基于BIM的建筑物化碳足迹计算模型之工程硕士研究

来源: www.sblunwen.com 作者:vicky 发布时间:2019-10-03 论文字数:42322字
论文编号: sb2019091010062427723 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇工程硕士论文,本文的研究对象为建筑,依据碳足迹的定义对建筑碳足迹进行定义表示在建筑全生命周期内,从设计规划到废弃拆除整个过程中所产生的碳足迹,是一个能够量化建筑
本文是一篇工程硕士论文,本文主要研究基于 BIM 技术的建筑工程物化阶段碳足迹量化研究模型构建及系统开发应用,结合 BIM 技术进行碳足迹的快速量化,借助信息化技术对比分析不同结构方案的优劣性,为方案选择提供借鉴。

1  绪论

1.1  研究背景
在全球性问题中,生态失衡、环境污染、能源短缺为现阶段所面临的三大全球主要问题,具有全球性、综合性以及巨大挑战性三大特征,严重影响着人们的日常生活,其中,由于能源消耗产生的碳排放污染,从而导致的生态失衡问题是不容忽视的,本文从国际社会队温室气体排放的广泛关注、我国碳排放水平高居全球第一和建筑碳排放占总碳排放比较大,减排潜力大三个方面进行背景分析。
(1)温室气体排放受到国际社会广泛关注。2018 年 12 月 5 日,全球碳计算组织(GCP,The Globyal Carbon Project)在卡托维兹气候变化大会发布了《2018 年全球碳预算报告》,报告中指出,全球碳排放仍处于持续增长的状态,由化石燃料产生的碳在两年内已出现了连续的增长,通过数据分析,在2017年全球碳排放较上一年有所增长,增加比例约为1.6%,若持续按照该比例进行增长,2018 年全球的温度将会上涨超过 1.5℃[1]。温度的不断上升,将会带来许多不可抗力的自然灾害,对人类活动产生影响。而如果要将温度上升控制在1.5℃内,需要全球各国家贡献力量,将人为的碳排放在 2030 年前减少 40%左右,在 2050年需要达到零排放,分析见图 1-1,这将是一项非常困难的工程,具有巨大的挑战性。

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1.2  研究目的及意义
建筑工程行业是我国最主要的基础设施行业,影响着我国基础设施的发展,但也是我国行业中第二大碳足迹来源。因此,减少建筑行业碳足迹对我国整体碳足迹能够起到重要的作用。建筑工程行业所牵扯的因素较多,材料生产及运输消耗、施工机械能源消耗、施工阶段能源消耗、使用阶段能源消耗等均会产生碳,均对环境产生较大影响。因此,如何量化建筑工程碳足迹,建立适用于建筑工程的碳足迹量化方法在国家战略背景下显得尤为重要。在国际社会和国内战略研究的背景下,研究建筑工程碳足迹具有以下几点意义:
(1)量化碳排放计算方法。目前政府已经将碳排放提升至战略高度,但针对建筑碳足迹还没有一个能够具体量化的标准及方法,还停留在理论研究方面。本文针对现状,定义具体量化指标,建立具体碳足迹量化模型,并将模型应用落地实施,进行系统开发应用,
为建筑量化碳足迹提供方法。
(2)进行建筑碳足迹事前控制。以建立的模型与开发的应用系统为基础,在设计过程中进行碳足迹量化研究,并针对碳足迹占比较大的进行设计前期优化,采用更优的结构、更优的材料进行设计优化,能够在项目实施前从源头减少建筑碳足迹,实现建筑工程碳足迹的事前控制。
(3)为绿色建筑发展提供借鉴基础。通过对建筑物化过程碳足迹进行事前控制,利用 BIM 技术的模型集成信息特点,对方案进行设计优化,指导绿色建筑推广,为我国绿色建筑在战略上的发展提供参考。
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2  相关概念、理论与方法

2.1  绿色建筑概述
随着建筑行业的发展以及国家战略的提升,绿色建筑已成为未来建筑行业的新风标,国内外学者对绿色建筑的相关研究越来越多,包含绿色建筑理论以及评价体系等。目前,绿色建筑在我国处于推广阶段,在工程中的应用较少,工程行业人员对绿色建筑的认知有限,非工程行业人员更是仅仅了解绿色建筑的概念,应用深度还有待提高,对绿色建筑所带来的长远效益更是了解甚少。本节从绿色建筑概念内涵、特征以及与传统建筑的区别等方面阐述绿色建筑。
2.1.1  绿色建筑的概念
据世界银行预测,到 2030 年前实现减排目标,70%的减排潜力在建筑节能方面。因此,为了限制资源使用浪费和防止环境恶化,提出了“绿色建筑”的概念,以减少建筑物整个生命周期对环境的影响。“绿色建筑”的概念一经提出,得到了社会大众的广泛认可,《建筑业发展“十三五”规划》中对绿色建筑也提出了相应的要求,至 2020 年城镇绿色建筑占新建建筑的比重要达到 50%,绿色建筑已逐渐成为国家战略的一部分。
建筑包括建筑物和构筑物两层含义,是我们人类生产生活必不可少的重要基础,随着社会的不断发展和进步,建筑融入了包括神学、哲学、美学、科学等在内的建筑元素,不仅改善了我们的居住环境,同时提升了我们的生活品质,对于社会的发展越发重要。随着科学技术的发展,全新的理念不断融入到建筑当中,比如“绿色建筑”这一个新的提法,旨在通过在建筑全寿命周期内,通过设计、选材、施工等方面的一些改变,降低建筑物自身的能耗,同时引入自然生态的居住理念,为居住者提供更好地生活环境,构建与自然和谐共生的建筑物。
全球范围内专家们对绿色建筑都开展了相应的研究,同时也取得了不菲的成绩。保罗·索勒瑞提出了“生态建筑”的概念,认为生态建筑需要兼顾自然环境和区域特色,在保护生物多样性的前提下,构建满足人类基本生活需求的建筑,过程中要注意融入当地的建筑风格,综合提升居住者的生活质量。美国加利福尼亚环境保护协会研究表明,建筑资源的回收再利用将是建筑发展的一个趋势,能够有效降低建筑物构建成本,虽然目前建筑垃圾回收再利用率低下,但是建筑垃圾在具有较高的回收利用价值,有助于推动建筑行业实现变革。随着社会的不断变化,我们对绿色建筑的认知也在变化。2004 年,我们国家提出:绿色建筑是指为人们提供健康、舒适、安全的生产空间和生活空间,在建筑物构件过程中能够有效提供资源利用率,同时对周围环境影响最低的建筑物[42]。2006 年,我们国家提出:绿色建筑是指以人为本为核心,凸显建筑与环境和谐共生,能够最大限度得控制和减少对自然地破坏,结合区域特征创造的健康、宜居的建筑物。由此我们可以看出,满足人类需求是基础,减少环境污染是要求,提升节能环保是趋势,绿色建筑是对传统建筑的更高要求。
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2.2  建筑碳足迹概述
碳足迹的概念源于碳排放,两个之间是包含于被包含的关系,碳足迹是表示一个产品的碳排放,在某种意义上,碳足迹也是确定未来可以在哪些方面采用何种方式减少碳排放的重要工具之一。
2.2.1  建筑碳足迹的概念
碳足迹(Carbon Footprint)很早就被提出,最开始是由英国的专家提出,但其是由哥伦比亚大学的学者提出的“生态足迹”演变而来,是对建筑全生命周期碳排放的定量化描述[44]。“生态足迹”的概念一经提出得到了社会的广泛认可,越来越多的科研人员加入到生态足迹的研究行列中,人们逐渐发现碳足迹可用来衡量温室气体的多少,进而将这一研究成果应用于建筑评价方面,逐渐发展演变形成了“建筑碳足迹”这个重要的理论成果,计量方式包括按质量计算和按货币化计算。英国可持续计量中心研究人员 Wiedmann 对相关学者和一些非政府的公益事业组织的碳足迹研究进行了总结和整理,给出了碳足迹的定义为:碳足迹是人类在生产和生活过程中直接或者间接产生的 CO2排放量,并可以二氧化碳排放量来描述碳足迹的运动过程[45]。在此基础上,碳足迹可分为直接碳足迹和间接碳足迹[46],直接碳足迹表示直接消费化石能源等产生的碳足迹,而间接碳足迹表示产品在生产、使用过程中所产生的碳足迹,并非直接排放的。 
本文的研究对象为建筑,依据碳足迹的定义对建筑碳足迹进行定义表示在建筑全生命周期内,从设计规划到废弃拆除整个过程中所产生的碳足迹,是一个能够量化建筑碳足迹的概念,为绿色建筑的衡量评价提供参数。目前国际上对碳足迹的评价标准主要分为企业(组织)碳足迹评价标准、产品碳足迹评价标准以及建筑碳足迹评价标准等。
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3  基于 BIM 的建筑物化碳足迹计算模型构建 .............................. 20
3.1  建筑物化碳足迹分析 .................................... 20
3.1.1  建材开采(生产)阶段 ............................... 20
3.1.2  物料运输阶段 ......................... 20
4  建筑物化碳足迹计算系统设计与实现 ................................... 42
4.1  需求分析 ......................................... 42
4.1.1  模型应用需求 ............................ 42
4.1.2  碳足迹快速计算需求 .............................. 42
5  模型及系统应用 ............................................... 57
5.1  不同建筑碳浓度对比分析 ..................................... 57
5.1.1  项目概况 ....................................... 57
5.1.2  碳足迹计量 .................................... 57

5  模型及系统应用

5.1  不同建筑碳浓度对比分析
5.1.1  项目概况
选取位于陕西省的两个不同结构的住宅建筑物进行碳足迹计算,并对两个建筑进行碳浓度水平对比,验证模型的可应用性。
案例一:该工程为陕西某高校实验研究大楼,为钢筋混凝土结构,由四栋单体建筑构成,总建筑面积为 113680 ㎡,其中地上建筑面积 81000 ㎡,地下建筑面积 22680 ㎡,总层数 12 层,地下 1 层,结构设计年限为 50 年,抗震设防烈度为 8 度。
案例二:该工程为陕西某小区商混住宅楼建设项目,为全现浇钢筋混凝土框剪结构,总建筑面积约为 11308 ㎡,地上建筑面积 10103 ㎡,地下建筑面积 1205 ㎡,由于数据中缺乏地下建筑部分,因此本文基于地上部分进行碳足迹统计,总层数 9 层,建筑总高度为35.2m,结构设计年限为 50 年,抗震设防烈度为 8 度。
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6  结论与展望

6.1  结论
绿色建筑一直为我国现阶段建筑业研究的热点,而只有降低建筑碳排放才是实现绿色建筑的最终目标。本文经过理论分析与实际操作,梳理了绿色建筑、建筑碳排放以及 BIM工程量统计的相关文献和资料,完成建筑物化碳足迹的模型的构建,与 BIM 技术相结合实现建筑物化碳足迹计量,并从系统开发角度进行系统设计,进而通过系统开发将所建立的模型落地,实现建筑物化碳足迹计算系统,分析不同建筑不同结构、同一建筑不同结构、同一建筑不同材料三种不同的方式下碳足迹总量和碳浓度,为设计优化提供依据,实现碳足迹的事前控制。结合本文研究,得出以下结论:
(1)构建了基于 BIM 的建筑物化碳足迹计算模型。通过分析建筑物化过程各阶段碳足迹的来源,将物化过程分为四个阶段:建材开采(生产)阶段、物料运输阶段、主体施工阶段以及施工配套设施,建立基于 BIM 的建筑物化碳足迹计算的总模型和子模型,分析模型中涉及到的碳足迹因子以及材料、机械消耗量等计量因素,建立了碳足迹因子数据库,基于 BIM 技术建立三维模型并快速统计工程量,进行消耗量的转化计算,为模型应用提供数据基础。通过实例验证分析得出建材开采(生产)阶段的碳浓度最高,可通过研究材料绿色生产工艺或研究新型可替代材料来减少材料开采碳足迹。
(2)设计并开发了建筑物化碳足迹计算系统。采用 Delphi 技术进行系统开发,通过对系统框架、数据库以及 BIM 接口进行设计,开发了建筑物化碳足迹计算系统,实现标准化、数字化的碳足迹计算管理,提高了决策的实用性和主动性,与建筑的设计、施工实现无缝搭接,形成一个闭合的环路,对建筑碳足迹进行事前控制,在设计阶段即可快速分析碳足迹浓度,为建筑碳足迹计算提供技术支撑。
参考文献(略)

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