建筑施工碳排放測算模型研究

李 兵 李云霞 吳 斌 付菲菲

(1.華中科技大學土木工程與力學學院工程管理研究所,武漢 430074;

2.武漢新城國際博覽中心有限公司,武漢 430074)

建筑施工碳排放測算模型研究

李 兵1,2李云霞1吳 斌2付菲菲1

(1.華中科技大學土木工程與力學學院工程管理研究所,武漢 430074;

2.武漢新城國際博覽中心有限公司,武漢 430074)

建設項目施工過程中消耗了大量的資源和能源,是項目全壽命周期低碳建設中最為重要的一個階段,本文采用國際先進的碳足跡評價標準對建筑施工中的碳源進行了歸類整理,首次提出了基于BIM及相關軟件的建筑施工碳排放測算方法,詳細介紹了碳排放測算步驟,對指導低碳施工具有重要的借鑒意義。

低碳施工;建筑信息模型;碳排放測算

1 引言

全球氣候變暖的危機嚴重影響著人類的生存與發展,已成為 21世紀人類社會亟需面對的重要挑戰。2009年的聯合國氣候大會在哥本哈根舉行,旨在尋求減少碳排放以解決全球氣候變暖問題的途徑。建筑建造、使用和拆除過程中對能源和資源的消耗及固體廢棄物的處理將帶來巨大的溫室氣體排放量。由建筑的碳排放帶來的環境影響越來越大,我國正處于城鎮化和工業化加速發展階段,建設規模和建設速度都為世界發展史上所罕見的。與此同時,二氧化碳排放量也隨之不斷加大,據統計,每年建筑領域排放的二氧化碳排放量占到總排放量的 35%以上,因此,如何減少建筑的二氧化碳排放就顯得尤為重要。施工階段作為建設項目全生命周期中非常重要而且最為復雜的階段,會消耗大量的資源和能源,產生大量的溫室氣體[1]。然而,由于國家的大力支持與政策要求,低碳節能建筑大行其道,部分低碳技術應用之后所減少的碳排放卻尚不足以抵消因采用這項技術而帶來的生產和施工過程中增加的碳排放,使得其應用毫無意義。因此,研究建筑施工階段碳排放測算很有現實意義。

2 建筑施工過程中的碳源分析

2.1 國際碳足跡評價標準

解決全球氣候變暖的方法就是要做到碳減排,那么首要的問題是找到合適的研究方法去定量評價碳排放,從中找到主要碳排放因子以形成碳減排措施,并對每種措施進行量化評價找到最低碳的途徑。目前,國內外普遍認可的定量評價碳排放的方法是采用碳足跡評價標準。綜合學者們對碳足跡的定義,可以認為碳足跡是一項活動、一個產品(或服務)的整個生命周期,在某一地理范圍內直接和間接產生的二氧化碳排放量(或二氧化碳當量排放量)[2]。根據國家環境毒理和化學學會(SETAC)的定義,碳足跡評價就是碳足跡的計算方法,碳足跡評價標準就是對碳足跡計算方法的規定。

碳足跡已日益成為了研究的焦點和熱點,目前利用碳足跡評價的規范和標準也不斷推出,主要包括歐盟的溫室氣體盤查議定書(ENCORD)、英國的PAS 2050:2008、日本的 TSQ 0010和國際標準化組織正在制定的 ISO 14067等。其中 ENCORD是最早頒布的,于 2001年 10月頒布了第一版,2010年 2月頒布了第三版[3],在當前眾多國際碳足跡評價標準中發展相對成熟,并且應用最為廣泛。ENCORD指出只有清晰定義了碳排放的測量邊界才能保證碳足跡計算的關聯性、完整性、一致性、透明性與準確性。ENCORD將碳足跡的測量范圍定義為三種:直接碳排放、間接碳排放、其他間接碳排放,并要求根據這三種碳排放量形成碳評估評價報告[4]。

本文選用 ENCORD為依據,根據該標準中碳源分類思想和計算方法,針對我國國情和建筑特點進行建筑施工中的碳源分析。碳源即二氧化碳的來源,分析碳源就是要找到產生二氧化碳的各種活動即碳足跡,從而通過碳足跡得到碳排放量。

2.2 建筑施工過程中的碳源分類

對國際上先進的碳足跡評價標準——歐盟溫室氣體盤查議定書分析,結合我國建筑施工業的管理現狀,得到建筑施工中的碳源。

2.2.1 建筑施工活動的操作邊界即三大測量范圍的確定

結合我國建筑業環境,將直接碳排放定義為通過機械設備的動力燃料的燃燒直接向大氣排放溫室氣體的影響;將間接碳排放定義為機械設備電力及蒸汽的能源使用引起的碳排放;將其他間接碳排放定義為施工消耗材料、施工建筑垃圾引起的碳排放,通常情況下施工過程中不可測量的碳排放,如從空調和制冷劑泄漏的溫室氣體排放量以及施工人員的碳排放量等,相對建筑施工總的碳排放比重很小,可以忽略,故在其他間接的碳排中只考慮材料、建筑垃圾引起的碳排放。故得到建筑施工中的碳源,如圖 1所示。

圖 1 建筑施工中的碳源

對建筑施工中的碳源分析可以看到機械設備和材料是引起碳排放主要來源,機械設備的碳排放就是因為需要消耗動力能源而產生碳排放,根據動力能源與碳排放的直接、間接關系分為:直接來源即燃料、間接來源即電力和蒸汽。而材料的碳排放則占剩余碳源中的絕大部分,建筑施工中消耗的大部分資源都是攤銷在建筑材料上。因此,本文針對機械設備的碳排放、材料的碳排放進行重點分析。

2.2.3 機械設備的碳排放

機械設備的碳排放是由于消耗動力燃料或電力或蒸汽而引起的。建筑中機械設備眾多,有必要對其進行分類,分類依據既要體現碳排放量的影響程度又要有利于安排施工以指導低碳施工。為此將建筑中的機械設備分成了三類:辦公室設備、施工機械設施、倉儲維修設備。這樣的分類體現了對分類依據的要求,可以在施工前知道現場辦公、現場施工、現場布置(倉儲維修)所產生的碳排放,能針對性的加強施工管理。

2.2.4 建筑材料的碳排放

大量的建筑材料,如結構鋼框架組件、混凝土和混凝土制品、鋼筋、瀝青產品等,是通過形成建筑實體的運營、維修保養、報廢而產生碳排放,不同的施工方案其材料的使用量計劃也不同,帶來的碳排放就不同,而且材料的碳排放占的比重較大,ISO14067鼓勵采用全生命周期評價法(LCA)來考量施工引入的材料碳排放量。施工中的碳排放測算也必須將材料的碳排放納入,只有這樣才能鑒別不同的施工方案的碳排放量影響,進而改進施工方案指導低碳施工。國外一些機構,如美國國家標準與技術研究所,為對材料全生命期中二氧化碳的排放量進行充分的掌握和測量進行了諸多的實驗,從而形成了較為完善的建筑材料碳排放數據庫,而我國還未進行全面的碳排放測量實驗,各種材料碳排放測算的精確度與國外相比尚有較大差距。從施工消耗建筑材料引起的碳排放角度,可將其分為五個階段的影響:原材料的開采和掘取、原材料運輸、建筑材料的生產和施工、材料使用、材料報廢。

3 基于 BIM的建筑施工碳排放的測算方法

3.1 碳排放測算基本方法介紹

由于數據獲取困難,無法形成數據統計的規模效應,我國建筑碳排放的測算還處于比較初級的階段。目前,對建筑碳排放的測算主要采用三種方法:實測法、物料衡算法和排放系數法[5]。

(1)實測法

主要通過監測工具或國家認定的計量設施,對目標氣體的流量、濃度、流速等進行測量,得到國家環境部門認可的數據來計算目標氣體總排放量。實測法要求采集的樣品數據具有很強代表性和較高的精確度,當能滿足這些要求時,這是一種比較可靠的方法,但如果無法保證樣品數據的代表性和精確度,即使測試分析很正確,所得數據也毫無意義。

(2)物料衡算法

是建設過程中使用的物料進行定量分析,根據質量守恒,投入物質量等于產出物質量,把工業排放源的排放量、生產工藝和管理、資源、原材料的綜合利用及環境治理結合起來系統地、全面地研究生產過程中碳排放的一種科學有效的計算方法。這種方法雖然能得到比較精確的碳排放數據,但是需要對建筑全過程的投入物與產出物進行全面的分析研究,工作量很大,過程也比較復雜。

(3)排放系數法

是指在正常技術經濟和管理條件下,根據生產單位產品所排放的氣體數量的統計平均值來計算總排放量的一種方法。目前的排放系數分為有氣體回收和無氣體回收兩種情況下的排放系數,而且在不同的生產狀況、工藝流程、技術水平等因素的影響下,排放系數也存在很大差異。因此使用排放系數法的不確定性也較大。

3.2 基于 BIM技術的建筑施工碳排放測算模型

縱觀現有的碳排放測算基本方法的原理,可以從兩個方面去克服當前研究的弊端,一是綜合選用碳排放測算基本方法以克服各種方法的不足,發揮它們的最大優點,為此本文選用了國際上先進碳排放評價標準——溫室氣體盤查議定書,結合我國建筑業確定建筑施工中可測算且精度可靠的碳源類別,對材料選用全生命期周期評價方法,從而最大程度地減少隱含碳排放的影響[6];二是在具體考量施工碳排放時,由于涉及施工碳排放因子的數據多、難于獲取且不能形成統計的規模效應,為此本文采用基于BI M技術,及時且準確地調用海量工程數據,利用碳排放測評軟件測算建筑施工碳排放。

國際標準組織設施信息委員會對 BIM進行了定義:建筑信息模型(BIM)是利用開放的行業標準,對設施的物理和功能特性及其相關的項目生命周期信息進行數字化形式的表現,從而為項目決策提供支持,有利于更好地實現項目的價值[7]。方法是由目的決定的,怎樣利用 BIM技術建立建筑施工碳排放的測算模型來實現相關海量工程數據的便捷提取呢?研究的基礎是用建模軟件建立 BI M模型,在 BI M模型中添加材料、機械的有關碳排放的基礎數據信息,利用 BIM模型的工程量統計工具,得到材料、機械的耗用量,確定施工方案中的施工區、辦公區、倉儲中的各種機械設備所消耗的燃料、電力及蒸汽的數量、材料使用量的信息,將這些信息導入到碳排放測評軟件,就可以計算出施工階段的碳排放,生成相應于該施工方案中的機械、材料使用量計劃的碳排放測評報告,給出指導低碳施工的建議措施,見圖 2所示。

圖2 基于 BI M技術的建筑施工碳排放測算模型

4 基于 BIM技術的建筑施工碳排放測算步驟

4.1 基于 BIM的建筑施工碳排放的信息模型

利用BIM的核心建模軟件基礎模型,在基礎模型里的單元構件屬性里加入有關碳排放屬性信息:(1)單元構件的結構材料;(2)單元構件的粉刷材料;(3)單元構件的飾面材料;(4)前三種材料的綜合信息(對應的原材料、對應材料到現場的運距、對應材料的屬性如混凝土砂漿等的強度、對應材料的使用壽命、報廢時回收利用程度),作為豐富的測算碳排放依據的材料信息。

利用 BIM基礎模型轉換好施工圖設計模型前,加入各種機械設備后要添加機械設備用電耗油的性能屬性參數。根據 BIM施工圖設計模型形成BIM的施工方案,利用前面豐富的材料信息、機械設備信息,借助 BIM統計工程量的功能得到材料的消耗量、建筑垃圾量、施工區、辦公區及倉儲區的機械設備使用量信息,形成碳排放測算的基礎信息導入到碳排放測評軟件。

4.2 施工過程碳排放的測算

根據建筑施工中的碳源分類測算施工過程中的碳排放,需考查其三個測量邊界的影響:機械設備消耗燃料直接碳排放、機械設備消耗電力及蒸汽間接碳排放、來自于材料和建筑垃圾的其他間接排放。下面,借助于建立好的基于 BI M的建筑施工碳排放的信息模型(包含材料、機械的測算碳排放基礎參數),分別闡述這三種測量邊界的計算步驟。

(1)燃料、電力及蒸汽的碳排放

根據 BIM的建筑施工碳排放的信息模型,得到施工區、辦公區、倉儲間的各種機械設備的使用量及其燃料、電力及蒸汽的消耗量,將機械設備的使用量及其燃料、電力及蒸汽的消耗量作為測算碳排放的基礎數據導入碳排放測評軟件,得到機械設備消耗的燃料、電力及蒸汽帶來的碳排放。

(2)材料的碳排放

根據 BIM的建筑施工碳排放的信息模型,得到建筑材料的使用量及對應的原材料、對應制成材料成品的信息、運輸距離對應材料的使用壽命、報廢時回收利用程度的信息,將這些信息作為測算碳排放的基礎數據導入碳排放測評軟件,得到材料的碳排放。其計算思路見圖 3。以某工程屋頂施工為例,構建屋頂 BIM模型,統計相關材料的屬性,并導入碳排放測評軟件 BEES進行分析,如圖 4所示。

(3)建筑垃圾的碳排放

根據 BIM的建筑施工碳排放的信息模型(賦予建筑垃圾的種類信息)得到的 BIM的施工方案,可以得到各種建筑垃圾的數量信息,將這些數量信息作為測算碳排放的基礎數據導入碳排放測評軟件,得到建筑垃圾的碳排放。

圖 3 材料碳排放的全壽生命周期評價法

圖 4 某工程低碳測算示意圖

4.3 施工方案碳排放性能分析

根據前面計算的各種材料的碳排放,得到材料碳排放的大小順序及各種材料占所有材料碳排放的比重。根據前面計算的施工區、辦公區、倉儲區的各種機械設備的燃料、電力、蒸汽的耗用量及其這些耗用量對應的碳排放,得到施工區、辦公區、倉儲區各種機械設備碳排放的大小順序及各機械設備占所有機械碳排放的比重。

4.4 措施和改進分析得到低碳的施工方案

根據碳排放測評軟件計算機械設備、材料及建筑垃圾,得到施工中總的碳排放及相應的碳排放測評報告和前面的施工方案碳排放性能分析。按照材料碳排放的大小順序、機械設備碳排放的大小順序,逐漸更改 BIM的建筑施工碳排放的信息模型中的材料參數、機械參數?；?BIM技術和碳排放測評軟件,得到改進后的施工方案中因不同的材料、機械設備的信息帶來的施工碳排放及碳排放評估報告。經過多次改進,得到碳排放最小的即為低碳施工的施工方案。

5 結論

在呼吁低碳建筑的今天,我國大力推行各種低碳節能技術,想要實現低碳建筑的目標,在考慮低 碳運營的同時也必須要考慮低碳施工。本文建立了基于 BIM信息模型的建筑施工碳排放測算方法,利用 BIM技術添加提取與碳排放相關的基礎信息,借助碳排放測評軟件實現了建筑施工階段的碳排放測算,可為建設項目的低碳目標提出可行的低碳施工方案,對建筑企業的節能減排具有很好的指導意義。同時,所建立的 BIM建筑施工碳排放信息模型為后期運營和物業管理提供了豐富的施工碳排放信息,是對建設項目全壽命期低碳建設的進一步完善。

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[3]耿涌,董會娟,郗鳳明,劉竹.應對氣候變化的碳足跡研究綜述.中國人口.資源與環境,2010,(10):6-12.

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[5]張德英,張麗霞.碳源排碳量估算辦法研究進展.內蒙古林業科技,2005,(1):20-23.

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[7] Deke Sm ith,United States Building Infor mation Model Standard[C].美國:The 2nd Congress on D igitalCollaboration in the Building Industry,2005.11.

Research on Low-carbon Calculation Model in Building Construction Stage

LiBing1,2,LiYunxia1,Wu Bin2,Fu Feifei1

(1.School of Civil Engineering andMechanics,Huazhong University of Science and T echnology,Wuhan430074,China;2.Wuhan International Expo CentreLimited Company,Wuhan430074,China)

As one of the most important stages in a project lifecycle, the construction stage consumes vast quantities of resources and energy and has become a control point for the low-carbon construction.The international stage of carbon footprint evaluation standard has been used in this paper for defining the carbon source in construction stage.A carbon consumptionm ethod based on BIMand other related software hasbeen put forward firstly,along w ith the detailed calculation procedure which holds an important reference meaning to guide the low-carbon construction.

Low-carbon Construction;Building Info rmationModeling;Low-carbon Calculation

X831.02;TU198+.2

A

1674-7461(2011)02-0005-06

李兵(1965-),男,高級工程師。主要研究方向:項目管理,綠色建造技術。