BIM技術在建筑碳排放計算領域研究進展*

徐 照, 方卓禎, 李德智, 吳 剛

(1 東南大學土木工程學院，南京 211189；2 智慧建造與運維國家地方聯合工程研究中心，南京 211189)

0 引言

建筑信息模型(BIM)技術通過數字化建模和數據管理的方式,將建筑項目的所有相關信息整合成一個可視化的三維模型,用于協調各參與方在項目全生命周期中的設計、施工和運營管理。BIM技術的應用可以減少設計錯誤和成本,增強工程項目的協同和可視化管理,同時提供了更高水平的信息共享和交流平臺,推動建筑行業的數字化轉型和智能化發展。

由于建筑組成結構復雜且壽命周期長,對其進行碳排放計算主要存在數據收集困難的問題。作為建筑的信息載體,BIM技術能為碳排放計量提供強大的數據支撐[1],將其融合于建筑全生命周期碳排放的研究中是行業發展的趨勢[2]。本文針對目前BIM技術在建筑碳排放計算領域的研究進展,從研究現狀、理論方法、工具平臺、應用價值這四個方面進行了研究成果的歸納梳理和研究難點的總結,并做了研究展望,為該領域的未來發展提供參考。

1 BIM技術在建筑碳排放計算領域的研究現狀

1.1 研究進程

2003年,BIM技術被引進國內并被廣泛應用于建筑行業。2011年,國家“十二五”發展規劃明確要將BIM作為工程建筑行業發展的重要目標。在此前,BIM僅作為建模工具,被用于3D模型設計或碰撞檢查等簡單工作,數據價值尚未被充分挖掘。

2014年,《建筑碳排放計量標準》(CECS 374∶2014)[3](簡稱《計量標準》)正式實施,該標準充分結合國際相關標準的經驗和我國建筑碳排放的特點,采用全生命周期評價方法從清單統計的角度和建筑信息模型的角度計算碳排放量。該標準首次將BIM模型和建筑碳排放計算相結合。此后越來越多的學者開始研究BIM技術在碳排放計算領域的具體應用,例如基于BIM和工程量清單的建筑產品物化階段碳排放計量方法[4],基于BIM的建筑全生命周期碳排放度量平臺[5]等,逐步推動碳排放核算的定量化和自動化。2015年,《綠色建筑評價標準》(GB/T 50378—2014)[6](簡稱《評價標準》)將建筑碳排放計算及其足跡分析納入到綠色建筑評價的創新項得分中,這為BIM在碳排放計算領域的應用提供了新的切入點。相關研究依據《評價標準》,建立了BIM技術與低碳綠色建筑評價指標體系相結合的動態融合機制,以輔助低碳綠色建筑的實施規劃[7]。在這一階段,BIM技術主要用于建筑設計階段的碳排放計算中,在建筑運營和拆除階段的應用還沒有得到廣泛推廣。

2020年,我國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標,低碳發展理念上升到國家戰略層面,BIM技術在碳排放計算領域的應用也得到了加速推進。除了在設計階段進行建筑碳排放計量,很多研究將BIM技術應用聚焦于建筑改造項目上,如應用BIM能源模擬技術探究建筑性能參數對建筑能耗與碳排放的影響,從而總結出低碳目標導向的建筑改造優化方法[8]。

1.2 影響因素

BIM技術被應用于建筑碳排放計算領域的影響因素主要有三點:建筑碳排放計算政策要求、建筑碳排放計算方法研究以及BIM技術的適用性。對這三種因素進行梳理和分析可以發現,BIM技術在建筑碳排放計算領域具有可研究性與可實踐性。

1.2.1 建筑碳排放計算政策

近年來,我國制定了各種政策和措施來應對建筑碳排放帶來的挑戰。2015年6月,我國正式發布《國家自主貢獻預案》(INDC)文件,宣布到2030年GDP碳排放強度比2005年水平降低60%～65%。2020年9月,我國在第75屆聯合國大會上正式提出2030年實現“碳達峰”、2060年實現“碳中和”的目標。此后,我國“十四五”規劃中出臺各項法律措施和財政激勵措施,明確利用數字技術提高高碳行業的能源效率,因此BIM技術正成為中國建筑業可持續轉型的關鍵工具。

為更快實現降碳減排目標,《建筑節能與可再生能源利用通用規范》(GB 55015—2021)[9]強制要求對建筑碳排放進行計算,明確建設項目可行性研究報告、建設方案和初步設計文件應包含建筑碳排放分析報告。碳排放計算從原《評價標準》中的推薦項變為強制項,可見國家正大力加強對建筑碳排放的重視。除此之外,我國也在積極推廣碳交易、碳稅和綠色金融等經濟手段。2020年12月,生態環境部發布《碳排放權交易管理辦法(試行)》并指出要建設全國碳排放權交易市場及相關制度,利用市場機制作用推動綠色低碳發展。

1.2.2 建筑碳排放計算方法

建筑碳排放計算方法相關研究在國外起步較早,形成了獲得廣泛認可的國際標準,主流計算方法有自上而下的投入產出法和自下而上的碳排放因子法。碳排放計算標準方面,國際組織發揮了重要作用。國際標準化組織(ISO)于2017年發布了首個建筑物碳排放計算國際標準—建筑物和土木工程的可持續性:既有建筑物在使用階段的碳排放指標(ISO 16745-1∶2017),在此前,商品和服務在生命周期內的溫室氣體排放評價規范(PAS 2050∶2008)、溫室氣體核算體系(GHG protocol)、日本產品碳足跡評價與標識的一般原則(TS Q 0010∶2009)等相關碳排放計算協議與標準已具有較大的國際影響力。碳排放計算模型方面,美國針對住宅和商業建筑建立了Scout模型,英國針對小型住宅和公共住宅分別建立了SAP模型和SBEM模型,日本針對獨棟與集合住宅建立了LCCM模型,而歐盟范圍內建立了CoreBee模型、Invert/EE-Lab模型、RE-BUILDS模型等[10],均已取得了較多研究成果。

近些年來,我國也陸續出臺了相關指南和標準,從國家、地區、行業層面不斷加強對建筑領域的碳排放計算流程和計算方法的規范。2014年12月,中國建筑設計研究院牽頭編制完成《計量標準》。2015年7月,國家發展和改革委員會出臺包含公共建筑運營單位在內的十個行業的企業溫室氣體排放核算方法與報告指南。2019年12月,住房和城鄉建設部發布國家標準《建筑碳排放計算標準》(GB/T 51366—2019)[11](簡稱《計算標準》),這是國內首部與建筑碳排放計算相關的國家標準,為建筑碳排放的計算及相關碳排放因子的確定提供了依據。2021年3月,中國建筑材料聯合會發布《建筑材料工業二氧化碳排放核算方法》。2021年12月,廣東省住建廳發布《建筑碳排放計算導則(試行)》。此外,也有研究提出建立適用我國國情的建筑碳排放模型,如用于碳排放總量控制的CBCEM模型、用于碳排放達峰預測的LBNL中國終端能源模型等[10]。

無論是國外還是國內,通過標準規范的建立和相關研究的運用推進,建筑碳排放計算方法日漸成熟,為BIM技術在建筑碳排放計算領域的結合應用奠定了理論基礎。

1.2.3 BIM技術的適用性

建筑信息模型是未來建筑實踐中的關鍵組成部分,BIM技術在生產力和可靠性方面的優勢已得到廣泛認可。BIM技術在建筑碳排放計算領域的適用性主要體現在以下方面。

首先,BIM技術致力于實現從項目前期策劃、設計、施工到運營維護、拆除等全生命周期不同階段的集成管理,而建筑碳排放計算也需要考慮建筑全生命周期的各個階段,具有時間維度上的一致性。其次,BIM技術具有很強的數據集成能力,BIM技術的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型,利用數字化技術,為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。建筑碳排放計算需要建筑全生命周期的大量數據,而BIM模型可以利用數字化方式,準確提供建筑位置、構件屬性、建材特征等豐富數據資源,滿足建筑碳排放計算的參數需求。最后,BIM技術可以兼容生命周期評價方式、碳排放測算方法等[12],提供貫穿建筑全生命周期的信息綜合和數據管理平臺,以實現建筑全生命周期各階段全過程的碳排放跟蹤和控制。

2 BIM技術在建筑碳排放計算領域的理論方法

2.1 確定基于BIM的碳排放計算邊界

建筑碳排放計算邊界的確定需要包含時間和空間兩個維度,時間上主要考慮建筑在全生命周期的哪些階段產生了碳排放,空間上主要考慮各階段的碳排放分別來源于哪些因素。當前研究對建筑碳排放空間維度的界定尚未形成統一,而時間維度上的各階段BIM技術應用方法和結合程度存在差異。

在時間維度上,一般將建筑全生命周期碳排放劃分為生產階段、運輸階段、建造階段、運行階段、拆除階段五個部分,即建筑從“搖籃到墳墓”的過程,少部分研究會再考慮回收階段[2,13],即建筑從“搖籃到搖籃”的過程。其中,基于BIM技術的建筑運行階段碳排放研究最為成熟,計算途徑相對統一。而由生產階段、運輸階段、建造階段構成建筑的物化階段,即建筑從“搖籃到完成施工”的過程,在BIM模型的應用方法上一般會與運行階段有所區分。此外,也有研究將BIM技術專門用于建筑材料、預制構件、施工現場等單一對象或場景的碳排放計算。

在空間維度上,我國的《計算標準》已對各階段的碳排放計算內容進行了明確定義,如表1所示。但在BIM的結合應用過程中,不同研究對于同階段的碳排放計算對象的選擇不同。在生產階段,一般考慮建筑所投入的不同類型的建材產生的碳排放,部分針對性研究會對建材生命周期的組成階段做具體計算[14]。運輸階段通常計算各類建材運輸工具所產生的碳排放。在建造階段,有研究僅考慮施工機械產生的碳排放,也有研究額外考慮該階段的人工作業消耗、現場辦公活動的設備消耗[15],或將運輸階段的碳排放并入建造階段[16]。運行階段需要考慮暖通空調、照明、供水、供電等能源設備的碳排放,也有研究僅選擇能源消耗占比較大的暖通空調和照明設備進行碳排放計算[17-18]。拆除階段主要考慮機械設備的碳排放。在整體考慮物化階段的研究中,一般將建筑碳排放計算對象劃分為人、材料、機械三個部分。

表1 《計算標準》中各階段的建筑碳排放計算內容[11]

2.2 選定基于BIM的碳排放計算方法

當前國內外研究中認可程度較高的碳排放計算方法主要有三種,分別為碳排放系數法、質量平衡法和實測法。其中,式(1)為碳排放系數法,即將不同資源的活動數據與對應的碳排放因子相乘,以得到該資源的碳排放量。相比于其他兩種方法,碳排放系數法適用尺度全面、操作流程簡單,在建筑碳排放計算研究方面應用較廣。

Em=AD×EF

(1)

式中:Em為溫室氣體排放量;AD為活動數據;EF為排放因子。

基于碳排放系數法,多數研究側重于如何借助BIM模型高效提取各階段的資源活動數據,再通過公式計算得到碳排放預測值或核算值。少數研究則采用布設傳感器的方式,將實時采集到的設備能耗數據轉化為碳排放,并與BIM模型進行自動關聯,建立建筑數字孿生模型[19]。相比之下,后者更能發揮BIM模型優勢,能夠實現建筑碳排放的實時監測及空間統計,但該方法目前僅適用于運行階段。

無論采用何種方式,都需要先建立有效的BIM模型,模型精度等級在LOD300及以上[13]。建模前應進行需求分析,并按結構對建筑工程進行分解以清楚模型組成成分[14],建模時既要確保模型的組成構件的位置、形狀、尺寸、材質等幾何參數準確表達,也需要正確處理構件之間的連接關系[14],使模型包含的信息量至少達到施工圖設計完成時的信息量水平。

2.3 基于BIM模型的數據提取

數據提取可以直接借助既有建模軟件或插件功能對建好的BIM模型直接進行操作,考慮到模型表達的統一性和合規性,也可以將BIM模型轉化為IFC模型,再經算法調用或工具開發提取所需數據。

數據提取的基本單元主要分為構件、建材、分部分項工程三類,其中按構件提取的方式較為普遍,按建材提取的方式僅適用于生產階段的計算。BIM模型數據提取的方法可以總結為以下四類:

(1)直接從BIM模型中提取原始數據。BIM模型的原始數據主要指模型的幾何屬性信息及其他基本信息,包括構件名稱、構件編碼、構件尺寸、構件材質等,一般以清單明細的形式體現。提取到的原始數據僅能體現建筑構件的使用量,需要與各階段的材料、能源等資源信息進行匹配換算,才能獲得碳排放計算的關鍵數據。

(2)先在BIM模型中附加參數再提取數據。通過在BIM模型中添加碳排放活動數據計算有關的非幾何屬性信息,如材料運輸設備及距離、施工機械類型及用量等,再對模型進行統計,由此省去人工匹配構件用量與資源的環節,提高活動數據的計算效率。例如可以在Revit軟件中將相關碳排放計算參數以共享參數或項目參數的方式添加到模型中成為屬性,再根據具體建筑項目內容對這些屬性賦值。此外,也可以對碳排放系數進行綜合計算,直接在BIM模型中為構件附加碳排放因子[20]。采用該方法需要注意參數附加對象的選取,是針對單一構件還是針對某種構件類型,或是同一區域的所有構件。

(3)將BIM模型與外部數據庫關聯。關聯數據庫在本質上也是對模型構件的參數進行擴展,但與附加參數不同,該方法無需增加模型的數據量,有助于BIM模型的輕量化。在現有研究中,關聯的數據庫主要為能夠直接提供人工、材料、機械單位消耗量的工程定額庫,或通過實際記錄建立的材料參數數據庫、加工參數數據庫、運輸參數數據庫、施工或裝配參數數據庫等[21],以及碳排放因子數據庫。一般情況下,需要預先規定構件的編碼體系,為模型中的每一個構件添加唯一編碼,使前兩種類型數據庫中的參數信息能夠與構件一一對應[22-23],在此基礎上可以再增加與碳排放因子的數據關聯。

(4)將BIM模型轉化為具有分析功能的模型。該方法被廣泛用于建筑運行階段的能耗計算中。將BIM模型轉化為BEM模型,通過在能耗分析軟件或插件中進行相關參數設置,直接對建筑各系統各設備的運行能耗進行預測或評估,從而得到運行階段的能耗清單。該方法也可以用于獲取物化階段的人、材料、機械消耗量,類似于工程造價計算,將BIM模型導入到計價軟件中轉化為工程量模型,基于建筑的分部分項工程量和措施項清單直接得到各類建材總量、施工機械臺班量等數據[5,24]。

2.4 基于BIM模型的參數擴展

結合對建筑全生命周期各階段的碳排放因素分析,在數據提取上對BIM模型進行相應的參數擴展,不僅有利于提高建筑碳排放計算的速度和可信度,也有助于建筑數據在利益相關者之間的流通和共享,增加信息的重復利用率[12]。

BIM模型的參數擴展一般通過族文件共享參數設置、IFC實體屬性擴展、關系型數據庫信息關聯等多種方式實現。根據參數的準確度要求和獲取的難易程度不同,部分數據可以直接從統計年鑒、標準規范、設計圖紙、施工組織設計等既有文件資料中摘取,部分數據則需結合實際情況通過走訪、實地測量等方式收集。

BIM模型的自身參數體現了建筑的物理屬性和幾何特征,而附加參數主要反映建筑的功能屬性和活動特征。對于生產階段,由于主要考慮建材的消耗量,只需對模型構件自身包含的材料組成和用量的相關參數進行計算統計,必要時附加材料密度、材料損耗率等信息。運輸階段一般需要對BIM模型附加運輸設備屬性、運輸距離等參數進行統計。拆除階段主要統計擴展機械設備屬性、設備工作時間等參數。

相比之下,建造階段和運行階段附加參數的類型比較多樣,但本質上都是作為能夠計算各種資源活動數據的基礎數據。針對建造階段,有研究直接對BIM模型附加包括施工人員數量、工種、工日等的人員信息以及包括施工工藝和施工機械設備屬性的施工信息[25]。為使計算結果更貼近實際,有研究結合建筑施工過程,運用系統仿真理論,將離散仿真模型與BIM模型進行集成,從而為BIM模型附加各施工環節的時間參數等信息[1]。針對運行階段,有研究對模型附加設備功率、使用時間、設備相關實測數據等參數[26],也有研究附加氣象數據、建筑熱工參數等信息[17]。

對于將生產階段、運輸階段、建造階段作為整體考慮的建筑物化階段,為克服BIM模型工程量清單僅有材料用量和施工構件的統計單位不可直接用于計算這兩方面的局限性[27],許多研究利用工程定額進行參數擴展,以定額為中間轉換物將分項工程量轉化為人、材料、機械的消耗量[23]。

2.5 研究難點

對于目前BIM技術在建筑碳排放計算領域的理論方法方面的研究尚存在以下的問題和難點:

(1)對于建筑碳排放空間維度上的界定尚未形成統一。由于對各階段碳排放的計算范圍和計算內容尚未形成共識,會造成各研究在同階段對BIM模型附加的參數內容不同,且難以對不同方法下的建筑碳排放計算結果的準確度進行比較評估。

(2)BIM模型的應用方式存在階段差異且均需要改進。目前運行階段和全生命周期其他階段分別采用兩種資源消耗的統計方法,尚未有統一的BIM應用方法貫穿建筑碳排放的全生命周期。前者的計算模式相對成熟,基本能夠實現半自動化,但仍需提高BIM和BEM模型交換格式之間的兼容性[28]。而后者的計算仍需要較多的人為干預,在計算過程中需要注意建筑構件量與建筑用量的區別[14],提高算量的準確性。

(3)BIM技術的功能特性尚未得到充分挖掘。目前的理論方法研究主要對BIM模型的數據統計和信息集成功能進行利用,如何充分發揮BIM技術的可視化、協調性等其他優勢,以提高建筑碳排放計算效率,是待解決的技術難點。

3 BIM技術在建筑碳排放計算領域的工具平臺

運用BIM技術實現建筑碳排放計算,主要分為BIM模型建立和BIM模型使用兩個環節。目前,模型建立主要依賴于現有的BIM建模工具完成。如圖1所示,模型使用方面主要有三種技術途徑:1)通過建模工具提取相關模型數據后,采用人工處理或程序算法進行建筑碳排放計算;2)使用具備運算功能的軟件或插件直接對BIM模型進行碳排放的直接或間接計算;3)構建集成建筑碳排放計算與分析等多項功能的第三方平臺或系統。

圖1 建筑碳排放計算的BIM工具應用途徑

3.1 BIM建模工具

采用BIM建模軟件建立精細化的建筑信息模型,是運用BIM技術實現建筑碳排放計算的前提。在建筑碳排放計算研究中,常用的建模軟件主要有Revit、ArchiCAD、Bentley等。

Bentley的優勢在于,其可以支持形態比較復雜的曲面形式,能夠記錄模型修改的過程,但主要用于基礎設施建設、工業設計、海洋石油建設、廠房建設等項目[29]。ArchiCAD操作簡便且擁有豐富的參數化圖庫部件,但該軟件不適用于大型項目的建模。與前兩者相比,Revit的使用程度較高。Revit具有非常強大的族編輯功能且能夠實現參數化建模,能為用戶提供API接口以進行軟件功能的二次開發。此外,該軟件具有強大的數據連接和數據傳遞功能,可以實現模型整體更新和多專業協同設計[29],為后續進行碳排放計算奠定更完整的數據基礎。

3.2 人工處理與算法處理

在早期基于BIM的建筑碳排放計算研究中,主要依靠人工方式處理BIM模型數據。部分研究為追求計算的精度,會結合程序算法輔助。在BIM模型建立后,利用建模軟件功能以清單明細表的形式提取到構件的屬性信息,再通過人工或算法程序對得到的數據進行分析和選取,結合其他數據源提供的參數信息完成碳排放計算。該方法優勢在于計算過程清晰透明,但計算過程復雜,需要花費較高的人力資源成本。

人工處理大多輔以Excel電子表格完成,Shin和Cho[30]提出了基于Excel的工作表框架,通過導出數據與計算對象的映射關系實現建筑碳排放計算。在算法處理方面,遺傳算法(GA)、支持向量機(SVM)、反向傳播神經網絡(BPNN)、極限學習機(ELM)等機器學習算法[31]因其具有較強的處理復雜問題的能力,被廣泛用于碳排放預測中。Wen和Yang[32]提出了基于改進雞群優化(ICSO)的支持向量機(SVM)來預測上海的住宅碳排放?，F有相關研究表明應用智能算法優化預測模型的內部參數可以提高碳排放的預測能力和準確性[33]。

3.3 軟件插件的使用與開發

運用BIM軟件或插件擴展模型參數、提取模型信息、計算關鍵數據,是目前基于BIM的建筑碳排放計算研究在模型使用環節最常用的手段。該方法的優點是可以提高碳排放的計算效率,且在計算過程中不易受到模型數據更新的影響。但在軟件使用上可能會受到BIM模型兼容性的限制,而軟件插件的開發過程需要耗費一定的時間和人力。

目前,已有許多具備建筑碳排放相關運算功能的商業化軟件產品被運用在研究中。如表2所示,本文列舉了其中使用度較高的19款軟件插件,進行了類型、性能、適用階段、插入BIM軟件形式等方面的對比。

表2 建筑碳排放計算商業化軟件插件

在建筑碳排放計算功能上,軟件插件可以分為直接計算和間接計算兩種。直接計算指通過軟件直接獲取建筑碳排放數值,間接計算指通過軟件獲取資源活動數據,需與排放因子匹配再得到碳排放量。相比之下,目前能夠實現直接計算的商業軟件較少,例如ArchiCAD的Ecodesigner和Sefaira兩個插件。大多數研究主要采用相對成熟的具備間接計算功能的軟件插件。部分研究結合能源排放因子,通過BIM模型到BEM模型的gbXML格式轉換,運用Design Builder[34]、Ecotect[35-36]或Green Building Studio[15,37]計算運行階段建筑能耗產生的碳排放。部分研究運用GFC算量插件得到建筑物化階段和拆除階段的人、材料、機械的消耗量[16,38]。也有研究將原始模型轉為IFC模型,提取必要數據后再集成到SimaPro計算建筑碳排放量[39]。

由于既有商業軟件在使用場景和計算功能上的局限性,一些研究聚焦于軟件或插件的開發,已實現更完整詳細、更具目的性的建筑碳排放計算。例如,王豫婉和徐夢熊[40]利用Revit的API進行建筑碳排放預測軟件的開發,使設計人員能夠根據反饋信息調整建筑設計方案。Alwan和Jones[41]將ICE數據庫中建筑材料的隱含碳和密度數據集成到BIM模型中,開發名為pycab的軟件,能夠實現建筑材料的碳份額計算并提供低碳材料替代方案。

3.4 平臺和系統的搭建

構建第三方BIM平臺或系統,是BIM技術在建筑碳排放計算領域的另一種應用。相較于軟件插件,平臺系統的功能更加強大,除了碳排放計算功能之外,可根據使用需求集成碳排放管理功能,用于預測、監測、評價、方案選擇、協同管理等,且能夠實現模型的輕量化,但其在設計和開發上會具備更大的難度。

已有部分高校企業發布了與建筑全生命周期碳排放計算分析相關的平臺,例如東南大學的“東禾”、禾筑數字的“碳中禾”等,但在與BIM技術的結合應用方面仍待完善。在學術領域許多學者從不同的角度提出了基于BIM的平臺或系統的設計架構和理論框架。例如歐曉星等[5]提出了包含BIM模型構建、BIM模型分析、碳排放計算等功能在內的建筑全生命周期碳排放度量平臺設計,汪振雙等[42]結合BIM技術與云技術設計了施工進度、成本、碳排放一體化的項目管理平臺。雖然目前已有少數研究基于理論研究完成了相關平臺或系統的開發和應用,但由于各地區的碳排放系數存在差異,建筑工程建造過程較為分散,在擴大平臺覆蓋階段和適用場景上仍需要深入的研究。

3.5 研究難點

對于目前BIM技術在建筑碳排放計算領域的工具平臺方面的研究尚存在以下的問題和難點:

(1)專業建筑碳排放分析工具和平臺較少。目前市場上能耗分析軟件居多,這些軟件雖然能提供建筑碳排放量,但大多只是提供數值的一次性評估[43],無法進行可持續決策的迭代評估。而適用于建筑全生命周期的碳排放計算分析平臺的建立需要大量技術集成,開發難度較大且開發周期較長。

(2)BIM工具間的互操作性有待提高。不同專業的建模軟件之間、建模軟件與算量軟件或能耗分析軟件之間都可能存在互操作性問題,由于BIM模型格式的不兼容出現數據的丟失與錯亂。而以IFC等兼容性較高的開放數據格式進行建筑碳排放計算工具的開發,或能成為解決該問題的突破口。

4 BIM技術在建筑碳排放計算領域的應用價值

4.1 設計階段

在設計階段,BIM技術在建筑碳排放計算領域的應用主要集中于可持續性評估與決策,研究具體可分為三類。

第一類是基于已有的建筑可持續發展評估方法(BSA),將BIM作為數據提取、模擬、預測及計算的工具,優化建筑可持續性評估的過程,提高評估效率。BSA法通常對擬建建筑的部分特征(如地理區位、建筑材料、能源消耗、空氣質量、溫室氣體排放等)依據有關標準開展評估,并將評估結果匯總為環境評級或可持續性得分,其中應用最為廣泛的有英國建筑研究機構(BRE)提出的BREEAM方法、美國綠色建筑委員會(USGBC)創立的LEED認證系統和國際永續建筑環境促進會(iiSBE)開發的SBTool評價系統[44]。傳統的BSA法通常需要準備大量評估材料,評估程序耗時長,容易與項目設計截止日期發生沖突,一旦設計方案發生變更,又必須再重復全部評估程序,為設計師執行可持續性評估帶來不便。BIM技術的應用為解決這一問題提供了可能性,BSA法所需的部分信息可以直接或間接地由BIM軟件提取或模擬得到,模型數據的自動更新也將簡化評估程序的重復過程,極大提高了可持續性評估的效率[45]。將BIM與SBToolPT-H[45]、LEED等[46]BSA法予以集成,通過開發的插件訪問BIM工具及其庫的API來計算建筑的可持續性得分,可實現建筑可持續發展評估的自動化。

第二類是在設計階段對擬建建筑的全生命周期碳排放進行預測,或對其能耗進行模擬,幫助設計師獲取建筑方案碳排放數據和能耗水平,以此指導和優化低碳建筑設計。在設計早期使用BIM工具對建筑進行能耗分析模擬,有助于幫助設計師確定更為合適的建筑形狀、面積、體積、層高等概念化的建筑設計元素,以提高建筑的能源性能[47]。在建筑形狀外觀已經確定的設計中后期,可以用BIM工具模擬墻體和屋頂材料、窗墻面積比、建筑朝向等條件變化下建筑的不同能耗水平,指導設計師優化設計方案[48]。

第三類重點關注建筑碳排放與建造成本之間的關系。在低碳建筑設計中,不同方案的節能效果與建造成本不盡相同,優秀的設計方案在有效控制建筑能耗的同時也應當將成本控制在合理的范圍內,滿足業主的成本要求。由BIM軟件導出的工程量清單不僅可以用于預測建筑碳排放,也同樣可以用于建筑成本的估算,由此可以比較不同設計方案碳排放和成本之間的差異。如Eleftheriadis等[49]提出了一種面向鋼筋混凝土結構成本和碳排放優化的綜合設計方法,采用BIM集成優化方法同時評估鋼筋混凝土結構的成本和碳性能,以尋求用最低成本優化建筑碳排放。

4.2 物化階段

相比于CAD等傳統計算機輔助設計工具,BIM以其豐富的數據庫能夠提供擬建建筑在物化階段的資源消耗信息,能實現該階段的碳排放預測計算,為施工單位優化施工計劃和低碳施工的預控創造了可能[50]。

在建材及構件的生產運輸階段,將BIM技術與GIS技術[51-52]、WMS[53]進行集成開發,可以自動識別建材數量及建材運輸的行程路線,以計算運輸成本和運輸碳排放,并預測物料抵達現場的時間,為可持續建材供應鏈管理提供支持。

在現場施工建造階段,利用BIM提前進行碳排放量預測,可以為建筑材料和施工設備的選擇提供環保指導。Sun和Park[54]基于Revit軟件對部分隧道進行建模并計算碳排放,結果表明水泥處理基礎、混凝土襯砌、排水道和混凝土板的碳排放費用占比最高,故可優先采用低碳材料;而在主要施工機械設備中,自卸車的碳排放費用最為突出,故可采用減少土方量、設計合理施工路線等措施來減少碳排放量。

4.3 運營階段

目前BIM技術在建筑運營階段碳排放計算領域的研究主要集中于對既有建筑進行節能優化和翻新改造。相較于傳統的節能優化方法,BIM技術以其可視化功能和更強的可操作性,通過在模型中任意改變建筑外觀和材料,可以快速得到新方案的模擬能耗水平,從而選出最優方案[18]。翻新改造方面的研究可以簡單概括為“采集→判斷→整改”三個過程。

“采集”指的是收集既有建筑有關資料的過程,一般包括建筑圖紙、維修記錄、檢查報告、能源賬單等[55],并在此基礎上完成對既有建筑的BIM建模。視建模方法的不同,分為按照正向設計圖紙建立的BIM竣工模型[8]和通過激光掃描逆向建模形成的數字孿生模型[56]。

“判斷”指的是發現既有建筑存在的問題的過程,具體方法有三種:1)直接對BIM模型采用性能分析軟件進行能耗分析,或從模型中導出清單數據后基于碳排放系數法計算其運營階段碳排放[57];2)采用傳感器、致動器對建筑進行能源監控,并基于BIM和語義方法實時分析建筑能源數據[58];3)基于既往建筑改造案例構建建筑病理數據庫,從目標建筑IFC模型中讀取參數信息,并使用機器學習算法自動診斷結果[59]。

“整改”指的是針對發現的問題提出相應的改造方案,并借助決策理論對改造方案進行評價和選擇。將BIM技術應用于既有建筑改造方案的決策有益于人本理念的體現。在BIM可視化功能的支持下,住戶可以更直觀地判斷各個改造方案對日常生活的干擾水平,從而在改造收益大小與便利程度之間進行權衡,選擇最滿意的方案[60]。

4.4 拆除回收階段

目前有關BIM技術在建筑拆除階段應用的研究較少,主要關注建筑拆除后廢棄物處置過程中產生的碳排放?；贐IM模型分析建筑廢棄物碳排放,可以比較回收不同材料的廢棄物所能帶來的環境效益和相應的處置成本,幫助回收商針對不同材料廢棄物選擇合適的處理方法,從而制定經濟有效的回收方案[61]。

4.5 研究難點

對于目前BIM技術在建筑碳排放計算領域的應用價值方面的研究尚存在以下的問題和難點:

(1)除設計階段外其他階段的研究方向較為單一?，F有研究主要著眼于BIM技術在建筑設計階段碳排放計算成果的應用上,而忽視了對其他階段的研究,尤以運營階段的研究方向重合度較高。

(2)缺少貫穿建筑全生命周期碳排放的BIM應用理論。目前學術界多著眼于特定的生命周期階段對BIM技術在碳排放計算上的應用展開研究,尚未形成完整的系統理論或服務全過程的應用平臺。例如可以結合編碼體系及相關跟蹤技術,以構件等建筑元素為研究對象單元,將BIM技術在不同生命周期階段碳排放計算上的應用有機關聯,以服務更多的利益相關者,促進碳排放協同管理。

5 結論及展望

5.1 結論

BIM技術的自身優勢使其適用于建筑碳排放計算領域的研究,愈加嚴格的降碳減排政策要求和日漸成熟的碳排放計算方法,也促使該領域的研究不斷被挖掘和推進。通過整理歸納本文主要內容可以得出當前BIM技術在建筑碳排放計算領域研究應用的主要內容框架,如圖2所示。

圖2 BIM技術研究框架

基于研究框架對BIM技術在建筑碳排放計算領域研究進展進行探討可以得出:1)在理論方法研究方面,需要進行計算邊界的確定和計算方法的選定,主要研究如何對BIM模型進行相關數據提取,從而滿足排放系數的計算數據需求?，F有的BIM模型數據提取方式主要有四種,在此過程中對模型進行各階段的碳排放相關參數擴展,有利于提高計算的效率。目前在理論方法上主要存在建筑碳排放空間維度上的界定尚未形成統一、BIM模型的應用方式存在階段差異、BIM技術的功能特性尚未得到充分挖掘等研究難點。2)在工具平臺研究方面,首先依賴相對成熟的建模工具完成BIM模型建立,再根據研究需求采用相應的技術方法使用模型進行碳排放計算,現有的技術方法可以分為人工處理及算法處理、軟件插件使用開發、平臺系統搭建三種,在目前研究中主要存在專業建筑碳排放分析工具和平臺較少、BIM工具間的互操作性有待提高等研究問題。3)在應用價值研究方面,主要體現在設計階段的可持續性評估與決策、物化階段的施工方案的低碳控制、運營階段的建筑節能優化和翻新改造、拆除回收階段的廢棄物處置等,在目前該研究方面主要存在大多數階段研究方向單一、缺少貫穿建筑全生命周期碳排放的BIM應用理論等問題和難點。

5.2 展望

為充分利用BIM技術在建筑碳排放計算領域在理論方法、工具平臺、應用價值等研究方面的優勢,克服當前研究中的問題和難點,從而使建筑碳排放計算手段更加精準化、智能化、體系化,碳排放計算成果能夠更好助力建筑行業碳管理、碳減排、碳交易工作的推進,既需要加強BIM技術與其他信息化技術的深度融合,也要注重數據信息管理的規范和完善。

在數字技術融合上,可以將先進的云計算、大數據、物聯網、人工智能以及各種XR技術(VR、AR和MR)等信息化技術充分結合運用于建筑碳排放計算領域,為BIM技術的延伸拓展帶來更多的發展方向和延伸空間。例如,基于BIM與云計算來實現不同階段各參建方之間的信息交流和協作管理,基于BIM與物聯網進行物理建筑環境的實時監測和調控,基于BIM與虛擬現實增強建筑碳排放數據的可視化管理,融合大數據技術增加多種建筑數據信息的可研究性,運用人工智能技術實現BIM碳排放數據的智能化分析等,從而幫助參建者進行決策和管理,不斷滿足建筑領域碳排放控制的數字化發展需求。

在信息管理完善上,從行業規范角度出發,需要建立符合應用場景和區域特征的建筑碳排放標準化計算方法和BIM應用流程,重視對行業從業者的培訓指導,使其在積極運用BIM技術進行建筑碳排放評估、監測、核算、管理時達成共識。從技術環境角度出發,需要統一數據源,建立完善碳相關的共享數據庫,搭建能夠實現數據更新和共享的公共數據環境[62],這不僅能為BIM等技術的數據集成提供更好應用環境,也能打破行業內相關研究之間的信息孤立,全面提升建筑全生命周期各階段各環節的碳排放管理效率。