恒煊娱乐-挂机基于 BIM 的建筑低碳设计 摘要： 在发展低碳经济的道路上，建筑的“节能”和“低碳”注定成为绕不 开的话题， 目前低碳建筑已逐渐成为国际建筑界的主流趋势。 随着 IT 技术的不断 发展以及 4D/ND模型、建设工程生命周期管理、建筑信息模型等理论研究的不断 发展和深入，将建筑碳排放量的计算方法融合到 BIM模型中，通过参数修改进行 比选，达到低碳的建筑设计，实现建筑全寿命周期的绿色低碳。 关键词： BIM 建筑低碳 生命周期评价 清单分析 Abstract: In the economic development of low carbon, the features of energy a ND low carbon in building are destined to important topics, a ND currently, low carbon architecture has become the main trend of international construction. With the continuous development of IT technology, 4D/ND model, lifecycle management of project, the theory research of construction information model, the calculation method of carbon emissions is inserted into the BIM model, through parameters modification, to achieve low carbon architectural design, to realize green low carbon in the life cycle of building. Key words: BIM a low carbon Building Life cycle assessment List analysis 1 目录 1. 绪论 2 1.1 相关研究综述 2 1.1.1 对 BIM 的研究综述 2 1.1.2 对低碳建筑的研究综述 3 1.2 本文的研究思路 3 2 BIM 及其应用 4 2.1 BIM 的涵义 4 2.2 BIM 的特点 4 2.3ND 模型—— BIM （建筑信息模型）的延伸 6 3 基于 BIM 低碳建筑设计模型 7 3.1 低碳建筑的概念 7 3.2 建筑生命周期的碳排放 7 3.3 计算建筑碳排放量的模型 9 3.3.1 在 BIM 模型中建立基于生命周期评价理论（ LCA）的定量评价系统 9 3.3.2 基于过程的清单分析 10 3.3.4 影响评价 11 3.5 基于 BIM 建筑低碳设计模型的数据需求 12 4 总结 13 参考文献 14 1 1. 绪论 1.1 相关研究综述 综合相关文献，看出相关的研究还几乎没有将 BIM 与低碳进行结合的研究。 国外对这两方面的研究要早很多， 并已经有成功的案例； 我国在最近几年一些学 者开始了相关的研究。 1.1.1 对 BIM 的研究综述 最初的 BIM的概念是在 1982年， Graphisoft公司以“虚拟建筑”提出，在此基 础上开发了 ArchiCAD 软件，指出它是一个附加很多工程信息的模型数据库， 存 储了建筑设计方案的全部几何信息和对应的全部工程技术信息。 Graphisoft公司 从 1982 年开始专门研发建筑设计行业的 BIM 软件，于 1984年推出了 ArchiCAD 作 为其第一个版本。 2002 年 Autodesk 公司发布了 BLM/BIM 白皮书，正式提出建筑业信息化解 决方案的两个轮子， 即 BLM 和 BIM 。采用 BIM技术改变信息的创建过程， 由二 维 ( 2 D ）到三维（ 3D ) ，由图形（ Drawing ）到建筑信息模型（ BIM ）的转 换。随后， Bentley 也发布了 BIM 白皮书。其认为 BIM 升了建筑产业相关人员 工作与合作的模式，进而提升生产力；使传统单一人员工作转化成为团队合作， 使个别工具结合成为一套完善的解决方案， 使单一工作任务整合成流畅的工作流 程。 BIM 走向成熟的重要标志是出现了用以表示其内容的标准—— IFC （INDustry FouNDation Classes，工业基础类）标准——由国际非盈利组织 IAI （国际互操作联盟）制定的、 开放的建筑产品数据表达与交换的标准， 由 ISO 在 2005 年公布其国际标准讨论稿，使其成为主导 BIM 构建的技术标准。现在， Autodesk、Bentley、Graphisoft 等国际著名软件开发商的部分产品都支持 IFC 标 准，并已有 23 个软件开发商的产品取得了 IAI 关于 IFC 标准的认证。 随着中国建筑行业的蓬勃发展， 越来越多的国外知名设计机构、 建筑师进入 2 中国，建筑设计业的竞争压力使得国内越来越多的设计院、 建筑师开始寻找新的 CAD 技术，希望通过先进的技术改善设计质量，提高生产力。重庆大学的建筑 城规学院最早开始了国内的 BIM技术上的科研和教学。在九十年代就开始，天津 大学建筑设计研究院的一级注册建筑师张益勋先生，使用 BIM 应用软件 ArchiCAD 进行建筑设计。 在2009年 1月，清华大学的张建平等人发表了论文 《基 于 IFC的BIM 三维几何建模及模型转换》，为了满足 BIM 在建筑工程不同阶段的 应用需求，在 BIM 技术上，他们在论文中提出了一种基于 AutoCAD 图形引擎的 BIM 三维实体建模以及将其转换为表面模型的方法 [1] 。迄今为止，我国还没有研制出 基于 BIM技术的建筑工程应用软件，只是开始了关于 BIM技术的基础性研究和 IFC 推广工作。 1.1.2 对低碳建筑的研究综述 近年来国外对低碳建筑方面的研究、 探索和部署已取得实质性的进展， 这些 进展具体包括政府政策的出台执行， 资金的筹集， 群众低碳意识的普及以及各类 示范项目的完成 [2] 。值得一提的是英国最新的一个示范案例，金斯潘住宅（ the Kingspan Lighthouse）向人们展示出， 代表 “可持续住宅规范”中最高标准的 “零 碳排放住宅” （Zero Carbon Homes），即英国所有新建住宅至 2016年时必须达到 的标准。在低碳建筑的研究上， 英国一直走在前端， 开展了大量强调全面考虑建 筑节能和 CO 减排策略的科研项目，如“完整的可持续设计理念” 、“可变未来”、 2 “如何使低碳建筑设计适应气候变化” 、“建筑的碳减排研究”等。 另外对低碳建筑的建筑研究，目前开展了绿色建筑、节能建筑的认证， 英国 的BREEAM 及美国的 LEED 是实践和应用得比较早的体系，低碳建筑的评价可以 在此基础上发展 [3] 。但对于如何计算建筑物的碳排放量，除德国 2008年推出的 DGNB 可持续建筑评估技术体系外， 目前还没有其他更为科学、 专业的计算方法。 1.2 本文的研究思路 借鉴 BIM 、低碳建筑的相关文献，基于 BIM 是集成建筑工程项目各种相关信 息的工程数据模型，对工程项目相关信息详尽的数字化表达的特点，在 BIM技术 3 和建筑能耗分析、目前建筑 ND模型的研究的基础上，根据当前低碳经济的发展 要求，结合建筑碳排放的计算和评价模型， 本文提出了基于 BIM的建筑低碳设计。 2 BIM 及其应用 2.1 BIM 的涵义 建设工程信息化—— BLM 理论与实践丛书中对 BIM （Building Information Mode）的定义是： BIM 以三维数字技术为基础，集成建筑工程项目各种相关信 息的工程数据模型， 对工程项目相关信息详尽的数字化表达。 其结构是一个包含 有数据模型和行为模型的复合结构。 它除了包含与几何图形及数据有关的数据模 型外，还包括与管理有关的行为模型， 两者结合通过关联为数据赋予意义， 因而 [4] 可以模拟真实世界的行为 。不同的组织和研究机构对 BIM 有不同的理解和定 义，但 BIM 定义中不外乎包含以下两个特点： （1）对建设工程信息的界定，它包含了设施的物理和功能特性及其相关的 项目生命周期信息， 涉及到了建设工程全过程各个方面的项目信息， 不仅仅局限 于狭义上的建筑物三维模型几何信息； （2 ）对建设工程一种可计算／可运算的形式表现，强调了对信息完全数字 化的要求， 这也是它从根本上不同于以往的信息技术应用， 可以使信息化在建筑 行业得以深入发展的一个关键。 2.2 BIM 的特点 建筑信息模型 BIM 具有以下特点： （1）以建筑单元为基本对象。 建筑信息模型 BIM 采用关联性来描述建筑单元，以墙、窗、梁、柱等建筑构 件为基本对象 (见图 1),而不是 CAD 中的点、线、面等几何元素 ,并将建筑单元的各 种真实属性通过参数的形式进行模拟 ,进行相关数据信息描述 [5～6] 。在建筑信息模 4 型中 ,建筑单元可以模拟除几何形状外的一些非几何属性 ,如材料信息、造价信息、 设备信息等等。 图1 建筑信息模型的墙、窗、粱、柱等基本单元 （2 ）建筑信息文档生成、修改、维护简单 ,关联修改可自动避免二维图纸设 计过程中平、立、剖面之间可能产生不一致的错误。 （3 ）支持各学科 (专业 )在同一数据平台的协同工作。 它基于 IFC标准，是建筑生命周期各种信息的集成 ,基本前提是为土木建筑建 造过程中的不同参与者之间提供相互协作， 方便地对数据信息进行更新或修改等 处理。因此，BIM 是基于开放标准 (IFC) 的、用于相互协作的共享数字式信息描述 模型。 （4 ）具有强大的可视化展示及分析功能 ,可以清晰分析设计过程中可能产生 的问题。 由于设计工作是一个反复修改的过程 ,通过 BIM 可将结构分析和计算从模型 的建立、计算的实施到结果的输出中所涉及的大量数据转换成图形或图像 ,直观 地显示在计算机屏幕上 ,让设计者能方便分析计算结果的正确性与合理性 [7～8] 。 5 2.3ND 模型—— BIM （建筑信息模型）的延伸 ND 的定义： ND模型是建筑物信息模型的延伸， 它包括建筑设施全寿命各个 阶段所需的多方面的设计信息。 ND 建模工具通过使用交互性的数据标准，基于标准 ICT(Information aND Communications Technology)的多学科建筑物设计和分析应用软件来实现 ND 模 型。 ND 即是在 3D模型的基础上，加上成本、进度等参数，使之成为多维计算模 型。该模型可以描绘整个设计和施工过程， 使用者能够看到和模仿整个项目建设 过程，是工程项目集成化管理的最终体现（见图 2）。 从BIM 模型功能的角度来看（表象） ：仅实现了“基于 3D、所见即所得”的 设计功能，除此之外没有整合其它扩展功能，如结构分析、能量分析、费用计算 等。为此，如何将大量非直接的、 与模型图元相关联的各种扩展数据整合到信息 模型中，逐步实现 4D 、5D,, ，直至形成完整的、唯一的、 “包罗万象”的 ND 建筑信息模型，将是未来建设工程信息化发展一个主要的、有代表性的方向。 对 基于 BIM 的低碳建筑设计的研究也正是基于这方面而开展的研究。 以CAD 为基础的 建筑模型 成本预测 计算 支持 BIM 技术的 其他专业软件 能耗计算 施工优化 基于 IFC实体模型 分析 建筑数据 支持 BIM 技术的 工程安全 成本预测数据 其他专业软件 分析 能耗计算数据 工程耐久性 支持 BIM 技术的 分析 其他专业软件 工程信息资 源利用计算 以对象为基础的 其他建筑模型 图2 基于 BIM的应用 6 3 基于 BIM 低碳建筑设计模型 最近召开的哥本哈根会议 （COP15 United Nations Climate Change Conference Copenhagen 7－18 Dec 2009）指出应尽快减少碳排放总量，确保全球平均温度的 升幅不超过两摄氏度。 再一次使全球气候变化成为公众关注的焦点。 而由此引发 的一系列政策变革， 及其对国际一体化和区域间合作的冲击， 也必然影响到社会 生产和人民生活的各个层面。 考虑到建筑在人们日常生产、 生活中所起到的重要 作用，以及其在社会整体耗能和 CO2 排放总量中所占的巨大比例，节能和 CO2减 排已逐步成为今天建筑设计的重要目标， 低碳建筑已成为当前低碳经济下建筑行 业发展的一种不可逆转的趋势。 3.1 低碳建筑的概念 学界目前并没有明确的低碳建筑的定义， 至于碳排量降低到什么程度可以称 为低碳建筑，目前也没有具体的数值。 定义低碳建筑， 可以参照低碳经济等相关 概念。低碳经济是以减少温室气体排放为目标， 以低能耗、 低污染为基础的经济 模式，其实质是能源高效利用、清洁能源开发、追求绿色 GDP，核心是能源技术 和减排技术创新、 产业结构和制度创新以及人类生存发展观念的根本性转变。 低 碳建筑可以被认为是实现尽可能少的温室气体排放的建筑。依据低碳经济的概 念，我们可将低碳建筑定义为，在建筑的全生命周期内，以低能耗、低污染、低 排放为基础， 最大限度地减少温室气体排放， 为人们提供具有合理舒适度的使用 空间的建筑模式。 3.2 建筑生命周期的碳排放 至于碳排量降低到什么程度可以称为低碳建筑， 目前也没有具体的数值。 只 有通过建筑碳排放的计算， 经过不同设计方案的比选， 得到较优的低碳建筑设计 方案。为了得到建筑的碳排放计算模型， 我们必须清楚建筑的碳排放来源。 之前， 还得界定本模型考量的边界。 评判低碳建筑的模型， 实际上就是衡量建筑都已环境影响的评价。 由于在研 7 究建筑物的环境影响评价方面，比较有代表性影响的是清华大学张智慧的研究， 他应用了建筑物的生命周期思想， 将建筑看作产品系统， 认为建筑物的生命周期 包括原材料的获取、建筑材料的加工制造、建筑构件的生产、建筑物的施工、运 营使用及拆除处理的整个过程 [9] 。为此，将本模型考量的边界也定为建筑的全寿 命周期的系统（见图 3 ）。 其他系统 基本流 物化阶段 使用阶段 再循环 运营和维护 拆除装置 施工和安装 再循环 概 选 规 设 能量 ... 构配件 建筑材料 念 址 划 计 加工制造 生产 原材料获取 运输 基本流 其他系统 3 建筑生命周期低碳排放评价系统边界 建筑生命周期的碳排放是指把建筑产品的全生命周期看成一个系统， 该系统 由于消耗能源、 资源向外界环境排放的总碳量。 建筑生命周期的碳排放来源如图 4所示，包括了建筑物生命周期物化阶段、使用阶段以及拆除处置阶段的碳排放 （其中规划设计阶段不产生实物碳排放） 。需要指出的是，建筑物使用阶段的碳 排放仅由采暖、通风、空调、照明等建筑设备对能源的消耗造成，不包含由于使 用各种家用电器设备而导致的能源消耗与碳排放 [10] ，例如，使用洗衣机所消耗的 电能而产生的碳排放， 由于不是为实现建筑功能所需求的， 所以就不包含在建筑 生命周期碳排放中。 8 物化阶段 拆除处置阶段 使用阶段 建材生产 施工阶段 拆除阶段 处置阶段 碳排放 建筑材料 施工机具 采暖、通 建筑物陈 废弃物建 及构配件 产生的碳 风、空 旧破损需 筑垃圾进 在生产、 排放；施 调、照明 拆除时由 行焚毁、 制造、加 工辅助材 等建筑设 于爆破和 掩埋等处 工、搬运 料生产时 备以及修 使用施工 置时产生 过程中所 的碳排放 缮时的碳 机具产生 的碳排放 产生的碳 排放 的碳排放 排放 图4 建筑物全寿命周期各阶段碳排放来源 3.3 计算建筑碳排放量的模型 关于模型的横向评价标准即单位的设定， 用每年每平方米建筑面积的碳排放 量作为评价指标可以有效消除由于建筑物规模、 设计年限不同带来的影响， 可使 评价结果之间具有一致性和可比性。 因此，建筑生命周期碳排放的功能单位为单 位建筑面积的年碳排放量。 3.3.1 在 BIM 模型中建立基于生命周期评价理论（ LCA）的定量评价系统 1990 年国际环境毒理学和化学学会（ SETAC ）首次系统地提出了生命周期 评价概念，它将生命周期评价定义为： 一种通过对产品、 生产工艺及活动的物质、 能量的利用及造成的环境排放进行量化和识别而进行环境负荷评价的过程； 是对 评价对象能量和物质消耗及环境排放进行环境影响评价的过程； 也是对评价对象 改善其环境影响的机会进行识别和评估的过程。 生命周期评价包括产品、 工艺过 程或活动的整个生命周期，即原材料的开采、加工，产品制造、运输和分配，使 用、重新利用、维持，循环以及最终处理。 SETAC 将生命周期的基本结构分为 目标范围确定、清单分析、影响评价和改善评价四部分，其中，清单分析是最重 要的一个环节。介于此，本评价模型采用基于生命周期理论建立定量的评价系统。 9 基于生命周期评价理论 （LCA ）的定量评价方法，需要收集大量投入产出数 据，工作量大，这一点可以基于 BIM 模型得以满足。该方法因其大量的数据而 具有客观性强、可以量化， 并且可以用于项目实施前的事前控制等优点。 而且随 着数据收集方法、途径的不断完善和规范，生命周期评价将日趋成熟。 3.3.2 基于过程的清单分析 由于利用生命周期评价理论 （LCA ）的定量评价方法的基本结构分为目标范 围确定、清单分析、影响评价和改善评价四部分，其中，清单分析是最重要的一 个环节。 范围确定就是本模型所考量的系统边界但单位的确定。 通过清单分析的 结论就可以得到所计算的建筑设计方案中的建筑最终产生的总碳量， 对环境的影 响程度，在必要情况下，接着进行修改设计方案，进行清单分析，影响评价，直 至达到最佳的低碳设计要求。所以要建立基 BIM 的建筑低碳设计模型，基于生 命周期评价理论，关键是清单分析，根据前面模型考量边界的分析，可以用在 BIM 中引入基于过程的清单去分析建筑生命周期内碳排放量。 基于过程的清单分析以过程分析为基础， 将研究系统在其边界范围内划分为 一系列过程或活动，通过对单 元过程或活动的输入、 输出分析，建立相应的数据清单，并按照研究系统与 各单元过程或活动的内在关系， 建立以功能单位表示的系统的环境交换清单。 其 内容和步骤可见图 5 。 值得注意的是， 在分析建筑生命周期的碳排放清单时， 由于可再生能源的利 用（如利用太阳能发电）以及绿色植物对 CO2 的吸收作用，而对环境有正效益 的，应当折减相应数量的电能输入量和 CO 排放量。在拆除处置阶段，由于部 2 分材料的回收利用减少了原材料生产所产生的碳排放， 在清单分析中的输入部分 应折减其回收利用的数量。 10 建筑材料、构配 物化阶段 件、辅助材料、施 工机具 特 CO2 N2O 征 气 建筑设备、修缮保 CH4 化 候 变 建筑物 使用阶段 能源再生（一）、 氟氯烃 化 绿化效益（一） 氢氟烃 影 全氟化合物 响 ... 施工机具、废料回 拆除阶段 收（一） 图 5 清单分析内容与步骤 3.3.4 影响评价 计算建筑碳排放， 其本质是为了说明其对全球气候所造成的影响， 因此碳排 放分析不仅仅局限于 CO 。许多其他气体对气候变化也有一定影响 （通常远大于 2 CO2 对气候变化的影响） ，并且影响程度不同。因此，应当将所有造成全球气候 变暖的气体都纳入到碳排放的清单当中， 即便如 N2O、SF6 等不含碳的物质， 也 根据其 CO 特征当量因子将其视为“碳”排放。 2 对于碳排放量的评价，通常以产生的 CO 量来衡量。 IPCC 以 CO 气体的全 2 2 球变暖潜能（ GWP）为基准，其他气体（ CH 、CO、C 等）的 GWP 是以 CO 4 2H2 2 为基准，折算为 CO 当量来衡量。 2 建筑生命周期的碳排放即是建筑建造、 使用和拆除处置各阶段的各类温室气 体排放量与其全球气候变暖影 响潜能特征当量因子相乘所得到的总和。其公式为： 式中：GWI 为建筑物生命周期碳排放指数（ kgCO2 ）；Wij 为建筑物生命周期 内第 j 阶段（j=1 ，2，3 分别为物化、使用和拆除处置阶段）所产生的第 i 种温 室气体的重量（ kg ）；GWP 为第 i 种温室气体的全球变暖影响潜能（ kgCO i 2/kg 温室气体）；i 为温室气体的种类代号。 11 3.5 基于 BIM建筑低碳设计模型的数据需求 根据 BIM 的 3D+成本，3D+光照分析， 3D+环境分析方面的文献， 结合当前 建筑碳排放的计算方面的文献，可以建立基于 BIM 的建筑低碳设计模型。要将 BIM 与建筑碳排放的计算结合在一起，除了上述的要求外，必须解决数据融合 需求的问题，才能实现基于 BIM 的建筑碳排放量评价模型，以实现建筑的低碳 设计。 为此，首先要了解 BIM 模型的数据，从其数据来看，可将其功能分为： （1）物理数据 主要是构件的标识信息，如构件的编号、类型、特征等 ; （2 ）几何数据 主要是与构件本身定型尺寸、定位尺寸有关的数据，如长度、高度、面积、 体积等 ; （3 ）关联数据 主要是用来描述建筑构配件之间是如何相连的。 从前面 ND 模型的介绍看，基于 BIM 的建筑低碳设计也是其研究的一个方 面，也需要在 BIM 模型的仅实现了“基于 3D、所见即所得”的数据功能上整合 以下数据扩展功能： （4 ）扩展碳排放强度数据 主要是由构件功能、工法等方面产生的数据，如运输方式、施工方法（如施 工期间的碳排放强度的扩展数据可见图 6 ）、器具规格参数及维修保养的要求等； （注:此类数据主要用于碳排放量计算结果的调整） 12 构件类、构件对象 几何特征类 材料种类及要求类 功能作用类 施工方式类 施工工艺类 * 截面形状 * 材料品种规格 * 部位 * 预制 & 现浇 * 加工要求 * 截面尺寸 * 砼强度等级 * 功能作用 *... * 养护要求 * 厚度 * 砼拌合要求 *... *... * 安装高度 * 配合比 *... *... 基本子项 图 6 构件施工期的碳排放强度数据分类 （5 ）影响系数的扩展数据 主要是为得到各种温室气体的全球变暖影响潜能折算为 CO2 对全球变暖影 响潜能的影响系数（ kgCO2/kg 温室气体）。 4 总结 本文是从理论的角度来研究基于 IBM 的建筑低碳设计模型的问题，也是 ND 建模的其中一个研究角度。 从BIM 基本模型的特点出发， 在其基础上扩展相应的 结构数据， 内嵌建筑碳排放量的计算模型， 因此基于 BIM 的建筑低碳设计模型是 可行的，其中的关键技术是采用基于生命周期理论的评价模型， 即建筑的碳排放 量计算模型， 只要得到评价模型， 再修改相应的设计方案中影响建筑碳排放的参 数，就可以得到较优建筑低碳设计模型。 而重要的步骤是基于过程的碳排放量的 清单分析，从物化阶段、使用阶段、拆除阶段详细的分析子过程的碳排放量，最 后根据碳排放对环境的影响因子， 最终得出建筑队环境的影响。 但是本文提出的 模型是也只是一种参考 13 参考文献 [1] 张建平 ,张洋 ,张新 . 基于 IFC的BIM 三维几何建模及模型转换 .土木建筑工程信 息技术 [J] ,2009 [2] 赵黛青 ,张哺 ,蔡国田 .低碳建筑的发展路径研究 .建筑经济 .节能经济 [J],2010 [3] 李启明 ,欧晓星 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