基于BIM的施工成本與低碳信息集成管理

姜彩琳

(煙臺(tái)大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

建筑項(xiàng)目施工的成本控制是工程項(xiàng)目管理中的重點(diǎn)，目前,施工階段成本控制方法較多，如:價(jià)值工程法、掙值法等，但施工階段成本控制依然存在著現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)收集困難、可視化程度不高的問題[1]。我國建筑行業(yè)的碳排放量占碳排放總量的40%，建筑項(xiàng)目的施工階段占整個(gè)建筑生命周期的23%左右，但建筑施工時(shí)間相比于建筑全生命周期的時(shí)間較短，因此,建筑施工階段的低碳管理同樣是不可忽視的問題[2]。對(duì)于施工階段的低碳管理，目前大多數(shù)研究是基于綠色建筑指標(biāo)體系的認(rèn)證評(píng)價(jià)，但綠色評(píng)價(jià)認(rèn)證又面臨著商業(yè)性質(zhì)嚴(yán)重的危機(jī)[3]。因此,部分學(xué)者提出根據(jù)碳排放指標(biāo)來衡量建筑物的低碳管理，但碳排放的測算存在著測算不精準(zhǔn)、與實(shí)際工程脫軌的問題。

建筑信息模型(BIM)作為建筑業(yè)的新型信息化技術(shù)，具有參數(shù)化、可視化等優(yōu)點(diǎn)，筆者通過BIM技術(shù)將建筑施工過程中的成本信息、碳排放信息等進(jìn)行集成管理，達(dá)到成本可視化、碳排放可視化的效果，從而對(duì)成本和低碳進(jìn)行有效控制。

1 基于BIM的施工成本與碳排放計(jì)算分析

1.1 施工成本計(jì)算理論

施工成本是指施工單位為完成某個(gè)特定的建筑施工項(xiàng)目所花費(fèi)的全部物質(zhì)資源以及施工人員勞動(dòng)所創(chuàng)造出的價(jià)值，施工成本又可以叫作建筑安裝工程費(fèi)。建安工程費(fèi)有兩種分類方式，一種是按照其費(fèi)用組成進(jìn)行分類，另一種是按照其造價(jià)形成的過程分類，建安工程費(fèi)按造價(jià)形成過程的費(fèi)用劃分如圖1所示。

圖1 建筑安裝工程費(fèi)按造價(jià)形成過程的費(fèi)用劃分

工程計(jì)價(jià)方式有清單計(jì)價(jià)和定額計(jì)價(jià)兩種方式，兩種方式的主要區(qū)別在于兩者分部分項(xiàng)工程項(xiàng)目不同以及管理費(fèi)和利潤的計(jì)算過程不同。但無論是何種計(jì)算方式，在計(jì)價(jià)過程中需要計(jì)算的是分部分項(xiàng)工程中人、材、機(jī)的價(jià)格，而其他價(jià)格一般是根據(jù)前三者的價(jià)格與相應(yīng)的費(fèi)率的乘積或省價(jià)求得。

人工費(fèi)、材料費(fèi)、施工機(jī)具使用費(fèi)計(jì)算規(guī)則如下:

人工費(fèi)=∑(工日消耗量×日工資單價(jià))

(1)

材料費(fèi)=∑(材料消耗量×材料單價(jià))

(2)

材料預(yù)算單價(jià)=[(材料原價(jià)+運(yùn)雜費(fèi))×(1+運(yùn)輸損耗率)]×[1+采購保管率]

(3)

施工機(jī)具使用費(fèi)=∑(施工機(jī)械臺(tái)班消耗量×臺(tái)班單價(jià))

(4)

上述式中人、材、機(jī)的消耗量可通過各省消耗量定額進(jìn)行查詢，人、材、機(jī)的單價(jià)由造價(jià)機(jī)構(gòu)不定期測算發(fā)布。

通過BIM模型可以從中得到各種材料的工程量，機(jī)械臺(tái)班的消耗量，材料生產(chǎn)的運(yùn)距等，同時(shí)，可以將計(jì)價(jià)規(guī)范、省價(jià)、費(fèi)率等信息錄入到BIM模型中，最終通過BIM模型得到施工總成本。

1.2 施工碳排放計(jì)算理論

1.2.1 施工碳排放測算范圍及碳源分析。施工階段碳排放的測算范圍包括時(shí)間范圍和空間范圍[4]。其中施工階段碳排放測算的時(shí)間范圍是建筑物從無到有的過程，它包括建筑材料的加工生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段以及現(xiàn)場的安裝施工階段[5]。施工階段的碳排放的空間范圍則包含建筑材料的加工生產(chǎn)地，及其運(yùn)輸路線以及施工現(xiàn)場地點(diǎn)。根據(jù)上述施工過程碳排放的測算范圍，可以得出對(duì)于施工過程的碳排放主要在于上述的時(shí)間范圍和空間范圍內(nèi)，所需材料、人工、機(jī)械、運(yùn)輸車輛等所產(chǎn)生的碳排放，它包括燃料、電力以及能源的排放。

1.2.2 施工碳排放因子選擇。碳排放因子，也稱碳排放系數(shù)，是指每消耗單位碳源所產(chǎn)生的二氧化碳的量。現(xiàn)如今，國內(nèi)尚未形成權(quán)威的碳排放因子數(shù)據(jù)庫，但建筑行業(yè)的碳排放因子的研究已經(jīng)比較成熟，可以通過文獻(xiàn)及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得到相應(yīng)碳源的碳排放因子，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)和現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)整理出施工過程中較為重要的碳排放因子，如表1所示。

表1 施工過程主要碳排放因子匯總[6～8]

1.2.3 施工過程碳排放測算。目前，碳排放測算的方法主要是生命周期測算法(LCA)，LCA又衍生出3種方法：基于過程法(Process-based)、經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出法(Economic input-output)以及兩者混合方法(Hybrid)。一般情況下，經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出法適用于測算邊界過大利用基于過程法計(jì)算較為困難時(shí)應(yīng)用，對(duì)于施工過程的碳排放測算，其一般是指某個(gè)特定的建筑物的施工過程的碳排放，測算范圍較小，所以，本文應(yīng)用基于過程法的LCA構(gòu)建施工過程碳排放測算的模型，其基本原理為：碳排放量=各項(xiàng)指標(biāo)×指標(biāo)相應(yīng)的碳排放因子。

施工過程碳排放量計(jì)算規(guī)則如下：

C=Cx+Cy+Cz

(5)

公式(5)中：C表示施工過程總碳排放量；Cx表示在材料生產(chǎn)過程中的碳排放；Cy表示運(yùn)輸階段的碳排放；Cz表示施工現(xiàn)場安裝過程中的碳排放。

Cx=Σ(Qi×Ii)×(1+αi)

(6)

公式(6)中：Qi表示i種材料的需要量；Ii表示第i種材料的碳排放因子；αi表示第i種材料的損耗率。

Cy=ΣQi/qi×Li×Iy

(7)

公式(7)中：qi材料表示第i種材料運(yùn)輸時(shí)所用到運(yùn)輸工具的運(yùn)載量；Li表示第i種材料運(yùn)輸時(shí)的運(yùn)距；Iy表示第y種運(yùn)輸方式的碳排放因子。

Cz=ΣD×P×I+Mi×Ni×Ii

(8)

公式(8)中：D表示施工工日；P表示施工過程人員數(shù)量；I表示施工人員碳排放因子；Mi表示第i種施工工藝的機(jī)械單位消耗量；Ni表示第i種施工工藝工程量；Ii表示第i種施工工藝的機(jī)械的碳排放因子。

1.3 基于BIM的施工成本與碳排放計(jì)算模型

利用BIM技術(shù)對(duì)施工階段的成本計(jì)算已經(jīng)比較成熟，但基于BIM的碳排放計(jì)算還在不斷地研究中。高源雪[9]通過大量文獻(xiàn)的搜集整理，以及經(jīng)過具體案例認(rèn)證，認(rèn)為利用工程計(jì)量造價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行碳排放計(jì)算是可行的。因此，筆者根據(jù)上述成本計(jì)算和碳排放計(jì)算模型，并結(jié)合BIM模型和參數(shù)化設(shè)計(jì)得到的參數(shù)，構(gòu)建出基于BIM的施工成本與碳排放計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 基于BIM的施工成本與碳排放計(jì)算模型

結(jié)合圖2中施工成本及碳排放計(jì)算模型，可提取的主要信息分為：材料信息、人員信息、施工信息和運(yùn)輸信息。材料信息主要包括材料類型和材料數(shù)量，以得出相應(yīng)的材料費(fèi)和材料生產(chǎn)階段的碳排放量；人員信息主要為施工人員的數(shù)量、工種、工日等信息，以得出人工費(fèi)和施工人員碳排放信息；施工信息包括施工工藝和施工機(jī)械設(shè)備信息，以得出施工機(jī)械使用費(fèi)和建造施工階段的碳排放信息；運(yùn)輸信息包括運(yùn)輸方式和運(yùn)輸距離，根據(jù)材料數(shù)量得出材料運(yùn)輸費(fèi)和運(yùn)輸階段碳排放信息。

2 基于BIM的施工成本與低碳信息集成管理

基于BIM的施工成本與碳排放信息集成管理模型。建筑物施工過程的成本與碳排放的產(chǎn)生與材料的選擇存在較大聯(lián)系，并且施工工藝、施工方案以及施工過程對(duì)成本和碳排放的產(chǎn)生也有較大影響。但通常，建筑物所需的材料在施工過程中變化不大，材料方面的成本及低碳的控制應(yīng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行考慮，施工過程的成本及低碳的控制應(yīng)從施工過程的施工方案中選擇出成本及低碳雙重控制下最優(yōu)的施工方案。

施工過程的成本與碳排放信息集成管理主要包括成本動(dòng)態(tài)可視化管理、碳排放動(dòng)態(tài)可視化管理、低碳成本可視化管理[10]。其中成本動(dòng)態(tài)可視化管理是指將基于BIM的成本計(jì)算信息中添加施工進(jìn)度信息，以得到5D成本建筑信息模型，從而根據(jù)資金時(shí)間曲線得到施工過程中任一時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的施工成本信息；碳排放動(dòng)態(tài)可視化是指將基于BIM的碳排放計(jì)算信息中添加施工進(jìn)度信息，得到5D碳排放建筑信息模型，同樣，可以通過碳排放時(shí)間曲線得到施工過程中任一時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的施工碳排放信息；低碳成本可視化管理是指將成本動(dòng)態(tài)可視化與碳排放動(dòng)態(tài)可視化兩者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)二者的可視化管理。基于BIM的施工成本與碳排放信息集成管理模型，如圖3所示。

圖3 基于BIM的施工成本與碳排放信息集成管理模型

基于BIM的施工成本與碳排放信息集成管理是指將材料、人工、機(jī)械等信息融入BIM模型中，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)價(jià)規(guī)范與碳排放因子，計(jì)算出建筑物施工過程中的成本信息及碳排放信息，將計(jì)算得到的成本信息與碳排放信息與進(jìn)度信息結(jié)合，得到成本與碳排放的實(shí)時(shí)計(jì)算以及實(shí)現(xiàn)兩者的動(dòng)態(tài)管理。

在管理過程中，①尋找成本及碳排放計(jì)算結(jié)果均較高的時(shí)間段，對(duì)該時(shí)間段內(nèi)的施工工藝及施工方案進(jìn)行改進(jìn)。②施工中控制碳排放的排放會(huì)導(dǎo)致成本的增加，因此，在管理中也應(yīng)注意成本較高，碳排放量不高或者碳排放量較高，但成本較低的時(shí)間段。對(duì)施工過程成本與碳排放的集成管理是一種多目標(biāo)管理過程，現(xiàn)階段在工程中的管理方法有價(jià)值工程法、掙值法等，但兩者更注重的是成本、質(zhì)量與進(jìn)度的控制，且這些方法是相對(duì)靜態(tài)的，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的管理。

3 結(jié)束語

筆者從施工階段的成本計(jì)算與碳排放計(jì)算的原理出發(fā)，構(gòu)建出基于BIM的成本及碳排放計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)成本及碳排放的可視化計(jì)算；將成本及碳排放的計(jì)算結(jié)果與施工進(jìn)度信息相結(jié)合，得到兩者的動(dòng)態(tài)可視化信息管理，實(shí)現(xiàn)成本及碳排放的實(shí)時(shí)測算以及實(shí)時(shí)管理。