裝配式建筑生命周期碳平衡BIM模型仿真

尚 超,徐 霞,鮑莉榮,周婷婷

(南京工業大學浦江學院,江蘇 南京 211200)

1 引言

現如今全球工業發展迅速,給生活環境帶來巨大的負擔,因此節能減排已經成為全球首要關注點[1]。除了工業污染,建筑業近幾年來消耗的資源也逐漸增多,在整個生命周期內排放的二氧化碳愈加提升[2],這些二氧化碳會導致周邊環境產生溫室效應,給環境帶來巨大影響。為了改善這種現象,需要對裝配式建筑生命周期碳平衡問題進行研究。

張小平[3]等人提出碳平衡分區方法在桓臺縣域低碳空間規劃中的應用方法,該方法首先將給定區域看作研究對象,以多種融合技術為基礎,建立碳平衡分區方法,通過對能源消耗排放總量的計算,將碳平衡分區方法引入到計算結果中,以此實現碳平衡研究,該方法的計算結果存有誤差,存在碳儲量低的問題。宋苑震[4]提出碳平衡導向下北部灣城市群碳匯用地布局優化研究方法,該方法優先對國土建筑空間碳循環失衡影響因素進行獲取,并將碳平衡作為目標,以此提升碳循環的能力,完成對國土建筑空間的優化,通過打造多種優化格局,對國土建筑進行調整,從而完成碳平衡,該方法獲取的因素不夠完善,存在碳平衡后碳儲量差的問題。靳鵬[5]等人提出焦化廢水處理中碳平衡研究方法,該方法首先對廢水中產生的污染物進行提取,并將A2/O作為載體,對不同階段的碳指標進行測定,對其中的碳平衡反應進行有效分析,依據分析結果實現碳平衡研究,該方法的分析結果不夠全面,存在碳平衡效果差的問題。

為了解決上述方法中存在的問題,提出基于BIM技術的裝配式建筑生命周期碳平衡方法。

2 BIM技術的裝配式建筑環境影響因素分析

2.1 裝配式建筑材料運輸環境影響因素分析

在裝配式建筑生命周期內,能源會被不斷投入,這不僅包含生產期間的生產用能,還包括安裝過程中直接可以使用的能源,這些能源都可以依據碳排放指標對其進行量化。下面針對材料在運輸過程中的運輸環境影響進行有效分析。

材料總共有兩部分運輸過程,第一部分為水平運輸、第二部分為垂直運輸。

1)水平運輸

材料運輸到工廠時,經工廠加工生產完成后直接被輸送到現場,這個過程就是水平運輸[6]。由于運輸車輛的種類較多,各個車的承重情況也不相同,所以不同類型的承重車輛帶來的耗能也大不相同。

為了確認材料在運輸過程中的碳排放,需要采用GIS技術[7,8]對不同材料的車間、位置及施工地點距離進行規劃,還要對返回的車輛是否為空載或滿載進行考慮,這時材料運輸路程的方程表達式如下所示

Dtrans=單程運輸距離×Fy

(1)

式中,Dtrans描述的是實際運輸距離,Fy描述的是空車返回次數。若空載運輸,那么空載環境負荷就是滿載的0.5倍。

車輛在運輸過程中排出的碳因子由下式計算可得

(2)

式中,Ctrans描述的是碳排放總量,Etrans(i)描述的是運輸材料的碳排放因子,Wtrans(i)描述的是運輸質量,Dtrans(i)描述的是運輸距離。

2)垂直運輸

把材料安裝到吊車上以機械的方式垂直運送到指定位置,這個過程就是垂直運輸。進行垂直運輸時,首先需要對運輸機械的功率及運輸時間的數據進行采集,再通過計算研究,就可以獲取垂直運輸材料的碳排放量。

2.2 BIM模型構建

通過對裝配式建筑材料運輸環境影響的分析,根據分析結果利用BIM技術[9]對裝配式建筑不同材料屬性進行歸類,以此展示裝配式建筑材料的全生命周期實際影響量,構建的BIM模型如圖1所示。

圖1 BIM模型示意圖

首先以裝配式建筑為研究對象,利用構建的BIM模型建立裝配式建筑立體圖,并在BIM中取得立體圖內建筑的相關材料信息,最后對不同材料的影響值進行計算。以BIM模型為載體,將影像數據輸送到模型內,便于實現裝配式建筑生命周期碳平衡。

3 裝配式建筑生命周期碳平衡控制

3.1 碳排放量計算

在裝配式建筑的生命周期內始終存在化石燃料的耗損,為了便于對這些燃料的碳排放進行計算,需要將生命周期進行階段劃分,那么不同階段的裝配式建筑碳排放如下所示:

1)材料準備階段的碳排放Cm

基于裝配式建筑中消耗的材料,它主要通過鋼筋、水泥等能源進行消耗,所以在準備階段裝配式建筑的碳排放Cm,通過方程表達式定義如下

(3)

式中,i描述的是材料種類,n描述的是材料種類的數量,qi描述的是不同材料種類的數量,Gi描述的是材料的碳密度,8.94×10-5代表能源排放出的碳量,ei描述的是能源密度。

2)生產期間材料產生化學反應的碳排放Cp

裝配式建筑在生產過程中會產生化學反應,它屬于非能源碳排放,而水泥就是非能源排放最主要的一部分。對水泥進行制造時,會將CO2釋放出來,水泥在煅燒期間,碳酸鈣[10]經加熱后會分解成兩種物質,分別是CO2及氧化鈣,所以生產期間的材料產生化學反應后排放出的碳因子量計算公式表示為

Cp=Wc×Pc

(4)

式中,Cp描述的是發生化學反應后的排放量,Wc描述的是水泥重量,Pc描述的是煅燒后排放量。

3)裝配式建筑施工期間的碳排放Cc

施工期間,運送建筑材料及施工時耗費的能源就是碳排放的主要來源,那么Cc的計算公式如下所示

(5)

式中,di描述的是制造材料的地點與裝配式建筑之間的距離,Gti描述的是每隔一段運輸距離的碳排放量,pj描述的是機械數量,fj描述的是機械排放出的碳因子,m描述的是機械總數量。

4)使用期間的碳排放Co

在不考慮過度消耗材料的情況下,對裝配式建筑正常消耗的維修材料碳排放量進行計算,計算前應對各個材料的使用壽命進行設置,那么相關材料在使用階段的碳排放Co計算如下

(6)

式中,ki描述的是維護系數。

5)裝配式建筑在拆除時期的碳排放Cd

以不同拆遷時期產生的能源消耗為基礎,估算裝配式建筑在施工時期排放的碳因子[11,12],Cd的計算公式表示為

(7)

式中,gk描述的是拆遷活動數量的種類,hk描述的是能源密度,t描述的是拆遷活動的總數量。

通常來說,裝配式建筑在拆遷期間,對gk、hk的估計存有難度,而裝配式建筑在拆除過程中產生的能源消耗是施工期間的10%,所以可以根據Cc估算Cd。

6)拆遷后廢料處理階段的碳排放Cw

拆遷后的廢料主要包括兩種,一種為可回收材料,一種為不可回收材料。像不可回收的廢料就需要對其進行處理,那么拆遷現場不可回收廢料產生的碳因子,可以通過下列方程進行計算

(8)

式中,Wi描述的是廢料的數量,Ri描述的是廢料所占的比例,DRi描述的是拆遷現場到處理現場距離,Gti描述的是運輸不可回收廢料到處理地點的距離。

3.2 碳吸收量計算

根據生命周期下的碳排放量,計算碳吸收量,它的方程表達式為

Cab=Cca+Cav+Cre

(9)

式中,Cca描述的是碳化吸收。

1)碳化吸收Cca

混凝土[13]中,碳化是其最常見的一種物理化學反應。而水泥就是混凝土的關鍵成分,它主要通過碳酸鈣組成,利用高溫加熱后會將CO2自動分離。這時與空氣充分接觸的混凝土會吸收到CO2的氣體。這時吸收的Cca用方程表達式定義為

Cca=[CO2]×A×B×C

(10)

式中,[CO2]描述的是碳化期間吸收的CO2量。A×B描述的是混凝土露出面積,C描述的是碳酸化的尺度。

這時碳酸化深度通過下式進行確立

C=(2.823-0.548logCO2)×

(0.0303W/C-1.0187)×(CO2·t)0.5

(11)

2)生物燃料的碳排放Cav

對生物燃料碳排放進行計算時,首先需要確立化石燃料轉換成生物燃料的能量轉換效率[14,15]及其消耗燃料的排放量之差。假設能量轉換效率不發生變化,那么回收的生物燃料碳排放的計算公式為

Cav=M×H×Cf×ψf-[Cd×Dr]

(12)

式中,Cav描述的是生物燃料的排放量,M描述的是回收時的質量,H描述的是熱值,Cf描述的是燃料循環碳強度,ψf描述的是轉換效率,Cd描述的是柴油的碳強度,Dr描述的是柴油耗損量。

3.3 裝配式建筑碳平衡控制

以3.1節和3.2節得到的碳吸收量和碳排放量計算結果為基礎,設置裝配式建筑生命周期CO2平衡由CB進行描述,CO2主要通過燃燒化石材料排放取得,利用CO2對混凝土內碳化反應吸收的CO2數量、生物燃料排放CO2數量以及回收材料的碳儲量進行刪減,就可以實現碳平衡,這時的計算公式如下所示

(13)

式中,CB描述的是碳平衡,Cen描述的是化石燃料排放的CO2、Cce描述的是生產材料過程中出現的CO2排放量、Cre描述的是碳儲量[16],Cem描述的是碳排放,Cab描述的是碳吸收。

基于BIM模型中的運輸環境影響數據,結合上述計算的裝配式建筑生命周期碳排放量及其吸收量,利用裝配式建筑生命周期排放總量減去碳吸收量,就能夠實現碳平衡,從而完成基于BIM技術的裝配式建筑生命周期碳平衡方法。

4 實驗與分析

為了驗證基于BIM技術的裝配式建筑生命周期碳平衡方法的有效性,需要對該方法進行實驗對比測試。

采用基于BIM技術的裝配式建筑生命周期碳平衡方法(方法1)、碳平衡分區方法在桓臺縣域低碳空間規劃中的應用方法(方法2)和碳平衡導向下北部灣城市群碳匯用地布局優化研究方法(方法3)進行實驗測試。

1)選取Z城市為研究對象,為了驗證三種方法的碳平衡效果,采用方法1、方法2和方法3分別對Z城市的碳儲量進行測試,碳儲量若在指定時間范圍內有提升,就說明該方法的碳平衡效果顯著,提升越高,表明碳平衡效果越強,具體測試結果如圖2所示。

圖2 不同方法碳平衡前后的碳儲量測試

分析圖2中的數據發現,在圖2(a)中,未進行碳平衡前,方法1的碳儲量上升的趨勢較小,在2017～2018年時,碳儲量保持平衡。與之相反的是,方法2和方法3在測試期間的碳儲量時而上升時而下降,可見方法2和方法3在未進行碳平衡前,碳儲量相較于方法1來說較低。

進行碳平衡后,根據圖2(b)中的數據可知,方法1呈現出上升趨勢,同時碳儲量上升明顯,上升速度較快,可見方法1的碳平衡效果顯著。方法2進行碳平衡后,它的碳儲量與圖2(a)相比,呈現出下降趨勢,這說明方法2的碳平衡效果差。方法3在測試期間,它的碳儲量有所提升,但提升的數量較小,與方法1相比方法3的碳儲量較低,碳平衡效果較差。由此可見,方法1的碳平衡效果要優于方法2和方法3,表明方法1的碳平衡效果強。

綜上所述,方法1的碳平衡效果好,這是因為方法1計算了碳排放量及其吸收量,有效地提升了碳平衡效果,使碳平衡的應用達到了極致。

2)碳排放量與碳吸收量之間的差值可以體現出碳平衡量,為了明確裝配式建筑生命周期碳平衡效果的好壞,需要利用本文方法對不同月份的碳排出量與碳吸收量進行對比測試,若碳排出量與碳吸收量之間的差值為正,就說明裝配式建筑的碳輸出量要高于碳輸入量,表明本文所提方法處于不平衡狀態,若兩者之間的差值為負,就說明本文所提方法處于平衡狀態。

以100kg的混凝土為實驗對象,計算它的碳排放量與碳吸收量,依據計算結果進行對比測試,具體測試結果如圖3所示。

圖3 碳輸入輸出量對比測試

通過圖3中的數據發現,本文方法的碳吸收量要高于碳排放量。那么本文所提方法在不同月份的碳平衡量表示為:

1月碳平衡量:1月碳排放量1375減掉1月碳吸收量1500等于-125碳平衡量。

利用上述計算方式,計算出剩余月份的碳平衡量,發現本文所提方法的碳平衡量均為負值。這說明本文所提方法的裝配式建筑處于碳平衡狀態,以此表明所提方法的碳平衡效果強。

5 結束語

針對裝配式建筑生命周期碳平衡方法存在的問題,提出基于BIM技術的裝配式建筑生命周期碳平衡方法。該方法分析了裝配式建筑材料運輸環境的影響因素,并將影響因素輸入到構建的BIM模型中,基于BIM模型中的數據,對不同階段的裝配式建筑進行碳平衡計算,從而實現該方法。該方法在裝配式建筑生命周期碳平衡方法中占據著重要地位,在未來碳平衡方法中有著長遠的發展空間。