建筑行业是高产值、高能耗产业, 对建筑进行碳排放计量和节能减排, 意义深远, 也是当前建设管理领域研究的热点。研究表明, 2%~37%的传统建筑生命周期能耗来自于建筑的原材料制造、运输和施工活动, 并且在一些现代节能建筑中, 这一比例所占更高, 达到9%~46%。从全生命期的角度来看, 我国普通住宅的建设周期一般仅为2~3年, 而使用阶段则长达70年, 因此建设阶段产生的碳排放相对比使用阶段产生的碳排放在短时间内更集中、排放强度更大。结合目前我国的在建工程量, 将产生很大的环境影响累加强度。

BIM (Building Information Modeling) 技术作为当前建筑可视化管理的最优手段, 在绿色建筑的性能分析领域中已得到的大量的应用, 针对施工过程节能减排控制的应用尚未引起足够的重视。然而, BIM模型本身作为参数化建模的信息载体, 包含大量建筑设计相关信息, 以及支持施工过程信息的加载, 对施工过程节材控制和统计, 施工工艺过程能源消耗和碳排放计量具有强大的数据支撑作用和可视化操作平台。为此本文以建筑施工过程为研究对象, 以保障施工过程的低碳排为研究目标, 引入BIM技术, 为施工过程低碳目标的实现提供技术支持。

本文认为, 低碳施工除了包涵绿色建筑的“节约”理念外, 还应强调“减排”和“低排放”, 在施工过程中, 除了满足绿色施工的基本要求外, 减少碳排放进行低碳作业也至关重要。

施工过程碳排放的主要来源为材料生产和运输碳排放以及施工现场作业碳排放, 因此, 施工碳排放的管控首先应针对建筑的材料和施工作业机械设备入手, 对其进行控制和优化, 确保直接碳排放的降低。此外, 在构建低碳节能的施工方案基础上, 为了保障低碳方案的顺利进行, 还应在施工前对施工的可行性安全性等进行深入分析, 彻底规避施工过程中的返工等资源浪费现象, 也是间接降低能源损耗和碳排放的表现。

BIM技术具有提升创新、设计和施工效率的潜力, 能极大促进建筑业节能减排的发展。本文构建基于BIM的建筑施工低碳管理体系, 如图1所示。

1) 数据源主要来自Revit系列软件创建的BIM模型, Extend Sim等过程模拟软件、以及Ansys有限元分析软件等, 提供给建模所需的基础建筑信息、进度时间信息、结构性能信息等。

2) 模型层是在BIM综合施工模型的基础上, 根据施工阶段的具体使用需要生成的信息模型, 如采用前文所述的离散事件模拟中各机械设备运行的仿真结果, 同BIM 3D模型进行有效集成, 可快速精确的测算动态施工过程的碳排放值, 对复杂的3D模型和项目信息提供动态连续的可视化审阅。

3) 应用层主要包括基于BIM的低碳放模拟优化、碳排放跟踪测算、节材管理和评价、结构性能分析和碰撞检查等, 即充分利用Navisworks的3D资源统计、4D施工模拟来进行施工阶段机械材料等资源的统计和碳排放的实时测算, 以及利用碰撞检测、力学分析、方案优化等功能来保障低碳方案的顺利进行。

在当前碳排放评价方法中, 一般从较为宏观的角度去评价建设工程全寿命期的碳排放, 普遍采用生命周期评价方法 (Life Cycle Assessment, 简称LCA) , 然而LCA是一种相对静态的评价方法, 是根据机械的整体台班量计算碳排放, 而在实际施工过程中, 由于机械设备之间存在搭接和配合的问题, 其工作时间中包含了正常操作时间、待工时间, 甚至有不可避免的停工等损失扰动时间。操作时间和待工时间中所消耗的能源量并不相同, 在传统LCA评价方法中忽略了这些无作为时间, 无法准确评估出施工过程碳排放值。而若进行现场真实实验实测, 给每辆施工机械安装油量监测设备则要花费很高的设备购置和检测成本。

基于系统仿真理论, 离散事件仿真模拟可以用来定量分析和模拟真实施工过程, 通过将建设活动分解成为独立的离散事件, 对其进行离散事件仿真模拟, 不仅反映了各个施工的动作, 以及各个动作之间的衔接、工作流向、工作时间、排队等待等因素, 可得到更为准确的机械使用效率, 以及施工实际操作时间和总工期, 而且通过输入各因素的碳排放因子就可得到准确的碳排放输出量。

建筑行业, 工艺过程复杂, 建筑构件类型多样, 形态千变万化, 用简单的平面图形难以完整反应出施工过程, 因此, 将目前最能直观反应建筑实物的BIM技术引入传统的仿真分析系统具有很大的工程实际意义。

本文基于BIM技术进行施工过程可视化仿真是通过有效集成BIM可视化建模技术和仿真建模技术, 采用3D图像方式进行仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理, 同时实现仿真过程的可视化, 具有迅速、高效、直观的建模特点。

实现可视化仿真, 即需实现三个重要环节的可视化:仿真前端可视化、仿真过程可视化和仿真结果可视化, 其核心是仿真过程可视化。

本文以某钢桁架拼吊装方案为例, 将离散仿真模型与BIM模型两者进行集成, 并列举运输过程中主要离散事件 (图2) , 其表达模型如图3所示。

将离散仿真模拟过程中的统计数据, 如实时完成时间、等待时间、资源使用情况等数据导入BIM模型中 (图4) , 同时与模型中机械和建筑构件之间进行链接, 建立BIM平台下施工工艺过程, 该过程是实现4D模拟的基础。

本文进行施工过程动态可视化仿真平台的构建是将BIM可视化技术同传统的系统仿真技术进行了有机的结合, 使用形象直观的3D模型描述仿真系统的动态行为特征, 用更为生动的画面感表现了系统运行过程和错综复杂的多事件之间的相互关系, 便于人们把握施工系统的整体演进, 发现其内在规律。

施工阶段碳排放测算体系框架如图5所示, 根据该计算框架即可从BIM仿真平台上集成所需信息, 进行碳排放的实时测算。

结合图5中碳排放测算对数据的需求, 应从建筑信息模型中抽取出建筑的四方面信息:材料信息、设备信息、施工信息和进度信息;材料信息中包含了材料选择、材料供应、材料的使用情况、运输距离等;设备信息包含了施工阶段设备选型、使用情况等;施工信息包含了工程所有的分部分项工程的施工工艺等信息;进度信息可通过离散仿真模拟导入的系统统计的实时进度信息, 并与BIM模型进行结合, 实现4D可视化仿真效果。这四方面的信息考虑了建筑物施工阶段的碳排放来源, 为建筑碳施工阶段碳排放量的动态测算提出有效数据。以此为基础, 在系统内嵌碳排放因子数据库, 即可实现碳排放的实时仿真计算。

基于BIM的建筑物施工阶段碳排放测算可以为建筑物全寿命期碳排放测算提供一种动态的思路, 除此之外, BIM建模必将是未来建筑设计的发展趋势, 基于BIM进行施工期的碳排放计算, 也有利于施工方案的低碳优化, 具有重要意义。

我国建筑材料的耗能已经占据建筑总耗能的17%, 其中, 尤其钢材、木材和水泥等材料耗能量相当巨大, 对我国生态环境破坏尤为严重。因此, 我国在发展绿色建筑的同时, 在各大标准和相关文件中都明确指出将节材作为建筑节能环保的一项重要考核指标。

我国《绿色建筑评价标准》中针对节材和材料资源利用已进行了详细的规定, 针对该标准的控制要点, 可充分利用BIM模型进行相关控制要点的统计分析, 在测算材料碳排放的基础, 进行标准的符合性检查判断, 不仅节省了时间, 同时准确度也有很好的保证。BIM技术辅助建筑材料的管理应用如图6所示。

基于BIM技术Revit平台进行建筑方案的设计, Revit中所创建的BIM模型, 应包含有丰富的建筑信息, 包括构件的组成、材料种类、材料从加工地到施工现场的运输方式及运距、构件的使用年限、构件材料的回收比率情况、材料采购地等信息, 并且在材料属性中标记是否为可再生能源或可循环材料。将工程量清单中相应的分部分项工程编码附加到BIM模型中每个构件属性后, 就可以调用其属性进行各项构件和材料的统计分析。

建筑材料的类型、再生与循环利用率能够实现资源的充分利用, 减少碳排放, 降低末端处理的工序, 减少生产新材料带来的能源消耗和碳排放。因此在现有绿色建筑的设计中对于建筑材料的运输距离、可循环材料等运用均进行了量级的规定。基于BIM的节材控制和评价流程如图7所示。

1) 通过BIM模型的构建, 可充分发挥信息化设计建模的优势, 实现构件材料工程量的自动获取, 并根据构件材料的编码, 提取材料属性和工程量信息, 进行相关统计分析, 如可循环材料使用率、可再生材料使用率、材料运距占比等结果。

2) 通过基于BIM的二次开发, 在系统中内嵌相关标准值, 当材料信息的输入后, 系统将调取节材控制标准值, 对所构建模型中的材料进行自动统计和评定, 判断相关材料统计数据与标准限制的关系, 实现自动的标准符合性检查。

3) 在模型中根据各类材料编码或名称可查询各类材料在建筑体中的分布, 以及相关数量、运距等属性, 直观表现节材控制要点和重点部位, 并可根据需求在模型中更换材料种类, 优选更为环保的可再生可循环材料, 或优化建筑结构和部位, 实现材料的节约。

本文以某展馆钢结构桁架拼吊装施工过程为例, 进行BIM技术支持下的4D仿真模拟。使用BIM技术构建项目基础模型, 输入本项目的建筑设计参数的同时, 集成离散时间模拟后施工过程中的各种施工参数信息, 如施工车辆的调度、车辆之间的协调工作、拼吊装的先后顺序等等施工环节。与真实施工过程紧密联系, 将项目中复空间立体关系通过3D动态可视化技术形象地展现;接着将离散仿真的各施工环节的时间参数与模型链接成4D施工模型, 展示不同的进度安排, 形成三维综合施工现场模型。

在Navisworks平台上实现离散仿真模型与BIM模型的过程链接, 并通过系统内部的编码体系, 实现每个任务操作与模型中的钢结构构件和机械设备的一一对应, 便于模拟过程中碳排放或成本的实施跟踪计算。

对于建筑物施工阶段而言, 随着工程进度的推进, 各项分部分项工程逐步展开, 工程物资的投入不断增加, 整体碳排放量也随着进度逐步增加, 为了体现施工过程的动态碳排放量, 系统集成BIM可视化模拟过程, 并根据模拟过程中资源投入数据和内部数据库之间进行数据运算, 实现模拟过程中实施碳排放的跟踪模拟, 如图8所示。

此外, 根据实际情况, 可对多种机械配置方案和材料配置方案进行仿真模拟, 并进行对比分析, 更好的为管理者提供决策支持。

通过基于BIM的二次开发, 在系统中内嵌相关标准值, 当材料信息的输入后, 系统将调取节材控制标准值, 对所构建模型中的材料进行自动统计和评定, 判断相关材料统计数据与标准限制的关系, 实现自动的标准符合性检查。以可循环材料统计和评价为例, 如图9所示。

在模型中根据各类材料编码或名称可查询各类材料在建筑体中的分布, 以及相关数量、运距等属性, 直观表现节材控制要点和重点部位, 并可根据需求在模型中更换材料种类, 优选更为环保的可再生可循环材料, 或优化建筑结构和部位, 实现材料的节约和最优化配置。

此外, 在仿真模拟过程中发现项目施工过程中可能会出现的碰撞和冲突问题, 并且通过可视化力学仿真, 避免在实际施工过程中出现安全隐患, 积极主动地对项目可能出现的问题进行事前控制, 确保工程的有序完成, 规避了不安全事故的发生, 这些都在一定程度上减少了返工所造成的资源投入和能源消耗, 确保了绿色施工的有效性和可行性, 为绿色施工节能减排目标实现提供保障。

施工方案节能减排的效应最大化以及施工过程的顺利实施是在有效的施工方案指导下进行的。基于所建立的参数化的BIM 3D模型, 集合离散模拟技术模拟和分析相关施工方案, 包括对施工程序的模拟、机械设备的调用模拟、材料等资源的配置模拟等内容, 不但可实现碳排放的动态检测和低碳方案分析, 同时还可发现不合理的施工程序、设备冲突和路径不合理、材料等资源的不合理利用等问题, 便于及时调整施工方案, 解决相关问题, 保障低能耗低排放的施工方案顺利进行, 从而减少真实施工过程中的返工现象, 达到节能减排的目的。