華 虹，王曉鳴，鄧 培，何建清，陳 沖，曾波波，張曉鴿，張 鵬

(1.華中科技大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院;b.土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.武漢岱家山科技企業(yè)孵化器有限公司，湖北 武漢 430011;3.中國建筑設(shè)計研究院，北京 100120)

建筑、工業(yè)和交通是城市能源消耗的三大重點領(lǐng)域，也是溫室氣體排放的主要來源。聯(lián)合國環(huán)境署(United Nations Environment Programme，UNEP)2009年公布的《建筑與氣候變化》報告指出，建筑部門能源消耗占全球能源消費的40%，全球溫室氣體排放的1/3與之相關(guān)［1］。

隨著經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化建設(shè)快速增長，我國已成為世界上新建建筑最多、建材產(chǎn)量和消耗最大的國家。建筑在其建造、使用和拆除過程中，對能源和資源的消耗及固體廢物的處理已經(jīng)和將繼續(xù)帶來巨大的溫室氣體排放量。我國的建筑能耗約占社會總能耗的27%［2］，且公共建筑單位面積能耗是住宅建筑的5～15倍［3］。因此，研究公共建筑的低碳設(shè)計和碳排放計量方法，對降低公共建筑能耗和控制減少碳排放具有重要意義。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是通過數(shù)字表達(dá)建設(shè)項目的物理和功能特性，為項目生命周期中的決策優(yōu)化提供平臺和依據(jù)。不同的利益相關(guān)方可在項目的不同階段通過導(dǎo)入和導(dǎo)出更新及修改信息，支持和反饋各自負(fù)責(zé)的協(xié)同工作［4］。本文結(jié)合作者承擔(dān)的國家十二五科技計劃子課題《武漢市江岸區(qū)典型建筑信息模型及建筑碳排放清單指標(biāo)體系研究》，以武漢市江岸區(qū)科技創(chuàng)業(yè)園某公共建筑為樣本，研究提出了基于BIM的公共建筑低碳設(shè)計分析與碳排放計量方法。

1 公共建筑低碳設(shè)計分析

1.1 建筑信息模型構(gòu)建

(1)確定建模及分析流程

降低公共建筑碳排放強度的主要途徑是通過優(yōu)化設(shè)計和管理，降低建筑生命周期的能源消耗。低碳設(shè)計的目的是針對建筑、結(jié)構(gòu)及設(shè)備等對碳排放影響程度大的部分進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，控制和減少公共建筑的生命周期碳排放總量?；贐IM技術(shù)選擇適當(dāng)?shù)膶I(yè)分析軟件如Ecotect、GBS以及IES＜VE＞等，可在建筑設(shè)計初步階段對建筑進(jìn)行綠色設(shè)計和評價，相對傳統(tǒng)的建筑設(shè)計具有明顯優(yōu)勢［5，6］，也適用于進(jìn)行建筑低碳設(shè)計分析。本文研究提出了公共建筑的低碳設(shè)計分析流程(圖1)。

圖1 公共建筑低碳設(shè)計分析流程

(2)選擇樣本建筑

本文研究選擇的典型樣本建筑位于武漢市江岸區(qū)科技創(chuàng)業(yè)園，為一棟高科技企業(yè)的綜合辦公樓，建筑用地3000 m2，設(shè)計建筑面積12259 m2，綠地率30%，2011年建成投入使用，具有典型代表性，見圖2。

圖2 樣本建筑效果圖

(3)構(gòu)建信息模型

圖3 樣本建筑的建筑模型

圖4 樣本建筑的結(jié)構(gòu)模型

圖5 樣本建筑的設(shè)備模型

根據(jù)公共建筑的能耗和碳排放特點，公共建筑的低碳設(shè)計分析信息模型應(yīng)包括建筑構(gòu)件、建筑機(jī)電、管道等基本元素的幾何數(shù)據(jù)、物理特性、施工要求、價格資料等相關(guān)信息，據(jù)此建立建筑模型、結(jié)構(gòu)模型和設(shè)備模型。根據(jù)樣本建筑的設(shè)計數(shù)據(jù)和建筑特征，本研究使用Autodesk Revit全系列軟件，分別建立了樣本建筑的建筑、結(jié)構(gòu)及設(shè)備的數(shù)字化模型(圖3～圖5)。

1.2 建筑低碳設(shè)計分析

公共建筑低碳設(shè)計分析的重點是進(jìn)行建筑地理環(huán)境影響分析和建筑本體節(jié)能效果分析。

(1)建筑地理環(huán)境影響分析

樣本建筑地處武漢市江岸區(qū)，故選取中國氣象局CSWD(China Standard Weather Data)的武漢地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，采用Square One公司的Weather Tool工具分析，包括太陽輻射量、焓濕圖策略、風(fēng)環(huán)境等影響因素分析。建筑最佳朝向分析見圖6，焓濕圖分析見圖7。

圖6 建筑最佳朝向分析

圖7 焓濕圖分析

(2)建筑本體節(jié)能效果分析

根據(jù)樣本建筑的節(jié)能和功能設(shè)計等要求，在運用Revit軟件建立的建筑模型基礎(chǔ)上，結(jié)合Ecotect Analysis軟件進(jìn)行建筑本體節(jié)能效果分析，包括建筑熱工性能和建筑光環(huán)境等分析內(nèi)容。

1)建筑熱工性能分析

將Revit建立的建筑模型進(jìn)行簡化處理，刪減多余的信息，導(dǎo)出gbxml文件并遵循空間劃分的原則創(chuàng)建房間信息，以便進(jìn)行建筑熱工分區(qū);導(dǎo)入Ecotect Analysis，保留幾何信息以及幾何圖形的部分實物屬性，將樣本建筑劃分為124個熱工分區(qū)并在其中添加氣象數(shù)據(jù)(CSWD)、建筑材料、熱工參數(shù)、時間表信息等能耗模擬必需的參數(shù)。Ecotect Analysis模型導(dǎo)入與修整見圖8。樣本建筑的空調(diào)系統(tǒng)逐月負(fù)荷模擬見圖9。

圖8 Ecotect Analysis模型導(dǎo)入與修整

圖9 樣本建筑空調(diào)系統(tǒng)逐月負(fù)荷模擬

添加樣本建筑的相關(guān)信息并對采暖與制冷的逐月能耗進(jìn)行模擬，可得樣本建筑年采暖和制冷的逐月能耗數(shù)據(jù)。樣本建筑設(shè)計階段的采暖與制冷模擬能耗數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1。

表1 樣本建筑全年采暖與制冷模擬能耗數(shù)據(jù)分析

分析可見，該樣本建筑的最高采暖負(fù)荷預(yù)計出現(xiàn)在12月26日上午9時為711 kWh，最高制冷負(fù)荷在7月31日上午11時為660 kWh。因此，樣本建筑的優(yōu)化對策應(yīng)是根據(jù)逐時負(fù)荷與最大負(fù)荷對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能選配。

2)建筑光環(huán)境分析

光是建筑環(huán)境的重要組成部分，優(yōu)良的采光設(shè)計可以提高建筑的使用舒適度，減少照明能耗。本研究運用Ecotect針對各種自然采光和人工照明環(huán)境進(jìn)行分析和評估，給出包括采光系數(shù)、照度和亮度等一系列控制指標(biāo)參數(shù)，應(yīng)用BIM技術(shù)平臺將模型輸出到Radiance對各種光環(huán)境要素做進(jìn)一步分析。樣本建筑的日照與陰影分析見圖10，采光與照明分析見圖11，光控照明節(jié)能分析見圖12。

利用Ecotect對建筑內(nèi)部各辦公區(qū)間自然采光進(jìn)行分析，設(shè)置外部條件為室內(nèi)采光最不利情況的全陰天模型。以二層北面某辦公室為例，可以發(fā)現(xiàn)由于房間寬度和進(jìn)深都較大，僅在窗戶附近自然采光條件較好。如需要控制室內(nèi)照度達(dá)到300 lux，則根據(jù)上述照明節(jié)能分析，40%以上的自然采光時間仍需要人工照明，所以優(yōu)化對策應(yīng)是改進(jìn)人工照明節(jié)能設(shè)計，在滿足辦公照明要求的同時提高節(jié)能效率。

圖10 樣本建筑日照與陰影分析

圖11 樣本建筑采光與照明分析

圖12 樣本建筑光控照明節(jié)能分析

2 公共建筑碳排放計量

2.1 碳排放計量清單分析

公共建筑的碳排放計量范圍應(yīng)包括建筑生命周期全過程，需根據(jù)生命周期劃分明確評價邊界和編制清單。本文將建筑碳排放邊界劃分為建筑物的建造、運營和拆除三大階段，在建造階段采用通行的工程概預(yù)算方法，以建筑分部分項工程和措施項目工程作為基本計量單元，運營階段以建筑設(shè)備使用作為計量基本單元，在拆除階段通過實測數(shù)據(jù)或預(yù)估拆除工程量的方式進(jìn)行碳排放計量。公共建筑碳排放計量的清單分析見圖13。

圖13 建筑碳排放計量的清單分析

2.2 建筑碳排放計量方法

公共建筑的碳排放計量包括五項內(nèi)容:一是建造階段的碳排放計量，二是運營階段的碳排放計量，三是拆除階段的碳排放計量，四是建筑生命周期的碳排放總量，五是建筑各階段的碳排放量比較分析。

(1)建造階段建筑的碳排放計量

通常對建造階段建筑的碳排放計量先采用材料清單、機(jī)械清單測算生產(chǎn)過程能耗，再結(jié)合對應(yīng)的碳排放系數(shù)轉(zhuǎn)換得到建造過程總碳排放量，但此種計算方法對數(shù)據(jù)采集要求高且計算過于繁復(fù)，難于實際操作。本文借鑒工程概預(yù)算的相關(guān)概念，將“碳排放量”看作一種貨幣，把建設(shè)工程的分部分項工程、措施項目、其他項目等作為主要的能耗計量項目，在歸納各類能耗計量項目的碳排放系數(shù)基礎(chǔ)上，提出了“綜合碳排放系數(shù)”概念，構(gòu)建了以工程量清單為基礎(chǔ)的建造過程碳排放計量方法(簡稱為工程量計碳法)，既方便了數(shù)據(jù)獲取，又減少了計量工作量。工程量計碳法分為以下三個步驟:

步驟一:構(gòu)建基于工程量清單的碳排放項目工程量清單(描述建設(shè)工程的分部分項工程、措施項目、其他項目、規(guī)費、稅金等名稱和相應(yīng)數(shù)量的明細(xì)清單)。本文把建造階段主要能耗的分部分項工程、措施項目作為能耗計量項目，而其他項目、規(guī)費和稅金等因產(chǎn)生碳排放較少不計入碳排放計量項目中，進(jìn)而提出了基于工程量清單的建造工程碳排放項目構(gòu)成(表2)。

表2 基于工程量清單的建造工程碳排放項目構(gòu)成

對應(yīng)表2中各項碳排放項目，可分別確定碳計量單位并統(tǒng)計能耗數(shù)據(jù)，作為建造階段碳排放計量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

步驟二:確定各類項目的綜合碳排放系數(shù)。將建造工程分為分部分項工程和措施項目兩大類，將每一項的碳排放系數(shù)分類并歸納為分部分項工程和措施項目兩類綜合碳排放系數(shù)。

1)計算分部分項工程綜合碳排放系數(shù)。建造階段的分部分項工程主要包括人工、材料及機(jī)械三部分。綜合考慮三部分的數(shù)量、各自碳排放系數(shù)以及建筑材料的回收利用率和建筑部件的維修率，可建立分部分項工程綜合碳排放系數(shù)計算公式為:

式中，Ci為某分項工程綜合碳排放系數(shù);p，q，r分別為各類單位工程中人工、材料、機(jī)械的數(shù)量;Cper，Cmat，Cmach分別為各類人工、材料、機(jī)械的碳排放系數(shù);μ為材料回收率;η為建筑部件的維修率。建筑分部分項工程部分綜合碳排放系數(shù)見表3。

表3 建筑分部分項工程部分綜合碳排放系數(shù)

2)計算措施項目綜合碳排放系數(shù)?！度珖y(tǒng)一施工機(jī)械臺班費用定額》中規(guī)定了施工機(jī)械能源消耗量，包括汽油、柴油、煤、電、水、木柴等，結(jié)合能源碳排放系數(shù)并據(jù)此計算措施項目綜合碳排放系數(shù)，可建立措施項目的綜合碳排放系數(shù)計算公式為:

式中，Cj為某措施項目綜合碳排放系數(shù);p，q，r分別為各類單位工程中人工、材料、機(jī)械的數(shù)量;Cper，Cmat，Cmach分別為各類人工、材料、機(jī)械的碳排放系數(shù)。建筑措施項目部分綜合碳排放系數(shù)見表4。

表4 建筑措施項目部分綜合碳排放系數(shù)

步驟三:計算建造階段建筑的碳排放

1)分部分項工程的碳排放量

分部分項工程碳排放量計算公式為:

式中，Cp為分部分項工程碳排放量;mi為各分部分項工程量;Ci為各分部分項工程綜合碳排放系數(shù)。

應(yīng)用所建的樣本建筑BIM模型，結(jié)合Revit的明細(xì)表功能，統(tǒng)計建筑工程的主要工程量清單，根據(jù)式(3)計算可得樣本建筑分部分項工程的碳排放量為:Cp=2237679.97 kg。

2)措施項目的碳排放量

措施項目的碳排放量計算公式為:

式中，Cm為措施項目的碳排放量;mj為各措施項目工程量;Cj為各措施項目綜合碳排放系數(shù)。

結(jié)合建造工程的施工組織方法，根據(jù)式(4)計算可得樣本建筑技術(shù)措施項目的碳排放量為:Cm=263524.52 kg。

3)建造階段建筑的碳排放量合計

樣本建筑在建造階段的碳排放量總計為:

(2)運營階段建筑的碳排放計量

運營階段建筑的碳排放主要計量建筑設(shè)備的碳排放量和綠地碳匯。

1)電力碳排放系數(shù)。根據(jù)《省級溫室氣體清單編制指南(發(fā)改辦氣候［2011］1041號)》中提供的我國區(qū)域電網(wǎng)單位供電平均二氧化碳排放數(shù)據(jù)，本研究取華中地區(qū)單位供電平均碳排放系數(shù)為 0.801 kg/kWh。

2)空調(diào)系統(tǒng)碳排放量。根據(jù)所建立樣本建筑BIM模型中的空調(diào)負(fù)荷模擬數(shù)據(jù)，選擇建筑HVAC系統(tǒng)為節(jié)能變頻空調(diào)，制冷能效比為3.6，采暖能效比為3.3，則樣本建筑的全年耗電量為351734 kWh。

3)照明系統(tǒng)碳排放量。建筑照明負(fù)荷密度參照《建筑設(shè)計常用電器數(shù)據(jù)》(04DX101-1)中辦公建筑的照明負(fù)荷密度，取10 W/m2，共10000 m2，需要系數(shù)取0.5，功率因素取0.9，則用電負(fù)荷為45 kW。由建筑光環(huán)境分析可知，樣本建筑的自然采光條件較好，按每年需人工照明時間125天、每天用電10小時計算，建筑照明的年用電量為56250 kWh。

4)綠地碳匯。樣本建筑設(shè)計方案的綠化率為30%，綠地面積900 m2，植物種類主要為灌木，取二氧化碳吸收系數(shù)為 0.212 kg/m2［7］，則樣本建筑的綠地每年碳匯量為190.8 kg。

5)運營階段的碳排放量合計。根據(jù)《民用建筑設(shè)計通則》(GB-50352-2005)樣本建筑設(shè)計年限取50年，則樣本建筑在運營階段生命周期的碳排放量總計為:

(3)建筑在拆除階段的碳排放計量

由于樣本建筑為新建建筑，故建筑在拆除階段的碳排放按建造階段碳排放量10%進(jìn)行估算［8］，則樣本建筑在拆除階段的碳排放量總計為:

(4)建筑生命周期的碳排放總量計量

綜上計量，樣本建筑在其建造階段、運營階段、拆除階段的碳排放量分別為2501 t、16330 t、250 t。則樣本建筑生命周期的碳排放總量為:

(5)建筑各階段的碳排放量比較分析

樣本公共建筑在生命周期各階段的碳排放比例分別為:建造階段占13%，運營階段占86%，拆除階段占1%(圖14)。分析可知，降低公共建筑生命周期運營階段的能耗是控制和減少公共建筑碳排放量的最重要措施。

圖14 樣本建筑生命周期各階段碳排放比例

3 結(jié)語

2014年3月中共中央和國務(wù)院頒布了《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020年)》，明確了在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中推行低碳發(fā)展理念、推動形成綠色低碳的生產(chǎn)生活方式和城市建設(shè)運營模式、推進(jìn)低碳城鎮(zhèn)試點的發(fā)展任務(wù)［9］。降低和減少公共建筑的能耗和碳排放量意義重大。

本文研究提出的基于BIM的公共建筑低碳設(shè)計分析方法與碳排放計量模型，為我國正在組織實施的城鎮(zhèn)建筑碳排放計量標(biāo)準(zhǔn)及低碳設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)集成研究與示范提供了具有可操作性的分析計量方法和典型實證案例，但還有待進(jìn)一步深入完善，納入城鎮(zhèn)應(yīng)對氣候變化的專項規(guī)劃體系［10］，在不同氣候區(qū)域和更大范圍規(guī)模的辦公建筑中推廣應(yīng)用。

［1］SBCI U.Buildings and Climate Change Summary for Decision-Makers［R］，Paris:United Nations Environment Programme，2009.

［2］仇保興.我國建筑節(jié)能潛力最大的六大領(lǐng)域及其展望［J］.建筑技術(shù)，2011，42(1):6-9.

［3］清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2007［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［4］National Institute of Building Sciences building SMART allianceTM.National BIM Standard-United StatesTMVersion 2，3 Terms and Definitions，Chapter 3.1 Introduction to Terms and Definitions［EB/OL］.［2014-04-25］.http://www.nationalbimstandard.org/nbimsus-v2/pdf/NBIMS-US2_c3.1.pdf.

［5］Azhar S，Brown J，F(xiàn)arooqui R.BIM-based Sustainability Analysis:An Evaluation of Building Performance Analysis Software［EB/OL］.［2014-03-04］.http://ascpro.ascweb.org/chair/paper/CPRT125002009.pdf.

［6］Wong K，F(xiàn)an Q.Building information modelling(BIM)for sustainable building design［J］.Facilities，2013，31(3/4):138-157.

［7］方精云，郭兆迪，樸世龍，等.1981～2000年中國陸地植被碳匯的估算［J］.中國科學(xué)，2007，37(6):804-812.

［8］仲 平.建筑生命周期能源消耗及其環(huán)境影響研究［D］.四川:四川大學(xué)，2005.

［9］國務(wù)院.國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020年)［EB/OL］.［2014-03-04］.http://www.gov.cn/zhengce/2014-03/16/content_2640075.htm.

［10］華 虹，王曉鳴.城市應(yīng)對氣候變化規(guī)劃初探［J］.城市問題，2011，(7):16-19.