毕美君言

2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。在双碳大时代背景下，建筑行业造成的环境影响和面临的环境负担尤为严重。

据统计，建筑业每年对全球资源的消耗和温室气体的排放几乎占全球总量的一半。我国的建筑总能耗占社会总能耗的25%~28%，二氧化碳排放量占社会总排放量的40%左右。建筑的高能耗和高碳排放对节能减排工作造成了巨大压力，建筑全寿命周期环境影响评价也成为研究的热点。

今天毕美君向大家分享的这篇文献为2020年工程顶级期刊《automation inconstruction》 中发表的关于BIM在生命周期评估领域应用的研究成果，供大家了解相关前沿资讯。

*因本篇内容过长，为方便大家阅读现将全篇分为<上、下>两部，请各位小伙伴自行选择观看。

【建筑设计中基于BIM的LCA结果评估 <上>】

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建筑设计中基于BIM的LCA结果评估

Alexander Hollberg, Gianluca Genova, Guillaume Habert

关键词

建筑信息模型（BIM），生命周期评估（LCA）,性能评估，设计过程

LCA(Life Cycle Assessment)是资源环境保护领域的重要理论。经过20年的发展，LCA已经成为评价产品资源环境影响的国际通用标准方法，并得到了国内外政策和市场的广泛认同。相比于在工业产品生产对环境影响方面的应用，LCA在建筑领域的研究实践应用还比较滞后。

总结近十五年来，美国、欧洲和亚洲的部分国家，已经有越来越多的人开始运用LCA理论，对建筑进行全生命周期评价。

但是在全生命周期环境评价中并没有一套完善的应用流程和标准。针对LCA研发的评价软件(Athena/Si- mapro/Gabi/Bees等)有很多，但不同数据库之间所选用的标准仍然不够明确和具体，所得出的评价结果之间差距较大，BIM与LCA的集成应用仍处于探索阶段。

摘要

基于建筑信息模型(BIM)的数字工具为促进建筑的环境性能评估提供了更多可能性。最近开发的多种工具基于BIM模型自动获取数据，作为生命周期评估(LCA)的基础。本文描述了这种BIM-LCA工具的首次应用，以评估真实建筑的整个设计过程中所体现的全球变暖潜能(GWP)。每周对BIM模型的34个状态进行分析。

结果显示，在设计阶段，所体现的全球升温潜能值是最终建筑的两倍。这些变化的主要原因在于设计者使用了占位材料的方法。这些材料后来被重新定义。此外还有其他原因。因此，所体现的全球升温潜能值被高度高估了，在设计过程中基于BIM的环境评估可能会产生误导和反作用。最后，我们讨论了已建立的自动取数据的三种替代方案，以备未来发展之用。

3

结果

图3显示34个模型的GWP结果。令人惊讶的是，全球升温潜能值的总值并没有随着设计的深化和BIM模型的精细度增加而持续增加。全球升温潜能值在第8周达到最大，然后下降到最后阶段。为了分析这种发展趋势的原因，对结果进行了更详细的分析。在下文中，将分别讨论建筑结构和技术要素的结果。

图3.在整个设计过程中

以tC0z-e为单位的体现GWP的总结果的演变

3.1

建筑要素

建筑元素的结果绘制在图4中，可以得出一些结果。

1.个别元素在不同的星期出现峰值。

2.所有元素的结果都上升到一个峰值，然后下降到最后的结果。

3.所有的元素似乎都在过去3周内达到了最终结果(没有变化)，而有些元素在更早的时候就已经得到了这个最终阶段。

4.大多数元素的结果在第18周后没有什么变化。

体现在GWP上的结果变化可能有三个原因：

a)元素数量的变化

b)现有元素体积的变化

c)分配给这些元素的材料的变化

图4.体现在t CO2-e中的建筑元素

的GWP和元素数量的结果

图4模型中的元素数量可以作为模型细化程度的代表。在整个设计过程中，大多数类别的元素数量都在增加。只有幕墙类别在第9周之前显示出较高的数量，在第10周减少了一半以上。不断增加的元素数量与贯穿整个设计阶段的影响形成对比。这表明元素的建模细节更高，材料的总体数量减少了或材料发生了变化。有趣的是，图4中的嵌入式GWP峰值并不会同时出现，这取决于元素的性质。

墙体元素的峰值之后是板元素的峰值。两者都与结构设计有关。吊顶的高峰出现得较晚，甚至出现在施工图交付之后第18周。这一观察结果证实了之前的假设，即在设计阶段，结构、围护结构、技术设备和装修没有用相同的LOD精度进行定义。

在下文中，将更详细地分析楼板和墙壁，它们对环境的影响最大。此外，它们通常在设计过程的早期就被确定下来。从图5中可以看出，墙体和楼板从设计过程的一开始就开始上升，并在第8周达到一个峰值。从那以后，环境影响慢慢减少，直到第18周后达到一个稳定的影响水平。墙体从第17周到第18周出现了较大的下降。然而，图5中的元素数量在整个设计过程中只显示了很小的变化，墙体在第17周和第18周之间没有任何变化。因此，影响减少的唯一原因可能是元素的建模具有更高的细节水平。

图5.墙体和楼板的GWP

体现在tC02-e和元素数量上的结果

用于施工的BIM模型应该在第18周完成，5月底开始施工。因此，所有的结构元素都需要达到最高级别的细节。有趣的是，从设计阶段基于BIM模型的墙体结果，到为施工准备的BIM模型，体现的GWP被划分为3个因子。这些变化可以解释为设计师最初的楼板和墙体建模相对粗略。在项目的早期设计阶段，各层的材料没有明确，只是作为时间上的占位符。因此，这些元素由厚实的大块混凝土呈现，总厚度为元素的一半。随着时间的推移，元素变得更加精细和详细，体现出来的影响越来越接近真实的环境影响。

3.2

技术设备

图6显示了技术设备的GWP结果。可以得出两个主要的观察结果。

1.与建筑元素相比，只有机械设备在第8周出现了一个大的峰值，而大多数元素则继续上升到最后的结果。

2.在第24周之后，没有看到任何变化。

图6.技术设备体现的GWP(tCO2-e)

和元素数量的结果

分析BIM模型技术元素数量的变化，可以看出其数量普遍持续增长。甚至在第8周，机械设备的数量也比最终模型中的GWP结果峰值低得多。有趣的是，在体现全球升温潜能值的结果中，无法看到管道元素数量的极端增长.

4

讨论

4.1

设计过程中基于BIM量取LCA的局限性

在本案例研究中，对环境影响的评估并不是设计过程的一部分。这里介绍的结果只是来自于设计后的评估。因此，在设计过程中不能使用这些结果来减少体现的影响。体现的影响在这个项目中不是一个设计参数，也没有使用其他工具来评估环境影响。因此，可以认为没有对影响进行过优化。这里介绍的基于BIM的LCA的Dynamo工具是最先进的，与其他研究者的方法相似，适合瑞士的情况。理想情况下，这种方法可以被整合到未来项目的设计过程中。因此，下文将讨论为减少环境影响提供设计指导的好处。在设计过程中得到的嵌入式GWP结果与最终结果有很大差异。

图3显示，第8周建筑的总影响是最终影响的两倍多。因此，第8周的结果的价值很难用于设计指导。在本案例研究中，BIM模型被用于建筑许可证的申请。不同的国家认为对具体影响进行评估是建筑许可证申请过程中的一个强制性部分，因为这已经以能源绩效证书的形式对运营能源进行了评估。荷兰已经对办公楼引入了强制性LCA。使用相同的BIM模型来评估和证明建筑许可证所体现的环境影响似乎是显而易见的。然而，这个案例研究的结果清楚地表明，与最终结果相比，误差太大。

结果的变化可能是由于数量或材料的变化造成的。元素的数量在设计过程中不断变化，但与结果的变化并不对应。这意味着一个元素的详细程度改变了，导致更精确的建模和更少的材料数量，或者一个元素被分配了不同的材料。结果的质量首先取决于评估工具的质量和模型的质量。在本案例研究中，BIM模型的每种状态都采用了相同的工具。可以认为，在连接材料或工具的计算过程中，每个模型状态的潜在错误都是一样的。

因此，结果的差异只取决于模型的质量。设计师们在早期设计阶段使用了占位符。以一个墙体元素为例分析这个过程。图7显示了设计过程中三个阶段(2017年10月、2018年4月和2018年7月)Autodesk Revit中这个元素的视觉表现。可以看到第一次和第二次表示之间的微小变化。而第三种似乎与第二种相同。这种视觉表现可以被描述为几何精度水平。

图7.2017年10月(左)、2018年4月(中)

和2018年7月(右)的墙体的视觉表现

除了几何表现，LCA还需要考虑可用的信息。这方面也被称为信息水平。表2显示了元素和材料的数量，以及面积和体积。在10月份，墙体被模拟为两个独立的元素，每个元素有一种材料。在4月和7月，墙体被模拟为一个元素，有5个材料层。可以认为，在10月份，墙体还没有被定义，但使用了一个占位符。表2中显示的体积是材料的体积之和。7月的体积比4月的小40%左右。我们可以假设，在4月份，一些材料被过度碾压，这些错误在之后被纠正了。

表2.点击可查看大图

在本案例研究中，模型没有经过LCA质量检查。诸如材料重叠的问题可以由模型检查员自动进行检查，目前正在开发试点。此外，模型视图定义(MVD)可以作为基础，只包括BIM模型中的相关元素。然而，即使这些过程是自动化和优化的，它们也需要设计者的额外努力。特别是在早期设计阶段，设计者希望得到快速的结果，不需要额外的努力就能直观地交付。该案例研究对参与的设计师来说是一个试点，建筑建模的工作流程在未来可能会被调整。

在早期设计阶段使用占位材料，模型将不断发展。如果设计是由一个跨学科的设计团队完成的，这甚至更有可能，每个学科都会在模型中保留空间，以便以后放置详细信息，避免其他学科在此期间占用空间。因此，仅仅根据BIM模型中的BoQ来计算体现的影响并不能提供有意义的设计指导。下面将讨论可能更有效的替代方法。

4.2

数字化工作流程中有效的环境指导建议

目前最先进的自动量取和计算体现影响效果的替代方案分为三类。

4.2.1

调整设计工作流程

如果设计者只使用预设的材料，那么匹配材料的困难就可以避免。例如，H/B:ERT工具就采用了这种方法，为Revit提供了一个带有LCA因子的材料库。此外，Lee等人为Autodesk Revit提供了绿色模板，其中包含韩国背景下的LCA相关信息的部件和材料。只要只使用这些材料，就可以轻松计算出体现的影响。

如果设计者只使用预设的组件，就可以避免占位符材料的困难。这些组件需要包括所有的层和详细的材料信息。例如，设计师不需要从Revit的基本墙体开始设计过程，而是直接从库中选择墙体。库(例如Revit系列)可以在建筑办公室内建立，也可以由外部服务提供。Lee等人为设计师提供了如何建立一个包含LCA所需参数的材料库的指南。提供BIM数据的平台数量(如BIMobject2)越来越多。同时有越来越多的制造商提供组件。

这对那些常用的，通常不由设计师调整的产品特别有用。例如技术设备或家具。对于其他组件，使用预制的组件可能会限制设计的自由度，成为新的解决方案的障碍，例如新的外墙组件。建筑师有可能不想使用这种方法，特别是在创新项目或建筑中。然而，对于那些在项目中使用标准构件的设计师来说，这是一个明智的方法，因为他们需要尽早确定材料，例如模块化、预制建筑或工业建筑。

众所周知，通过采用制造业的原则，工业化住宅的使用可以增加供应链的透明度。新的商业模式可以被开发出来，其中包括使用一套共同的对象进行设计得更为模块化的方式。这可能是一条共同发展环境友好型和数字化建筑的道路，但它需要对整个建筑行业和不同的利益相关者的组织进行大规模的改革。

4.2.2

调整体现影响的计算方法

典型的简化LCA方法不使用建筑元素的体积定义，而只使用三维模型中元素的面积信息。建筑构件和材料是由一个图书馆分配的，可以很容易地进行调整。这种方法类似于建筑性能模拟(BPS)，使用仅由二维表面组成的热力模型，有时称为"鞋盒"模型。例如，CAALA就采用了这种方法。由于不需要改变模型，只需要从目录中选择一个新的部件所以可以很容易评估材料的变体。通过这种方式，设计师的自由度可以在早期设计变更中得到保持。在BPS的背景下，从体积BIM模型中自动提取三维表面模型已经研究了很多年。Farzaneh Monfet and Forgues和Gao, Koch, and WugbXML是这些模型的通用格式，它可以被扩展到包括LCA所需的属性。

此外，使用IFC的BIM-BPS直接链接也得到了发展。然而，从BIM中正确提取热力模型在实践中仍有困难，在普通建筑中也没有建立。

二维模型的使用有一些固有的不准确之处，如高估了建筑物角落的材料或天花板和墙壁之间的接缝。在早期设计阶段，这些都是可以忽略的，但如果同样的工具要用于可持续发展认证，用户会希望他们的建筑模型尽可能的准确。此外，用户可能觉得BIM模型中已经提供的信息，例如材料属性，没有被LCA工具使用。尽管从组件目录中选择材料是很容易做到的，但这意味着一个小的额外费用。在早期设计阶段，这种方法只允许根据几何模型和材料的假设来评估环境影响。

LCA工具可以根据国家建筑市场的情况，用亚均值或典型的参考值来估计影响，而不是要求设计者为尚未确定的部件指定占位材料。这种方法也被Tecchio等人称为"结构化欠规格化"。LCA工具不是给出一个结果，而是根据设计阶段的不同，报告体现出来的影响的概率范围。Rezaei、Bulle和Lesage将这种方法与蒙特卡洛模拟相结合，为早期设计阶段的不确定结果提供一个分布。

4.2.3

在LCA工具中

使用机器学习和先进技术

文献回顾和本文的结果表明，理想的LCA工具还不存在，它在早期设计中易于使用，不需要额外的信息输入，计算速度快，允许在整个设计过程中进行优化，并允许自动进行可信赖性认证。然而，LCA工具有可能从以前的项目中学习并采取适当的假设来支持使用。例如，如果用户建立了一个40厘米的基本墙体模型，没有材料信息作为占位符，该工具可以根据建筑物的大小、当地气候、当地法规和用户或建筑公司在过去的项目中选择的材料，假设一个钢筋混凝土层和一个带有覆层和灰泥的绝缘层。这种方法也可以说是BIM模型的"语义丰富化"。与第二种方法类似，该工具可以使用结构化的欠规格化，并报告所体现的影响的概率范围。

机器学习已经成功地用于建筑层面和城市地区的建筑运行性能预测。此外，Frömelt已经表明，使用数据挖掘来评估家庭消费的环境影响。遗传算法已被用于寻找环境友好型材料组合的解决方案，但由于缺乏足够的数据库，机器学习还没有被应用于环境影响的体现。为了使算法能够学习，最好是建立一个包含LCA所需信息的"建成"建筑BIM模型的大型数据库。

Chen，Chang和Lin提供了一个存储BIM模型的框架，以便进行大数据分析。未来，这样的数据库可以与可持续性认证机构(如BRE、LEED或DGNB)以及提供认证的工具(如oneclickLCA、Tallv和CAALA)合作建立。目前，认证建筑的数据质量还不允许进行自动分析。因此，需要对数据进行结构化和调整，以便进行机器学习。

此外，由于大多数国家仍未强制要求对建筑物进行生命周期评估，而且与已建成的建筑物数量相比，获得认证的建筑物数量仍然很少，因此需要一段时间来收集足够的建筑物，为有意义的假设提供基础。因此，这种方法是有希望的，但只能在长期内实现。

5

总结

BIM可以减少计算建筑的环境影响的工作量，因此有可能在设计阶段改善建筑的环境性能。许多欧洲国家和北美地区都有建筑材料的LCA数据库。文献显示，有许多框架可以在每个设计阶段根据BIM软件的BoO自动计算出体现的影响。

如本文所示，必要的工具可以很容易开发。然而，这种方法在实际案例研究中的首次应用表明，自动计算在当前设计师的工作流程中导致了错误的结果。这清楚地表明了分析工具的重要性，这些工具与实践中的设计工作流程相匹配。

可以想象有三种方案来解决这一普遍问题。

01

设计工作流程被调整为只与预先设定的构件一起工作。虽然这对工业化的建筑项目来说可能是一种合适的方法，但对于创新项目或建筑竞赛来说，设计师可能会因为这种方法而感到局限。

02

体现的影响的计算被调整为使用基于表面积而不是体积模型的简化方法。这种方法在早期设计阶段被证明是有益的，但对于建成后的模型认证来说，准确性稍差。

03

LCA工具从以前的项目中学习(机器学习)，并自动使用典型假设作为早期设计阶段的占位材料。这种方法需要一个大型的BIM模型数据库，该数据库具有LCA所需的内部构成，但目前还不存在。通过与再搜索者、可持续发展认证机构和商业LCA工具的合作，可以建立这样一个数据库，并从长期角度使用。

鸣谢

我们要感谢Basler&Hofmann公司提供的案例研究并支持这项研究。这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定的资助。

下部终

关于本次研究的简介、方法，请移步《建筑设计中基于BIM的LCA结果评估 <上>》查看。

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