基于BIM的中国建筑生命周期环境影响和成本核算方法

摘要

本发明属于建筑信息化技术领域，具体公开了基于BIM的中国建筑生命周期环境影响和成本核算方法,包括：建立建筑包含完整生命周期范畴的数据库系统；按照不同部位的构件和材料组成命名；对构件和材料进行编号，集成具有编码体系的材料库和构件库；整合BIM‑LCA/LCC评价工具，研究建筑设计中各阶段的重点参数，早期设计阶段需要补充的缺省值，以及不同类型建筑的生命周期评价基准值。本发明搭建了建筑生命周期所需的材料和构件的数据库框架，提供了基于中国本土的建筑构件和材料的清单数据，基于Revit插件自动提取建筑模型的信息，配合建筑设计流程供设计人员使用，计算结果的图表化导出，能够及时的对建筑设计方案进行反馈。

说明书

技术领域

本发明属于建筑信息化技术领域，具体涉及基于BIM的中国建筑生命周期环境影响和成本核算方法。

背景技术

随着气候变化，能源危机等全球性问题日益突出，如何实现可持续发展是当今社会面临的一个重要课题。建筑业作为高能耗、高污染的产业，一方面，为保证室内的环境环境质量，在运行期间需要大量的能源、资源的消耗。另一方面，在建筑的非运行阶段，建材产品的生产、运输、维修替换，建筑物的大量新建和拆除，这些过程所产生的废弃物和有害气体也对生态环境造成了很大压力。所以，减少建筑生命周期过程中的能源消耗和环境环境影响，对实现可持续发展具有重要意义，为了更加客观、全面的衡量建筑在整个生命周期过程中的能源消耗量和环境影响，建筑可持续评价框架(ISO TS 21929-1)将生命周期评价(LCA)和生命周期成本(LCC)作为建筑环境和经济评价的基本方法。

建筑信息模型(Building Information Model,BIM)面向建筑全生命周期的图形与非图形的信息集成与交互，为建筑的生命周期评价(LCA)提供了良好的信息集成的方法。随着BIM技术的广泛应用，建筑业迈向自动化、信息化的进程不断加快，BIM与LCA的结合势在必行。从近年来的研究可看出，BIM与LCA的结合正在经历从手动提取到自动优化的飞速发展过程，然而，BIM-LCA工具在数据交互、整合度、操作灵活性等方面仍存在技术断层，这些技术断层对生命周期评价方法真正的应用于建筑设计造成了很大阻碍。

进行建筑的生命周期评价的研究，完善的数据库是非常重要的一个基础和前提。由于国家地区的不同，其计算评价方法和范畴，建筑材料处理方法，相关的权重系数等方面存在的差异，所以LCA的评价工具地域性强，通用性差。采用不同数据库的计算结果常常差异较大，严重影响使用者对计算结果的评判和设计方向的选择，目前，我国国内也有许多机构和高校等都在研究和建立本地的建材LCA数据库，但是数据库并不完善，也无法与建筑模型直接对接，形成完整的生命周期评价体系。因此，针对于本国国情，建立一个适用于本土的数据库，是建筑LCA领域的一个重要的研究内容。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供基于BIM的中国建筑生命周期环境影响和成本核算方法，其基于Revit插件自动提取建筑模型的信息，配合建筑设计流程供设计人员使用，计算结果能够图表化导出，及时地对建筑设计方案进行反馈。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于BIM的中国建筑生命周期环境影响和成本核算方法，包括以下步骤：

步骤1：建立建筑包含完整生命周期范畴的数据库系统，所述数据库系统中包括所述建筑生命周期计算所需的物理属性、几何属性、成本、施工运输、生命周期环境影响和成本的评价指标；

步骤2：收集所述建筑中常用构件的构造做法，按照不同部位的构件和材料组成命名；

步骤3：对所述构件和所述材料进行编号，根据与Revit族库相对应的编码体系集成材料库和构件库；

步骤4：整合BIM-LCA/LCC评价工具，研究建筑设计中概念阶段、方案阶段和施工图阶段的重点参数以及需要补充的缺省值；其中，所述重点参数为形体系数、窗墙比、外墙材料比选、外窗材质的比选或所述建筑各构件的传热系数比选，所述缺省值是基于已有案例在模型精度高时的完整的LCA或LCC计算数据进行提取和整理所获得的未确定模型参数；

步骤5：通过对同类建筑生命周期计算结果的统计计算，确定该类建筑在现行标准下的生命周期基准值，为使用人员提供比选参考；

步骤6：通过BIM-LCA工具对概念阶段、方案阶段和施工图阶段进行计算，优化各个阶段的方案设计。

进一步地，上述步骤1的建立建筑包含完整生命周期范畴的数据库系统，所述数据库系统中包括所述建筑生命周期计算所需的物理属性、几何属性、成本、施工运输、生命周期环境影响和成本的评价指标，其具体如下：

收集并填充所述建筑在整个生命周期范畴所包含的建造、施工、运输、运行、替换、拆除和回收利用各阶段所需的建筑构件和材料的数据，在SQL Server中搭建整个LCA数据库的系统关系，并确定各表间的索引关系。

进一步地，上述步骤4的整合BIM-LCA/LCC评价工具，研究建筑设计中概念阶段、方案阶段和施工图阶段的重点参数以及需要补充的缺省值，其具体如下：

步骤4-1：通过Revit API编程，将所述数据库系统通过元素名称或编码链接的方式与Revit内部族库对接；根据建筑设计的不同阶段，输入不同单位的材料统计量，其中，在概念阶段和方案阶段通过构件面积进行统计，方案阶段和施工图阶段通过材料面积进行统计，然后进行建筑材料生产、施工、运输、拆除和回收阶段的生命周期评价；

步骤4-2：使用与Revit交互性强的能耗模拟软件，将能耗模拟结果输入Revit界面，用于建筑运行阶段的生命周期评价；

步骤4-3：通过缺省值补充在不同设计阶段未能统计到的建筑部品的信息，合成完整的建筑生命周期计算，在BIM平台上完成贯穿所述建筑整个设计流程的生命周期评价，其结果与基准值相比较，可以更加准确的定位方案生命周期的环境和经济性能。

根据权利要求3所述的基于BIM的中国建筑生命周期环境影响和成本核算方法，其特征在于：

所述数据库系统与所述Revit内部族库的链接包括两个层次：方案早期和深化阶段，所述方案早期为所述建筑的模型面积信息和所述构件的LCA信息相连接；所述深化阶段为所述建筑的模型构造层次与所述材料的LCA信息相连接。

进一步地，所述缺省值用于支持低精度模型阶段完整的生命周期评价。

进一步地，所述数据库系统包括构件库、材料库和Revit模型内嵌编码体系；所述构件库包括第一工业内置属性和第一自定义系数，所述第一工业内置属性包括构件种类、传热系数和玻璃的透射率；所述第一自定义系数包括构件组成、构件厚度、运输距离、建造成本、构件的替换次数和各构件编码ID。

进一步地，所述材料库包括第二工业内置属性和第二自定义系数，所述第二工业内置属性包括各材料编码ID、各材料密度、各材料的导热系数、玻璃的透射率和材料成本；所述第二自定义系数包括材料的使用寿命、材料的运输距离和材料的运输方式。

本发明的有益效果在于：

(1)搭建了建筑生命周期所需的材料和构件的数据库框架，提供了基于中国本土的建筑构件和材料的清单数据。

(2)基于Revit插件自动提取建筑模型的信息，配合建筑设计流程供设计人员使用，方便快捷。

(3)计算结果的图表化导出，与工具中内置的benchmark相对比，能够及时的对建筑设计方案进行反馈。

附图说明

图1为本发明基于BIM的中国建筑生命周期环境影响和成本核算方法的流程图；

图2为数据库系统结构示意图；

图3为本发明整合的BIM-LCA工具用户用图；

图4为本发明实施例中的3种不同设计方案的参数设置示意图；

图5为本发明实施例中的revit模型构件信息提取及数据库匹配示意图之一；

图6为本发明实施例中的建筑设计概念阶段体形系数的生命周期环境影响和成本比选示意图；

图7为本发明实施例中的建筑设计概念阶段窗墙面积比的生命周期环境影响和成本比选示意图；

图8为本发明实施例中的revit模型构件信息提取及数据库匹配示意图之二；

图9为本发明实施例中的建筑设计方案阶段外墙材质的生命周期环境影响和成本比选示意图；

图10为本发明实施例中的建筑设计方案阶段外窗材质的生命周期环境影响和成本比选示意图；

图11为本发明实施例中的建筑施工图阶段外围护结构材料组成的生命周期环境影响和成本比选示意图；

图12为本发明实施例中的建筑设计概念阶段的建筑各部分构件生命周期一次能耗与基准值相比较的示意图；

图13为本发明实施例中的建筑设计全流程中生命周期一次能耗、生命周期碳排放和生命周期成本的优化过程以及与基准值的对比结果示意图。

具体实施方式

本申请的描述中，应当理解，本申请中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如， A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B 这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件，本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

本发明以天津市一所绿建三星的小学为例，小学共36个班，教学楼5层，面积12930㎡。应用BIM-LCA整合计算方法对建筑设计过程中概念阶段、方案阶段、施工图阶段进行生命周期评价与计算。在方案设计过程中，根据阶段设计特点和模型精细程度，确定了各阶段的重点参数。通过对重点参数的LCA结果的比选，优化了建筑设计的环境性能和经济性能。

1.概念阶段

步骤1-1:如图3所示，在概念设计阶段，设计人员会着重解决建筑立面或是整体形态的问题。在这个阶段选取数据库系统中已有的构件进行LCA计算。此阶段主要针对建筑的体形、建筑立面两个方面设置不同情景，进行方案的探讨比选。在建筑的体形设计中，设计师设计了三种不同体形系数的方案：0.20/0.23/0.21。在建筑立面设计中主要考虑了窗墙比对立面的影响，由于南北侧窗户对主要功能用房影响最大，所以，根据《中国绿色建筑评价标准》对教育类建筑窗墙比的规定，重点对南北向窗墙比进行了不同参数的设置。

步骤1-2：如图4和图5所示，通过读取Revit模型信息，将Revit 中元素命名的关键词与构件库的三级分类构建名称相对应。比如在 Revit中命名为“外墙”的元素与构件库中“外墙分类”自动匹配，同时弹出外墙分类的次级类目中包含的所有可供选择的构件：蒸压加气混凝土外墙、钢筋混凝土外墙、混凝土砌块外墙等。在这个阶段，可以根据节能设计规范的要求，依据构件库中提供的构件的传热系数进行构件的筛选。

通过对比可得如下结果，设计师在综合考虑甲方的喜好与深化阶段方案进行特色设计的潜力的基础上，选择了体形系数为0.20的方案。在体形系数0.20方案的基础上，综合环境影响、使用阶段能耗和成本，选择了窗0.35的南北向窗墙比，如图6和图7所示。

在现阶段模型信息和缺省值的配合下，即使概念方案期也可得出较完整的生命周期计算结果。通过不同部位的建筑构件与基准值的对比，可以清晰的看到现阶段方案环境和经济性能的优劣，为下一阶段的设计提供思考方向。如图12所示，可以基于不同的建筑构件与基准方案进行对比，由于此时方案缺少很多细节，大多数构件的一次能耗影响小于基准值，而外窗还没有明确的区分幕墙和普通窗户，所以相比于基准建筑外窗的影响值较大。也提示在后期的设计中注意外窗部位的调整和推敲。

2.方案阶段

步骤2-1：方案阶段选取了两种参数进行不同情景比选：1、外墙的材料比选；2、外窗材质的比选。外墙的材质设定了AAC与CUM 两种比选方案，外窗的材质则计算了双层Low-e玻璃、三层透明白玻璃、南向Low-e与其他向白玻璃结合的三种方案。此阶段外墙在Revit模型中建立了详细的构造层次，在BIM-LCA工具中直接与材料数据库相链接，进行外墙的材料比选。其他建筑部位仍然可以用构件数据进行计算，如图8所示。

步骤2-2：如图9和图10所示，对建筑设计方案阶段外墙材质的生命周期环境影响和成本进行比选，并对建筑设计方案阶段外窗材质的生命周期环境影响和成本进行比选，然后通过对比可以看出AAC 材料的外墙在环境性能上具有明显的优势，故选取AAC材料的外墙。在建筑的外窗材料比选中，选择了碳排放和成本均较好的组合型外窗材料。

3.施工图阶段

步骤3-1：施工图阶段通过外围护结构不同传热系数的参数设置，综合考虑方案的节能层级。在之前的设计阶段，围护结构传热系数根据地方标准限值设定，在现阶段，通过对保温材料、透明围护结构材料的调整，设置了低于地方标准(《天津市公共建筑节能设计标准》) 20％和30％传热系数的节能情景。

步骤3-2：在该阶段读取建筑模型材料层级的数据，并与BIM-LCA 计算工具中材料的数据库相连接。计算结果如下图11所示，该方案的最终选择了低于地方节能标准20％围护结构的组合方式，虽然在材料的环境影响和初建成本方面高于基准方案，但是由于较低的围护结构传热系数，该方案降低了总体能耗2.5％，生命周期一次能耗PED 和生命周期温室气体潜能值有明显降低，如图11所示。在方案推进的过程中，通过BIM-LCA工具对方案进行优化计算。在推进设计的过程中，方案的环境影响逐步降低，优化了各个阶段的方案设计。所以，从生命周期的角度来完善方案设计，对建筑的节能减排具有更加长远的意义，如图13所示。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。