基于“BIM＆云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理研究*

汪振双 赵一健 周新健 高平 赵宁

(1. 东北财财经大学投资工程管理学院，辽宁 大连 116025;2. 东北财经大学工程管理研究中心，辽宁 大连 116025;3. 东北财经大学金融学院，辽宁 大连 116025)

0 引言

人类生存活动产生的碳排放已成为世界经济发展的瓶颈。在低碳经济发展的约束下，中国政府做出了到2020 年单位GDP 的CO2排放量相对于2005 年降低40% ～45%的承诺。已有的统计资料显示，建筑材料生产过程中的碳排放量占城市碳排放量60%以上［1-3］。因此，减少和控制建筑材料碳排放量是我国能否兑现此承诺的关键。建筑材料碳排放涉及材料生产、运输、施工、维护和拆除等全生命周期各阶段，涉及的参与方众多，这就要求在整个建筑行业产业链上实现建筑材料碳排放的最小化。协同是降低建筑材料全生命周期碳排放量的关键。随着计算机、物联网和通信等技术的发展，数字建造技术在工程项目建设领域中的发展也突飞猛进。其中，BIM 和云计算 (BIM＆ 云)技术覆盖了大量的建筑和工程项目及企业信息，信息的集成度高，为建筑材料全生命周期信息的整合和管理提供了保证。本文基于“BIM＆云”技术对建筑材料全生命周期碳排放协同管理的实现模式与实施步骤进行了详细研究。

1 “BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理内涵

BIM 技术为建筑行业精细化、信息化和协同化工作搭建了平台，为工程项目的海量数据管理，协调相关参与方工作，消除信息壁垒提供了保证［4-6］。云计算基于互联网的使用，增加超级计算模式，可实时提供动态、虚拟化和易扩展资源。在云计算环境下，需求服务自动化、网络访问便捷化的特点可以吸引工程项目各阶段的资源有效聚集，将建筑材料全生命周期各阶段、各相关部门统一到云计算平台上［7-8］。因此，“BIM＆ 云”环境下建筑材料碳排放协同管理要以建筑材料全生命周期各阶段碳排放的约束为导向，以降低碳排放为目标，基于“BIM＆云”对建筑材料全生命周期各阶段碳排放进行协同组织和管理。

2 “BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理体系的组成

2.1 “BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理需求

基于“BIM＆云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理是从建筑材料全生命周期角度出发，在云平台技术支持下，以BIM 模型为信息载体，实时更新、丰富和充实建筑材料全生命周期各阶段碳排放信息，完成信息数据的编辑和处理，实现全过程工程项目数据共享和可视化的管理。针对建筑材料全生命周期碳排放协同管理的边界和不同参与方的管理目标， “BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期各阶段碳排放协同管理系统应符合不同参与方、不同层次的管理需求。

“BIM＆云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理系统第一层次需求，是针对碳排放的特点，能够高效分享建筑材料全生命周期各阶段碳排放的海量信息。从建筑材料生产、运输、施工、维护和拆除的全生命周期碳排放角度来看，碳排放管理涉及众多参与方，碳排放信息化难度管理大，因此“BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理系统首先应该满足碳排放管理信息的高效共享。

“BIM＆云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理系统第二层次需求，是针对建筑材料全生命周期各阶段不同参与方，如生产企业、供应商、施工企业和物业公司等不同用户碳排放的信息管理和价值需求。通过该系统及时掌握建筑材料全生命周期——运输、施工、维护和拆除各阶段碳排放数据信息，增强各阶段、不同参与方、不同应用功能软件之间的兼容性和互操作性，避免不同应用软件之间兼容性差和信息缺失的缺点。

“BIM＆云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理系统第三层次需求，是针对建筑材料碳排放的实时测算和可视化要求。基于BIM 模型的建筑材料全生命周期碳排放协同管理系统不仅要求能够保证建筑材料全生命周期各阶段原材料、机械设备、施工工艺和维护等数据的实时更新，而且还要保证各阶段不同参与方通过云技术能够及时分享、更新和使用BIM 模型数据，并通过可视化模型直观地进行信息管理。

利用BIM 技术在统一的云平台上，充分发挥BIM 技术的优势，实现建筑材料全生命周期各阶段信息采集、共享和更新等有效协同，优化建筑材料的碳排放。

2.2 “BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理体系的架构

建筑材料是耗能和碳排放大户，建筑材料的碳排放贯穿于全生命周期各阶段，涉及生产商、供应商、运输商、建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等众多参与方， “BIM＆ 云”技术为建筑材料全生命周期碳排放协同管理提供了保障。“BIM＆ 云”管理系统可由建筑材料产业链上各参与方共享使用，建筑材料全生命周期各阶段相关企业及其部门基于云平台，通过BIM 模型进行建筑材料碳排放的协同管理组织关系，见图1。

图1 “BIM＆云”协同管理组织关系

“BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理系统的云平台，可以是“私有云”和“公有云”平台。“私有云”是通过企业内部自建的BIM 服务器对信息数据进行存储和管理，而“公有云”则是大型和专业服务商对信息数据进行的存储和管理［8-11］。“BIM＆云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理体系应满足不同阶段参与方相关企业和部门对3D 基础信息模型的共享和应用，在各阶段都发挥碳排放测算分析和协同管理作用。因此，建筑材料碳排放信息必须在一个信息流畅的交流平台上运行，各参与方基于云平台可实现信息的即时传送。因此，基于“BIM＆云”环境，根据不同阶段、不同参与方碳排放的测算分析和协同管理不同层次的要求，本文将建筑材料全生命周期碳排放协同管理系统分为操作层、交换层、模型层和数据服务层四个层次，见图2。其中，在操作层中，利用互联网技术进行相关身份认证后，进入云平台，获取不同的建筑材料碳排放信息浏览和编辑权利，并对其进行优化决策管理。交换层主要是基于云平台的技术支持，利用终端设备实现BIM 模型相关联的数据采集、传输和存储功能。手机、手持式读取设备、IPD、PC 等终端设备都可用作“BIM＆云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理系统数据采集和交换的硬件技术支持。系统模型层的核心为BIM 技术，将建筑材料全生命周期不同阶段、不同参与方、不同应用程序加载于服务器上，并通过互联网技术，将模型数据储存在云平台上，实现建筑材料不同阶段、不同参与方碳排放管理的不同需求。数据服务层负责对BIM 数据库和OBDC 数据库中的数据按照指令要求进行读取、查询、编辑、删除等处理。

2.3 “BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理的工作原理

“BIM＆云”环境下建筑材料全生命周期碳排放管理系统是通过网络在云平台上，利用BIM技术数据服务层获取各阶段所需的碳排放数据信息，供建筑材料全生命周期各阶段参与方通过云平台进行协同管理工作，可实时更新建筑材料全生命周期各阶段碳排放信息数据，多方案优化比较，提高碳排放协同管理效率。

2.4 “BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理信息系统的实现

首先，要确定建筑材料全生命周期碳排放系统的范围和边界，在建筑对象的工业基础类(IFC)标准的基础上对建筑材料全生命周期各阶段碳排放信息建立统一的编码体系，并进行信息分类，存储数据，实现建筑材料全生命周期各阶段碳排放信息的存储和快速读取;其次，通过数据接口和交换标准，在“私有云”和“公有云”平台上，实现模型数据共享与转换，满足碳排放信息数据采集、存储和转换，在BIM 模型中实现建筑材料全生命周期各阶段应用不同软件的无缝对接，实现碳排放信息在不同参与方之间的传递、共享和协同管理，见图3。

图2 建筑材料全生命周期碳排放的协同管理体系架构

图3 BIM 数据协同平台框架

3 “BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期各阶段碳排放的协同管理系统

协同管理系统必须实时、透明，易于监管和调控，才能满足其价值需求。从技术手段角度看，“BIM＆ 云”环境下建筑材料全生命周期碳排放协同管理系统，可将传感器、条形码、无线射频识别等在BIM 模型中集中起来，并借助3G/4G 网络、有线网和互联网等各种网络传输信息，在云平台上实现信息的采集、存储、实时更新。

3.1 工程项目设计阶段

在工程项目设计阶段，以工程项目建筑材料全生命周期碳排放量最小为设计原则，工程项目各参与方和相关部门，在云平台上，基于BIM 模型，通过BIM 数据库和OBDC 数据库已有的建筑信息数据，进行工程项目能耗分析、施工进度模拟、质量控制、造价管理和碳排放量模拟等。工程项目不同参与方和相关部门可根据工程项目碳排放测算结果，挑选不同厂家和品牌的建筑材料，制定分部分项工程的施工组织技术方案等，进行满足建筑材料全生命周期各阶段碳排放量的低碳设计。

3.2 建筑材料生产和运输阶段

建筑材料生产商根据工程项目低碳设计要求，通过云平台，输入BIM 模型数据库。建筑材料采购方按照设计和合同要求，浏览系统中所需的材料价格、性能参数以及材料生产商、供应商的分布情况，并在碳排放和成本双重约束下，通过BIM 技术模型的成本和碳排放模拟，进行优化和决策，并根据决策结果选择合适的材料型号、数量、运输方式以及运输路线等，并结合工程项目进度控制，实现三维模型基础上的建筑材料库存管理。

3.3 工程项目施工阶段

施工单位的建筑材料碳排放管理工作覆盖施工现场的平面布置、施工方案设计、低碳施工管理和实时在线监控等各个方面，通过优化工程项目施工技术方案，可以降低建筑材料施工过程中的碳排放。施工单位在碳排放的限额设计下，从建筑材料全生命周期角度，基于BIM 信息模型技术，测算建筑材料工程量、优化分部分项工程施工技术方案，组织开展低碳施工，在工程项目建设过程中达到碳排放精细化和协同管理的要求。对于施工中的工程设计变更，则发挥BIM 技术数据库分布式的特长，实时更新、共享材料碳排放数据，施工各部门和工程项目各参与方可以快速获取数据，进行分析和决策。监理单位通过协同管理系统可以审核施工单位低碳施工规划与施工技术方案设计，制订低碳施工监理方案，做好低碳施工日常管理工作记录，对施工单位和建设单位建筑材料的碳排放进行回复和反馈，实时在线监测施工过程中建筑材料碳排放的当前数据。监管单位/建设单位通过协同管理系统可以查看施工单位低碳施工方案、建筑材料碳排放和低碳施工日常管理工作，并对各单位进行反馈和回复，实时在线监测施工过程中建筑材料碳排放的当前数据。第三方专业机构，通过系统则可以查看施工单位的低碳施工方案，同时向各单位反馈有关建筑材料的碳排放和低碳施工日常管理工作记录，并实时在线监测施工过程中建筑材料碳排放的当前数据。

3.4 工程项目维护和拆除阶段

在“BIM＆云”环境下，实现了建筑材料全生命周期各阶段的碳排放信息的采集、共享和无缝对接。基于“私有云”和“公有云”平台，物业管理方可以实时获取、监控工程项目运营阶段碳排放和运营成本等相关信息，对建筑材料及其构建的状态进行科学管理决策，优化运营维护方案，并结合BIM 三维模型实时存档和记录，便于工程项目碳排放等相关信息的追溯和查询。

4 结语

数字建造是工程项目信息化的发展趋势。“BIM＆云”环境下建筑材料全生命周期碳排放的测算分析和协同管理，可以使工程项目建设中各参与方和相关部门对建筑材料全生命周期各阶段多方案碳排放进行优化，对建筑材料的碳排放进行有效控制，满足建筑材料全生命周期不同阶段，不同专业、不同参与方的碳排放协同管理，提升建筑材料碳排放的测算速度，保证建筑材料全生命周期各阶段碳排放信息的无缝对接，为低碳建筑的数字化管理指明方向。

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