绿色建筑作为一种资源节约、环境友好的建筑,不仅契合国家的方针政策,而且能够切实地为人们提供舒适、健康、与自然和谐共生的生活空间。公共建筑作为绿色建筑应用的主要代表,因其建设体量大、服务范围广,成为社会服务与管理的重要活动场所。目前,在绿色公共建筑中应用BIM技术的趋势愈加明显,通过BIM技术不仅能够对方案进行深化设计,进行管线排布和碰撞检查,还可实现空间的优化利用,实时监控设备设施运行状态,有效控制建筑能耗,因而受到业界的广泛关注。

已有相关BIM技术在绿色建筑中应用的研究主要集中于建筑设计和施工阶段,BIM应用大多表现为通过BIM软件(如Revit、MagiCAD、Navisworks和Ecotect等系列软件)进行建模、仿真、分析。此外,也有对BIM技术在运营管理中的应用进行探索。然而实践中很少有项目将BIM技术真正引入到绿色建筑的运营管理中,由于运营方缺乏对BIM技术经济效益产出的深入把握,导致运营阶段BIM技术的应用未能得到落实,定量分析运营阶段BIM技术产生的费用和效益显得尤为迫切。

本文着眼于运营方的利益,从经济、环境和社会三个方面,深入分析BIM技术在绿色公共建筑运营阶段应用效益的构成要素及其内容。根据费用效益分析的特点,将BIM技术在绿色公共建筑运营阶段的费用和效益货币化,进而提出BIM技术在绿色公共建筑运营阶段的费用效益评价方法,并通过案例验证BIM技术在运营阶段的应用价值和应用效果,从而为BIM技术的应用推广提供助力。

费用效益分析可以鉴别项目的经济费用与效益,是被普遍应用于评估项目或方案合理性的经济评价方法。费用效益分析的结果不仅能表明单个项目或方案是否可执行,还可以作为比较不同方案之间的效益与费用差额的决策工具。费用和效益既包含方案实施过程中产生的直接费用和直接效益,也包括与实施过程中相关的间接费用与间接效益。通过文献研究发现,在运营阶段应用BIM技术不仅会引起设备、人员和技术费用的增加,也给绿色建筑带来经济、环境和社会方面的效益。通过专家研讨,结合费用效益分析理论,本文识别了绿色公共建筑运营阶段中BIM技术所产生的费用和效益,建立费用效益构成要素体系如图1所示。

本文考虑的费用是针对绿色公共建筑运营阶段因BIM技术投入而增加的成本。在绿色公共建筑运营阶段应用BIM技术主要依托于智能化子系统进行上层设计,一般情况下会增设环境监测系统服务器、平台网络交换机、大屏电视墙、监视客户端等。BIM技术的硬件投入费计算公式如下:

C₁=C₁₁+C₁₂+C₁₃(1)

式中,C₁是BIM运维平台的硬件投入费;C₁₁是指为了使绿色公共建筑正常运行而购置电脑和服务器等的一次性购置费;C₁₂是指保证BIM运维平台正常运行而发生的日常运行养护费;C₁₃是指经过一定年限的使用后,对硬件进行替换的更新费。

相对于传统运维模式,应用BIM技术虽然对人员安排没有太大变动,但对于人员的素质要求更高,相应的人员成本也更高。人员投入费是指相比于传统运营管理模式额外增加的BIM专业技术人员的工资投入和运营维护人员的培训费用。其计算公式如下:

C₂=C₂₁+C₂₂(2)

式中,C₂是指由于应用BIM技术而增加的人员投入费;C₂₁是指BIM专业技术人员的工资投入;C₂₂是指运营维护人员的培训费用。

软件投入费是指BIM相关软件系统和云平台的购买和更新费用。对于软件系统的购买和更新费用,应当以市场询价方式进行确定。技术投入费计算公式如下:

C₃=C₃₁+C₃₂　　　　　　 (3)

式中,C₃是指BIM相关软件系统的技术投入费;C₃₁是指BIM软件系统购置费;C₃₂是指BIM软件系统更新费。

目前,BIM技术在绿色公共建筑设计和施工阶段的应用已经逐渐成熟,但其在运营阶段的应用仍有待加强。相比于传统方式中仅靠二维竣工图实现的后期维护,运营方可以依靠BIM支持的智能化平台加强运营管控的能力,BIM支持的管控子系统包括园区OA服务APP、物业管理系统、停车库管理系统、中央空调系统、环境监测系统、人流量监测系统、安防系统、楼宇自控系统、变配电管理系统、一卡通管理系统、能源管理系统、消费系统等。

应用BIM技术不仅能够集成展示项目全生命周期的数字化信息,还可以通过提取分析平台数据对运营过程进行有针对性的调整和改进。在节水方面,传统的浇灌系统一般采用大水漫灌或人工洒水,可能会导致过量浇洒或浇洒不足等一系列问题,BIM技术能通过数据平台提前模拟绿化浇灌,实现高效定额的节水灌溉方式。对于供暖空调系统中所需要的水循环用水,BIM技术能通过对供暖空调系统的精细化管控实现水资源合理利用。在节能方面,通过数据口接口匹配模型和能耗监控设备,BIM平台可以识别能耗异常的节点、设备及区域,配合精细化管控实现建筑设备性能优化,提高建筑设备的性能效率,达到节能的最终目标。在设备管控方面,BIM的一体化数据平台覆盖了项目、模型以及构件层面的相关数据,可以在较短时间内完成建筑数据的整合,避免大量的校对和复核工作,使得信息相互独立的各个系统达到资源共享和业务协同,从而提高工作效率。在环境监测方面,当绿色公共建筑室内外的声光环境与各种污染物浓度不在设定范围时,BIM环境监测子系统能为相关工作管理人员实现自动报警提示,从而优化系统的通风与温湿度调节,提升绿色公共建筑的整体环境质量。

在绿色公共建筑运营阶段应用BIM技术可对绿化灌溉用水和供暖空调用水进行合理控制。节水效益计算公式如下:

B₁=B₁₁+B₁₂(4)

B₁₁=ΔW₁×S_W　　　　 (5)

B₁₂=ΔW₂×S_W　　　　 (6)

式中,B₁表示BIM技术在绿色公共建筑运营阶段的节水效益;B₁₁表示绿化灌溉系统节水效益;B₁₂表示供暖空调系统节水效益。W1表示浇洒道路、绿化用水量;W₂表示供暖空调系统用水量;S_W表示用水单价。其中,表示BIM运维方式相比于传统运维方式的指标差值,下同。

BIM技术能通过数据口接口匹配模型和能耗监控设备,识别能耗异常的节点、设备及区域,配合精细化管控实现建筑设备性能优化,提高建筑设备的性能效率,达到节能的最终目标。节能效益计算公式如下:

B₂=B₂₁+B₂₂+B₂₃+B₂₄(7)

B₂₁=ΔE₁×S_E　　　　　　 (8)

B₂₂=ΔE₂×S_E　　　　　　 (9)

B₂₃=ΔE₃×S_E　　　　　　 (10)

B₂₄=ΔE₄×S_E　　　　　　 (11)

式中,B₂表示BIM技术在绿色公共建筑运营阶段的节能效益;B₂₁表示供暖、供冷、生活热水的节能效益;B₂₂表示照明、家电、办公设备的节能效益;B₂₃表示风机的节能效益;B₂₄表示建筑服务设备的节能效益;E₁表示供暖、供冷、生活热水用电量;E₂表示照明、家电、办公设备用电量;E₃表示风机用电量;E₄表示电梯等其他设备用电量;S_E表示用水单价。

通过BIM技术可以形成一体化数据平台,集成从设计、施工、运维直至生命周期终结的各种相关信息,使得信息相互独立的各个系统达到资源共享和业务协同,从而提高运维管理人员的工作效率。工作效率提高的效益计算公式如下:

B₃=B₃₁+B₃₂(12)

B₃₁=r₁×M　 (13)

B₃₂=r₂×R　 (14)

式中,B₃是应用BIM使得工作效率提高的效益;B₃₁和B₃₂表示管理和维修人员工作效率提高的效益;r₁和r₂表示BIM环境下管理和维修人员效率相比于传统运维方式提升的百分比;M表示管理人员工资;R表示维修人员工资。

借助BIM技术对绿色公共建筑运营过程进行仿真,能够恰当改变其运营管理模式,减少能源浪费与不合理的设备使用,从而减少对室外环境的影响。室外环境效益计算公式如下:

B₄=B₄₁+B₄₂+B₄₃(15)

式中,B₄表示BIM技术为绿色公共建筑运营阶段带来的室外环境效益;B₄₁表示大气污染物减排产出效益;B₄₂表示低碳效益;B₄₃表示由于室外环境优化产生的健康效益。

B₄₁=ΔA×U(16)

式中,A表示大气污染物(SO₂、NO_X和可吸入颗粒物)的排放量;U表示大气污染物(SO₂、NO_X和可吸入颗粒物)的治理费用。参考有关研究,每吨SO₂、NO_X和可吸入颗粒物的治理费用分别取3.21元/千克、7.09元/千克、0.28元/千克。

B₄₂=ΔCO₂×SCC(17)

式中,SCC表示碳排放的社会成本,元/吨(全球的SCC基准值为40美元/吨)。

式中,α是某疾病健康终点的基线发生率;P是在大气污染环境下的暴露人群数,人;β是暴露-反应关系数;C和C₀分别是传统绿色建筑和应用BIM技术的绿色公共建筑环境下PM10的浓度,μg/m³(研究选定PM10作为空气污染因子进行健康影响评价);HC_mu是健康终点单位价值,元。α、β和HC_mu参考有关标准取值。

借助于BIM平台相关联的传感装置,可以及时探测建筑内部的光环境、声环境以及室内主要污染物浓度,并通过及时的新风措施改善空气质量并为用户提供满意的工作生活空间。室内环境计算公式如下:

B₅=r₃×m×D(19)

式中,B₅表示BIM技术为绿色公共建筑运营阶段带来的室内环境效益;r₃表示BIM运维模式下建筑内办公人员提高的工作效率;m表示建筑内办公人员数量;D表示该建筑所在地区人均可支配收入。

对BIM技术在绿色公共建筑运营阶段的社会效益进行评价,需要分析和评估建筑结构、设备和人员的安全性、帮助建立技术标准和规范、运维评估认证体系和提升用户认知四个方面应用BIM技术带来的价值提升。

绿色公共建筑运营阶段的信息量巨大,传统运维方式通过人工手算进行数据信息存储、提取、分析,无法满足实际项目中评估结构安全性与耐久性的需求,将结构评价模型引入BIM平台中,能够大大提高结构安全性评估的准确度和评估效率。与此同时,BIM技术支持的应急管理不仅能在灾害发生时迅速向管理人员发出预警,及时为救援人员提供被困者的完整信息,而且可以在灾害未发生时进行应急模拟,提前发现消防设备故障,减少人员伤亡。

BIM技术在建筑行业中的运用需要规范的约束,然而当前绿色公共建筑运营阶段的BIM技术规范尚未定型。通过将BIM技术深入应用于绿色公共建筑运维管理,在实践中探索并制定科学的技术标准和规范,是BIM应用的一项潜在价值。

我国绿色建筑评价标准中绿色建筑的运维认证是在建筑投入使用一年后开展的,通过人工统计能耗数据往往会存在准确性差和真实度低的问题,从而使运维认证工作的开展受到阻碍。在绿色公共建筑运营阶段应用BIM技术既可以保证运维信息真实准确地传递,也便于实现数据的整合与分析,为绿色公共建筑的运维认证提供可靠依据。

绿色建筑评价标准已经将推广与宣传作为BIM应用的一个考量标准。在项目的全生命周期中,运营阶段是与用户连接最为紧密的阶段,将BIM应用于绿色公共建筑的运营阶段中,用户将通过切身体验感受BIM技术所能带来的种种优势,从而提升用户的认知与态度,为BIM技术奠定公众基础。

社会效益是对BIM技术提升建筑功能安全和推动社会与行业发展的能力体现,是难以货币化的无形收益。本文对不可货币化效益和可货币化效益都进行了相应的阐述,对于不可货币化的效益建议以专家法统一量纲进行综合效益评价,但在本文的费用效益评价中不做考虑。

通过分析,本文选取能够以市场价格直接货币化的以及使用机会成本、影子价格间接货币化的构成要素作为费用效益分析的指标。费用指标包括硬件投入费C₁、人员投入费C₂和软件投入费C₃,效益指标包括经济效益B₁和环境效益B₂。

基于绿色公共建筑运营阶段BIM应用费用效益构成要素,本文对于BIM技术在绿色公共建筑运营阶段应用的费用效益分析框架如图2所示。

绿色公共建筑运营阶段BIM应用的费用效益评价流程分为以下五个步骤:

(1)费用效益构成要素识别。结合费用效益理论,对绿色公共建筑运营阶段中BIM技术引起的费用和效益的构成要素进行识别。

(2)费用现值计算。根据费用效益分析的特点,应将公式(1)-(3)中的费用折算为现值。费用现值计算公式如下:

C=C₁₁+C₃₁+(C₁₂+C₂₁+C₂₂)(P/A,r,T)+C₁₃(P/A,R₁,n₁)+C₃₂(P/A,R₂,n₂) 　(20)

式中,r为折现率;T为计算周期;R₁和R₂分别为硬件和软件更新的复利系数;n₁和n₂分别为计算周期内的硬件和软件更新次数。

(3)效益现值计算。对公式(4)-(19)涉及的效益进行现值计算。效益现值的计算公式如下:

B=(B₁+B₂+B₃+B₄+B₅)(P/A,r,T)(21)

式中的各指标含义同上。

(4)费用效益分析。费用效益分析通常采用效益费用比、净现值和内部收益率指标评价项目或方案的应用效果。

式中:R_BC是经济效益费用比,B是BIM技术的经济效益现值,C是BIM技术的经济费用现值;B和C的差值ENPV是经济净现值;EIRR是经济内部收益率,CI-CO是净现金流量。

(5)指标结果分析。当R_BC>1且ENPV≥0、EIRR≥i_c时,表明BIM技术应用于绿色公共建筑运营阶段经济可行;反之,不可行。效益费用比和净现值越大,表明项目或方案的经济效果越好。若R_BC远大于1,ENPV远大于0,表明BIM技术的应用效果较好,应当大力推进BIM技术在绿色公共建筑运营阶段中的应用。若R_BC和ENPV大于评判基准值但相差不大,表明在推进BIM技术的过程中需要有针对性地调整对评价结果产生负面影响的费用效益构成要素,以优化BIM技术应用后的经济效果。对单个项目或方案而言,经济内部收益率越大代表经济效果越好;但对不同项目或方案进行比选时,仅用内部收益率的大小来确定经济效果优劣是片面的,应结合R_BC和ENPV进行确定。

本文选取建设目标为中国绿色建筑三星级的上海某办公建筑进行案例分析,该项目建筑面积23697.61平方米,地上面积9511.35平方米,地上六层、地下二层,主要功能包括办公、会议和员工食堂。项目建设绿色建筑运行效果和数据的集成展示平台,通过BIM运维平台挖掘绿色建筑运营的数据价值,实现多系统协同和精细化管理。案例数据来源于项目拟得目标值、绿色办公建筑示范工程综合数据和运维企业BR公司专业技术人员提供的估算数据。

案例项目BIM运维平台的硬件购置预算为15万元,设备的年运行维护成本为5000元,使用年限为6年,在整个运营期内需要更换8次,设备替换费为每次15万元。该项目10名BIM专业技术人员平均岗位工资为25万元,维护人员的岗前培训费每年5000元。BIM云平台软件以C/S客户端为主,费用约100万元,包含系统更新费用。

按照计算周期T=50,社会折现率i_c=8%,将上述应用BIM技术所产生的费用折算为现值得到C=3210.53万元。

BIM运维平台可使案例项目在运营阶段节约用水12655吨/年,水价为4.63元/吨;节约用电734247kWh/年,电价为1.145元/kWh;运维管理人员的效率提升约30%,25名运维管理人员的年平均收入为12万元。

节约1度电可节约0.4千克的标准煤,案例项目每年可节约标准煤量为294吨,SO₂、NO_X和可吸入颗粒物排放量分别减少4.85吨/年、4.58吨/年、2.82吨/年,大气污染物治理费用每年节约4.88万元。该区域PM10浓度为42μg/m³,暴露人群数约1580人,传统运维模式下PM10浓度为61μg/m³,根据暴露-反应方法,每年大气污染物减排给人员健康带来的健康效益为9.88万元。该项目的CO₂排放量减少约721.53吨/年,由此产生的低碳效益为19.98万元。该地区的人均可支配收入为64183元,本文将建筑内400名办公人员效率提高的百分比定为2%,室内环境舒适度提升的效益通过办公人员工作效率提升进行衡量。

按照计算周期T=50,社会折现率i_c=8%,将上述应用BIM技术所产生的效益折算为现值得到B=3254.31万元。

项目运营期内的净现金流量和累积净现金流量现值的趋势图如图3所示,现金流量表如表1所示,可计算以下经济评价指标:

(1)经济效益费用比

R_BC=3254.31/3210.53=1.014

(2)经济净现值

ENPV=3254.31-3210.53=43.79万元

(3)经济内部收益率

根据项目各年的净现金流量,计算得EIRR=11.37%

在T=50年时R_BC、ENPV以及EIRR的计算值均大于评判的基准值,表明BIM技术在绿色公共建筑运营阶段应用经济可行,可以进一步推广。由于经济效益费用指标的折现率和内部收益率相差不大,在推进BIM技术时应将对评价结果产生负面影响的费用效益构成要素进行针对性调整。本案例的计算周期T=50年是依据普通建筑的设计使用年限选取的,然而在大多数项目的实际运营过程中,拆迁、规划调整以及运营方更换等情况的发生使实际运营期变短,因此本文以每十年为计算周期对应用BIM技术的经济效果进行了进一步分析,费用效益评价指标结果如表2所示。

BIM技术做为一种信息技术,其应用周期大概不超过25年,25年以后的效益产出很小。表2的计算结果表明,BIM技术对于绿色建筑运营阶段的经济效果随着运营期的增加而增加。若运营年限过短,可能导致应用BIM技术初期投入的费用不能完全回收。随着运营年限的增加,项目的经济效果逐渐超出社会基准收益,以表2所示,在20至30年的计算周期时BIM技术的效益将得到充分体现。而随着运营周期的继续增加,效益的增加量呈递减趋势,因而在运营后期需要采取技术设备更新等措施进一步完善运营管理。

BIM技术能支持建筑全寿命期的信息管理和利用,运营阶段作为占据全寿命期大部分时间和成本的阶段,更需要合理地引入BIM技术提供管理支持。本文通过对应用BIM技术所产生的费用和效益构成要素进行全面分析,识别出可货币化的指标进行费用效益分析,最后通过案例验证了本文建立的费用效益分析框架的适用性,研究可为运营方决策提供支持,为BIM技术的应用推广提供依据。本文提出的费用效益评价体系也可用于评估BIM在绿色公共建筑运营中的效果,为下一步的运行优化改善提供参考。