基于BIM技术的既有住宅建筑项目减排思考

本文以吉林省长春市 XX 小区既有住宅建筑为例，通过 Revit 软件进行建筑模型建立，将建筑模型导入 Design Builder 软件进行全年能耗及碳排放模拟。对该既有住宅建筑进行外墙、外窗、屋面单因素改造方案模拟。在此基础上，通过正交试验法优化外墙、外窗、屋面的改造方案，通过直观分析法和方差分析法得出减排改造的最优方案，通过经济性分析得出经济性最优方案，最后得出基于经济性的既有住宅建筑减排改造方案。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景
根据 Global Carbon Project 的数据显示，中国 2018 年的二氧化碳排放达到了 101 亿吨，位列全球第一位，占全球二氧化碳排放量的 27.6％[1]；《巴黎协定》后，能源问题越来越成为世界关注的焦点。根据《中国建筑能耗研究报告（2018）》，2000-2016 年中国建筑碳排放由 2000 年的 6.68 亿吨增长至 2016 年的 19.61 亿吨，年均增长 6.9％[2]。如图 1-1 所示。根据《中国建筑能耗研究报告（2019）》的数据，在 2017 年，中国建筑碳排放总量为 20.44 亿吨 CO2，约占全国能源碳排放量的 19.5％。预测建筑碳排放达峰年份 2039 年，达峰峰值 24.11 亿吨 CO2[3]。可见，控制建筑碳排放增长，对于降低社会总体能源消耗，缓解能源和温室效应问题具有重要意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内既有建筑节能改造现状
中国早在 1980 年代末开始大力推广建筑节能，在 1986 年，提出北方居住建筑能耗应在 1980 年到 1981 年的建筑能耗基础上提高能源效率 30％；1993 年提出了进一步在原来的基础上提高能源效率 30%，也就是说，比刚提倡建筑节能时的建筑能耗基提高能源效率 50％；由于在 21 世纪之前建筑节能在我国还未普及所以我国的建筑基本都为非节能建筑，进入 21 世纪后，我国建筑节能才逐渐走上正轨，建筑业持续高能耗、高碳排的压力，使得我国政府也逐渐认识到既有建筑减排改造势在必行。“十五”规划中大力提倡太阳能等可再生资源的研发及在既有建筑的节能改造项目中的应用[7]。“十一五”规划期间明确加大围护结构改造力度，对既有建筑供热采用以热量计量收费[8]。
“十二五”规划期间提出：到 2015 年，累计完成北方采暖地区既有居住建筑供热采用以热量计量收费及节能改造超过 4 亿㎡的约束性目标[9]。由于“十二五”期间节能减排取得成效显著，所以在十二五政策及目标的基础上，“十三五”规划期间要加大力度推广既有居住建筑节能改造，达成节能改造面积超过 5 亿㎡的目标[10]。
近年来，诸多学者对既有建筑节能改造从不同方面展开探索。李锦堂[11]通过对洛阳市典型既有居住建筑、农房清洁取暖节能改造项目,分析建筑物耗热量构成,得到节能改造的重点为外墙、外门窗和屋顶;何章泽[12]通过对一湖北省既有建筑进行节能改造得出湖北地区建筑能耗的影响因素依次排序为外窗传热系数＞外墙传热系数＞屋顶传热系数＞楼板传热系数。王艺霖[13]以郑州地区某既有居住建筑为对象研究应用模塑聚苯板、挤塑聚苯板、聚氨酯泡沫板及石墨聚苯板 4种保温材料在不同厚度下节能改造方案对建筑能耗的影响，并得出外墙材料选择40 mm 的聚氨酯泡沫板为最优方案。任静薇[14]以寒冷地区大连市不同年代既有住宅为例，得出从耗热量角度来看，窗玻璃类型对能耗影响最大，其次是屋面，最后是南向开窗的面积。学者们通过不断试验探索，为我国既有建筑节能改造贡献重要的研究数据。
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第 2 章 BIM 应用及碳减排分析软件选取

2.1 BIM 理论及应用前景
BIM 技术可以说是建筑行业与数字信息化的一次结合，在 BIM 平台中传统的二维设计转化成三维设计，使得虚拟施工得以实现，这样减少了项目的不确定性和风险性。在 BIM 平台中多专业可以共同工作，而 BIM 又是对项目全生命周期从规划设计到运营维护全过程的信息集成整合所以为项目的优化改造提供了依据。BIM 全生命周期示意图如图 2-1 所示。 2.1.1 BIM 的概念
BIM 即 Building Information Modeling 是 Autodesk 公司在 2002 年提出[24]。美国对 BIM 的定义是 BIM 是一个存储了这个项目所有信息的数据库，是对项目的功能和信息的可视化表达，也为项目全生命周期内的各个阶段的优化改善提供依据。中国住建部也于 2016 年对 BIM 做出了解释：(1)BIM 是对建设工程与设施的全过程，采用数字化的表达方式对其物理功能特征进行表。(2)建筑信息子模型也可以单独承担信息。(3)BIM 是由各个独立的建筑信息元素组成。所以可以看出三维模型只是 BIM 的定义，BIM 应是对从项目的设计到拆除整个全寿命周期信息的整合，同时为第三方提供信息交换平台。
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2.2 BIM 在建筑碳排放方面的应用
建筑碳排放量贯穿建筑整个全生命周期，从原材料的生产阶段到建筑物拆除都产生碳排放，袁荣丽[26]、方俊[27]等均是通过 BIM 统计建材工程量，计算各阶段碳排放，得出建筑运营阶段排放量占比最大。所以如果想减少建筑碳排放最有效的途径就是从运营阶段入手。马彩云[28]、杨鹏[29]、李雪梅[30]、王金裕[31]等都用Revit 建造三维模型后导入 Green Building Studio 来计算建筑运营阶段碳排放量。王琳[32]、吴冬冬[33]、陈冲[34]等用 Revit 建造三维模型后导入 Ecotect 来计算建筑运营阶段碳排放量。高靖恺[35]、杨希宁[36]等用 Revit 建造三维模型后导入DesignBuilder 来计算建筑运营阶段碳排放量。赵秀秀[37]、陈启超[38]等用 Revit 建造三维模型后导入 eQuest 来计算建筑运营阶段碳排放量。陈晓欣[39]等用 Revit建造三维模型后导入 DeST 来计算建筑运营阶段碳排放量。随着 BIM 技术的不断发展和推广，BIM 的建模软件已逐步普并进行应用，基于 BIM 的相关软件也在被人们逐渐认知和广泛使用。
Revit 目前是使用率最高的 BIM 建模软件，是一款从概念设计到精细化设计的信息化软件。Revit 发展至今，满足了信息模型创建过程中对建模平台的本地化程度、功能性、稳定性与便捷性等方面要求的标准。
在概念设计阶段，Revit 可以做出建筑的大体形状对其进行充分分析后确定后续施工方案。在精细化设计阶段，通过使用 Revit“族”可以快速构建具体模型。Revit 软件具有独立的、完整的工作系统，各种各样的建筑信息将相互独立的集成在一个建筑信息模型中，无论是在 Revit 软件还是需要在其他软件中进行分析，都可以以 Revit 作为平台，然后进行数据交互。所以，总体来讲,Revit 软件满足本研究对 BIM 模型创建软件的选择要求，所以本文选取 Revit 进行既有住宅建筑 3D 模型的建立。
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第 3 章 既有住宅建筑减排改造技术及优选方法...............................12
3.1 既有住宅建筑外墙减排改造技术................................12
3.1.1 外墙改造技术..............................12
3.1.2 外墙保温材料分析..............................13
第 4 章 长春市既有住宅建筑模型构建及碳排放模拟...................18
4.1 项目概况................................18
4.2 参数设定..............................18
第 5 章 基于碳减排的长春市既有建筑改造方案优选..................22
5.1 既有住宅建筑单一因素改造策略.............................22
5.1.1 建筑外墙...........................22
5.1.2 建筑外窗...............................24

第 5 章 基于碳减排的长春市既有建筑改造方案优选

5.1 既有住宅建筑单一因素改造策略
5.1.1 建筑外墙
选取 EPS 板、XPS 板、岩棉板、聚氨酯泡沫板 4 种常用既有住宅建筑外墙改造材料，用于该既有住宅建筑外墙改造。根据《吉林省民用建筑节能设计标准（节能 65％）》[57]中规定：建筑外墙不得超过 490mm。所以 EPS 保温层厚度选取从 60-80mm，每隔 5mm 选取一个数据，共 5 个数据进行模拟试验。XPS 保温测层厚度选取从 55mm-80mm,每隔 5mm 选取一个数据，共 6 个数据进行模拟实验。岩棉板保温层厚度选取从 75mm-80mm，每隔 5mm 选取一个数据，共 2 个数据进行模拟实验。聚氨酯泡沫保温层选取 45mm-80mm,每隔 5mm 选取一个数据，共 8 个数据进行模拟实验。实验结果如表 5-1、表 5-2所示。 .........................

结论与展望

1 结论
本文以吉林省长春市 XX 小区既有住宅建筑为例，通过 Revit 软件进行建筑模型建立，将建筑模型导入 Design Builder 软件进行全年能耗及碳排放模拟。对该既有住宅建筑进行外墙、外窗、屋面单因素改造方案模拟。在此基础上，通过正交试验法优化外墙、外窗、屋面的改造方案，通过直观分析法和方差分析法得出减排改造的最优方案，通过经济性分析得出经济性最优方案，最后得出基于经济性的既有住宅建筑减排改造方案。得出主要结论如下：
（1）用现阶段吉林省外墙节能改造的方案，对该项目进行外墙节能改造后节能率在 15.9％-19.1％，减排率在 13.6％-16.1％。建筑全年产生的能耗与保温层厚度呈正相关。相同厚度的保温材料，减排能力为：聚氨酯泡沫保温板＞XPS保温板＞EPS 保温板＞岩棉板。所以长春市既有住宅建筑单一改造外墙时，可优先选用 80mm 厚聚氨酯泡沫保温板。
（2）通过对外窗更换为吉林省市面上常见的外窗进行减排改造，节能率在18.4％-22.8％，减排率在 15.4％-19.4％。所以长春市既有住宅建筑单一改造外窗时，可优先选择标准真空玻璃 PVC 塑料窗。
（3）对屋面进行倒置式屋面改造时，根据吉林省目前选择的保温层材料进行节能改造后节能率在 19.1％-22.1％，减排率在 17.1％-20.1％。建筑全年产生的碳排放与保温层厚度呈正相关。相同厚度的保温材料，减排能力为：聚氨酯泡沫保温板＞XPS 保温板＞EPS 保温板＞岩棉板。所以长春市既有住宅建筑单一改造屋面时，可采用倒置式屋面，保温层可优先选用 150mm 厚聚氨酯泡沫保温板。
（4）通过既有住宅建筑多因素改造正交试验，得出影响既有住宅建筑碳排放因素主次顺序依次为：外窗＞屋面＞外墙。
（5）本文通过正交试验运用直观分析法和方差分析法得出长春市既有住宅建筑减排改造的最佳方案为外墙保温层采用 80mm 聚氨酯泡沫板，将外窗更换为标准真空玻璃 PVC 塑料窗，屋面采用倒置式屋面，保温层采用 150mm 聚氨酯泡沫保温板。
参考文献（略）