基于BIM 的建筑LCA 測算研究

李?yuàn)W 尚海靜 姚晴龍 曹成晟 馬潔浩 普俊濤

(武漢工程科技學(xué)院)

“雙碳”是當(dāng)今全球關(guān)注的重點(diǎn)，我國于2020 年提出“二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，指明我國面對氣候變化問題要實(shí)現(xiàn)的“雙碳”目標(biāo)。建筑全生命周期的碳排放是指把建筑產(chǎn)品的全生命周期看成一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由于消耗能源、資源向外界環(huán)境排放的總碳量[1]。全生命周期評價(jià)（Life Circle Assessment, LCA）中包含對環(huán)境影響的綜合評價(jià)數(shù)據(jù)[2]，LCA 可以被用來分析特定產(chǎn)品的環(huán)境影響來源，也能實(shí)現(xiàn)LCA 橫向?qū)Ρ韧愋偷漠a(chǎn)品排放參數(shù)。

1 全生命周期碳排放計(jì)算

基于BIM 技術(shù)，根據(jù)碳排放計(jì)算軟件，采用3D-BIM可視化模型對18#學(xué)生公寓碳排放進(jìn)行分析，突破了碳排放分析的局限性，滿足了綠色工程的需求，實(shí)現(xiàn)對綠色建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化。同時(shí)，隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)成為了工程量統(tǒng)計(jì)與碳排放量計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，其理論價(jià)值不可低估。然而，目前我國的碳排放測算仍然處于初級階段[3]。因此，需要建立更加完善的計(jì)算機(jī)模型，以便更好地收集、分析、評估、預(yù)報(bào)、控制等多種環(huán)境影響因素。

建筑生命周期劃分為材料生產(chǎn)階段、施工建設(shè)階段、運(yùn)營維護(hù)階段、報(bào)廢拆除階段一共4 個(gè)階段進(jìn)行碳排放量計(jì)算，通過數(shù)據(jù)綜合可估算出全過程產(chǎn)生的碳排放。

1.1材料生產(chǎn)階段

材料生產(chǎn)階段的碳排放實(shí)際上主要包括材料生產(chǎn)階段與材料運(yùn)輸階段消耗生產(chǎn)的總碳排放量。

材料生產(chǎn)階段碳排放計(jì)算式：

在制定新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之前，最好采集來自第三方的碳排放指標(biāo)，以確保符合環(huán)保要求。若第三方未提供時(shí)，可參考（表1）中的指標(biāo)確定。當(dāng)使用其他再生原料時(shí)，應(yīng)按其所替代的初生原料的碳排放的50%計(jì)算；建筑建造和拆除階段產(chǎn)生的可再生建筑廢料，可按其可替代的初生原料的碳排放的50%計(jì)算，并應(yīng)從建筑碳排放中扣除。

表1 材料碳排放因子

材料運(yùn)輸階段碳排放計(jì)算式：

在材料運(yùn)輸階段，碳排放因子（Ti）應(yīng)當(dāng)考慮材料從原材料生產(chǎn)地點(diǎn)到施工現(xiàn)場的全部過程，以及這一過程中消耗的能源[1]。Ti、Di的取值可以參照表2中的規(guī)定。

表2 各類運(yùn)輸方式的碳排放因子 （t·Km）

材料生產(chǎn)階段與材料運(yùn)輸階段消耗生產(chǎn)的總碳排放量計(jì)算公式：

不同的運(yùn)輸方式會(huì)產(chǎn)生不同的碳排放量，應(yīng)按表2取值。如，混凝土的最大運(yùn)輸里程可達(dá)40km，而其它材料的最大運(yùn)輸里程可達(dá)500km。（如表2）

1.2施工建設(shè)階段

在施工建設(shè)階段，碳排放量不僅來源于分部分項(xiàng)工程施工，還有其他措施的實(shí)施。這類措施的實(shí)施均會(huì)對環(huán)境造成一定的影響。施工階段碳排放計(jì)算是從項(xiàng)目開工之日起至項(xiàng)目竣工驗(yàn)收合格止。

施工現(xiàn)場的機(jī)具設(shè)備、攪拌站、制作的構(gòu)件和部品、臨時(shí)設(shè)施，其產(chǎn)生的碳排放量應(yīng)計(jì)入施工建設(shè)階段的碳排放總量。施工階段使用的辦公區(qū)、生活區(qū)和材料倉庫等臨時(shí)設(shè)施的施工則不計(jì)入施工建設(shè)階段的碳排放總量[1]。

分部分項(xiàng)工程計(jì)算公式：

1.3運(yùn)營維護(hù)階段

在建筑運(yùn)營階段，碳排放量應(yīng)該根據(jù)各種能源消耗量以及它們所產(chǎn)生的碳排放因素來確定，而每平方米的總碳排放量CM計(jì)算公式：

維護(hù)階段也就是整個(gè)建筑壽命周期的中老年時(shí)期，該時(shí)期的碳排放量相對來說較多。

維護(hù)階段碳排放計(jì)算式：

1.4報(bào)廢拆除階段

拆除階段的碳排放量包括人工拆除和機(jī)械拆除所產(chǎn)生的碳排量，其中絕大多數(shù)為機(jī)械的碳排放量。拆除階段碳排放量計(jì)算時(shí)間從拆除之日起至主要結(jié)構(gòu)拆除并運(yùn)出止。

機(jī)械拆除的碳排放計(jì)算公式：

2 實(shí)例分析與實(shí)施

2.1項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于湖北省武漢市江夏區(qū)武漢工程科技學(xué)院，18#學(xué)生公寓，總建筑面積為7563m2，建筑體積是25812.46m3，建筑層數(shù)11 層，建筑高度36.9m。建筑結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)，使用年限50 年（規(guī)范值）。（如圖1、圖2）

圖1 項(xiàng)目總貌圖

圖2 平面樓層圖

2.1.1建立項(xiàng)目軟件模型

通過BIM 技術(shù)和斯維爾CEEB2022 計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)對建筑物的碳排放進(jìn)行精確的評估，并且依據(jù)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》，對其各階段進(jìn)行有效的管理，從而實(shí)現(xiàn)對建筑物的全壽命的有效控制。

2.1.2軟件模型數(shù)據(jù)分析

在構(gòu)建完成的模型基礎(chǔ)上，按照《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，將武漢的氣候數(shù)據(jù)及太陽輻射數(shù)據(jù)綜合分析，并利用《民用建筑物熱工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50176-2016，對各種材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)λ等參數(shù)進(jìn)行精確的測定，得出準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)。（如圖3、圖4）

圖3 逐日干球溫度圖

圖4 逐月輻照量圖

圖5 各階段碳排放量占比

2.2全生命周期碳排放計(jì)算步驟

實(shí)例中建筑全生命周期的碳排放量是依據(jù)上述公式由斯維爾CEEB2022軟件計(jì)算所得。

2.2.1材料生產(chǎn)階段

在生產(chǎn)過程中，碳排放在材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸階段都有所體現(xiàn)（如表3、表4）。

年級的非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為正數(shù)，說明年級可以正向影響總分，即調(diào)查對象的年級越高，總分越高。是否上過醫(yī)患溝通課的非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為正數(shù)，說明上過醫(yī)患溝通課的調(diào)查對象的總分較沒有上過醫(yī)患溝通課的調(diào)查對象的總分高。對于專業(yè)，相對于國際交流生，麻醉專業(yè)、臨床專業(yè)的總分均高于國際交流生；而影像專業(yè)的總分低于國際交流生。

表4 材料運(yùn)輸階段的碳排放

2.2.2施工建設(shè)階段

由于本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)為框架結(jié)構(gòu)，在項(xiàng)目施工階段的碳排放主要由施工機(jī)械臺班產(chǎn)生的碳排放量為主，施工機(jī)械臺班碳排放量見表5。

表5 施工機(jī)械臺班碳排放量

2.2.3運(yùn)營維護(hù)階段

該項(xiàng)目現(xiàn)在進(jìn)入了運(yùn)營階段，維護(hù)階段是整個(gè)建筑壽命周期的中老年時(shí)期，運(yùn)營階段碳排放量見表6。

表6 運(yùn)營階段碳排放量

2.2.4拆除回收階段

在拆除和回收過程中，常采取機(jī)械方式完成該過程。由于缺乏有效的數(shù)據(jù)支持，因此無法準(zhǔn)確估算本過程的碳排放量。則默認(rèn)為材料生產(chǎn)階段和施工建設(shè)階段總量的0.1倍。

Ecc=（28846.117+308.855+1.524）×0.1

=2915.65（tCO2）

3 結(jié)論

每階段的碳排放量統(tǒng)計(jì)到表7 中，通過分析總的碳排放量數(shù)據(jù)可知每一階段占全生命周期的百分比。其中材料生產(chǎn)階段的碳排放量占總碳排放量的71%、運(yùn)營階段的碳排放量占總碳排放量的22%，由于施工階段和拆除回收階段的碳排放量相對來說較少，兩者之和占總碳排放量的7%。

表7 總碳排放量

3.1具體措施

在建筑物的使用壽命中，運(yùn)營和維修階段的碳排放量是最高的，達(dá)到了71%。這些碳排放主要來源于供暖、供熱、照明、生活熱水。

供暖、供熱方面，其實(shí)供暖、供熱要在建材上就要考慮到保溫和隔熱。此外，還可以采用熱反射的建筑材料，該材料可反射91%的非可見光，保證建筑物的冬暖夏涼性能[4]。

照明、生活熱水方面，通過改進(jìn)電氣系統(tǒng)，大力推廣LED 照明，結(jié)合先進(jìn)的電梯智能集成控制，大大降低了對清潔能源的依賴，同時(shí)也有助于降低對環(huán)境的影響，最終實(shí)現(xiàn)了以太陽能作為照明和熱水的可持續(xù)發(fā)展[5]。節(jié)能節(jié)水技術(shù)、建立水資源循環(huán)利用系統(tǒng)可 以有效提高能效，顯著降低建筑碳排放。

3.2綠色智能建筑設(shè)計(jì)原則

3.2.1節(jié)能低碳環(huán)保原則

智能建筑設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)應(yīng)該是通過應(yīng)用智能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能減排，并盡量減少能量的浪費(fèi)[6]。

3.2.2功能性原則

建筑設(shè)計(jì)的核心任務(wù)就是滿足人民的日益增長的居住、工作以及社會(huì)發(fā)展等需求。因此，應(yīng)當(dāng)以智能建筑的理念來指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)，采取智能建筑技術(shù)，以及先進(jìn)的建筑設(shè)計(jì)理念，最終達(dá)到節(jié)能減排、低碳智能的建筑設(shè)計(jì)理念。

3.2.3經(jīng)濟(jì)性原則

建筑設(shè)計(jì)對于建筑企業(yè)來說，具有巨大的價(jià)值。因此，必須認(rèn)真對待建筑的設(shè)計(jì)，并且著眼于如何最大限度地降低建筑的建設(shè)費(fèi)用。需要綜合運(yùn)用多種技術(shù)和手段，來設(shè)計(jì)出能夠滿足不同需求的綠色智能建筑。

4 結(jié)語

盡管目前我國對建筑物的碳排放進(jìn)行的計(jì)算仍處在初級階段，缺乏數(shù)據(jù)來支持這一領(lǐng)域的發(fā)展。但是，借助斯維爾CEEB 軟件的技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。綜合考慮到未來建筑的可持續(xù)性，智能建筑的設(shè)計(jì)將成為一個(gè)不容忽視的趨勢[6]。因此，必須把握好智能建筑設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，以建筑的整個(gè)生命周期為基礎(chǔ)，實(shí)施綜合管控設(shè)計(jì)。最終達(dá)到優(yōu)化智能建筑設(shè)計(jì)，為未來的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。