基于BIM的建筑物化碳足跡計算模型之工程碩士研究

來源: www.cdduwq.com.cn 作者:vicky 發布時間:2019-10-03 論文字數:42322字
論文編號: sb2019091010062427723 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇工程碩士論文,本文的研究對象為建筑,依據碳足跡的定義對建筑碳足跡進行定義表示在建筑全生命周期內,從設計規劃到廢棄拆除整個過程中所產生的碳足跡,是一個能夠量化建筑
本文是一篇工程碩士論文,本文主要研究基于 BIM 技術的建筑工程物化階段碳足跡量化研究模型構建及系統開發應用,結合 BIM 技術進行碳足跡的快速量化,借助信息化技術對比分析不同結構方案的優劣性,為方案選擇提供借鑒。

1  緒論

1.1  研究背景
在全球性問題中,生態失衡、環境污染、能源短缺為現階段所面臨的三大全球主要問題,具有全球性、綜合性以及巨大挑戰性三大特征,嚴重影響著人們的日常生活,其中,由于能源消耗產生的碳排放污染,從而導致的生態失衡問題是不容忽視的,本文從國際社會隊溫室氣體排放的廣泛關注、我國碳排放水平高居全球第一和建筑碳排放占總碳排放比較大,減排潛力大三個方面進行背景分析。
(1)溫室氣體排放受到國際社會廣泛關注。2018 年 12 月 5 日,全球碳計算組織(GCP,The Globyal Carbon Project)在卡托維茲氣候變化大會發布了《2018 年全球碳預算報告》,報告中指出,全球碳排放仍處于持續增長的狀態,由化石燃料產生的碳在兩年內已出現了連續的增長,通過數據分析,在2017年全球碳排放較上一年有所增長,增加比例約為1.6%,若持續按照該比例進行增長,2018 年全球的溫度將會上漲超過 1.5℃[1]。溫度的不斷上升,將會帶來許多不可抗力的自然災害,對人類活動產生影響。而如果要將溫度上升控制在1.5℃內,需要全球各國家貢獻力量,將人為的碳排放在 2030 年前減少 40%左右,在 2050年需要達到零排放,分析見圖 1-1,這將是一項非常困難的工程,具有巨大的挑戰性。

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1.2  研究目的及意義
建筑工程行業是我國最主要的基礎設施行業,影響著我國基礎設施的發展,但也是我國行業中第二大碳足跡來源。因此,減少建筑行業碳足跡對我國整體碳足跡能夠起到重要的作用。建筑工程行業所牽扯的因素較多,材料生產及運輸消耗、施工機械能源消耗、施工階段能源消耗、使用階段能源消耗等均會產生碳,均對環境產生較大影響。因此,如何量化建筑工程碳足跡,建立適用于建筑工程的碳足跡量化方法在國家戰略背景下顯得尤為重要。在國際社會和國內戰略研究的背景下,研究建筑工程碳足跡具有以下幾點意義:
(1)量化碳排放計算方法。目前政府已經將碳排放提升至戰略高度,但針對建筑碳足跡還沒有一個能夠具體量化的標準及方法,還停留在理論研究方面。本文針對現狀,定義具體量化指標,建立具體碳足跡量化模型,并將模型應用落地實施,進行系統開發應用,
為建筑量化碳足跡提供方法。
(2)進行建筑碳足跡事前控制。以建立的模型與開發的應用系統為基礎,在設計過程中進行碳足跡量化研究,并針對碳足跡占比較大的進行設計前期優化,采用更優的結構、更優的材料進行設計優化,能夠在項目實施前從源頭減少建筑碳足跡,實現建筑工程碳足跡的事前控制。
(3)為綠色建筑發展提供借鑒基礎。通過對建筑物化過程碳足跡進行事前控制,利用 BIM 技術的模型集成信息特點,對方案進行設計優化,指導綠色建筑推廣,為我國綠色建筑在戰略上的發展提供參考。
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2  相關概念、理論與方法

2.1  綠色建筑概述
隨著建筑行業的發展以及國家戰略的提升,綠色建筑已成為未來建筑行業的新風標,國內外學者對綠色建筑的相關研究越來越多,包含綠色建筑理論以及評價體系等。目前,綠色建筑在我國處于推廣階段,在工程中的應用較少,工程行業人員對綠色建筑的認知有限,非工程行業人員更是僅僅了解綠色建筑的概念,應用深度還有待提高,對綠色建筑所帶來的長遠效益更是了解甚少。本節從綠色建筑概念內涵、特征以及與傳統建筑的區別等方面闡述綠色建筑。
2.1.1  綠色建筑的概念
據世界銀行預測,到 2030 年前實現減排目標,70%的減排潛力在建筑節能方面。因此,為了限制資源使用浪費和防止環境惡化,提出了“綠色建筑”的概念,以減少建筑物整個生命周期對環境的影響。“綠色建筑”的概念一經提出,得到了社會大眾的廣泛認可,《建筑業發展“十三五”規劃》中對綠色建筑也提出了相應的要求,至 2020 年城鎮綠色建筑占新建建筑的比重要達到 50%,綠色建筑已逐漸成為國家戰略的一部分。
建筑包括建筑物和構筑物兩層含義,是我們人類生產生活必不可少的重要基礎,隨著社會的不斷發展和進步,建筑融入了包括神學、哲學、美學、科學等在內的建筑元素,不僅改善了我們的居住環境,同時提升了我們的生活品質,對于社會的發展越發重要。隨著科學技術的發展,全新的理念不斷融入到建筑當中,比如“綠色建筑”這一個新的提法,旨在通過在建筑全壽命周期內,通過設計、選材、施工等方面的一些改變,降低建筑物自身的能耗,同時引入自然生態的居住理念,為居住者提供更好地生活環境,構建與自然和諧共生的建筑物。
全球范圍內專家們對綠色建筑都開展了相應的研究,同時也取得了不菲的成績。保羅·索勒瑞提出了“生態建筑”的概念,認為生態建筑需要兼顧自然環境和區域特色,在保護生物多樣性的前提下,構建滿足人類基本生活需求的建筑,過程中要注意融入當地的建筑風格,綜合提升居住者的生活質量。美國加利福尼亞環境保護協會研究表明,建筑資源的回收再利用將是建筑發展的一個趨勢,能夠有效降低建筑物構建成本,雖然目前建筑垃圾回收再利用率低下,但是建筑垃圾在具有較高的回收利用價值,有助于推動建筑行業實現變革。隨著社會的不斷變化,我們對綠色建筑的認知也在變化。2004 年,我們國家提出:綠色建筑是指為人們提供健康、舒適、安全的生產空間和生活空間,在建筑物構件過程中能夠有效提供資源利用率,同時對周圍環境影響最低的建筑物[42]。2006 年,我們國家提出:綠色建筑是指以人為本為核心,凸顯建筑與環境和諧共生,能夠最大限度得控制和減少對自然地破壞,結合區域特征創造的健康、宜居的建筑物。由此我們可以看出,滿足人類需求是基礎,減少環境污染是要求,提升節能環保是趨勢,綠色建筑是對傳統建筑的更高要求。
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2.2  建筑碳足跡概述
碳足跡的概念源于碳排放,兩個之間是包含于被包含的關系,碳足跡是表示一個產品的碳排放,在某種意義上,碳足跡也是確定未來可以在哪些方面采用何種方式減少碳排放的重要工具之一。
2.2.1  建筑碳足跡的概念
碳足跡(Carbon Footprint)很早就被提出,最開始是由英國的專家提出,但其是由哥倫比亞大學的學者提出的“生態足跡”演變而來,是對建筑全生命周期碳排放的定量化描述[44]。“生態足跡”的概念一經提出得到了社會的廣泛認可,越來越多的科研人員加入到生態足跡的研究行列中,人們逐漸發現碳足跡可用來衡量溫室氣體的多少,進而將這一研究成果應用于建筑評價方面,逐漸發展演變形成了“建筑碳足跡”這個重要的理論成果,計量方式包括按質量計算和按貨幣化計算。英國可持續計量中心研究人員 Wiedmann 對相關學者和一些非政府的公益事業組織的碳足跡研究進行了總結和整理,給出了碳足跡的定義為:碳足跡是人類在生產和生活過程中直接或者間接產生的 CO2排放量,并可以二氧化碳排放量來描述碳足跡的運動過程[45]。在此基礎上,碳足跡可分為直接碳足跡和間接碳足跡[46],直接碳足跡表示直接消費化石能源等產生的碳足跡,而間接碳足跡表示產品在生產、使用過程中所產生的碳足跡,并非直接排放的。 
本文的研究對象為建筑,依據碳足跡的定義對建筑碳足跡進行定義表示在建筑全生命周期內,從設計規劃到廢棄拆除整個過程中所產生的碳足跡,是一個能夠量化建筑碳足跡的概念,為綠色建筑的衡量評價提供參數。目前國際上對碳足跡的評價標準主要分為企業(組織)碳足跡評價標準、產品碳足跡評價標準以及建筑碳足跡評價標準等。
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3  基于 BIM 的建筑物化碳足跡計算模型構建 .............................. 20
3.1  建筑物化碳足跡分析 .................................... 20
3.1.1  建材開采(生產)階段 ............................... 20
3.1.2  物料運輸階段 ......................... 20
4  建筑物化碳足跡計算系統設計與實現 ................................... 42
4.1  需求分析 ......................................... 42
4.1.1  模型應用需求 ............................ 42
4.1.2  碳足跡快速計算需求 .............................. 42
5  模型及系統應用 ............................................... 57
5.1  不同建筑碳濃度對比分析 ..................................... 57
5.1.1  項目概況 ....................................... 57
5.1.2  碳足跡計量 .................................... 57

5  模型及系統應用

5.1  不同建筑碳濃度對比分析
5.1.1  項目概況
選取位于陜西省的兩個不同結構的住宅建筑物進行碳足跡計算,并對兩個建筑進行碳濃度水平對比,驗證模型的可應用性。
案例一:該工程為陜西某高校實驗研究大樓,為鋼筋混凝土結構,由四棟單體建筑構成,總建筑面積為 113680 ㎡,其中地上建筑面積 81000 ㎡,地下建筑面積 22680 ㎡,總層數 12 層,地下 1 層,結構設計年限為 50 年,抗震設防烈度為 8 度。
案例二:該工程為陜西某小區商混住宅樓建設項目,為全現澆鋼筋混凝土框剪結構,總建筑面積約為 11308 ㎡,地上建筑面積 10103 ㎡,地下建筑面積 1205 ㎡,由于數據中缺乏地下建筑部分,因此本文基于地上部分進行碳足跡統計,總層數 9 層,建筑總高度為35.2m,結構設計年限為 50 年,抗震設防烈度為 8 度。
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6  結論與展望

6.1  結論
綠色建筑一直為我國現階段建筑業研究的熱點,而只有降低建筑碳排放才是實現綠色建筑的最終目標。本文經過理論分析與實際操作,梳理了綠色建筑、建筑碳排放以及 BIM工程量統計的相關文獻和資料,完成建筑物化碳足跡的模型的構建,與 BIM 技術相結合實現建筑物化碳足跡計量,并從系統開發角度進行系統設計,進而通過系統開發將所建立的模型落地,實現建筑物化碳足跡計算系統,分析不同建筑不同結構、同一建筑不同結構、同一建筑不同材料三種不同的方式下碳足跡總量和碳濃度,為設計優化提供依據,實現碳足跡的事前控制。結合本文研究,得出以下結論:
(1)構建了基于 BIM 的建筑物化碳足跡計算模型。通過分析建筑物化過程各階段碳足跡的來源,將物化過程分為四個階段:建材開采(生產)階段、物料運輸階段、主體施工階段以及施工配套設施,建立基于 BIM 的建筑物化碳足跡計算的總模型和子模型,分析模型中涉及到的碳足跡因子以及材料、機械消耗量等計量因素,建立了碳足跡因子數據庫,基于 BIM 技術建立三維模型并快速統計工程量,進行消耗量的轉化計算,為模型應用提供數據基礎。通過實例驗證分析得出建材開采(生產)階段的碳濃度最高,可通過研究材料綠色生產工藝或研究新型可替代材料來減少材料開采碳足跡。
(2)設計并開發了建筑物化碳足跡計算系統。采用 Delphi 技術進行系統開發,通過對系統框架、數據庫以及 BIM 接口進行設計,開發了建筑物化碳足跡計算系統,實現標準化、數字化的碳足跡計算管理,提高了決策的實用性和主動性,與建筑的設計、施工實現無縫搭接,形成一個閉合的環路,對建筑碳足跡進行事前控制,在設計階段即可快速分析碳足跡濃度,為建筑碳足跡計算提供技術支撐。
參考文獻(略)

原文地址:http://www.cdduwq.com.cn/gclw/27723.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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