徐 照, 方卓祯, 李德智, 吴 刚

(1 东南大学土木工程学院，南京 211189；2 智慧建造与运维国家地方联合工程研究中心，南京 211189)

0 引言

建筑信息模型(BIM)技术通过数字化建模和数据管理的方式,将建筑项目的所有相关信息整合成一个可视化的三维模型,用于协调各参与方在项目全生命周期中的设计、施工和运营管理。BIM技术的应用可以减少设计错误和成本,增强工程项目的协同和可视化管理,同时提供了更高水平的信息共享和交流平台,推动建筑行业的数字化转型和智能化发展。

由于建筑组成结构复杂且寿命周期长,对其进行碳排放计算主要存在数据收集困难的问题。作为建筑的信息载体,BIM技术能为碳排放计量提供强大的数据支撑[1],将其融合于建筑全生命周期碳排放的研究中是行业发展的趋势[2]。本文针对目前BIM技术在建筑碳排放计算领域的研究进展,从研究现状、理论方法、工具平台、应用价值这四个方面进行了研究成果的归纳梳理和研究难点的总结,并做了研究展望,为该领域的未来发展提供参考。

1 BIM技术在建筑碳排放计算领域的研究现状

1.1 研究进程

2003年,BIM技术被引进国内并被广泛应用于建筑行业。2011年,国家“十二五”发展规划明确要将BIM作为工程建筑行业发展的重要目标。在此前,BIM仅作为建模工具,被用于3D模型设计或碰撞检查等简单工作,数据价值尚未被充分挖掘。

2014年,《建筑碳排放计量标准》(CECS 374∶2014)[3](简称《计量标准》)正式实施,该标准充分结合国际相关标准的经验和我国建筑碳排放的特点,采用全生命周期评价方法从清单统计的角度和建筑信息模型的角度计算碳排放量。该标准首次将BIM模型和建筑碳排放计算相结合。此后越来越多的学者开始研究BIM技术在碳排放计算领域的具体应用,例如基于BIM和工程量清单的建筑产品物化阶段碳排放计量方法[4],基于BIM的建筑全生命周期碳排放度量平台[5]等,逐步推动碳排放核算的定量化和自动化。2015年,《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378—2014)[6](简称《评价标准》)将建筑碳排放计算及其足迹分析纳入到绿色建筑评价的创新项得分中,这为BIM在碳排放计算领域的应用提供了新的切入点。相关研究依据《评价标准》,建立了BIM技术与低碳绿色建筑评价指标体系相结合的动态融合机制,以辅助低碳绿色建筑的实施规划[7]。在这一阶段,BIM技术主要用于建筑设计阶段的碳排放计算中,在建筑运营和拆除阶段的应用还没有得到广泛推广。

2020年,我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标,低碳发展理念上升到国家战略层面,BIM技术在碳排放计算领域的应用也得到了加速推进。除了在设计阶段进行建筑碳排放计量,很多研究将BIM技术应用聚焦于建筑改造项目上,如应用BIM能源模拟技术探究建筑性能参数对建筑能耗与碳排放的影响,从而总结出低碳目标导向的建筑改造优化方法[8]。

1.2 影响因素

BIM技术被应用于建筑碳排放计算领域的影响因素主要有三点:建筑碳排放计算政策要求、建筑碳排放计算方法研究以及BIM技术的适用性。对这三种因素进行梳理和分析可以发现,BIM技术在建筑碳排放计算领域具有可研究性与可实践性。

1.2.1 建筑碳排放计算政策

近年来,我国制定了各种政策和措施来应对建筑碳排放带来的挑战。2015年6月,我国正式发布《国家自主贡献预案》(INDC)文件,宣布到2030年GDP碳排放强度比2005年水平降低60%～65%。2020年9月,我国在第75届联合国大会上正式提出2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的目标。此后,我国“十四五”规划中出台各项法律措施和财政激励措施,明确利用数字技术提高高碳行业的能源效率,因此BIM技术正成为中国建筑业可持续转型的关键工具。

为更快实现降碳减排目标,《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015—2021)[9]强制要求对建筑碳排放进行计算,明确建设项目可行性研究报告、建设方案和初步设计文件应包含建筑碳排放分析报告。碳排放计算从原《评价标准》中的推荐项变为强制项,可见国家正大力加强对建筑碳排放的重视。除此之外,我国也在积极推广碳交易、碳税和绿色金融等经济手段。2020年12月,生态环境部发布《碳排放权交易管理办法(试行)》并指出要建设全国碳排放权交易市场及相关制度,利用市场机制作用推动绿色低碳发展。

1.2.2 建筑碳排放计算方法

建筑碳排放计算方法相关研究在国外起步较早,形成了获得广泛认可的国际标准,主流计算方法有自上而下的投入产出法和自下而上的碳排放因子法。碳排放计算标准方面,国际组织发挥了重要作用。国际标准化组织(ISO)于2017年发布了首个建筑物碳排放计算国际标准—建筑物和土木工程的可持续性:既有建筑物在使用阶段的碳排放指标(ISO 16745-1∶2017),在此前,商品和服务在生命周期内的温室气体排放评价规范(PAS 2050∶2008)、温室气体核算体系(GHG protocol)、日本产品碳足迹评价与标识的一般原则(TS Q 0010∶2009)等相关碳排放计算协议与标准已具有较大的国际影响力。碳排放计算模型方面,美国针对住宅和商业建筑建立了Scout模型,英国针对小型住宅和公共住宅分别建立了SAP模型和SBEM模型,日本针对独栋与集合住宅建立了LCCM模型,而欧盟范围内建立了CoreBee模型、Invert/EE-Lab模型、RE-BUILDS模型等[10],均已取得了较多研究成果。

近些年来,我国也陆续出台了相关指南和标准,从国家、地区、行业层面不断加强对建筑领域的碳排放计算流程和计算方法的规范。2014年12月,中国建筑设计研究院牵头编制完成《计量标准》。2015年7月,国家发展和改革委员会出台包含公共建筑运营单位在内的十个行业的企业温室气体排放核算方法与报告指南。2019年12月,住房和城乡建设部发布国家标准《建筑碳排放计算标准》(GB/T 51366—2019)[11](简称《计算标准》),这是国内首部与建筑碳排放计算相关的国家标准,为建筑碳排放的计算及相关碳排放因子的确定提供了依据。2021年3月,中国建筑材料联合会发布《建筑材料工业二氧化碳排放核算方法》。2021年12月,广东省住建厅发布《建筑碳排放计算导则(试行)》。此外,也有研究提出建立适用我国国情的建筑碳排放模型,如用于碳排放总量控制的CBCEM模型、用于碳排放达峰预测的LBNL中国终端能源模型等[10]。

无论是国外还是国内,通过标准规范的建立和相关研究的运用推进,建筑碳排放计算方法日渐成熟,为BIM技术在建筑碳排放计算领域的结合应用奠定了理论基础。

1.2.3 BIM技术的适用性

建筑信息模型是未来建筑实践中的关键组成部分,BIM技术在生产力和可靠性方面的优势已得到广泛认可。BIM技术在建筑碳排放计算领域的适用性主要体现在以下方面。

首先,BIM技术致力于实现从项目前期策划、设计、施工到运营维护、拆除等全生命周期不同阶段的集成管理,而建筑碳排放计算也需要考虑建筑全生命周期的各个阶段,具有时间维度上的一致性。其次,BIM技术具有很强的数据集成能力,BIM技术的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型,利用数字化技术,为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。建筑碳排放计算需要建筑全生命周期的大量数据,而BIM模型可以利用数字化方式,准确提供建筑位置、构件属性、建材特征等丰富数据资源,满足建筑碳排放计算的参数需求。最后,BIM技术可以兼容生命周期评价方式、碳排放测算方法等[12],提供贯穿建筑全生命周期的信息综合和数据管理平台,以实现建筑全生命周期各阶段全过程的碳排放跟踪和控制。

2 BIM技术在建筑碳排放计算领域的理论方法

2.1 确定基于BIM的碳排放计算边界

建筑碳排放计算边界的确定需要包含时间和空间两个维度,时间上主要考虑建筑在全生命周期的哪些阶段产生了碳排放,空间上主要考虑各阶段的碳排放分别来源于哪些因素。当前研究对建筑碳排放空间维度的界定尚未形成统一,而时间维度上的各阶段BIM技术应用方法和结合程度存在差异。

在时间维度上,一般将建筑全生命周期碳排放划分为生产阶段、运输阶段、建造阶段、运行阶段、拆除阶段五个部分,即建筑从“摇篮到坟墓”的过程,少部分研究会再考虑回收阶段[2,13],即建筑从“摇篮到摇篮”的过程。其中,基于BIM技术的建筑运行阶段碳排放研究最为成熟,计算途径相对统一。而由生产阶段、运输阶段、建造阶段构成建筑的物化阶段,即建筑从“摇篮到完成施工”的过程,在BIM模型的应用方法上一般会与运行阶段有所区分。此外,也有研究将BIM技术专门用于建筑材料、预制构件、施工现场等单一对象或场景的碳排放计算。

在空间维度上,我国的《计算标准》已对各阶段的碳排放计算内容进行了明确定义,如表1所示。但在BIM的结合应用过程中,不同研究对于同阶段的碳排放计算对象的选择不同。在生产阶段,一般考虑建筑所投入的不同类型的建材产生的碳排放,部分针对性研究会对建材生命周期的组成阶段做具体计算[14]。运输阶段通常计算各类建材运输工具所产生的碳排放。在建造阶段,有研究仅考虑施工机械产生的碳排放,也有研究额外考虑该阶段的人工作业消耗、现场办公活动的设备消耗[15],或将运输阶段的碳排放并入建造阶段[16]。运行阶段需要考虑暖通空调、照明、供水、供电等能源设备的碳排放,也有研究仅选择能源消耗占比较大的暖通空调和照明设备进行碳排放计算[17-18]。拆除阶段主要考虑机械设备的碳排放。在整体考虑物化阶段的研究中,一般将建筑碳排放计算对象划分为人、材料、机械三个部分。

表1 《计算标准》中各阶段的建筑碳排放计算内容[11]

2.2 选定基于BIM的碳排放计算方法

当前国内外研究中认可程度较高的碳排放计算方法主要有三种,分别为碳排放系数法、质量平衡法和实测法。其中,式(1)为碳排放系数法,即将不同资源的活动数据与对应的碳排放因子相乘,以得到该资源的碳排放量。相比于其他两种方法,碳排放系数法适用尺度全面、操作流程简单,在建筑碳排放计算研究方面应用较广。

Em=AD×EF

(1)

式中:Em为温室气体排放量;AD为活动数据;EF为排放因子。

基于碳排放系数法,多数研究侧重于如何借助BIM模型高效提取各阶段的资源活动数据,再通过公式计算得到碳排放预测值或核算值。少数研究则采用布设传感器的方式,将实时采集到的设备能耗数据转化为碳排放,并与BIM模型进行自动关联,建立建筑数字孪生模型[19]。相比之下,后者更能发挥BIM模型优势,能够实现建筑碳排放的实时监测及空间统计,但该方法目前仅适用于运行阶段。

无论采用何种方式,都需要先建立有效的BIM模型,模型精度等级在LOD300及以上[13]。建模前应进行需求分析,并按结构对建筑工程进行分解以清楚模型组成成分[14],建模时既要确保模型的组成构件的位置、形状、尺寸、材质等几何参数准确表达,也需要正确处理构件之间的连接关系[14],使模型包含的信息量至少达到施工图设计完成时的信息量水平。

2.3 基于BIM模型的数据提取

数据提取可以直接借助既有建模软件或插件功能对建好的BIM模型直接进行操作,考虑到模型表达的统一性和合规性,也可以将BIM模型转化为IFC模型,再经算法调用或工具开发提取所需数据。

数据提取的基本单元主要分为构件、建材、分部分项工程三类,其中按构件提取的方式较为普遍,按建材提取的方式仅适用于生产阶段的计算。BIM模型数据提取的方法可以总结为以下四类:

(1)直接从BIM模型中提取原始数据。BIM模型的原始数据主要指模型的几何属性信息及其他基本信息,包括构件名称、构件编码、构件尺寸、构件材质等,一般以清单明细的形式体现。提取到的原始数据仅能体现建筑构件的使用量,需要与各阶段的材料、能源等资源信息进行匹配换算,才能获得碳排放计算的关键数据。

(2)先在BIM模型中附加参数再提取数据。通过在BIM模型中添加碳排放活动数据计算有关的非几何属性信息,如材料运输设备及距离、施工机械类型及用量等,再对模型进行统计,由此省去人工匹配构件用量与资源的环节,提高活动数据的计算效率。例如可以在Revit软件中将相关碳排放计算参数以共享参数或项目参数的方式添加到模型中成为属性,再根据具体建筑项目内容对这些属性赋值。此外,也可以对碳排放系数进行综合计算,直接在BIM模型中为构件附加碳排放因子[20]。采用该方法需要注意参数附加对象的选取,是针对单一构件还是针对某种构件类型,或是同一区域的所有构件。

(3)将BIM模型与外部数据库关联。关联数据库在本质上也是对模型构件的参数进行扩展,但与附加参数不同,该方法无需增加模型的数据量,有助于BIM模型的轻量化。在现有研究中,关联的数据库主要为能够直接提供人工、材料、机械单位消耗量的工程定额库,或通过实际记录建立的材料参数数据库、加工参数数据库、运输参数数据库、施工或装配参数数据库等[21],以及碳排放因子数据库。一般情况下,需要预先规定构件的编码体系,为模型中的每一个构件添加唯一编码,使前两种类型数据库中的参数信息能够与构件一一对应[22-23],在此基础上可以再增加与碳排放因子的数据关联。

(4)将BIM模型转化为具有分析功能的模型。该方法被广泛用于建筑运行阶段的能耗计算中。将BIM模型转化为BEM模型,通过在能耗分析软件或插件中进行相关参数设置,直接对建筑各系统各设备的运行能耗进行预测或评估,从而得到运行阶段的能耗清单。该方法也可以用于获取物化阶段的人、材料、机械消耗量,类似于工程造价计算,将BIM模型导入到计价软件中转化为工程量模型,基于建筑的分部分项工程量和措施项清单直接得到各类建材总量、施工机械台班量等数据[5,24]。

2.4 基于BIM模型的参数扩展

结合对建筑全生命周期各阶段的碳排放因素分析,在数据提取上对BIM模型进行相应的参数扩展,不仅有利于提高建筑碳排放计算的速度和可信度,也有助于建筑数据在利益相关者之间的流通和共享,增加信息的重复利用率[12]。

BIM模型的参数扩展一般通过族文件共享参数设置、IFC实体属性扩展、关系型数据库信息关联等多种方式实现。根据参数的准确度要求和获取的难易程度不同,部分数据可以直接从统计年鉴、标准规范、设计图纸、施工组织设计等既有文件资料中摘取,部分数据则需结合实际情况通过走访、实地测量等方式收集。

BIM模型的自身参数体现了建筑的物理属性和几何特征,而附加参数主要反映建筑的功能属性和活动特征。对于生产阶段,由于主要考虑建材的消耗量,只需对模型构件自身包含的材料组成和用量的相关参数进行计算统计,必要时附加材料密度、材料损耗率等信息。运输阶段一般需要对BIM模型附加运输设备属性、运输距离等参数进行统计。拆除阶段主要统计扩展机械设备属性、设备工作时间等参数。

相比之下,建造阶段和运行阶段附加参数的类型比较多样,但本质上都是作为能够计算各种资源活动数据的基础数据。针对建造阶段,有研究直接对BIM模型附加包括施工人员数量、工种、工日等的人员信息以及包括施工工艺和施工机械设备属性的施工信息[25]。为使计算结果更贴近实际,有研究结合建筑施工过程,运用系统仿真理论,将离散仿真模型与BIM模型进行集成,从而为BIM模型附加各施工环节的时间参数等信息[1]。针对运行阶段,有研究对模型附加设备功率、使用时间、设备相关实测数据等参数[26],也有研究附加气象数据、建筑热工参数等信息[17]。

对于将生产阶段、运输阶段、建造阶段作为整体考虑的建筑物化阶段,为克服BIM模型工程量清单仅有材料用量和施工构件的统计单位不可直接用于计算这两方面的局限性[27],许多研究利用工程定额进行参数扩展,以定额为中间转换物将分项工程量转化为人、材料、机械的消耗量[23]。

2.5 研究难点

对于目前BIM技术在建筑碳排放计算领域的理论方法方面的研究尚存在以下的问题和难点:

(1)对于建筑碳排放空间维度上的界定尚未形成统一。由于对各阶段碳排放的计算范围和计算内容尚未形成共识,会造成各研究在同阶段对BIM模型附加的参数内容不同,且难以对不同方法下的建筑碳排放计算结果的准确度进行比较评估。

(2)BIM模型的应用方式存在阶段差异且均需要改进。目前运行阶段和全生命周期其他阶段分别采用两种资源消耗的统计方法,尚未有统一的BIM应用方法贯穿建筑碳排放的全生命周期。前者的计算模式相对成熟,基本能够实现半自动化,但仍需提高BIM和BEM模型交换格式之间的兼容性[28]。而后者的计算仍需要较多的人为干预,在计算过程中需要注意建筑构件量与建筑用量的区别[14],提高算量的准确性。

(3)BIM技术的功能特性尚未得到充分挖掘。目前的理论方法研究主要对BIM模型的数据统计和信息集成功能进行利用,如何充分发挥BIM技术的可视化、协调性等其他优势,以提高建筑碳排放计算效率,是待解决的技术难点。

3 BIM技术在建筑碳排放计算领域的工具平台

运用BIM技术实现建筑碳排放计算,主要分为BIM模型建立和BIM模型使用两个环节。目前,模型建立主要依赖于现有的BIM建模工具完成。如图1所示,模型使用方面主要有三种技术途径:1)通过建模工具提取相关模型数据后,采用人工处理或程序算法进行建筑碳排放计算;2)使用具备运算功能的软件或插件直接对BIM模型进行碳排放的直接或间接计算;3)构建集成建筑碳排放计算与分析等多项功能的第三方平台或系统。

图1 建筑碳排放计算的BIM工具应用途径

3.1 BIM建模工具

采用BIM建模软件建立精细化的建筑信息模型,是运用BIM技术实现建筑碳排放计算的前提。在建筑碳排放计算研究中,常用的建模软件主要有Revit、ArchiCAD、Bentley等。

Bentley的优势在于,其可以支持形态比较复杂的曲面形式,能够记录模型修改的过程,但主要用于基础设施建设、工业设计、海洋石油建设、厂房建设等项目[29]。ArchiCAD操作简便且拥有丰富的参数化图库部件,但该软件不适用于大型项目的建模。与前两者相比,Revit的使用程度较高。Revit具有非常强大的族编辑功能且能够实现参数化建模,能为用户提供API接口以进行软件功能的二次开发。此外,该软件具有强大的数据连接和数据传递功能,可以实现模型整体更新和多专业协同设计[29],为后续进行碳排放计算奠定更完整的数据基础。

3.2 人工处理与算法处理

在早期基于BIM的建筑碳排放计算研究中,主要依靠人工方式处理BIM模型数据。部分研究为追求计算的精度,会结合程序算法辅助。在BIM模型建立后,利用建模软件功能以清单明细表的形式提取到构件的属性信息,再通过人工或算法程序对得到的数据进行分析和选取,结合其他数据源提供的参数信息完成碳排放计算。该方法优势在于计算过程清晰透明,但计算过程复杂,需要花费较高的人力资源成本。

人工处理大多辅以Excel电子表格完成,Shin和Cho[30]提出了基于Excel的工作表框架,通过导出数据与计算对象的映射关系实现建筑碳排放计算。在算法处理方面,遗传算法(GA)、支持向量机(SVM)、反向传播神经网络(BPNN)、极限学习机(ELM)等机器学习算法[31]因其具有较强的处理复杂问题的能力,被广泛用于碳排放预测中。Wen和Yang[32]提出了基于改进鸡群优化(ICSO)的支持向量机(SVM)来预测上海的住宅碳排放。现有相关研究表明应用智能算法优化预测模型的内部参数可以提高碳排放的预测能力和准确性[33]。

3.3 软件插件的使用与开发

运用BIM软件或插件扩展模型参数、提取模型信息、计算关键数据,是目前基于BIM的建筑碳排放计算研究在模型使用环节最常用的手段。该方法的优点是可以提高碳排放的计算效率,且在计算过程中不易受到模型数据更新的影响。但在软件使用上可能会受到BIM模型兼容性的限制,而软件插件的开发过程需要耗费一定的时间和人力。

目前,已有许多具备建筑碳排放相关运算功能的商业化软件产品被运用在研究中。如表2所示,本文列举了其中使用度较高的19款软件插件,进行了类型、性能、适用阶段、插入BIM软件形式等方面的对比。

表2 建筑碳排放计算商业化软件插件

在建筑碳排放计算功能上,软件插件可以分为直接计算和间接计算两种。直接计算指通过软件直接获取建筑碳排放数值,间接计算指通过软件获取资源活动数据,需与排放因子匹配再得到碳排放量。相比之下,目前能够实现直接计算的商业软件较少,例如ArchiCAD的Ecodesigner和Sefaira两个插件。大多数研究主要采用相对成熟的具备间接计算功能的软件插件。部分研究结合能源排放因子,通过BIM模型到BEM模型的gbXML格式转换,运用Design Builder[34]、Ecotect[35-36]或Green Building Studio[15,37]计算运行阶段建筑能耗产生的碳排放。部分研究运用GFC算量插件得到建筑物化阶段和拆除阶段的人、材料、机械的消耗量[16,38]。也有研究将原始模型转为IFC模型,提取必要数据后再集成到SimaPro计算建筑碳排放量[39]。

由于既有商业软件在使用场景和计算功能上的局限性,一些研究聚焦于软件或插件的开发,已实现更完整详细、更具目的性的建筑碳排放计算。例如,王豫婉和徐梦熊[40]利用Revit的API进行建筑碳排放预测软件的开发,使设计人员能够根据反馈信息调整建筑设计方案。Alwan和Jones[41]将ICE数据库中建筑材料的隐含碳和密度数据集成到BIM模型中,开发名为pycab的软件,能够实现建筑材料的碳份额计算并提供低碳材料替代方案。

3.4 平台和系统的搭建

构建第三方BIM平台或系统,是BIM技术在建筑碳排放计算领域的另一种应用。相较于软件插件,平台系统的功能更加强大,除了碳排放计算功能之外,可根据使用需求集成碳排放管理功能,用于预测、监测、评价、方案选择、协同管理等,且能够实现模型的轻量化,但其在设计和开发上会具备更大的难度。

已有部分高校企业发布了与建筑全生命周期碳排放计算分析相关的平台,例如东南大学的“东禾”、禾筑数字的“碳中禾”等,但在与BIM技术的结合应用方面仍待完善。在学术领域许多学者从不同的角度提出了基于BIM的平台或系统的设计架构和理论框架。例如欧晓星等[5]提出了包含BIM模型构建、BIM模型分析、碳排放计算等功能在内的建筑全生命周期碳排放度量平台设计,汪振双等[42]结合BIM技术与云技术设计了施工进度、成本、碳排放一体化的项目管理平台。虽然目前已有少数研究基于理论研究完成了相关平台或系统的开发和应用,但由于各地区的碳排放系数存在差异,建筑工程建造过程较为分散,在扩大平台覆盖阶段和适用场景上仍需要深入的研究。

3.5 研究难点

对于目前BIM技术在建筑碳排放计算领域的工具平台方面的研究尚存在以下的问题和难点:

(1)专业建筑碳排放分析工具和平台较少。目前市场上能耗分析软件居多,这些软件虽然能提供建筑碳排放量,但大多只是提供数值的一次性评估[43],无法进行可持续决策的迭代评估。而适用于建筑全生命周期的碳排放计算分析平台的建立需要大量技术集成,开发难度较大且开发周期较长。

(2)BIM工具间的互操作性有待提高。不同专业的建模软件之间、建模软件与算量软件或能耗分析软件之间都可能存在互操作性问题,由于BIM模型格式的不兼容出现数据的丢失与错乱。而以IFC等兼容性较高的开放数据格式进行建筑碳排放计算工具的开发,或能成为解决该问题的突破口。

4 BIM技术在建筑碳排放计算领域的应用价值

4.1 设计阶段

在设计阶段,BIM技术在建筑碳排放计算领域的应用主要集中于可持续性评估与决策,研究具体可分为三类。

第一类是基于已有的建筑可持续发展评估方法(BSA),将BIM作为数据提取、模拟、预测及计算的工具,优化建筑可持续性评估的过程,提高评估效率。BSA法通常对拟建建筑的部分特征(如地理区位、建筑材料、能源消耗、空气质量、温室气体排放等)依据有关标准开展评估,并将评估结果汇总为环境评级或可持续性得分,其中应用最为广泛的有英国建筑研究机构(BRE)提出的BREEAM方法、美国绿色建筑委员会(USGBC)创立的LEED认证系统和国际永续建筑环境促进会(iiSBE)开发的SBTool评价系统[44]。传统的BSA法通常需要准备大量评估材料,评估程序耗时长,容易与项目设计截止日期发生冲突,一旦设计方案发生变更,又必须再重复全部评估程序,为设计师执行可持续性评估带来不便。BIM技术的应用为解决这一问题提供了可能性,BSA法所需的部分信息可以直接或间接地由BIM软件提取或模拟得到,模型数据的自动更新也将简化评估程序的重复过程,极大提高了可持续性评估的效率[45]。将BIM与SBToolPT-H[45]、LEED等[46]BSA法予以集成,通过开发的插件访问BIM工具及其库的API来计算建筑的可持续性得分,可实现建筑可持续发展评估的自动化。

第二类是在设计阶段对拟建建筑的全生命周期碳排放进行预测,或对其能耗进行模拟,帮助设计师获取建筑方案碳排放数据和能耗水平,以此指导和优化低碳建筑设计。在设计早期使用BIM工具对建筑进行能耗分析模拟,有助于帮助设计师确定更为合适的建筑形状、面积、体积、层高等概念化的建筑设计元素,以提高建筑的能源性能[47]。在建筑形状外观已经确定的设计中后期,可以用BIM工具模拟墙体和屋顶材料、窗墙面积比、建筑朝向等条件变化下建筑的不同能耗水平,指导设计师优化设计方案[48]。

第三类重点关注建筑碳排放与建造成本之间的关系。在低碳建筑设计中,不同方案的节能效果与建造成本不尽相同,优秀的设计方案在有效控制建筑能耗的同时也应当将成本控制在合理的范围内,满足业主的成本要求。由BIM软件导出的工程量清单不仅可以用于预测建筑碳排放,也同样可以用于建筑成本的估算,由此可以比较不同设计方案碳排放和成本之间的差异。如Eleftheriadis等[49]提出了一种面向钢筋混凝土结构成本和碳排放优化的综合设计方法,采用BIM集成优化方法同时评估钢筋混凝土结构的成本和碳性能,以寻求用最低成本优化建筑碳排放。

4.2 物化阶段

相比于CAD等传统计算机辅助设计工具,BIM以其丰富的数据库能够提供拟建建筑在物化阶段的资源消耗信息,能实现该阶段的碳排放预测计算,为施工单位优化施工计划和低碳施工的预控创造了可能[50]。

在建材及构件的生产运输阶段,将BIM技术与GIS技术[51-52]、WMS[53]进行集成开发,可以自动识别建材数量及建材运输的行程路线,以计算运输成本和运输碳排放,并预测物料抵达现场的时间,为可持续建材供应链管理提供支持。

在现场施工建造阶段,利用BIM提前进行碳排放量预测,可以为建筑材料和施工设备的选择提供环保指导。Sun和Park[54]基于Revit软件对部分隧道进行建模并计算碳排放,结果表明水泥处理基础、混凝土衬砌、排水道和混凝土板的碳排放费用占比最高,故可优先采用低碳材料;而在主要施工机械设备中,自卸车的碳排放费用最为突出,故可采用减少土方量、设计合理施工路线等措施来减少碳排放量。

4.3 运营阶段

目前BIM技术在建筑运营阶段碳排放计算领域的研究主要集中于对既有建筑进行节能优化和翻新改造。相较于传统的节能优化方法,BIM技术以其可视化功能和更强的可操作性,通过在模型中任意改变建筑外观和材料,可以快速得到新方案的模拟能耗水平,从而选出最优方案[18]。翻新改造方面的研究可以简单概括为“采集→判断→整改”三个过程。

“采集”指的是收集既有建筑有关资料的过程,一般包括建筑图纸、维修记录、检查报告、能源账单等[55],并在此基础上完成对既有建筑的BIM建模。视建模方法的不同,分为按照正向设计图纸建立的BIM竣工模型[8]和通过激光扫描逆向建模形成的数字孪生模型[56]。

“判断”指的是发现既有建筑存在的问题的过程,具体方法有三种:1)直接对BIM模型采用性能分析软件进行能耗分析,或从模型中导出清单数据后基于碳排放系数法计算其运营阶段碳排放[57];2)采用传感器、致动器对建筑进行能源监控,并基于BIM和语义方法实时分析建筑能源数据[58];3)基于既往建筑改造案例构建建筑病理数据库,从目标建筑IFC模型中读取参数信息,并使用机器学习算法自动诊断结果[59]。

“整改”指的是针对发现的问题提出相应的改造方案,并借助决策理论对改造方案进行评价和选择。将BIM技术应用于既有建筑改造方案的决策有益于人本理念的体现。在BIM可视化功能的支持下,住户可以更直观地判断各个改造方案对日常生活的干扰水平,从而在改造收益大小与便利程度之间进行权衡,选择最满意的方案[60]。

4.4 拆除回收阶段

目前有关BIM技术在建筑拆除阶段应用的研究较少,主要关注建筑拆除后废弃物处置过程中产生的碳排放。基于BIM模型分析建筑废弃物碳排放,可以比较回收不同材料的废弃物所能带来的环境效益和相应的处置成本,帮助回收商针对不同材料废弃物选择合适的处理方法,从而制定经济有效的回收方案[61]。

4.5 研究难点

对于目前BIM技术在建筑碳排放计算领域的应用价值方面的研究尚存在以下的问题和难点:

(1)除设计阶段外其他阶段的研究方向较为单一。现有研究主要着眼于BIM技术在建筑设计阶段碳排放计算成果的应用上,而忽视了对其他阶段的研究,尤以运营阶段的研究方向重合度较高。

(2)缺少贯穿建筑全生命周期碳排放的BIM应用理论。目前学术界多着眼于特定的生命周期阶段对BIM技术在碳排放计算上的应用展开研究,尚未形成完整的系统理论或服务全过程的应用平台。例如可以结合编码体系及相关跟踪技术,以构件等建筑元素为研究对象单元,将BIM技术在不同生命周期阶段碳排放计算上的应用有机关联,以服务更多的利益相关者,促进碳排放协同管理。

5 结论及展望

5.1 结论

BIM技术的自身优势使其适用于建筑碳排放计算领域的研究,愈加严格的降碳减排政策要求和日渐成熟的碳排放计算方法,也促使该领域的研究不断被挖掘和推进。通过整理归纳本文主要内容可以得出当前BIM技术在建筑碳排放计算领域研究应用的主要内容框架,如图2所示。

图2 BIM技术研究框架

基于研究框架对BIM技术在建筑碳排放计算领域研究进展进行探讨可以得出:1)在理论方法研究方面,需要进行计算边界的确定和计算方法的选定,主要研究如何对BIM模型进行相关数据提取,从而满足排放系数的计算数据需求。现有的BIM模型数据提取方式主要有四种,在此过程中对模型进行各阶段的碳排放相关参数扩展,有利于提高计算的效率。目前在理论方法上主要存在建筑碳排放空间维度上的界定尚未形成统一、BIM模型的应用方式存在阶段差异、BIM技术的功能特性尚未得到充分挖掘等研究难点。2)在工具平台研究方面,首先依赖相对成熟的建模工具完成BIM模型建立,再根据研究需求采用相应的技术方法使用模型进行碳排放计算,现有的技术方法可以分为人工处理及算法处理、软件插件使用开发、平台系统搭建三种,在目前研究中主要存在专业建筑碳排放分析工具和平台较少、BIM工具间的互操作性有待提高等研究问题。3)在应用价值研究方面,主要体现在设计阶段的可持续性评估与决策、物化阶段的施工方案的低碳控制、运营阶段的建筑节能优化和翻新改造、拆除回收阶段的废弃物处置等,在目前该研究方面主要存在大多数阶段研究方向单一、缺少贯穿建筑全生命周期碳排放的BIM应用理论等问题和难点。

5.2 展望

为充分利用BIM技术在建筑碳排放计算领域在理论方法、工具平台、应用价值等研究方面的优势,克服当前研究中的问题和难点,从而使建筑碳排放计算手段更加精准化、智能化、体系化,碳排放计算成果能够更好助力建筑行业碳管理、碳减排、碳交易工作的推进,既需要加强BIM技术与其他信息化技术的深度融合,也要注重数据信息管理的规范和完善。

在数字技术融合上,可以将先进的云计算、大数据、物联网、人工智能以及各种XR技术(VR、AR和MR)等信息化技术充分结合运用于建筑碳排放计算领域,为BIM技术的延伸拓展带来更多的发展方向和延伸空间。例如,基于BIM与云计算来实现不同阶段各参建方之间的信息交流和协作管理,基于BIM与物联网进行物理建筑环境的实时监测和调控,基于BIM与虚拟现实增强建筑碳排放数据的可视化管理,融合大数据技术增加多种建筑数据信息的可研究性,运用人工智能技术实现BIM碳排放数据的智能化分析等,从而帮助参建者进行决策和管理,不断满足建筑领域碳排放控制的数字化发展需求。

在信息管理完善上,从行业规范角度出发,需要建立符合应用场景和区域特征的建筑碳排放标准化计算方法和BIM应用流程,重视对行业从业者的培训指导,使其在积极运用BIM技术进行建筑碳排放评估、监测、核算、管理时达成共识。从技术环境角度出发,需要统一数据源,建立完善碳相关的共享数据库,搭建能够实现数据更新和共享的公共数据环境[62],这不仅能为BIM等技术的数据集成提供更好应用环境,也能打破行业内相关研究之间的信息孤立,全面提升建筑全生命周期各阶段各环节的碳排放管理效率。