摘要：將BIM用于建筑材料碳足跡建模，可實現(xiàn)對全壽命周期內(nèi)的建筑材料、類型及數(shù)量的處理和較少建筑材料組合以實際工程為例，分析BIM架構(gòu)下的建筑材料碳足跡計算建模技術(shù)，包括BIM3D建模方法和涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：BIM;建筑材料;碳足跡;建模

　　《中國醫(yī)院建筑與裝備》(月刊)創(chuàng)刊于2000年，是中華人民共和國衛(wèi)生部主管、衛(wèi)生部醫(yī)院管理研究所主辦的衛(wèi)生工程與醫(yī)學(xué)裝備技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的權(quán)威刊物。

　　建筑材料的碳排放是建筑碳排放的重要成分，進行建筑材料碳足跡計算，把握建筑材料服務(wù)于建筑的宗旨，可在滿足建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上尋找最少的碳足跡建筑材料組合。關(guān)于建筑材料碳足跡計算方法，HertwichEG等[1]根據(jù)研究對象及周邊區(qū)域貿(mào)易類型等提出投入產(chǎn)出法并進行了細致研究;HongGang等[2]提出生命周期評價法，闡述了分析全生命周期對研究對象所有投入及產(chǎn)出的方法;日本更多應(yīng)用產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)分析法和生產(chǎn)線直接能耗統(tǒng)計法計算建筑材料碳足跡[3,4]。由于這些計算方法資料獲取難度大、自計算時間長，亟須開發(fā)一種高效的建筑材料碳足跡計算方法。本文將BIM架構(gòu)用于建筑材料碳足跡建模，借助BIM建筑信息化建模特點，實現(xiàn)建筑與選材結(jié)合，對全生命周期內(nèi)的建筑材料進行預(yù)算，并對建筑材料類型、數(shù)量進行快速化處理。

　　1BIM架構(gòu)下的建筑材料碳足跡計算基礎(chǔ)

　　1.1碳足跡及其相關(guān)概念

　　國際上常用碳足跡的概念來量化二氧化碳及其他溫室排放，其定義一種說法[5]是指用于量化特定活動、特定產(chǎn)業(yè)、特定地區(qū)及特定產(chǎn)品額二氧化碳和其他溫室氣體對氣候變暖的貢獻程度。另一種說法[6]是一項活動過程中直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳量，或一個產(chǎn)品的全壽命周期內(nèi)累計產(chǎn)生的二氧化碳排放量。在碳足跡計算過程中，碳足跡因子是計算碳足跡的基礎(chǔ)參數(shù)，指生產(chǎn)單位產(chǎn)品或完成單位工作所排放的溫室氣體量。《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書》規(guī)定了限制排放的6種溫室氣體即二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)。其中二氧化碳起主導(dǎo)作用，其含量遠超其他溫室氣體含量。計算碳足跡時采用IPCC發(fā)布額GWP(全球變暖潛勢值)，其中二氧化碳的GWP為1,計量單位為kgCO2eq。

　　1.2碳足跡計算方法和原則

　　本文采用美國BEES軟件數(shù)據(jù)研究計算建筑材料碳足跡。BEES軟件是公開的，且BEES軟件基于全壽命周期理論給出的材料碳排放系數(shù)，能全面系統(tǒng)反映建筑材料碳排放的影響[7]。計算建筑材料碳足跡在進行時，須遵循相關(guān)性、完整性、一致性、透明性、準(zhǔn)確性原則。相關(guān)性是為保證碳排放源能準(zhǔn)確反映建造階段的活動;完整性則說明碳排放源在建造階段的活動邊界;一致性用于確保整個建造階段對碳排放源活動水平數(shù)據(jù)采用一致方式進行;透明性是對每個審查路徑碳排放源進行詳細說明;準(zhǔn)確性則是對碳足跡應(yīng)計算準(zhǔn)確，既不高估也不低估建造階段的碳排放量。

　　1.3BIM技術(shù)

　　BIM(建筑信息模型)技術(shù)是指利用三維數(shù)據(jù)建模，結(jié)合建筑工程的各項項目信息數(shù)據(jù)，在全生命周期進行信息交流和共享的技術(shù)。BIM具有信息集成的可計算性、一致性和系統(tǒng)性，能為建筑全壽命周期提供統(tǒng)一的協(xié)同工作平臺，避免相互之間信息傳遞失真，避免出現(xiàn)“信息孤島”現(xiàn)象。目前BIM技術(shù)在建筑業(yè)中應(yīng)用廣泛，如魯班、廣聯(lián)達等，能快速構(gòu)建建筑模型，并可依據(jù)預(yù)先設(shè)定的建筑物材料搭接扣減統(tǒng)計施工材料用料。本文采用AutodeskRevit軟件[8]進行研究。Revit平臺中的ODBC數(shù)據(jù)庫可開發(fā)建筑工程量計算軟件，可與CAD圖紙無縫結(jié)合，轉(zhuǎn)化效果好，且可為建筑提供設(shè)計、圖紙及構(gòu)建明細表，還可將明細表轉(zhuǎn)換成Excel等格式。

　　2BIM架構(gòu)下的建筑材料碳足跡建模分析

　　2.1案例概況

　　某幼兒園，建筑層數(shù)為3層，1層建筑面積550.03m2，2層600m2，3層470m2，建筑高度11m。1層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，2層和3層均為鋼結(jié)構(gòu)，安全等級為1級，使用年限70年。屋蓋包括主體桁架、內(nèi)外網(wǎng)架、側(cè)網(wǎng)架;房間功能，1層是配電間、游樂場所、庫房、衛(wèi)生間、樓梯;2層主要是教室、辦公室、空調(diào)設(shè)備間、水管間、電梯;3層是餐廳、宿舍、電梯機房、設(shè)備間、水管間等。

　　2.2BIM3D建模

　　利用BIM中的Revit軟件構(gòu)建該建筑的BIM3D模型圖。在設(shè)計階段即開始使用BIM技術(shù)，可在BIM三維模型上直接添加施工階段明確的材料，碳排放參數(shù)信息具體參數(shù)包括構(gòu)件組成材料類型、各組成材料的原材料、從材料加工到施工的運輸方式及距離、構(gòu)件使用年限、材料的回收率、材料采購地等，并生成碳排放明細表。在明細表中確定構(gòu)件材料計算公式及反映構(gòu)件間搭接關(guān)系的精細化算量。進行基于Revit的BIM建模時，先需分析模型需求，再分解構(gòu)件，即把建筑工程按結(jié)構(gòu)進行分解，使建模人員對案例的組成成分有清晰認識。根據(jù)項目實際要求，案例模型包括車庫、展廳、樓梯間、基礎(chǔ)(承臺、筏板、基坑、樁)、剪力墻、框架柱、框架梁、構(gòu)造柱、次梁、過梁、圈梁等內(nèi)容。依照工程案例結(jié)構(gòu)空間關(guān)系構(gòu)建不同構(gòu)件，例如梁，通過“梁”功能，插入對應(yīng)族進行創(chuàng)建;同時定義構(gòu)件的三維空間結(jié)構(gòu)形態(tài)和信息屬性，即定義構(gòu)件參數(shù)，運用標(biāo)高、軸網(wǎng)構(gòu)建構(gòu)件參數(shù)化模型和最后結(jié)構(gòu)，以構(gòu)成該工程的整體三維BIM模型(圖1、圖2).

　　2.3BIM架構(gòu)下建筑材料碳足跡計算模型的構(gòu)建

　　構(gòu)建BIM架構(gòu)下建筑材料碳足跡計算模型，先根據(jù)所需分析的建筑性能，將添加的信息即建筑材料碳排放參數(shù)加入原建筑模型中，其中建筑材料碳足跡信息以BEES軟件所提供的為準(zhǔn)。將所需材料信息添加到BIM建筑模型后進行碳足跡計算。對建筑材料碳足跡，可逐項匹配材料碳足跡因子計算。由于碳足跡因子數(shù)據(jù)庫詳細程度并不能覆蓋所有建筑材料，因此計算時重點選取次梁用量大且對總體碳足跡影響較大的材料進行計算。圖3為屋架部分模型及模型中相應(yīng)建筑材料(鋼)的碳排放系數(shù)信息明細表。其他部分建筑材料碳足跡計算與屋架部分碳足跡計算過程類似。

　　2.4建模關(guān)鍵技術(shù)

　　2.4.1提高BIM建模精度及效率構(gòu)件包括幾何信息和非幾何信息，前者指構(gòu)件位置、形狀、尺寸等參數(shù)的幾何屬性，建模時既要保證構(gòu)件本身參數(shù)準(zhǔn)確，還要正確處理與其他構(gòu)件的關(guān)系;后者涉及范疇廣，建模人員參照項目施工建模，通過構(gòu)件設(shè)置共享參數(shù)及項目等。基于Revit的BIM建模技術(shù)，原理是基于軟件自帶族構(gòu)建快速生成三維模型，對異性結(jié)構(gòu)需載入外來族文件或利用內(nèi)建模型創(chuàng)建BIM。在BIM建模時，會產(chǎn)生很多屬性相同的族文件，由于參數(shù)不同，建模人員需創(chuàng)建族文件并進行參數(shù)化。Revit軟件可成立高效的協(xié)同機制工作集，建模人員能在同一工作集實現(xiàn)資源共享，因此建模前應(yīng)先預(yù)創(chuàng)族文件并采用工作集方式進行BIM建模。

　　2.4.2BEES對建筑材料碳足跡的計算BEES由美國標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院研發(fā)，具有公開性，其基于全壽命周期理論給出的材料碳排放系數(shù)，能全面系統(tǒng)地反映建筑材料碳排放的影響，其對建筑材料碳足跡計算，流程如圖4所示。繪制過程圖指利用全生命周期理論對建筑材料產(chǎn)品制成運輸?shù)绞┕な褂脠髲U全過程進行碳足跡評估。根據(jù)碳足跡計算步驟，依照建筑材料屬于從產(chǎn)品流到新的組織類型確定邊界及優(yōu)先重點，如波蘭特水泥混凝土依據(jù)生成工藝過程確定計算邊界，并將原來生產(chǎn)作為優(yōu)先重點的方法;收集數(shù)據(jù)包括原材料生產(chǎn)加工階段、制造階段、原料運輸階段、施工階段、使用階段和報廢階段。在施工階段，收集數(shù)據(jù)時BEES軟件按UinformatⅡ分類標(biāo)準(zhǔn)對建筑材料分類時，綜合考慮了建筑材料形成的構(gòu)件的彼此關(guān)系包括力學(xué)要求等，方便設(shè)計人員選擇材料時快速地進行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，選擇建筑材料時也要依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)要求進行整體考慮。

　　2.4.3利用Revit軟件測算建材碳排放的關(guān)鍵利用Revit軟件建立碳排放基本模型時，該軟件中的建材消耗量是指建筑構(gòu)件量，與建筑用量不同,原因在于建筑構(gòu)件通過相互之間搭接行程，需用工程量計算規(guī)則界定建材用量;而用Revit軟件計算建材碳排放的關(guān)鍵則是準(zhǔn)確計算建材所形成的構(gòu)件工程量，采用BEES中的功能單位。Revit軟件計算工程量是基于軟件導(dǎo)出的ODBC數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的。Revit模型中所有的數(shù)據(jù)均分類存放于ODBC數(shù)據(jù)庫中，ODBC數(shù)據(jù)庫與造價軟件通過API接口聯(lián)通獲取模型中的數(shù)據(jù)，按造價軟件中定額的工程量計算規(guī)則進行計算。具體實現(xiàn)途徑如圖5所示。

　　3結(jié)束語

　　建筑材料能耗占建筑總能耗的37%，有必要對建筑材料碳足跡進行單獨計算。BIM與建筑材料碳足跡計算融合可借助BIM工具的建筑信息化建模特點，將建筑設(shè)計與選材結(jié)合，依照建筑對材料的要求選擇材料，進而減少碳足跡。BIM工具包含豐富的建筑結(jié)構(gòu)化信息，能對建筑材料、類型、數(shù)量進行計算處理，方便快捷地計算材料碳足跡，尋找最優(yōu)的建筑材料碳排放材料組合。