徐 照, 方卓禎, 李德智, 吳 剛

(1 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189；2 智慧建造與運(yùn)維國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，南京 211189)

0 引言

建筑信息模型(BIM)技術(shù)通過數(shù)字化建模和數(shù)據(jù)管理的方式,將建筑項(xiàng)目的所有相關(guān)信息整合成一個(gè)可視化的三維模型,用于協(xié)調(diào)各參與方在項(xiàng)目全生命周期中的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理。BIM技術(shù)的應(yīng)用可以減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和成本,增強(qiáng)工程項(xiàng)目的協(xié)同和可視化管理,同時(shí)提供了更高水平的信息共享和交流平臺(tái),推動(dòng)建筑行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展。

由于建筑組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜且壽命周期長(zhǎng),對(duì)其進(jìn)行碳排放計(jì)算主要存在數(shù)據(jù)收集困難的問題。作為建筑的信息載體,BIM技術(shù)能為碳排放計(jì)量提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐[1],將其融合于建筑全生命周期碳排放的研究中是行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[2]。本文針對(duì)目前BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的研究進(jìn)展,從研究現(xiàn)狀、理論方法、工具平臺(tái)、應(yīng)用價(jià)值這四個(gè)方面進(jìn)行了研究成果的歸納梳理和研究難點(diǎn)的總結(jié),并做了研究展望,為該領(lǐng)域的未來發(fā)展提供參考。

1 BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

1.1 研究進(jìn)程

2003年,BIM技術(shù)被引進(jìn)國(guó)內(nèi)并被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。2011年,國(guó)家“十二五”發(fā)展規(guī)劃明確要將BIM作為工程建筑行業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)。在此前,BIM僅作為建模工具,被用于3D模型設(shè)計(jì)或碰撞檢查等簡(jiǎn)單工作,數(shù)據(jù)價(jià)值尚未被充分挖掘。

2014年,《建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 374∶2014)[3](簡(jiǎn)稱《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》)正式實(shí)施,該標(biāo)準(zhǔn)充分結(jié)合國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)建筑碳排放的特點(diǎn),采用全生命周期評(píng)價(jià)方法從清單統(tǒng)計(jì)的角度和建筑信息模型的角度計(jì)算碳排放量。該標(biāo)準(zhǔn)首次將BIM模型和建筑碳排放計(jì)算相結(jié)合。此后越來越多的學(xué)者開始研究BIM技術(shù)在碳排放計(jì)算領(lǐng)域的具體應(yīng)用,例如基于BIM和工程量清單的建筑產(chǎn)品物化階段碳排放計(jì)量方法[4],基于BIM的建筑全生命周期碳排放度量平臺(tái)[5]等,逐步推動(dòng)碳排放核算的定量化和自動(dòng)化。2015年,《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378—2014)[6](簡(jiǎn)稱《評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》)將建筑碳排放計(jì)算及其足跡分析納入到綠色建筑評(píng)價(jià)的創(chuàng)新項(xiàng)得分中,這為BIM在碳排放計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的切入點(diǎn)。相關(guān)研究依據(jù)《評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》,建立了BIM技術(shù)與低碳綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系相結(jié)合的動(dòng)態(tài)融合機(jī)制,以輔助低碳綠色建筑的實(shí)施規(guī)劃[7]。在這一階段,BIM技術(shù)主要用于建筑設(shè)計(jì)階段的碳排放計(jì)算中,在建筑運(yùn)營(yíng)和拆除階段的應(yīng)用還沒有得到廣泛推廣。

2020年,我國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo),低碳發(fā)展理念上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面,BIM技術(shù)在碳排放計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了加速推進(jìn)。除了在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行建筑碳排放計(jì)量,很多研究將BIM技術(shù)應(yīng)用聚焦于建筑改造項(xiàng)目上,如應(yīng)用BIM能源模擬技術(shù)探究建筑性能參數(shù)對(duì)建筑能耗與碳排放的影響,從而總結(jié)出低碳目標(biāo)導(dǎo)向的建筑改造優(yōu)化方法[8]。

1.2 影響因素

BIM技術(shù)被應(yīng)用于建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的影響因素主要有三點(diǎn):建筑碳排放計(jì)算政策要求、建筑碳排放計(jì)算方法研究以及BIM技術(shù)的適用性。對(duì)這三種因素進(jìn)行梳理和分析可以發(fā)現(xiàn),BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域具有可研究性與可實(shí)踐性。

1.2.1 建筑碳排放計(jì)算政策

近年來,我國(guó)制定了各種政策和措施來應(yīng)對(duì)建筑碳排放帶來的挑戰(zhàn)。2015年6月,我國(guó)正式發(fā)布《國(guó)家自主貢獻(xiàn)預(yù)案》(INDC)文件,宣布到2030年GDP碳排放強(qiáng)度比2005年水平降低60%～65%。2020年9月,我國(guó)在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上正式提出2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。此后,我國(guó)“十四五”規(guī)劃中出臺(tái)各項(xiàng)法律措施和財(cái)政激勵(lì)措施,明確利用數(shù)字技術(shù)提高高碳行業(yè)的能源效率,因此BIM技術(shù)正成為中國(guó)建筑業(yè)可持續(xù)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵工具。

為更快實(shí)現(xiàn)降碳減排目標(biāo),《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》(GB 55015—2021)[9]強(qiáng)制要求對(duì)建筑碳排放進(jìn)行計(jì)算,明確建設(shè)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告、建設(shè)方案和初步設(shè)計(jì)文件應(yīng)包含建筑碳排放分析報(bào)告。碳排放計(jì)算從原《評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的推薦項(xiàng)變?yōu)閺?qiáng)制項(xiàng),可見國(guó)家正大力加強(qiáng)對(duì)建筑碳排放的重視。除此之外,我國(guó)也在積極推廣碳交易、碳稅和綠色金融等經(jīng)濟(jì)手段。2020年12月,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》并指出要建設(shè)全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)及相關(guān)制度,利用市場(chǎng)機(jī)制作用推動(dòng)綠色低碳發(fā)展。

1.2.2 建筑碳排放計(jì)算方法

建筑碳排放計(jì)算方法相關(guān)研究在國(guó)外起步較早,形成了獲得廣泛認(rèn)可的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),主流計(jì)算方法有自上而下的投入產(chǎn)出法和自下而上的碳排放因子法。碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方面,國(guó)際組織發(fā)揮了重要作用。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于2017年發(fā)布了首個(gè)建筑物碳排放計(jì)算國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)—建筑物和土木工程的可持續(xù)性:既有建筑物在使用階段的碳排放指標(biāo)(ISO 16745-1∶2017),在此前,商品和服務(wù)在生命周期內(nèi)的溫室氣體排放評(píng)價(jià)規(guī)范(PAS 2050∶2008)、溫室氣體核算體系(GHG protocol)、日本產(chǎn)品碳足跡評(píng)價(jià)與標(biāo)識(shí)的一般原則(TS Q 0010∶2009)等相關(guān)碳排放計(jì)算協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)已具有較大的國(guó)際影響力。碳排放計(jì)算模型方面,美國(guó)針對(duì)住宅和商業(yè)建筑建立了Scout模型,英國(guó)針對(duì)小型住宅和公共住宅分別建立了SAP模型和SBEM模型,日本針對(duì)獨(dú)棟與集合住宅建立了LCCM模型,而歐盟范圍內(nèi)建立了CoreBee模型、Invert/EE-Lab模型、RE-BUILDS模型等[10],均已取得了較多研究成果。

近些年來,我國(guó)也陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)指南和標(biāo)準(zhǔn),從國(guó)家、地區(qū)、行業(yè)層面不斷加強(qiáng)對(duì)建筑領(lǐng)域的碳排放計(jì)算流程和計(jì)算方法的規(guī)范。2014年12月,中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院牽頭編制完成《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)》。2015年7月,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)出臺(tái)包含公共建筑運(yùn)營(yíng)單位在內(nèi)的十個(gè)行業(yè)的企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南。2019年12月,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51366—2019)[11](簡(jiǎn)稱《計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》),這是國(guó)內(nèi)首部與建筑碳排放計(jì)算相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),為建筑碳排放的計(jì)算及相關(guān)碳排放因子的確定提供了依據(jù)。2021年3月,中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)發(fā)布《建筑材料工業(yè)二氧化碳排放核算方法》。2021年12月,廣東省住建廳發(fā)布《建筑碳排放計(jì)算導(dǎo)則(試行)》。此外,也有研究提出建立適用我國(guó)國(guó)情的建筑碳排放模型,如用于碳排放總量控制的CBCEM模型、用于碳排放達(dá)峰預(yù)測(cè)的LBNL中國(guó)終端能源模型等[10]。

無論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi),通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的建立和相關(guān)研究的運(yùn)用推進(jìn),建筑碳排放計(jì)算方法日漸成熟,為BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的結(jié)合應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

1.2.3 BIM技術(shù)的適用性

建筑信息模型是未來建筑實(shí)踐中的關(guān)鍵組成部分,BIM技術(shù)在生產(chǎn)力和可靠性方面的優(yōu)勢(shì)已得到廣泛認(rèn)可。BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的適用性主要體現(xiàn)在以下方面。

首先,BIM技術(shù)致力于實(shí)現(xiàn)從項(xiàng)目前期策劃、設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營(yíng)維護(hù)、拆除等全生命周期不同階段的集成管理,而建筑碳排放計(jì)算也需要考慮建筑全生命周期的各個(gè)階段,具有時(shí)間維度上的一致性。其次,BIM技術(shù)具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)集成能力,BIM技術(shù)的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型,利用數(shù)字化技術(shù),為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑工程信息庫。建筑碳排放計(jì)算需要建筑全生命周期的大量數(shù)據(jù),而BIM模型可以利用數(shù)字化方式,準(zhǔn)確提供建筑位置、構(gòu)件屬性、建材特征等豐富數(shù)據(jù)資源,滿足建筑碳排放計(jì)算的參數(shù)需求。最后,BIM技術(shù)可以兼容生命周期評(píng)價(jià)方式、碳排放測(cè)算方法等[12],提供貫穿建筑全生命周期的信息綜合和數(shù)據(jù)管理平臺(tái),以實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期各階段全過程的碳排放跟蹤和控制。

2 BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的理論方法

2.1 確定基于BIM的碳排放計(jì)算邊界

建筑碳排放計(jì)算邊界的確定需要包含時(shí)間和空間兩個(gè)維度,時(shí)間上主要考慮建筑在全生命周期的哪些階段產(chǎn)生了碳排放,空間上主要考慮各階段的碳排放分別來源于哪些因素。當(dāng)前研究對(duì)建筑碳排放空間維度的界定尚未形成統(tǒng)一,而時(shí)間維度上的各階段BIM技術(shù)應(yīng)用方法和結(jié)合程度存在差異。

在時(shí)間維度上,一般將建筑全生命周期碳排放劃分為生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段、建造階段、運(yùn)行階段、拆除階段五個(gè)部分,即建筑從“搖籃到墳?zāi)埂钡倪^程,少部分研究會(huì)再考慮回收階段[2,13],即建筑從“搖籃到搖籃”的過程。其中,基于BIM技術(shù)的建筑運(yùn)行階段碳排放研究最為成熟,計(jì)算途徑相對(duì)統(tǒng)一。而由生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段、建造階段構(gòu)成建筑的物化階段,即建筑從“搖籃到完成施工”的過程,在BIM模型的應(yīng)用方法上一般會(huì)與運(yùn)行階段有所區(qū)分。此外,也有研究將BIM技術(shù)專門用于建筑材料、預(yù)制構(gòu)件、施工現(xiàn)場(chǎng)等單一對(duì)象或場(chǎng)景的碳排放計(jì)算。

在空間維度上,我國(guó)的《計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》已對(duì)各階段的碳排放計(jì)算內(nèi)容進(jìn)行了明確定義,如表1所示。但在BIM的結(jié)合應(yīng)用過程中,不同研究對(duì)于同階段的碳排放計(jì)算對(duì)象的選擇不同。在生產(chǎn)階段,一般考慮建筑所投入的不同類型的建材產(chǎn)生的碳排放,部分針對(duì)性研究會(huì)對(duì)建材生命周期的組成階段做具體計(jì)算[14]。運(yùn)輸階段通常計(jì)算各類建材運(yùn)輸工具所產(chǎn)生的碳排放。在建造階段,有研究?jī)H考慮施工機(jī)械產(chǎn)生的碳排放,也有研究額外考慮該階段的人工作業(yè)消耗、現(xiàn)場(chǎng)辦公活動(dòng)的設(shè)備消耗[15],或?qū)⑦\(yùn)輸階段的碳排放并入建造階段[16]。運(yùn)行階段需要考慮暖通空調(diào)、照明、供水、供電等能源設(shè)備的碳排放,也有研究?jī)H選擇能源消耗占比較大的暖通空調(diào)和照明設(shè)備進(jìn)行碳排放計(jì)算[17-18]。拆除階段主要考慮機(jī)械設(shè)備的碳排放。在整體考慮物化階段的研究中,一般將建筑碳排放計(jì)算對(duì)象劃分為人、材料、機(jī)械三個(gè)部分。

表1 《計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中各階段的建筑碳排放計(jì)算內(nèi)容[11]

2.2 選定基于BIM的碳排放計(jì)算方法

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究中認(rèn)可程度較高的碳排放計(jì)算方法主要有三種,分別為碳排放系數(shù)法、質(zhì)量平衡法和實(shí)測(cè)法。其中,式(1)為碳排放系數(shù)法,即將不同資源的活動(dòng)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的碳排放因子相乘,以得到該資源的碳排放量。相比于其他兩種方法,碳排放系數(shù)法適用尺度全面、操作流程簡(jiǎn)單,在建筑碳排放計(jì)算研究方面應(yīng)用較廣。

Em=AD×EF

(1)

式中:Em為溫室氣體排放量;AD為活動(dòng)數(shù)據(jù);EF為排放因子。

基于碳排放系數(shù)法,多數(shù)研究側(cè)重于如何借助BIM模型高效提取各階段的資源活動(dòng)數(shù)據(jù),再通過公式計(jì)算得到碳排放預(yù)測(cè)值或核算值。少數(shù)研究則采用布設(shè)傳感器的方式,將實(shí)時(shí)采集到的設(shè)備能耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為碳排放,并與BIM模型進(jìn)行自動(dòng)關(guān)聯(lián),建立建筑數(shù)字孿生模型[19]。相比之下,后者更能發(fā)揮BIM模型優(yōu)勢(shì),能夠?qū)崿F(xiàn)建筑碳排放的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及空間統(tǒng)計(jì),但該方法目前僅適用于運(yùn)行階段。

無論采用何種方式,都需要先建立有效的BIM模型,模型精度等級(jí)在LOD300及以上[13]。建模前應(yīng)進(jìn)行需求分析,并按結(jié)構(gòu)對(duì)建筑工程進(jìn)行分解以清楚模型組成成分[14],建模時(shí)既要確保模型的組成構(gòu)件的位置、形狀、尺寸、材質(zhì)等幾何參數(shù)準(zhǔn)確表達(dá),也需要正確處理構(gòu)件之間的連接關(guān)系[14],使模型包含的信息量至少達(dá)到施工圖設(shè)計(jì)完成時(shí)的信息量水平。

2.3 基于BIM模型的數(shù)據(jù)提取

數(shù)據(jù)提取可以直接借助既有建模軟件或插件功能對(duì)建好的BIM模型直接進(jìn)行操作,考慮到模型表達(dá)的統(tǒng)一性和合規(guī)性,也可以將BIM模型轉(zhuǎn)化為IFC模型,再經(jīng)算法調(diào)用或工具開發(fā)提取所需數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)提取的基本單元主要分為構(gòu)件、建材、分部分項(xiàng)工程三類,其中按構(gòu)件提取的方式較為普遍,按建材提取的方式僅適用于生產(chǎn)階段的計(jì)算。BIM模型數(shù)據(jù)提取的方法可以總結(jié)為以下四類:

(1)直接從BIM模型中提取原始數(shù)據(jù)。BIM模型的原始數(shù)據(jù)主要指模型的幾何屬性信息及其他基本信息,包括構(gòu)件名稱、構(gòu)件編碼、構(gòu)件尺寸、構(gòu)件材質(zhì)等,一般以清單明細(xì)的形式體現(xiàn)。提取到的原始數(shù)據(jù)僅能體現(xiàn)建筑構(gòu)件的使用量,需要與各階段的材料、能源等資源信息進(jìn)行匹配換算,才能獲得碳排放計(jì)算的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

(2)先在BIM模型中附加參數(shù)再提取數(shù)據(jù)。通過在BIM模型中添加碳排放活動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算有關(guān)的非幾何屬性信息,如材料運(yùn)輸設(shè)備及距離、施工機(jī)械類型及用量等,再對(duì)模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由此省去人工匹配構(gòu)件用量與資源的環(huán)節(jié),提高活動(dòng)數(shù)據(jù)的計(jì)算效率。例如可以在Revit軟件中將相關(guān)碳排放計(jì)算參數(shù)以共享參數(shù)或項(xiàng)目參數(shù)的方式添加到模型中成為屬性,再根據(jù)具體建筑項(xiàng)目?jī)?nèi)容對(duì)這些屬性賦值。此外,也可以對(duì)碳排放系數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算,直接在BIM模型中為構(gòu)件附加碳排放因子[20]。采用該方法需要注意參數(shù)附加對(duì)象的選取,是針對(duì)單一構(gòu)件還是針對(duì)某種構(gòu)件類型,或是同一區(qū)域的所有構(gòu)件。

(3)將BIM模型與外部數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫在本質(zhì)上也是對(duì)模型構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展,但與附加參數(shù)不同,該方法無需增加模型的數(shù)據(jù)量,有助于BIM模型的輕量化。在現(xiàn)有研究中,關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫主要為能夠直接提供人工、材料、機(jī)械單位消耗量的工程定額庫,或通過實(shí)際記錄建立的材料參數(shù)數(shù)據(jù)庫、加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫、運(yùn)輸參數(shù)數(shù)據(jù)庫、施工或裝配參數(shù)數(shù)據(jù)庫等[21],以及碳排放因子數(shù)據(jù)庫。一般情況下,需要預(yù)先規(guī)定構(gòu)件的編碼體系,為模型中的每一個(gè)構(gòu)件添加唯一編碼,使前兩種類型數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信息能夠與構(gòu)件一一對(duì)應(yīng)[22-23],在此基礎(chǔ)上可以再增加與碳排放因子的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

(4)將BIM模型轉(zhuǎn)化為具有分析功能的模型。該方法被廣泛用于建筑運(yùn)行階段的能耗計(jì)算中。將BIM模型轉(zhuǎn)化為BEM模型,通過在能耗分析軟件或插件中進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置,直接對(duì)建筑各系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)或評(píng)估,從而得到運(yùn)行階段的能耗清單。該方法也可以用于獲取物化階段的人、材料、機(jī)械消耗量,類似于工程造價(jià)計(jì)算,將BIM模型導(dǎo)入到計(jì)價(jià)軟件中轉(zhuǎn)化為工程量模型,基于建筑的分部分項(xiàng)工程量和措施項(xiàng)清單直接得到各類建材總量、施工機(jī)械臺(tái)班量等數(shù)據(jù)[5,24]。

2.4 基于BIM模型的參數(shù)擴(kuò)展

結(jié)合對(duì)建筑全生命周期各階段的碳排放因素分析,在數(shù)據(jù)提取上對(duì)BIM模型進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)擴(kuò)展,不僅有利于提高建筑碳排放計(jì)算的速度和可信度,也有助于建筑數(shù)據(jù)在利益相關(guān)者之間的流通和共享,增加信息的重復(fù)利用率[12]。

BIM模型的參數(shù)擴(kuò)展一般通過族文件共享參數(shù)設(shè)置、IFC實(shí)體屬性擴(kuò)展、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫信息關(guān)聯(lián)等多種方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)參數(shù)的準(zhǔn)確度要求和獲取的難易程度不同,部分?jǐn)?shù)據(jù)可以直接從統(tǒng)計(jì)年鑒、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計(jì)圖紙、施工組織設(shè)計(jì)等既有文件資料中摘取,部分?jǐn)?shù)據(jù)則需結(jié)合實(shí)際情況通過走訪、實(shí)地測(cè)量等方式收集。

BIM模型的自身參數(shù)體現(xiàn)了建筑的物理屬性和幾何特征,而附加參數(shù)主要反映建筑的功能屬性和活動(dòng)特征。對(duì)于生產(chǎn)階段,由于主要考慮建材的消耗量,只需對(duì)模型構(gòu)件自身包含的材料組成和用量的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì),必要時(shí)附加材料密度、材料損耗率等信息。運(yùn)輸階段一般需要對(duì)BIM模型附加運(yùn)輸設(shè)備屬性、運(yùn)輸距離等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。拆除階段主要統(tǒng)計(jì)擴(kuò)展機(jī)械設(shè)備屬性、設(shè)備工作時(shí)間等參數(shù)。

相比之下,建造階段和運(yùn)行階段附加參數(shù)的類型比較多樣,但本質(zhì)上都是作為能夠計(jì)算各種資源活動(dòng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。針對(duì)建造階段,有研究直接對(duì)BIM模型附加包括施工人員數(shù)量、工種、工日等的人員信息以及包括施工工藝和施工機(jī)械設(shè)備屬性的施工信息[25]。為使計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際,有研究結(jié)合建筑施工過程,運(yùn)用系統(tǒng)仿真理論,將離散仿真模型與BIM模型進(jìn)行集成,從而為BIM模型附加各施工環(huán)節(jié)的時(shí)間參數(shù)等信息[1]。針對(duì)運(yùn)行階段,有研究對(duì)模型附加設(shè)備功率、使用時(shí)間、設(shè)備相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等參數(shù)[26],也有研究附加氣象數(shù)據(jù)、建筑熱工參數(shù)等信息[17]。

對(duì)于將生產(chǎn)階段、運(yùn)輸階段、建造階段作為整體考慮的建筑物化階段,為克服BIM模型工程量清單僅有材料用量和施工構(gòu)件的統(tǒng)計(jì)單位不可直接用于計(jì)算這兩方面的局限性[27],許多研究利用工程定額進(jìn)行參數(shù)擴(kuò)展,以定額為中間轉(zhuǎn)換物將分項(xiàng)工程量轉(zhuǎn)化為人、材料、機(jī)械的消耗量[23]。

2.5 研究難點(diǎn)

對(duì)于目前BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的理論方法方面的研究尚存在以下的問題和難點(diǎn):

(1)對(duì)于建筑碳排放空間維度上的界定尚未形成統(tǒng)一。由于對(duì)各階段碳排放的計(jì)算范圍和計(jì)算內(nèi)容尚未形成共識(shí),會(huì)造成各研究在同階段對(duì)BIM模型附加的參數(shù)內(nèi)容不同,且難以對(duì)不同方法下的建筑碳排放計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度進(jìn)行比較評(píng)估。

(2)BIM模型的應(yīng)用方式存在階段差異且均需要改進(jìn)。目前運(yùn)行階段和全生命周期其他階段分別采用兩種資源消耗的統(tǒng)計(jì)方法,尚未有統(tǒng)一的BIM應(yīng)用方法貫穿建筑碳排放的全生命周期。前者的計(jì)算模式相對(duì)成熟,基本能夠?qū)崿F(xiàn)半自動(dòng)化,但仍需提高BIM和BEM模型交換格式之間的兼容性[28]。而后者的計(jì)算仍需要較多的人為干預(yù),在計(jì)算過程中需要注意建筑構(gòu)件量與建筑用量的區(qū)別[14],提高算量的準(zhǔn)確性。

(3)BIM技術(shù)的功能特性尚未得到充分挖掘。目前的理論方法研究主要對(duì)BIM模型的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和信息集成功能進(jìn)行利用,如何充分發(fā)揮BIM技術(shù)的可視化、協(xié)調(diào)性等其他優(yōu)勢(shì),以提高建筑碳排放計(jì)算效率,是待解決的技術(shù)難點(diǎn)。

3 BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的工具平臺(tái)

運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑碳排放計(jì)算,主要分為BIM模型建立和BIM模型使用兩個(gè)環(huán)節(jié)。目前,模型建立主要依賴于現(xiàn)有的BIM建模工具完成。如圖1所示,模型使用方面主要有三種技術(shù)途徑:1)通過建模工具提取相關(guān)模型數(shù)據(jù)后,采用人工處理或程序算法進(jìn)行建筑碳排放計(jì)算;2)使用具備運(yùn)算功能的軟件或插件直接對(duì)BIM模型進(jìn)行碳排放的直接或間接計(jì)算;3)構(gòu)建集成建筑碳排放計(jì)算與分析等多項(xiàng)功能的第三方平臺(tái)或系統(tǒng)。

圖1 建筑碳排放計(jì)算的BIM工具應(yīng)用途徑

3.1 BIM建模工具

采用BIM建模軟件建立精細(xì)化的建筑信息模型,是運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑碳排放計(jì)算的前提。在建筑碳排放計(jì)算研究中,常用的建模軟件主要有Revit、ArchiCAD、Bentley等。

Bentley的優(yōu)勢(shì)在于,其可以支持形態(tài)比較復(fù)雜的曲面形式,能夠記錄模型修改的過程,但主要用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、工業(yè)設(shè)計(jì)、海洋石油建設(shè)、廠房建設(shè)等項(xiàng)目[29]。ArchiCAD操作簡(jiǎn)便且擁有豐富的參數(shù)化圖庫部件,但該軟件不適用于大型項(xiàng)目的建模。與前兩者相比,Revit的使用程度較高。Revit具有非常強(qiáng)大的族編輯功能且能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化建模,能為用戶提供API接口以進(jìn)行軟件功能的二次開發(fā)。此外,該軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)連接和數(shù)據(jù)傳遞功能,可以實(shí)現(xiàn)模型整體更新和多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)[29],為后續(xù)進(jìn)行碳排放計(jì)算奠定更完整的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 人工處理與算法處理

在早期基于BIM的建筑碳排放計(jì)算研究中,主要依靠人工方式處理BIM模型數(shù)據(jù)。部分研究為追求計(jì)算的精度,會(huì)結(jié)合程序算法輔助。在BIM模型建立后,利用建模軟件功能以清單明細(xì)表的形式提取到構(gòu)件的屬性信息,再通過人工或算法程序?qū)Φ玫降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析和選取,結(jié)合其他數(shù)據(jù)源提供的參數(shù)信息完成碳排放計(jì)算。該方法優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算過程清晰透明,但計(jì)算過程復(fù)雜,需要花費(fèi)較高的人力資源成本。

人工處理大多輔以Excel電子表格完成,Shin和Cho[30]提出了基于Excel的工作表框架,通過導(dǎo)出數(shù)據(jù)與計(jì)算對(duì)象的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)建筑碳排放計(jì)算。在算法處理方面,遺傳算法(GA)、支持向量機(jī)(SVM)、反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)、極限學(xué)習(xí)機(jī)(ELM)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法[31]因其具有較強(qiáng)的處理復(fù)雜問題的能力,被廣泛用于碳排放預(yù)測(cè)中。Wen和Yang[32]提出了基于改進(jìn)雞群優(yōu)化(ICSO)的支持向量機(jī)(SVM)來預(yù)測(cè)上海的住宅碳排放?，F(xiàn)有相關(guān)研究表明應(yīng)用智能算法優(yōu)化預(yù)測(cè)模型的內(nèi)部參數(shù)可以提高碳排放的預(yù)測(cè)能力和準(zhǔn)確性[33]。

3.3 軟件插件的使用與開發(fā)

運(yùn)用BIM軟件或插件擴(kuò)展模型參數(shù)、提取模型信息、計(jì)算關(guān)鍵數(shù)據(jù),是目前基于BIM的建筑碳排放計(jì)算研究在模型使用環(huán)節(jié)最常用的手段。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以提高碳排放的計(jì)算效率,且在計(jì)算過程中不易受到模型數(shù)據(jù)更新的影響。但在軟件使用上可能會(huì)受到BIM模型兼容性的限制,而軟件插件的開發(fā)過程需要耗費(fèi)一定的時(shí)間和人力。

目前,已有許多具備建筑碳排放相關(guān)運(yùn)算功能的商業(yè)化軟件產(chǎn)品被運(yùn)用在研究中。如表2所示,本文列舉了其中使用度較高的19款軟件插件,進(jìn)行了類型、性能、適用階段、插入BIM軟件形式等方面的對(duì)比。

表2 建筑碳排放計(jì)算商業(yè)化軟件插件

在建筑碳排放計(jì)算功能上,軟件插件可以分為直接計(jì)算和間接計(jì)算兩種。直接計(jì)算指通過軟件直接獲取建筑碳排放數(shù)值,間接計(jì)算指通過軟件獲取資源活動(dòng)數(shù)據(jù),需與排放因子匹配再得到碳排放量。相比之下,目前能夠?qū)崿F(xiàn)直接計(jì)算的商業(yè)軟件較少,例如ArchiCAD的Ecodesigner和Sefaira兩個(gè)插件。大多數(shù)研究主要采用相對(duì)成熟的具備間接計(jì)算功能的軟件插件。部分研究結(jié)合能源排放因子,通過BIM模型到BEM模型的gbXML格式轉(zhuǎn)換,運(yùn)用Design Builder[34]、Ecotect[35-36]或Green Building Studio[15,37]計(jì)算運(yùn)行階段建筑能耗產(chǎn)生的碳排放。部分研究運(yùn)用GFC算量插件得到建筑物化階段和拆除階段的人、材料、機(jī)械的消耗量[16,38]。也有研究將原始模型轉(zhuǎn)為IFC模型,提取必要數(shù)據(jù)后再集成到SimaPro計(jì)算建筑碳排放量[39]。

由于既有商業(yè)軟件在使用場(chǎng)景和計(jì)算功能上的局限性,一些研究聚焦于軟件或插件的開發(fā),已實(shí)現(xiàn)更完整詳細(xì)、更具目的性的建筑碳排放計(jì)算。例如,王豫婉和徐夢(mèng)熊[40]利用Revit的API進(jìn)行建筑碳排放預(yù)測(cè)軟件的開發(fā),使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)反饋信息調(diào)整建筑設(shè)計(jì)方案。Alwan和Jones[41]將ICE數(shù)據(jù)庫中建筑材料的隱含碳和密度數(shù)據(jù)集成到BIM模型中,開發(fā)名為pycab的軟件,能夠?qū)崿F(xiàn)建筑材料的碳份額計(jì)算并提供低碳材料替代方案。

3.4 平臺(tái)和系統(tǒng)的搭建

構(gòu)建第三方BIM平臺(tái)或系統(tǒng),是BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的另一種應(yīng)用。相較于軟件插件,平臺(tái)系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大,除了碳排放計(jì)算功能之外,可根據(jù)使用需求集成碳排放管理功能,用于預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、方案選擇、協(xié)同管理等,且能夠?qū)崿F(xiàn)模型的輕量化,但其在設(shè)計(jì)和開發(fā)上會(huì)具備更大的難度。

已有部分高校企業(yè)發(fā)布了與建筑全生命周期碳排放計(jì)算分析相關(guān)的平臺(tái),例如東南大學(xué)的“東禾”、禾筑數(shù)字的“碳中禾”等,但在與BIM技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用方面仍待完善。在學(xué)術(shù)領(lǐng)域許多學(xué)者從不同的角度提出了基于BIM的平臺(tái)或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)和理論框架。例如歐曉星等[5]提出了包含BIM模型構(gòu)建、BIM模型分析、碳排放計(jì)算等功能在內(nèi)的建筑全生命周期碳排放度量平臺(tái)設(shè)計(jì),汪振雙等[42]結(jié)合BIM技術(shù)與云技術(shù)設(shè)計(jì)了施工進(jìn)度、成本、碳排放一體化的項(xiàng)目管理平臺(tái)。雖然目前已有少數(shù)研究基于理論研究完成了相關(guān)平臺(tái)或系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用,但由于各地區(qū)的碳排放系數(shù)存在差異,建筑工程建造過程較為分散,在擴(kuò)大平臺(tái)覆蓋階段和適用場(chǎng)景上仍需要深入的研究。

3.5 研究難點(diǎn)

對(duì)于目前BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的工具平臺(tái)方面的研究尚存在以下的問題和難點(diǎn):

(1)專業(yè)建筑碳排放分析工具和平臺(tái)較少。目前市場(chǎng)上能耗分析軟件居多,這些軟件雖然能提供建筑碳排放量,但大多只是提供數(shù)值的一次性評(píng)估[43],無法進(jìn)行可持續(xù)決策的迭代評(píng)估。而適用于建筑全生命周期的碳排放計(jì)算分析平臺(tái)的建立需要大量技術(shù)集成,開發(fā)難度較大且開發(fā)周期較長(zhǎng)。

(2)BIM工具間的互操作性有待提高。不同專業(yè)的建模軟件之間、建模軟件與算量軟件或能耗分析軟件之間都可能存在互操作性問題,由于BIM模型格式的不兼容出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失與錯(cuò)亂。而以IFC等兼容性較高的開放數(shù)據(jù)格式進(jìn)行建筑碳排放計(jì)算工具的開發(fā),或能成為解決該問題的突破口。

4 BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值

4.1 設(shè)計(jì)階段

在設(shè)計(jì)階段,BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于可持續(xù)性評(píng)估與決策,研究具體可分為三類。

第一類是基于已有的建筑可持續(xù)發(fā)展評(píng)估方法(BSA),將BIM作為數(shù)據(jù)提取、模擬、預(yù)測(cè)及計(jì)算的工具,優(yōu)化建筑可持續(xù)性評(píng)估的過程,提高評(píng)估效率。BSA法通常對(duì)擬建建筑的部分特征(如地理區(qū)位、建筑材料、能源消耗、空氣質(zhì)量、溫室氣體排放等)依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展評(píng)估,并將評(píng)估結(jié)果匯總為環(huán)境評(píng)級(jí)或可持續(xù)性得分,其中應(yīng)用最為廣泛的有英國(guó)建筑研究機(jī)構(gòu)(BRE)提出的BREEAM方法、美國(guó)綠色建筑委員會(huì)(USGBC)創(chuàng)立的LEED認(rèn)證系統(tǒng)和國(guó)際永續(xù)建筑環(huán)境促進(jìn)會(huì)(iiSBE)開發(fā)的SBTool評(píng)價(jià)系統(tǒng)[44]。傳統(tǒng)的BSA法通常需要準(zhǔn)備大量評(píng)估材料,評(píng)估程序耗時(shí)長(zhǎng),容易與項(xiàng)目設(shè)計(jì)截止日期發(fā)生沖突,一旦設(shè)計(jì)方案發(fā)生變更,又必須再重復(fù)全部評(píng)估程序,為設(shè)計(jì)師執(zhí)行可持續(xù)性評(píng)估帶來不便。BIM技術(shù)的應(yīng)用為解決這一問題提供了可能性,BSA法所需的部分信息可以直接或間接地由BIM軟件提取或模擬得到,模型數(shù)據(jù)的自動(dòng)更新也將簡(jiǎn)化評(píng)估程序的重復(fù)過程,極大提高了可持續(xù)性評(píng)估的效率[45]。將BIM與SBToolPT-H[45]、LEED等[46]BSA法予以集成,通過開發(fā)的插件訪問BIM工具及其庫的API來計(jì)算建筑的可持續(xù)性得分,可實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展評(píng)估的自動(dòng)化。

第二類是在設(shè)計(jì)階段對(duì)擬建建筑的全生命周期碳排放進(jìn)行預(yù)測(cè),或?qū)ζ淠芎倪M(jìn)行模擬,幫助設(shè)計(jì)師獲取建筑方案碳排放數(shù)據(jù)和能耗水平,以此指導(dǎo)和優(yōu)化低碳建筑設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)早期使用BIM工具對(duì)建筑進(jìn)行能耗分析模擬,有助于幫助設(shè)計(jì)師確定更為合適的建筑形狀、面積、體積、層高等概念化的建筑設(shè)計(jì)元素,以提高建筑的能源性能[47]。在建筑形狀外觀已經(jīng)確定的設(shè)計(jì)中后期,可以用BIM工具模擬墻體和屋頂材料、窗墻面積比、建筑朝向等條件變化下建筑的不同能耗水平,指導(dǎo)設(shè)計(jì)師優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[48]。

第三類重點(diǎn)關(guān)注建筑碳排放與建造成本之間的關(guān)系。在低碳建筑設(shè)計(jì)中,不同方案的節(jié)能效果與建造成本不盡相同,優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案在有效控制建筑能耗的同時(shí)也應(yīng)當(dāng)將成本控制在合理的范圍內(nèi),滿足業(yè)主的成本要求。由BIM軟件導(dǎo)出的工程量清單不僅可以用于預(yù)測(cè)建筑碳排放,也同樣可以用于建筑成本的估算,由此可以比較不同設(shè)計(jì)方案碳排放和成本之間的差異。如Eleftheriadis等[49]提出了一種面向鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)成本和碳排放優(yōu)化的綜合設(shè)計(jì)方法,采用BIM集成優(yōu)化方法同時(shí)評(píng)估鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的成本和碳性能,以尋求用最低成本優(yōu)化建筑碳排放。

4.2 物化階段

相比于CAD等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具,BIM以其豐富的數(shù)據(jù)庫能夠提供擬建建筑在物化階段的資源消耗信息,能實(shí)現(xiàn)該階段的碳排放預(yù)測(cè)計(jì)算,為施工單位優(yōu)化施工計(jì)劃和低碳施工的預(yù)控創(chuàng)造了可能[50]。

在建材及構(gòu)件的生產(chǎn)運(yùn)輸階段,將BIM技術(shù)與GIS技術(shù)[51-52]、WMS[53]進(jìn)行集成開發(fā),可以自動(dòng)識(shí)別建材數(shù)量及建材運(yùn)輸?shù)男谐搪肪€,以計(jì)算運(yùn)輸成本和運(yùn)輸碳排放,并預(yù)測(cè)物料抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間,為可持續(xù)建材供應(yīng)鏈管理提供支持。

在現(xiàn)場(chǎng)施工建造階段,利用BIM提前進(jìn)行碳排放量預(yù)測(cè),可以為建筑材料和施工設(shè)備的選擇提供環(huán)保指導(dǎo)。Sun和Park[54]基于Revit軟件對(duì)部分隧道進(jìn)行建模并計(jì)算碳排放,結(jié)果表明水泥處理基礎(chǔ)、混凝土襯砌、排水道和混凝土板的碳排放費(fèi)用占比最高,故可優(yōu)先采用低碳材料;而在主要施工機(jī)械設(shè)備中,自卸車的碳排放費(fèi)用最為突出,故可采用減少土方量、設(shè)計(jì)合理施工路線等措施來減少碳排放量。

4.3 運(yùn)營(yíng)階段

目前BIM技術(shù)在建筑運(yùn)營(yíng)階段碳排放計(jì)算領(lǐng)域的研究主要集中于對(duì)既有建筑進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化和翻新改造。相較于傳統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化方法,BIM技術(shù)以其可視化功能和更強(qiáng)的可操作性,通過在模型中任意改變建筑外觀和材料,可以快速得到新方案的模擬能耗水平,從而選出最優(yōu)方案[18]。翻新改造方面的研究可以簡(jiǎn)單概括為“采集→判斷→整改”三個(gè)過程。

“采集”指的是收集既有建筑有關(guān)資料的過程,一般包括建筑圖紙、維修記錄、檢查報(bào)告、能源賬單等[55],并在此基礎(chǔ)上完成對(duì)既有建筑的BIM建模。視建模方法的不同,分為按照正向設(shè)計(jì)圖紙建立的BIM竣工模型[8]和通過激光掃描逆向建模形成的數(shù)字孿生模型[56]。

“判斷”指的是發(fā)現(xiàn)既有建筑存在的問題的過程,具體方法有三種:1)直接對(duì)BIM模型采用性能分析軟件進(jìn)行能耗分析,或從模型中導(dǎo)出清單數(shù)據(jù)后基于碳排放系數(shù)法計(jì)算其運(yùn)營(yíng)階段碳排放[57];2)采用傳感器、致動(dòng)器對(duì)建筑進(jìn)行能源監(jiān)控,并基于BIM和語義方法實(shí)時(shí)分析建筑能源數(shù)據(jù)[58];3)基于既往建筑改造案例構(gòu)建建筑病理數(shù)據(jù)庫,從目標(biāo)建筑IFC模型中讀取參數(shù)信息,并使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動(dòng)診斷結(jié)果[59]。

“整改”指的是針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題提出相應(yīng)的改造方案,并借助決策理論對(duì)改造方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和選擇。將BIM技術(shù)應(yīng)用于既有建筑改造方案的決策有益于人本理念的體現(xiàn)。在BIM可視化功能的支持下,住戶可以更直觀地判斷各個(gè)改造方案對(duì)日常生活的干擾水平,從而在改造收益大小與便利程度之間進(jìn)行權(quán)衡,選擇最滿意的方案[60]。

4.4 拆除回收階段

目前有關(guān)BIM技術(shù)在建筑拆除階段應(yīng)用的研究較少,主要關(guān)注建筑拆除后廢棄物處置過程中產(chǎn)生的碳排放。基于BIM模型分析建筑廢棄物碳排放,可以比較回收不同材料的廢棄物所能帶來的環(huán)境效益和相應(yīng)的處置成本,幫助回收商針對(duì)不同材料廢棄物選擇合適的處理方法,從而制定經(jīng)濟(jì)有效的回收方案[61]。

4.5 研究難點(diǎn)

對(duì)于目前BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值方面的研究尚存在以下的問題和難點(diǎn):

(1)除設(shè)計(jì)階段外其他階段的研究方向較為單一。現(xiàn)有研究主要著眼于BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)階段碳排放計(jì)算成果的應(yīng)用上,而忽視了對(duì)其他階段的研究,尤以運(yùn)營(yíng)階段的研究方向重合度較高。

(2)缺少貫穿建筑全生命周期碳排放的BIM應(yīng)用理論。目前學(xué)術(shù)界多著眼于特定的生命周期階段對(duì)BIM技術(shù)在碳排放計(jì)算上的應(yīng)用展開研究,尚未形成完整的系統(tǒng)理論或服務(wù)全過程的應(yīng)用平臺(tái)。例如可以結(jié)合編碼體系及相關(guān)跟蹤技術(shù),以構(gòu)件等建筑元素為研究對(duì)象單元,將BIM技術(shù)在不同生命周期階段碳排放計(jì)算上的應(yīng)用有機(jī)關(guān)聯(lián),以服務(wù)更多的利益相關(guān)者,促進(jìn)碳排放協(xié)同管理。

5 結(jié)論及展望

5.1 結(jié)論

BIM技術(shù)的自身優(yōu)勢(shì)使其適用于建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域的研究,愈加嚴(yán)格的降碳減排政策要求和日漸成熟的碳排放計(jì)算方法,也促使該領(lǐng)域的研究不斷被挖掘和推進(jìn)。通過整理歸納本文主要內(nèi)容可以得出當(dāng)前BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域研究應(yīng)用的主要內(nèi)容框架,如圖2所示。

圖2 BIM技術(shù)研究框架

基于研究框架對(duì)BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域研究進(jìn)展進(jìn)行探討可以得出:1)在理論方法研究方面,需要進(jìn)行計(jì)算邊界的確定和計(jì)算方法的選定,主要研究如何對(duì)BIM模型進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)提取,從而滿足排放系數(shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)需求。現(xiàn)有的BIM模型數(shù)據(jù)提取方式主要有四種,在此過程中對(duì)模型進(jìn)行各階段的碳排放相關(guān)參數(shù)擴(kuò)展,有利于提高計(jì)算的效率。目前在理論方法上主要存在建筑碳排放空間維度上的界定尚未形成統(tǒng)一、BIM模型的應(yīng)用方式存在階段差異、BIM技術(shù)的功能特性尚未得到充分挖掘等研究難點(diǎn)。2)在工具平臺(tái)研究方面,首先依賴相對(duì)成熟的建模工具完成BIM模型建立,再根據(jù)研究需求采用相應(yīng)的技術(shù)方法使用模型進(jìn)行碳排放計(jì)算,現(xiàn)有的技術(shù)方法可以分為人工處理及算法處理、軟件插件使用開發(fā)、平臺(tái)系統(tǒng)搭建三種,在目前研究中主要存在專業(yè)建筑碳排放分析工具和平臺(tái)較少、BIM工具間的互操作性有待提高等研究問題。3)在應(yīng)用價(jià)值研究方面,主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段的可持續(xù)性評(píng)估與決策、物化階段的施工方案的低碳控制、運(yùn)營(yíng)階段的建筑節(jié)能優(yōu)化和翻新改造、拆除回收階段的廢棄物處置等,在目前該研究方面主要存在大多數(shù)階段研究方向單一、缺少貫穿建筑全生命周期碳排放的BIM應(yīng)用理論等問題和難點(diǎn)。

5.2 展望

為充分利用BIM技術(shù)在建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域在理論方法、工具平臺(tái)、應(yīng)用價(jià)值等研究方面的優(yōu)勢(shì),克服當(dāng)前研究中的問題和難點(diǎn),從而使建筑碳排放計(jì)算手段更加精準(zhǔn)化、智能化、體系化,碳排放計(jì)算成果能夠更好助力建筑行業(yè)碳管理、碳減排、碳交易工作的推進(jìn),既需要加強(qiáng)BIM技術(shù)與其他信息化技術(shù)的深度融合,也要注重?cái)?shù)據(jù)信息管理的規(guī)范和完善。

在數(shù)字技術(shù)融合上,可以將先進(jìn)的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及各種XR技術(shù)(VR、AR和MR)等信息化技術(shù)充分結(jié)合運(yùn)用于建筑碳排放計(jì)算領(lǐng)域,為BIM技術(shù)的延伸拓展帶來更多的發(fā)展方向和延伸空間。例如,基于BIM與云計(jì)算來實(shí)現(xiàn)不同階段各參建方之間的信息交流和協(xié)作管理,基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行物理建筑環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控,基于BIM與虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)建筑碳排放數(shù)據(jù)的可視化管理,融合大數(shù)據(jù)技術(shù)增加多種建筑數(shù)據(jù)信息的可研究性,運(yùn)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)BIM碳排放數(shù)據(jù)的智能化分析等,從而幫助參建者進(jìn)行決策和管理,不斷滿足建筑領(lǐng)域碳排放控制的數(shù)字化發(fā)展需求。

在信息管理完善上,從行業(yè)規(guī)范角度出發(fā),需要建立符合應(yīng)用場(chǎng)景和區(qū)域特征的建筑碳排放標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算方法和BIM應(yīng)用流程,重視對(duì)行業(yè)從業(yè)者的培訓(xùn)指導(dǎo),使其在積極運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑碳排放評(píng)估、監(jiān)測(cè)、核算、管理時(shí)達(dá)成共識(shí)。從技術(shù)環(huán)境角度出發(fā),需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)源,建立完善碳相關(guān)的共享數(shù)據(jù)庫,搭建能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)更新和共享的公共數(shù)據(jù)環(huán)境[62],這不僅能為BIM等技術(shù)的數(shù)據(jù)集成提供更好應(yīng)用環(huán)境,也能打破行業(yè)內(nèi)相關(guān)研究之間的信息孤立,全面提升建筑全生命周期各階段各環(huán)節(jié)的碳排放管理效率。