摘要：將BIM用于建筑材料碳足跡建模，可實現對全壽命周期內的建筑材料、類型及數量的處理和較少建筑材料組合以實際工程為例，分析BIM架構下的建筑材料碳足跡計算建模技術，包括BIM3D建模方法和涉及的關鍵技術。

　　關鍵詞：BIM;建筑材料;碳足跡;建模

　　《中國醫院建筑與裝備》(月刊)創刊于2000年，是中華人民共和國衛生部主管、衛生部醫院管理研究所主辦的衛生工程與醫學裝備技術學科領域的權威刊物。

　　建筑材料的碳排放是建筑碳排放的重要成分，進行建筑材料碳足跡計算，把握建筑材料服務于建筑的宗旨，可在滿足建筑結構基礎上尋找最少的碳足跡建筑材料組合。關于建筑材料碳足跡計算方法，HertwichEG等[1]根據研究對象及周邊區域貿易類型等提出投入產出法并進行了細致研究;HongGang等[2]提出生命周期評價法，闡述了分析全生命周期對研究對象所有投入及產出的方法;日本更多應用產業關聯分析法和生產線直接能耗統計法計算建筑材料碳足跡[3,4]。由于這些計算方法資料獲取難度大、自計算時間長，亟須開發一種高效的建筑材料碳足跡計算方法。本文將BIM架構用于建筑材料碳足跡建模，借助BIM建筑信息化建模特點，實現建筑與選材結合，對全生命周期內的建筑材料進行預算，并對建筑材料類型、數量進行快速化處理。

　　1BIM架構下的建筑材料碳足跡計算基礎

　　1.1碳足跡及其相關概念

　　國際上常用碳足跡的概念來量化二氧化碳及其他溫室排放，其定義一種說法[5]是指用于量化特定活動、特定產業、特定地區及特定產品額二氧化碳和其他溫室氣體對氣候變暖的貢獻程度。另一種說法[6]是一項活動過程中直接或間接產生的二氧化碳量，或一個產品的全壽命周期內累計產生的二氧化碳排放量。在碳足跡計算過程中，碳足跡因子是計算碳足跡的基礎參數，指生產單位產品或完成單位工作所排放的溫室氣體量。《聯合國氣候變化框架公約的京都議定書》規定了限制排放的6種溫室氣體即二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)。其中二氧化碳起主導作用，其含量遠超其他溫室氣體含量。計算碳足跡時采用IPCC發布額GWP(全球變暖潛勢值)，其中二氧化碳的GWP為1,計量單位為kgCO2eq。

　　1.2碳足跡計算方法和原則

　　本文采用美國BEES軟件數據研究計算建筑材料碳足跡。BEES軟件是公開的，且BEES軟件基于全壽命周期理論給出的材料碳排放系數，能全面系統反映建筑材料碳排放的影響[7]。計算建筑材料碳足跡在進行時，須遵循相關性、完整性、一致性、透明性、準確性原則。相關性是為保證碳排放源能準確反映建造階段的活動;完整性則說明碳排放源在建造階段的活動邊界;一致性用于確保整個建造階段對碳排放源活動水平數據采用一致方式進行;透明性是對每個審查路徑碳排放源進行詳細說明;準確性則是對碳足跡應計算準確，既不高估也不低估建造階段的碳排放量。

　　1.3BIM技術

　　BIM(建筑信息模型)技術是指利用三維數據建模，結合建筑工程的各項項目信息數據，在全生命周期進行信息交流和共享的技術。BIM具有信息集成的可計算性、一致性和系統性，能為建筑全壽命周期提供統一的協同工作平臺，避免相互之間信息傳遞失真，避免出現“信息孤島”現象。目前BIM技術在建筑業中應用廣泛，如魯班、廣聯達等，能快速構建建筑模型，并可依據預先設定的建筑物材料搭接扣減統計施工材料用料。本文采用AutodeskRevit軟件[8]進行研究。Revit平臺中的ODBC數據庫可開發建筑工程量計算軟件，可與CAD圖紙無縫結合，轉化效果好，且可為建筑提供設計、圖紙及構建明細表，還可將明細表轉換成Excel等格式。

　　2BIM架構下的建筑材料碳足跡建模分析

　　2.1案例概況

　　某幼兒園，建筑層數為3層，1層建筑面積550.03m2，2層600m2，3層470m2，建筑高度11m。1層為鋼筋混凝土結構，2層和3層均為鋼結構，安全等級為1級，使用年限70年。屋蓋包括主體桁架、內外網架、側網架;房間功能，1層是配電間、游樂場所、庫房、衛生間、樓梯;2層主要是教室、辦公室、空調設備間、水管間、電梯;3層是餐廳、宿舍、電梯機房、設備間、水管間等。

　　2.2BIM3D建模

　　利用BIM中的Revit軟件構建該建筑的BIM3D模型圖。在設計階段即開始使用BIM技術，可在BIM三維模型上直接添加施工階段明確的材料，碳排放參數信息具體參數包括構件組成材料類型、各組成材料的原材料、從材料加工到施工的運輸方式及距離、構件使用年限、材料的回收率、材料采購地等，并生成碳排放明細表。在明細表中確定構件材料計算公式及反映構件間搭接關系的精細化算量。進行基于Revit的BIM建模時，先需分析模型需求，再分解構件，即把建筑工程按結構進行分解，使建模人員對案例的組成成分有清晰認識。根據項目實際要求，案例模型包括車庫、展廳、樓梯間、基礎(承臺、筏板、基坑、樁)、剪力墻、框架柱、框架梁、構造柱、次梁、過梁、圈梁等內容。依照工程案例結構空間關系構建不同構件，例如梁，通過“梁”功能，插入對應族進行創建;同時定義構件的三維空間結構形態和信息屬性，即定義構件參數，運用標高、軸網構建構件參數化模型和最后結構，以構成該工程的整體三維BIM模型(圖1、圖2).

　　2.3BIM架構下建筑材料碳足跡計算模型的構建

　　構建BIM架構下建筑材料碳足跡計算模型，先根據所需分析的建筑性能，將添加的信息即建筑材料碳排放參數加入原建筑模型中，其中建筑材料碳足跡信息以BEES軟件所提供的為準。將所需材料信息添加到BIM建筑模型后進行碳足跡計算。對建筑材料碳足跡，可逐項匹配材料碳足跡因子計算。由于碳足跡因子數據庫詳細程度并不能覆蓋所有建筑材料，因此計算時重點選取次梁用量大且對總體碳足跡影響較大的材料進行計算。圖3為屋架部分模型及模型中相應建筑材料(鋼)的碳排放系數信息明細表。其他部分建筑材料碳足跡計算與屋架部分碳足跡計算過程類似。

　　2.4建模關鍵技術

　　2.4.1提高BIM建模精度及效率構件包括幾何信息和非幾何信息，前者指構件位置、形狀、尺寸等參數的幾何屬性，建模時既要保證構件本身參數準確，還要正確處理與其他構件的關系;后者涉及范疇廣，建模人員參照項目施工建模，通過構件設置共享參數及項目等。基于Revit的BIM建模技術，原理是基于軟件自帶族構建快速生成三維模型，對異性結構需載入外來族文件或利用內建模型創建BIM。在BIM建模時，會產生很多屬性相同的族文件，由于參數不同，建模人員需創建族文件并進行參數化。Revit軟件可成立高效的協同機制工作集，建模人員能在同一工作集實現資源共享，因此建模前應先預創族文件并采用工作集方式進行BIM建模。

　　2.4.2BEES對建筑材料碳足跡的計算BEES由美國標準和技術研究院研發，具有公開性，其基于全壽命周期理論給出的材料碳排放系數，能全面系統地反映建筑材料碳排放的影響，其對建筑材料碳足跡計算，流程如圖4所示。繪制過程圖指利用全生命周期理論對建筑材料產品制成運輸到施工使用報廢全過程進行碳足跡評估。根據碳足跡計算步驟，依照建筑材料屬于從產品流到新的組織類型確定邊界及優先重點，如波蘭特水泥混凝土依據生成工藝過程確定計算邊界，并將原來生產作為優先重點的方法;收集數據包括原材料生產加工階段、制造階段、原料運輸階段、施工階段、使用階段和報廢階段。在施工階段，收集數據時BEES軟件按UinformatⅡ分類標準對建筑材料分類時，綜合考慮了建筑材料形成的構件的彼此關系包括力學要求等，方便設計人員選擇材料時快速地進行標準設計，選擇建筑材料時也要依據這些標準要求進行整體考慮。

　　2.4.3利用Revit軟件測算建材碳排放的關鍵利用Revit軟件建立碳排放基本模型時，該軟件中的建材消耗量是指建筑構件量，與建筑用量不同,原因在于建筑構件通過相互之間搭接行程，需用工程量計算規則界定建材用量;而用Revit軟件計算建材碳排放的關鍵則是準確計算建材所形成的構件工程量，采用BEES中的功能單位。Revit軟件計算工程量是基于軟件導出的ODBC數據庫實現的。Revit模型中所有的數據均分類存放于ODBC數據庫中，ODBC數據庫與造價軟件通過API接口聯通獲取模型中的數據，按造價軟件中定額的工程量計算規則進行計算。具體實現途徑如圖5所示。

　　3結束語

　　建筑材料能耗占建筑總能耗的37%，有必要對建筑材料碳足跡進行單獨計算。BIM與建筑材料碳足跡計算融合可借助BIM工具的建筑信息化建模特點，將建筑設計與選材結合，依照建筑對材料的要求選擇材料，進而減少碳足跡。BIM工具包含豐富的建筑結構化信息，能對建筑材料、類型、數量進行計算處理，方便快捷地計算材料碳足跡，尋找最優的建筑材料碳排放材料組合。