[摘要] 将BIM用于建筑材料碳足迹建模，可实现对全寿命周期内的建筑材料、类型及数量的处理和较少建筑材料组合以实际工程为例，分析BIM架构下的建筑材料碳足迹计算建模技术。
建筑材料的碳排放是建筑碳排放的重要成分，进行建筑材料碳足迹计算，把握建筑材料服务于建筑的宗旨，可在满足建筑结构基础上寻找最少的碳足迹建筑材料组合。关于建筑材料碳足迹计算方法，HertwichEG等[1]根据研究对象及周边区域贸易类型等提出投入产出法并进行了细致研究;HongGang等[2]提出生命周期评价法，阐述了分析全生命周期对研究对象所有投入及产出的方法;日本更多应用产业关联分析法和生产线直接能耗统计法计算建筑材料碳足迹[3,4]。由于这些计算方法资料获取难度大、自计算时间长，亟须开发一种高效的建筑材料碳足迹计算方法。本文将BIM架构用于建筑材料碳足迹建模，借助BIM建筑信息化建模特点，实现建筑与选材结合，对全生命周期内的建筑材料进行预算，并对建筑材料类型、数量进行快速化处理。
1、BIM架构下的建筑材料碳足迹计算基础
1.1 碳足迹及其相关概念
国际上常用碳足迹的概念来量化二氧化碳及其他温室排放，其定义一种说法[5]是指用于量化特定活动、特定产业、特定地区及特定产品额二氧化碳和其他温室气体对气候变暖的贡献程度。另一种说法[6]是一项活动过程中直接或间接产生的二氧化碳量，或一个产品的全寿命周期内累计产生的二氧化碳排放量。在碳足迹计算过程中，碳足迹因子是计算碳足迹的基础参数，指生产单位产品或完成单位工作所排放的温室气体量。《联合国气候变化框架公约的京都议定书》规定了限制排放的6种温室气体即二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)。其中二氧化碳起主导作用，其含量远超其他温室气体含量。计算碳足迹时采用IPCC发布额GWP(全球变暖潜势值)，其中二氧化碳的GWP为1,计量单位为kgCO2eq。
1.2 碳足迹计算方法和原则
本文采用美国BEES软件数据研究计算建筑材料碳足迹。BEES软件是公开的，且BEES软件基于全寿命周期理论给出的材料碳排放系数，能全面系统反映建筑材料碳排放的影响[7]。计算建筑材料碳足迹在进行时，须遵循相关性、完整性、一致性、透明性、准确性原则。相关性是为保证碳排放源能准确反映建造阶段的活动;完整性则说明碳排放源在建造阶段的活动边界;一致性用于确保整个建造阶段对碳排放源活动水平数据采用一致方式进行;透明性是对每个审查路径碳排放源进行详细说明;准确性则是对碳足迹应计算准确，既不高估也不低估建造阶段的碳排放量。
1.3 BIM技术
BIM(建筑信息模型)技术是指利用三维数据建模，结合建筑工程的各项项目信息数据，在全生命周期进行信息交流和共享的技术。BIM具有信息集成的可计算性、一致性和系统性，能为建筑全寿命周期提供统一的协同工作平台，避免相互之间信息传递失真，避免出现“信息孤岛”现象。目前BIM技术在建筑业中应用广泛，如鲁班、广联达等，能快速构建建筑模型，并可依据预先设定的建筑物材料搭接扣减统计施工材料用料。本文采用AutodeskRevit软件[8]进行研究。Revit平台中的ODBC数据库可开发建筑工程量计算软件，可与CAD图纸无缝结合，转化效果好，且可为建筑提供设计、图纸及构建明细表，还可将明细表转换成Excel等格式。
2、BIM架构下的建筑材料碳足迹建模分析
2.1 案例概况
某幼儿园，建筑层数为3层，1层建筑面积550.03m2，2层600m2，3层470m2，建筑高度11m。1层为钢筋混凝土结构，2层和3层均为钢结构，安全等级为1级，使用年限70年。屋盖包括主体桁架、内外网架、侧网架;房间功能，1层是配电间、游乐场所、库房、卫生间、楼梯;2层主要是教室、办公室、空调设备间、水管间、电梯;3层是餐厅、宿舍、电梯机房、设备间、水管间等。
2.2 BIM3D建模
利用BIM中的Revit软件构建该建筑的BIM3D模型图。在设计阶段即开始使用BIM技术，可在BIM三维模型上直接添加施工阶段明确的材料，碳排放参数信息具体参数包括构件组成材料类型、各组成材料的原材料、从材料加工到施工的运输方式及距离、构件使用年限、材料的回收率、材料采购地等，并生成碳排放明细表。在明细表中确定构件材料计算公式及反映构件间搭接关系的精细化算量。进行基于Revit的BIM建模时，先需分析模型需求，再分解构件，即把建筑工程按结构进行分解，使建模人员对案例的组成成分有清晰认识。根据项目实际要求，案例模型包括车库、展厅、楼梯间、基础(承台、筏板、基坑、桩)、剪力墙、框架柱、框架梁、构造柱、次梁、过梁、圈梁等内容。依照工程案例结构空间关系构建不同构件，例如梁，通过“梁”功能，插入对应族进行创建;同时定义构件的三维空间结构形态和信息属性，即定义构件参数，运用标高、轴网构建构件参数化模型和最后结构，以构成该工程的整体三维BIM模型.
2.3 BIM架构下建筑材料碳足迹计算模型的构建
构建BIM架构下建筑材料碳足迹计算模型，先根据所需分析的建筑性能，将添加的信息即建筑材料碳排放参数加入原建筑模型中，其中建筑材料碳足迹信息以BEES软件所提供的为准。将所需材料信息添加到BIM建筑模型后进行碳足迹计算。对建筑材料碳足迹，可逐项匹配材料碳足迹因子计算。由于碳足迹因子数据库详细程度并不能覆盖所有建筑材料，因此计算时重点选取次梁用量大且对总体碳足迹影响较大的材料进行计算。图3为屋架部分模型及模型中相应建筑材料(钢)的碳排放系数信息明细表。其他部分建筑材料碳足迹计算与屋架部分碳足迹计算过程类似。
2.4 建模关键技术
2.4.1 提高BIM建模精度及效率构件包括几何信息和非几何信息，前者指构件位置、形状、尺寸等参数的几何属性，建模时既要保证构件本身参数准确，还要正确处理与其他构件的关系;后者涉及范畴广，建模人员参照项目施工建模，通过构件设置共享参数及项目等。基于Revit的BIM建模技术，原理是基于软件自带族构建快速生成三维模型，对异性结构需载入外来族文件或利用内建模型创建BIM。在BIM建模时，会产生很多属性相同的族文件，由于参数不同，建模人员需创建族文件并进行参数化。Revit软件可成立高效的协同机制工作集，建模人员能在同一工作集实现资源共享，因此建模前应先预创族文件并采用工作集方式进行BIM建模。
2.4.2 BEES对建筑材料碳足迹的计算BEES由美国标准和技术研究院研发，具有公开性，其基于全寿命周期理论给出的材料碳排放系数，能全面系统地反映建筑材料碳排放的影响，其对建筑材料碳足迹计算，流程如图4所示。绘制过程图指利用全生命周期理论对建筑材料产品制成运输到施工使用报废全过程进行碳足迹评估。根据碳足迹计算步骤，依照建筑材料属于从产品流到新的组织类型确定边界及优先重点，如波兰特水泥混凝土依据生成工艺过程确定计算边界，并将原来生产作为优先重点的方法;收集数据包括原材料生产加工阶段、制造阶段、原料运输阶段、施工阶段、使用阶段和报废阶段。在施工阶段，收集数据时BEES软件按UinformatⅡ分类标准对建筑材料分类时，综合考虑了建筑材料形成的构件的彼此关系包括力学要求等，方便设计人员选择材料时快速地进行标准设计，选择建筑材料时也要依据这些标准要求进行整体考虑。
2.4.3 利用Revit软件测算建材碳排放的关键利用Revit软件建立碳排放基本模型时，该软件中的建材消耗量是指建筑构件量，与建筑用量不同,原因在于建筑构件通过相互之间搭接行程，需用工程量计算规则界定建材用量;而用Revit软件计算建材碳排放的关键则是准确计算建材所形成的构件工程量，采用BEES中的功能单位。Revit软件计算工程量是基于软件导出的ODBC数据库实现的。Revit模型中所有的数据均分类存放于ODBC数据库中，ODBC数据库与造价软件通过API接口联通获取模型中的数据，按造价软件中定额的工程量计算规则进行计算。具体实现途径如图5所示。
3、结束语
建筑材料能耗占建筑总能耗的37%，有必要对建筑材料碳足迹进行单独计算。BIM与建筑材料碳足迹计算融合可借助BIM工具的建筑信息化建模特点，将建筑设计与选材结合，依照建筑对材料的要求选择材料，进而减少碳足迹。BIM工具包含丰富的建筑结构化信息，能对建筑材料、类型、数量进行计算处理，方便快捷地计算材料碳足迹，寻找最优的建筑材料碳排放材料组合。
作者：智家兴 单位：东南大学建筑设计研究院有限公司
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