金海,楊靜,李曉輝,劉洪麗,宣玉杰
低碳建筑是一個持續(xù)的概念,它伴隨著建筑整個生命周期,要求從建筑設(shè)計、施工、運營、拆除等階段全面降低二氧化碳排放量。我國是建材工業(yè)大國,建材工業(yè)的廢氣排放量占社會工業(yè)廢氣總排放量的18%,在低碳設(shè)計理念中,低碳建筑材料可以為低碳建筑提供基礎(chǔ)保障[1]。
我國現(xiàn)有建材碳排放計算的研究大多是基于建筑生命周期評價方法。尚春靜、張智慧等[2]對建筑全生命周期進行了碳排放量核算,初步提出了建筑物生命周期碳排放量評價框架和方法。蔡向容等[3]分析了國內(nèi)外的住宅建筑碳排放情況,總結(jié)出建材的生產(chǎn)和建筑的使用過程中的碳排放量占到了建筑碳排放總量的90%。于萍、陳效逑等[4]提出在計算建筑物碳排放量時可忽略施工階段,注重使用階段的碳排放量。李雪梅、姚雨竹[5]提出利用BIM技術(shù)在建筑物運營階段對住宅樓朝向、玻璃材質(zhì)等環(huán)節(jié)進行改良,證明將BIM技術(shù)與建筑碳排放相結(jié)合能快速直觀反映各階段碳排放量,并在設(shè)計階段及時作出參數(shù)調(diào)整。
我國建材碳排放的研究還處于初級階段,理論分析為主,缺少實際工程上的量化研究,缺乏系統(tǒng)性,對建筑全生命周期過程研究較少;對建筑材料的使用缺乏科學(xué)準確的定量統(tǒng)計;在計算中往往忽略了對水、暖、電等耗材以及拆除階段中碳排放量的統(tǒng)計。因此需要一種合理的碳排放計算方法對建筑物中建材全生命周期碳排放進行分析,為建筑施工圖設(shè)計階段提供一個二氧化碳排放量的合理估算。本研究基于BIM的建筑低碳設(shè)計分析與碳排放計量方法,對建筑整個生命周期過程中涉及的具體碳排放活動進行分析研究,提出了更加完善的建筑生命周期碳排放的核算方法,從而為建筑領(lǐng)域的低碳評價體系及碳排放標準化計算提供理論依據(jù)。
BIM技術(shù)是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為建筑信息模型建立的基礎(chǔ),并非指一個軟件或若干軟件的集合,而是一種方法論,是數(shù)字化表達模型的幾何空間、物理特征和功能信息并可以服務(wù)于建筑全生命周期管理的技術(shù)。它具有信息可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性等眾多優(yōu)點,為項目全生命周期中的決策優(yōu)化提供平臺和依據(jù)。在項目的不同階段,通過導(dǎo)入和導(dǎo)出信息,及時更新與修改信息,支持和反饋各自負責工作的協(xié)同情況[6]。
建材碳排放計量過程包含了建材的生產(chǎn)、運輸、維護和拆除四個生命周期階段。運用BIM技術(shù)對公共建筑建材全生命周期的低碳設(shè)計分析流程見圖1。
圖1 公共建筑的低碳設(shè)計分析流程圖
建筑物中建材全生命周期的碳排放計算公式構(gòu)成為:
式中:
Q總——建材全生命周期階段所產(chǎn)生的二氧化碳排放總量
Q1——建材生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的二氧化碳排放總量
Q2——建材運輸階段所產(chǎn)生的二氧化碳排放總量
Q3——建材維護階段所產(chǎn)生的二氧化碳排放總量
Q4——建材拆除階段所產(chǎn)生的二氧化碳排放總量
通過使用Autodesk Revit系列軟件,建立了工程案例的建筑、結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備等信息模型數(shù)據(jù),統(tǒng)計材料明細表中不同材料的用量。參照《ATUO?DESK Ecotect Analysis2011綠色建筑分析應(yīng)用》提供的材料碳排放量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算,見表1。
表1 不同建筑材料碳排放量
將Revit模型導(dǎo)入到Autodesk Ecotect Analysis進行溫室氣體排放分析并進行統(tǒng)計計算,根據(jù)數(shù)據(jù)表單計算單位面積構(gòu)件的二氧化碳排放量。計算公式為:
式中:
Q1+2——每平方米構(gòu)件(包含生產(chǎn)與運輸)溫室氣體排放總量,kg
Ki——某種材料的CO2/kg(或/m2、/m3、/個)排放量,可查表獲得,kg(m2、m3、個)
Mi——每平方米構(gòu)件所包含的某種材料的質(zhì)量(或面積、體積、數(shù)量),kg(m2、m3、個)
建筑物運營維護中產(chǎn)生的二氧化碳,主要由兩部分產(chǎn)生,一部分為建筑設(shè)備能源消耗導(dǎo)致的二氧化碳排放,另一部分為建筑材料在維護更換等過程中產(chǎn)生的二氧化碳排放。本文主要研究后一部分,不考慮建筑設(shè)備上的碳排放。
根據(jù)《民用建筑設(shè)計通則》[7]規(guī)定,不同類型建筑有不同使用年限,一般性建筑使用年限為50年;而不同材料的壽命、維護更換年限也不盡相同。以材料壽命為基準,計算更換過程中建材碳排放量,該階段的計量公式為:
式中:
ci——建材生產(chǎn)碳排放量系數(shù)(kg CO2/kg或kg CO2/m2或 kg CO2/m3)
mi——第i種建材使用量(kg或m2或m3)
Y——部分建筑設(shè)計使用年數(shù),根據(jù)《民用建筑設(shè)計通則》(GB 50352-2005),取50年
Yi——建筑材料i的使用壽命,年
表2為部分建材的使用壽命。
表2 建材的使用壽命表
建筑物在拆除清理階段碳排放產(chǎn)生來源主要是,拆除清理時使用的機械設(shè)備及拆除清理耗能。根據(jù)不同建筑類型、位置、高度,拆除的主要手段有人工拆除、機械拆除、爆破拆除、靜力破碎等。
意大利研究者[8]進行了為期兩年的建筑拆解項目研究,研究內(nèi)容主要為建筑拆解方法在建筑拆除過程中的應(yīng)用。結(jié)果表明,手動拆卸后的磚類材料100%可利用,而機械類拆卸70%可利用。材料在拆解過程中二氧化碳排放主要的來源為拆樓機、運輸車、除塵車等機械設(shè)備。因此計算時可以將計算模型分為兩類。
第一類為人工拆除計算公式:
式中:
Mi——第i種建材使用量,kg或m2或m3
Di--i種車的載重量,kg
ei--i種車百公里油耗CO2排放量
Li——材料運輸距離,km
此外,還要考慮拆除機械的燃油能耗所產(chǎn)生的二氧化碳排放量。根據(jù)實際工程經(jīng)驗,取一般挖掘機400m3/h的拆除工效來進行計算,通過時間換算出單位材料體積的機械碳排放量。機械燃油平均額定消耗取17L/h。
第二類為機械拆除或定向爆破拆除,拆除過程中材料會有損壞,因此計算模型中要在原公式的基礎(chǔ)上乘0.7的損耗系數(shù),即
式中:
ei——能耗強度(見表3)[10]。
關(guān)于Li,少部分建筑垃圾是直接填埋的,因此根據(jù)不可回收建筑垃圾體積計算挖掘機的碳排放量。金屬類建材、玻璃、木材等大部分可以回收利用,回收利用的垃圾以回原廠為標準,直接計算運輸碳排放即可。關(guān)于Di,通過資料查找統(tǒng)計C型棚車與P型敞車的載重量,綜合后載重量取55t。
表3 公路及水路運輸單位貨物周轉(zhuǎn)量的能耗強度
表4 建筑材料全生命周期碳排放量
天津慧翔職專地塊位于天津市南開區(qū)西營門外大街北側(cè),商業(yè)區(qū)6層,住宅21層,規(guī)劃面積13 120.70m2,可建設(shè)用地面積 6 418.40m2,總建筑面積2 220m2,地上建筑面積16 000m2,地下建筑面積6 206m2。圖2為天津慧翔職專建筑效果圖。
圖2 天津慧翔職專建筑效果圖
通過前期的方案設(shè)計,獲得各專業(yè)最終模型,如圖3所示。主要包括:建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、電氣模型、通風模型、給水模型、排水模型及供暖模型。
在不同專業(yè)模型確定后,通過Revit軟件可以導(dǎo)出各個專業(yè)在全生命周期下所需的建筑材料與設(shè)備等明細清單,拆除方式選取爆破拆除方式。表4為根據(jù)式(1)~(5)得出的建筑材料全生命周期碳排放量。
圖3 各專業(yè)BIM模型圖
(1)綜合分析各專業(yè)部分,混凝土在建筑中使用最多,造成建筑部分建材碳排放量的占比最大,因此,有必要在混凝土選材上進行重點篩選,優(yōu)先選用低碳排放的混凝土。
(2)以材料全生命周期劃分,發(fā)現(xiàn)材料在運行階段所排放的二氧化碳占比最多。因此,延長材料使用壽命尤為重要,建議優(yōu)先考慮使用壽命長的建筑材料。
(3)建筑電氣、給排水、暖通等專業(yè)中,管道的材料用量也相對較多,因此,建議在管道選材中盡量選用高分子材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅鐵等高碳排放的材料。
本文在BIM技術(shù)基礎(chǔ)上將建筑中建材碳排放劃分為建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣五個大類,同時結(jié)合全生命周期概念,將建材生命周期分為生產(chǎn)、運輸、運行、拆除四個階段,全方面探討各部分碳排放量。利用本文歸納的計算方法,可以估算出建筑物中所用建材的碳排放量,為發(fā)展低碳建筑、探討建筑全生命周期碳排放提供了依據(jù)。建議盡量選用本土生產(chǎn)的建材以減少建材在運輸、維護和拆除過程中的資源消耗和碳排放;在符合建筑設(shè)計的要求下,盡可能減少混凝土使用量,同時選用碳排放量較低的建筑材料。