陳 楠，徐 照，李啟明

（1. 三江學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210000；2. 東南大學(xué) 土木工程學(xué)院建設(shè)與房地產(chǎn)系，江蘇 南京 210096，E-mail：bernardos@163.com）

結(jié)合BIM 的工程項目全生命周期環(huán)境影響評價與決策分析方法研究

陳 楠1，徐 照2，李啟明2

（1. 三江學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210000；2. 東南大學(xué) 土木工程學(xué)院建設(shè)與房地產(chǎn)系，江蘇 南京 210096，E-mail：bernardos@163.com）

工程建設(shè)項目的能源消耗和污染物排放給環(huán)境帶來巨大的影響。從建設(shè)項目全生命周期角度出發(fā)，運用BIM技術(shù)及工具構(gòu)建建設(shè)項目的多維信息模型，并進一步定義BIM模型元素和建筑材料的關(guān)系，量化建筑物建筑材料的環(huán)境影響，運用層次分析法建立建設(shè)項目環(huán)境影響評價指標庫。以南京市某大學(xué)在建的科研用樓設(shè)計方案為例，建模并進行計算，分析建筑物對環(huán)境影響重要因素，為建設(shè)項目全生命周期環(huán)境影響評價提供新思路，為建筑物設(shè)計階段的方案優(yōu)化提供理論支持。

建筑信息模型；全生命周期；環(huán)境影響評價；決策分析；工程項目

全生命周期評估（Life Cycle Assessment，LCA）是一種評價從原材料采集到產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸、銷售、使用、回收、維護和最終處置整個生命周期階段有關(guān)的環(huán)境負荷的過程。從 LCA的角度討論工程建設(shè)項目的能源消耗及其環(huán)境影響程度并進行跟蹤控制是國內(nèi)外建筑節(jié)能領(lǐng)域的主要方向之一，Daniel等[1]對建筑生命周期內(nèi)的相關(guān)建筑構(gòu)件進行深入研究，并簡化建筑構(gòu)件。Lee等[2]對一個建筑項目開發(fā)進行了生命周期評價。陳江紅等[3]按照生命周期方法建立了整體的評價框架，對住宅建筑全生命周期整體的環(huán)境影響情況進行了分析。張智慧等[4]基于全生命周期評價理論，開發(fā)建筑物環(huán)境影響評價模型BEPAS，并分析案例的環(huán)境影響水平。

BIM（Building Information Modeling建筑信息模型）和 LCA結(jié)合的顯著優(yōu)勢使其在建筑全生命周期評估中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。而目前建筑領(lǐng)域的相關(guān)研究中，通過BIM技術(shù)構(gòu)建項目3D模型和通過 LCA評估框架分析環(huán)境影響因素是較為重要的方法，但是將二者相結(jié)合通過BIM模型的屬性信息進一步量化 LCA的評價結(jié)果，并利用評價結(jié)果進一步優(yōu)化設(shè)計施工方案是現(xiàn)階段研究方法中有待進一步深入的。本文從建設(shè)項目全生命周期角度出發(fā)，運用BIM技術(shù)及工具構(gòu)建建設(shè)項目的三維信息模型，并進一步定義BIM模型元素和建筑材料的關(guān)系，較為系統(tǒng)地量化計算建筑物構(gòu)部件的材料環(huán)境影響，并運用層次分析法建立建設(shè)項目環(huán)境影響評價指標庫。

1　研究方法與技術(shù)

集成多種建模與分析方法構(gòu)建建筑全生命周期環(huán)境影響的綜合框架的重要性在建筑性能的研究領(lǐng)域已有相關(guān)論述[6]。建筑材料的環(huán)境影響定量評價與建筑多元可視化的集成需要將詳細的建筑信息模型和能源消耗指標相結(jié)合。為了高效地建立建筑模型，滿足該條件的框架應(yīng)該能夠通過簡單的操作進行數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)換。建立綜合的評估框架目的是為了在環(huán)境影響的度量和不同的建筑材料以及建筑元素的多元可視化中建立統(tǒng)一的標準。

工程項目的 LCA評估范圍按照建設(shè)項目生命周期的時間順序一般劃分為5個階段：原材料生產(chǎn)運輸、建造施工、使用運行、拆除以及建筑廢料處理回收利用。另一方面，BIM技術(shù)具有基于共享的知識資源分享建筑信息的特點，與建筑的生命周期設(shè)計具有非常好的匹配度，利用BIM進行建設(shè)項目全生命周期環(huán)境影響因素的決策分析主要包括兩個方面的內(nèi)容：

（1）目標和邊界的劃定。通過BIM技術(shù)使建筑的非幾何屬性與實體圖元產(chǎn)生一致性關(guān)聯(lián)，其作為建筑設(shè)施的物理與功能特征的數(shù)字化表示，為建筑全生命周期環(huán)境影響提供定量評價的評估范圍。

（2）建立面向LCA的決策分析模型。選取適宜的決策分析模型，建立環(huán)境影響評價基準和設(shè)計方案之間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，利用BIM模型數(shù)據(jù)參數(shù)化、數(shù)據(jù)可視化、協(xié)同化等特點為 LCA提供更加準確的動態(tài)數(shù)據(jù)，使得能耗分析向可視化角度轉(zhuǎn)化，從而為方案優(yōu)化提供支持。

本文主要通過評估應(yīng)用在指定工程項目構(gòu)部件單元中的建筑材料的環(huán)境影響值，建立系統(tǒng)化方法來選擇更加經(jīng)濟和環(huán)保的建筑設(shè)計方案。本研究首先構(gòu)建了包含多重屬性信息的BIM模型，通過模型反映建筑元素的量化特征。其次應(yīng)用BIM數(shù)據(jù)庫中的信息進行整合 LCA理念的環(huán)境影響評價分析（例如：氣體排放，水資源消耗，土地流失，能源消耗及全球暖化影響等），本研究劃分建筑全生命周期主要過程為：生產(chǎn)階段、運營維護階段和回收階段[7]。最終結(jié)合決策分析方法、BIM模型數(shù)據(jù)及環(huán)境指標進行綜合環(huán)境影響評價，并分析評價結(jié)果的差異性。

2　BIM模型構(gòu)建與環(huán)境影響評價

工程項目環(huán)境影響評價方法的核心是評價指標選取與量化，環(huán)境影響評價指標體系主要描述與工程項目產(chǎn)品系統(tǒng)有關(guān)的投入產(chǎn)出清單，量化工程項目系統(tǒng)的投入產(chǎn)出。指標分析貫穿于整個生命周期，即建筑原材料的制造、加工、運輸、施工和用后處理等。一個完整的指標體系能為工程項目系統(tǒng)的相關(guān)投入產(chǎn)出提供一個總的概括，涉及所有建筑構(gòu)部件的每個階段。相應(yīng)評價指標的量化是對清單階段所辨識出來的環(huán)境負荷影響進行定量和（或）定性的描述和評價。在工程項目的全生命周期中，根據(jù)生命周期清單分析的結(jié)果，對環(huán)境的影響進行定量或定性的描述或評價，評估與這些投入產(chǎn)出相關(guān)的潛在環(huán)境影響。

2.1環(huán)境影響評價指標選取

通過全面建筑評估可獲得所有建筑材料對各類環(huán)境影響所做的貢獻，這些貢獻值可根據(jù) Revit分類、族類型、CSI分類、材料種類等不同的分類標準進行排列，從而可以讓使用者根據(jù)不同的標準進行建筑材料的選擇。進行設(shè)計方案比較時，可對不同的設(shè)計方案進行建筑材料環(huán)境影響的對比與評價，形成一系列的環(huán)境影響類別的報告。目前，BIM應(yīng)用工具根據(jù)TRACT2.1（Tool for the Reduction and Assessment of Chemical and Other Environmental Impacts）將環(huán)境影響分為8個因素指標。

（1）酸化潛勢（Acidification Potential，AP）。酸化是環(huán)境中氫離子（H+）濃度的不斷增長的過程，酸化物質(zhì)通常是由氣體排放和燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化硫和氧化氮形成的污染物。AP主要是用來衡量環(huán)境中氫離子含量的上漲趨勢，是評估環(huán)境酸化的重要指標，一般用每kg SO2當(dāng)量（SO2-eq）來表示，酸化潛勢因子當(dāng)量如表1所示[8]。

（2）富營養(yǎng)化潛勢（Eutrophication Potential，EP）。富營養(yǎng)化通常是指水體中的營養(yǎng)物質(zhì)氮（N）和磷（P）元素含量過高所帶來的潛在影響和水質(zhì)污染現(xiàn)象。人類活動特別是大型建設(shè)項目會加速生態(tài)環(huán)境的富營養(yǎng)化進程。

（3）全球變暖潛勢（Global Warming Potential，GWP）。全球變暖是指在一段時間中，地球的大氣和海洋因溫室效應(yīng)造成溫度上升，隨著溫室效應(yīng)不斷積累，將導(dǎo)致地氣系統(tǒng)吸收與發(fā)射的能量不平衡，能量不斷在地氣系統(tǒng)累積，造成全球氣候變暖這一現(xiàn)象。全球變暖潛勢因子當(dāng)量見表2。

表1　酸化潛勢因子當(dāng)量

表2　全球變暖潛勢因子當(dāng)量

（4）臭氧消耗潛勢（Ozone Depletion Potential，ODP）。臭氧破壞潛勢是指氣體散逸到大氣中對臭氧破壞的潛在影響程度。建筑材料的大規(guī)模生產(chǎn)和使用帶來有害氣體排放和污染問題的逐步累積，并已從小規(guī)模的室內(nèi)空氣污染逐步擴展到全球范圍內(nèi)的臭氧層破壞。

（5）煙霧形成潛勢（Smog Formation Potential，SFP）。建設(shè)項目施工過程中的施工現(xiàn)場煙霧主要來自于建筑材料運輸、處理以及供應(yīng)時使用的電力所產(chǎn)生的建筑粉塵、氮氧化合物（NOx）和硫氧化物（SOx）。建設(shè)項目帶來的煙霧一方面加重了生活環(huán)境負擔(dān)，另一方面與人體健康問題特別是呼吸系統(tǒng)疾病密切相關(guān)。

（6）初級能源需求（Primary Energy Demand，PED）。初級能源消耗是指直接使用資源或無需經(jīng)過轉(zhuǎn)化可直接提供給使用者的“粗能”，也就是說，沒有經(jīng)過人工任何轉(zhuǎn)換過程的能量[9]。初級能源需求（PED）是用來評估不可再生資源（例如煤、核能、天然氣）和可再生資源（如氧氣、水、太陽能）的需求量。

（7）可再生與不可再生能源消耗量（Renewable Energy & Non-Renewable Energy，RE&NRE）。一般，常規(guī)的不可再生能源主要是指技術(shù)上比較成熟且已被大規(guī)模利用的能源，如煤、石油、天然氣等，而把太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿茸鳛樾滦涂稍偕茉?。上述環(huán)境影響評價指標的計算方法見表3。

表3　環(huán)境影響評價指標的計算

指標表征是對環(huán)境影響清單分析結(jié)果進行統(tǒng)一的單位換算，并在一種影響類型內(nèi)對換算結(jié)果進行合并。BIM-LCA功能模塊主要使用當(dāng)量因子作為指標表征，即將所有的排放物按照一定的當(dāng)量因子（也稱特征化因子）轉(zhuǎn)化為某一種代表物質(zhì)的當(dāng)量數(shù)。TRACT2.1環(huán)境影響評價系數(shù)進一步根據(jù)各個指標的表征量建立綜合評價公式[10]如下所示：

式中，I為建設(shè)項目潛在綜合環(huán)境影響評價系數(shù)；I為建設(shè)項目環(huán)境影響評價類別；Fi為環(huán)境影響評價類別i的潛勢指標量化結(jié)果。

2.2BIM模型構(gòu)建與評價結(jié)果量化

本文以某大學(xué)在建科研用樓為標的工程，使用Revit軟件進行建模，并以標的工程的5樓樓板為研究對象進行全生命周期環(huán)境表現(xiàn)分析。評估范圍被確定之后，需要定義BIM元素和材料之間的關(guān)系，樓板類型見表4。

表4　BIM元素與Tally對應(yīng)關(guān)系

鋼筋混凝土樓板材料信息確定之后，即可計算功能單位樓板各環(huán)境影響特征化計算結(jié)果，表5是其功能單位在各階段的環(huán)境影響特征化計算結(jié)果。

（1）生產(chǎn)階段。建設(shè)項目在生產(chǎn)階段的產(chǎn)出主要是對自然環(huán)境有影響的物質(zhì)和能量的排放，包括廢水、廢氣、廢物等對環(huán)境產(chǎn)生的污染。樓板生命周期各環(huán)境影響主要來源于樓板（細石混凝土及鋼筋）的生產(chǎn)過程。在生產(chǎn)過程中，各類環(huán)境影響大小排序為：GWP＞AP＞NRE＞PED＞SFP＞EP＞ODP＞RE，由于樓板生產(chǎn)階段產(chǎn)生的不可再生資源消耗影響以及初級能源需求分別占樓板生命周期不可再生資源消耗影響的比重約為80%以上，因此選用生命周期中環(huán)境影響小的細石混凝土及鋼筋原材料對改善樓板乃至整個建筑的環(huán)境負荷意義重大。樓板的生產(chǎn)階段是造成溫室效應(yīng)的重要階段，其產(chǎn)生的全球變暖潛勢影響占樓板生命周期全球變暖潛勢影響的比重約為50%以上，所排放的溫室效應(yīng)氣體合計為7929t二氧化碳當(dāng)量值。需要指出的是，這是生產(chǎn) 1323m2樓板所需用材料產(chǎn)生的二氧化碳氣體。

（2）運營與維護階段。建設(shè)項目的運營與維護階段應(yīng)加強項目產(chǎn)生的廢物、廢水、廢氣等的回收和循環(huán)利用。維護階段產(chǎn)生的溫室效應(yīng)達到了其整個生命周期的30%，所排放的二氧化碳當(dāng)量約為3650t。主要是因為此階段消耗大量的電能，而生產(chǎn)1kWh的電能會釋放1kg的二氧化碳氣體，其中還不包括其它產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體。臭氧破壞潛勢在維護階段所占的環(huán)境影響比例最大，達到50%。在該階段，臭氧破壞潛勢的環(huán)境影響比例大的原因主要為主要由人類活動造成的NOx、H2O、N2O、CFC等氣態(tài)物的增加。

（3）回收階段。樓板在生命期末端的臭氧破壞潛勢和可再生能源的需求為正值，其余環(huán)境影響皆為負值，出現(xiàn)負值的主要原因為樓板的廢料回收參與到新的建筑材料的制造，即廢鋼循環(huán)收益。因此從環(huán)境收益的角度考慮，盡可能地進行廢料的回收與利用對改善環(huán)境影響和減少溫室效應(yīng)具有十分重要的意義。

表5　樓板功能單位在各階段環(huán)境影響特征化計算結(jié)果

3　決策模型構(gòu)建與綜合分析

3.1建立層次結(jié)構(gòu)評價框架

建設(shè)工程項目的生命周期評價指標主要包括環(huán)境指標、技術(shù)指標和成本指標[11]。根據(jù)各因素子系統(tǒng)的特點和指標獨特性建立起由多個因素組成的工程項目復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng) AHP評價框架，分為三個層次，一層是綜合環(huán)境影響系數(shù)，二級指標為工程屬性指標、經(jīng)濟指標、環(huán)境指標三大類，三級指標為各類具體指標共12項，見表6。

表6　建設(shè)項目環(huán)境影響因素評價指標

完整的 LCA分析通常包括生產(chǎn)階段、建設(shè)運營階段和維護階段組成的全生命周期過程，本文以表4中樓板的8個構(gòu)件單元在生產(chǎn)階段的環(huán)境影響指標計算結(jié)果為基礎(chǔ)進行LCA環(huán)境影響綜合評價，其中經(jīng)濟指標即材料價格和環(huán)境治理投入指標設(shè)為變量，其他指標由BIM模型計算得出（見表7）。

3.2建立判斷比較矩陣R

建立 D1，D2，D3組成的一級指標比較矩陣，和工程屬性指標D1包含的2個二級指標、經(jīng)濟指標D2包含的2個二級指標和環(huán)境指標D3包含的8個二級指標分別組成的3個子系統(tǒng)比較矩陣：

式中，aij=1/aij（i≠j），aij=1（i=j），aij代表表4中二級指標的重要性程度比較。重要性程度比值由專家打分和調(diào)查問卷的方法綜合確定，并根據(jù) T. L. Saaty提出的1～9比率標度確定。

表7　構(gòu)件單元初始BIM模型計算結(jié)果

3.3相對權(quán)重計算

本研究向從事結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程施工、環(huán)境與經(jīng)濟等領(lǐng)域?qū)＜野l(fā)放了60份調(diào)查問卷，回收了55份。再綜合專家的意見構(gòu)建的各級比較矩陣如表 7所示，求解各級比較矩陣R的最大特征根γ和相對的特征向量ω，并對特征向量行歸一化，即由計算所得的各個二級指標歸一化特征向量分別與對應(yīng)的一級指標 計算結(jié)果見表8。

3.4矩陣一致性檢驗

3.5綜合分析

將表6中根據(jù)BIM模型計算得到的各項指標值進一步標準化，考慮到不同指標對于系統(tǒng)評價結(jié)果的正反比關(guān)系，需要對正比指標和反比指標分別進行指標標準化。

正比指標：

反比指標：

式中，yij為指標標準化值；xij為指標 i對于構(gòu)件 j進的初始計算值；minxij與maxxij分別是指標x在當(dāng)前統(tǒng)計序列中的最小和最大值（1≤i≤13，1≤j≤8）。利用表8中的指標權(quán)重和根據(jù)BIM模型計算得到的建筑功能單位各環(huán)境影響特征化計算結(jié)果的標準化值，進一步計算單一構(gòu)部件或者整體建筑的綜合環(huán)境影響系數(shù)：

式中，Pi為指標權(quán)重值；Dj為系統(tǒng)中各構(gòu)部件單元的評價計算結(jié)果；Z為對整個系統(tǒng)的環(huán)境影響評價結(jié)果。根據(jù)本文模型中的示例結(jié)果，在將經(jīng)濟指標I4和 I5的標準化值綜合設(shè)定為價格變量 P的條件下，可得構(gòu)件單元1～8的環(huán)境影響評價結(jié)果為：

根據(jù)計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相比之下構(gòu)件8的環(huán)境影響評價結(jié)果最大即可能對環(huán)境造成最大影響，這主要是由于在結(jié)構(gòu)體量方面大于其他幾組構(gòu)件。而構(gòu)件2、3、7在結(jié)構(gòu)體量方面相差不大，但是在計算結(jié)果上偏差明顯，這一方面顯示出不同建筑材料對環(huán)境的影響差異，另一方面是權(quán)重對8個環(huán)境影響指標的作用結(jié)果。此外，應(yīng)在進一步考慮價格因素之后，細化各構(gòu)件單元計算結(jié)果的差異性。

表8　比較矩陣表

4　結(jié)語

從研究中可以得出項目全生命周期評估時，BIM模型可提供執(zhí)行LCA時所需的大部分數(shù)據(jù)， 以及計算工程建設(shè)不同階段產(chǎn)生的環(huán)境影響。根據(jù)不同階段產(chǎn)生的環(huán)境影響評價結(jié)果，可采取提高能源燃燒效率以及運用先進的燃燒技術(shù)來減少全球變暖潛勢影響或?qū)Νh(huán)境影響值大的材料，有針對性地對該種材料或建筑做法進行必要的改進或優(yōu)化，如改進加工工藝或在滿足同樣使用功能的前提下，選擇可替代的環(huán)境影響值較小的材料。BIM技術(shù)與LCA的結(jié)合可以實現(xiàn)兩種工具之間的信息資源共享，避免了需要人工輸入數(shù)據(jù)的繁瑣，準確的動態(tài)數(shù)據(jù)和可視化分析使得在設(shè)計階段的方案優(yōu)化成為可能，對工程項目環(huán)境影響因素決策評價有積極的作用，為高性能的建筑設(shè)計提供有價值決策。

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A BIM-based Study on Environmental Impacts and Decision Making Analysis of Building Construction

CHEN Nan1，XU Zhao2，LI Qi-ming2
（1. Department of Civil Engineering，SanJiang University，Nanjing 210000，China；2. Department of Construction and Real Estate，Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China，E-mail：bernardos@163.com）

The ecological environment is affected greatly by energy consumption and pollution emission from building construction. The paper suggests a method to use LCA analysis and BIM technology to design 3D BIM models and define the relationship between BIM elements and architecture materials. The method proposed in the paper could quantitatively analyze the environmental impacts and build the index database of project environmental impact assessment using analytical hierarchy process. The design plan of the Teaching and Research Building in a university in Nanjing is taken as an example to calculate the energy consumption with building information modeling and analyze the key factor of environmental impacts. The paper aims to suggest an integrated solution to LCA-based environmental impact assessment of building construction and also provide a theoretical support to the plan optimization in the stage of building design.

BIM；LCA；environmental impact assessment；decision making；building construction

TU17

A

1674-8859（2016）02-097-06 DOI:10.13991/j.cnki.jem.2016.02.019

陳 楠（1989-），女，碩士，助教，研究方向：BIM技術(shù)，工程造價管理；

徐 照（1982-），男，博士，講師，研究方向：工程管理，全生命周期評估；

李啟明（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：工程管理。

2016-03-21．

國家自然科學(xué)基金項目（71302138）；教育部留學(xué)人員回國啟動科研啟動基金項目（20141685）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目．