排放的最小化。協同是降低建筑材料全生命周期碳排放量的關鍵。隨著計算機、物聯網和通信等技術的發展，數字建造技術在工程項目建設領域中的發展也突飛猛進。其中，BIM 和云計算 (BIM＆ 云)技術覆蓋了大量的建筑和工程項目及企業信息，信息的集成度高，為建筑材料全生命周期信息的整合和管理提供了保證。本文基于“BIM＆云”技術對建筑材料全生命周期碳排放協同管理的實現模式與實施步驟進行了詳細研究。

1 “BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理內涵

BIM 技術為建筑行業精細化、信息化和協同化工作搭建了平臺，為工程項目的海量數據管理，協調相關參與方工作，消除信息壁壘提供了保證［4-6］。云計算基于互聯網的使用，增加超級計算模式，可實時提供動態、虛擬化和易擴展資源。在云計算環境下，需求服務自動化、網絡訪問便捷化的特點可以吸引工程項目各階段的資源有效聚集，將建筑材料全生命周期各階段、各相關部門統一到云計算平臺上［7-8］。因此，“BIM＆ 云”環境下建筑材料碳排放協同管理要以建筑材料全生命周期各階段碳排放的約束為導向，以降低碳排放為目標，基于“BIM＆云”對建筑材料全生命周期各階段碳排放進行協同組織和管理。

2 “BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理體系的組成

2.1 “BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理需求

基于“BIM＆云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理是從建筑材料全生命周期角度出發，在云平臺技術支持下，以BIM 模型為信息載體，實時更新、豐富和充實建筑材料全生命周期各階段碳排放信息，完成信息數據的編輯和處理，實現全過程工程項目數據共享和可視化的管理。針對建筑材料全生命周期碳排放協同管理的邊界和不同參與方的管理目標， “BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期各階段碳排放協同管理系統應符合不同參與方、不同層次的管理需求。

“BIM＆云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理系統第一層次需求，是針對碳排放的特點，能夠高效分享建筑材料全生命周期各階段碳排放的海量信息。從建筑材料生產、運輸、施工、維護和拆除的全生命周期碳排放角度來看，碳排放管理涉及眾多參與方，碳排放信息化難度管理大，因此“BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理系統首先應該滿足碳排放管理信息的高效共享。

“BIM＆云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理系統第二層次需求，是針對建筑材料全生命周期各階段不同參與方，如生產企業、供應商、施工企業和物業公司等不同用戶碳排放的信息管理和價值需求。通過該系統及時掌握建筑材料全生命周期——運輸、施工、維護和拆除各階段碳排放數據信息，增強各階段、不同參與方、不同應用功能軟件之間的兼容性和互操作性，避免不同應用軟件之間兼容性差和信息缺失的缺點。

“BIM＆云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理系統第三層次需求，是針對建筑材料碳排放的實時測算和可視化要求?；贐IM 模型的建筑材料全生命周期碳排放協同管理系統不僅要求能夠保證建筑材料全生命周期各階段原材料、機械設備、施工工藝和維護等數據的實時更新，而且還要保證各階段不同參與方通過云技術能夠及時分享、更新和使用BIM 模型數據，并通過可視化模型直觀地進行信息管理。

利用BIM 技術在統一的云平臺上，充分發揮BIM 技術的優勢，實現建筑材料全生命周期各階段信息采集、共享和更新等有效協同，優化建筑材料的碳排放。

2.2 “BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理體系的架構

建筑材料是耗能和碳排放大戶，建筑材料的碳排放貫穿于全生命周期各階段，涉及生產商、供應商、運輸商、建設單位、設計單位、施工單位、監理單位等眾多參與方， “BIM＆ 云”技術為建筑材料全生命周期碳排放協同管理提供了保障?！癇IM＆ 云”管理系統可由建筑材料產業鏈上各參與方共享使用，建筑材料全生命周期各階段相關企業及其部門基于云平臺，通過BIM 模型進行建筑材料碳排放的協同管理組織關系，見圖1。

圖1 “BIM＆云”協同管理組織關系

“BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理系統的云平臺，可以是“私有云”和“公有云”平臺?！八接性啤笔峭ㄟ^企業內部自建的BIM 服務器對信息數據進行存儲和管理，而“公有云”則是大型和專業服務商對信息數據進行的存儲和管理［8-11］?！癇IM＆云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理體系應滿足不同階段參與方相關企業和部門對3D 基礎信息模型的共享和應用，在各階段都發揮碳排放測算分析和協同管理作用。因此，建筑材料碳排放信息必須在一個信息流暢的交流平臺上運行，各參與方基于云平臺可實現信息的即時傳送。因此，基于“BIM＆云”環境，根據不同階段、不同參與方碳排放的測算分析和協同管理不同層次的要求，本文將建筑材料全生命周期碳排放協同管理系統分為操作層、交換層、模型層和數據服務層四個層次，見圖2。其中，在操作層中，利用互聯網技術進行相關身份認證后，進入云平臺，獲取不同的建筑材料碳排放信息瀏覽和編輯權利，并對其進行優化決策管理。交換層主要是基于云平臺的技術支持，利用終端設備實現BIM 模型相關聯的數據采集、傳輸和存儲功能。手機、手持式讀取設備、IPD、PC 等終端設備都可用作“BIM＆云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理系統數據采集和交換的硬件技術支持。系統模型層的核心為BIM 技術，將建筑材料全生命周期不同階段、不同參與方、不同應用程序加載于服務器上，并通過互聯網技術，將模型數據儲存在云平臺上，實現建筑材料不同階段、不同參與方碳排放管理的不同需求。數據服務層負責對BIM 數據庫和OBDC 數據庫中的數據按照指令要求進行讀取、查詢、編輯、刪除等處理。

2.3 “BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理的工作原理

“BIM＆云”環境下建筑材料全生命周期碳排放管理系統是通過網絡在云平臺上，利用BIM技術數據服務層獲取各階段所需的碳排放數據信息，供建筑材料全生命周期各階段參與方通過云平臺進行協同管理工作，可實時更新建筑材料全生命周期各階段碳排放信息數據，多方案優化比較，提高碳排放協同管理效率。

2.4 “BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理信息系統的實現

首先，要確定建筑材料全生命周期碳排放系統的范圍和邊界，在建筑對象的工業基礎類(IFC)標準的基礎上對建筑材料全生命周期各階段碳排放信息建立統一的編碼體系，并進行信息分類，存儲數據，實現建筑材料全生命周期各階段碳排放信息的存儲和快速讀取;其次，通過數據接口和交換標準，在“私有云”和“公有云”平臺上，實現模型數據共享與轉換，滿足碳排放信息數據采集、存儲和轉換，在BIM 模型中實現建筑材料全生命周期各階段應用不同軟件的無縫對接，實現碳排放信息在不同參與方之間的傳遞、共享和協同管理，見圖3。

圖2 建筑材料全生命周期碳排放的協同管理體系架構

圖3 BIM 數據協同平臺框架

3 “BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期各階段碳排放的協同管理系統

協同管理系統必須實時、透明，易于監管和調控，才能滿足其價值需求。從技術手段角度看，“BIM＆ 云”環境下建筑材料全生命周期碳排放協同管理系統，可將傳感器、條形碼、無線射頻識別等在BIM 模型中集中起來，并借助3G/4G 網絡、有線網和互聯網等各種網絡傳輸信息，在云平臺上實現信息的采集、存儲、實時更新。

3.1 工程項目設計階段

在工程項目設計階段，以工程項目建筑材料全生命周期碳排放量最小為設計原則，工程項目各參與方和相關部門，在云平臺上，基于BIM 模型，通過BIM 數據庫和OBDC 數據庫已有的建筑信息數據，進行工程項目能耗分析、施工進度模擬、質量控制、造價管理和碳排放量模擬等。工程項目不同參與方和相關部門可根據工程項目碳排放測算結果，挑選不同廠家和品牌的建筑材料，制定分部分項工程的施工組織技術方案等，進行滿足建筑材料全生命周期各階段碳排放量的低碳設計。

3.2 建筑材料生產和運輸階段

建筑材料生產商根據工程項目低碳設計要求，通過云平臺，輸入BIM 模型數據庫。建筑材料采購方按照設計和合同要求，瀏覽系統中所需的材料價格、性能參數以及材料生產商、供應商的分布情況，并在碳排放和成本雙重約束下，通過BIM 技術模型的成本和碳排放模擬，進行優化和決策，并根據決策結果選擇合適的材料型號、數量、運輸方式以及運輸路線等，并結合工程項目進度控制，實現三維模型基礎上的建筑材料庫存管理。

3.3 工程項目施工階段

施工單位的建筑材料碳排放管理工作覆蓋施工現場的平面布置、施工方案設計、低碳施工管理和實時在線監控等各個方面，通過優化工程項目施工技術方案，可以降低建筑材料施工過程中的碳排放。施工單位在碳排放的限額設計下，從建筑材料全生命周期角度，基于BIM 信息模型技術，測算建筑材料工程量、優化分部分項工程施工技術方案，組織開展低碳施工，在工程項目建設過程中達到碳排放精細化和協同管理的要求。對于施工中的工程設計變更，則發揮BIM 技術數據庫分布式的特長，實時更新、共享材料碳排放數據，施工各部門和工程項目各參與方可以快速獲取數據，進行分析和決策。監理單位通過協同管理系統可以審核施工單位低碳施工規劃與施工技術方案設計，制訂低碳施工監理方案，做好低碳施工日常管理工作記錄，對施工單位和建設單位建筑材料的碳排放進行回復和反饋，實時在線監測施工過程中建筑材料碳排放的當前數據。監管單位/建設單位通過協同管理系統可以查看施工單位低碳施工方案、建筑材料碳排放和低碳施工日常管理工作，并對各單位進行反饋和回復，實時在線監測施工過程中建筑材料碳排放的當前數據。第三方專業機構，通過系統則可以查看施工單位的低碳施工方案，同時向各單位反饋有關建筑材料的碳排放和低碳施工日常管理工作記錄，并實時在線監測施工過程中建筑材料碳排放的當前數據。

3.4 工程項目維護和拆除階段

在“BIM＆云”環境下，實現了建筑材料全生命周期各階段的碳排放信息的采集、共享和無縫對接?；凇八接性啤焙汀肮性啤逼脚_，物業管理方可以實時獲取、監控工程項目運營階段碳排放和運營成本等相關信息，對建筑材料及其構建的狀態進行科學管理決策，優化運營維護方案，并結合BIM 三維模型實時存檔和記錄，便于工程項目碳排放等相關信息的追溯和查詢。

4 結語

數字建造是工程項目信息化的發展趨勢?！癇IM＆云”環境下建筑材料全生命周期碳排放的測算分析和協同管理，可以使工程項目建設中各參與方和相關部門對建筑材料全生命周期各階段多方案碳排放進行優化，對建筑材料的碳排放進行有效控制，滿足建筑材料全生命周期不同階段，不同專業、不同參與方的碳排放協同管理，提升建筑材料碳排放的測算速度，保證建筑材料全生命周期各階段碳排放信息的無縫對接，為低碳建筑的數字化管理指明方向。

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