基于6D BIM 技術的雙壁鋼圍堰碳足跡計算模型及應用研究

張紅衛

(中鐵二十二局集團第五工程有限公司,重慶 400711)

隨著交通強國、數字中國等重大戰略的提出,智慧建設的理念越來越多地體現在我國土木工程的建設中,各地的工程建設越來越重視創新、驅動的概念,朝著融合、發展的方向轉變[1]。目前,我國正處于大力開展基礎設施建設的階段,對基礎設施建設的速度、規模、質量與效益尤為重視。在信息時代,土木工程行業的高質量發展離不開數字信息技術,其中,BIM 作為當今智能建造的熱點技術被廣泛應用于工程施工領域。

橋梁工程作為交通運輸的咽喉,重要性不言而喻。已有專家學者對橋梁工程領域的智能建造進行了研究。文武松等[2]以BIM 技術為載體,完成了數據共享和業務集成,從而實現了橋梁施工過程中的數智化升級與數字孿生驅動的橋梁智能建造;搭建智慧工地以提升生產效率,實現了橋梁運營期智慧運維監測,最終形成了橋梁智能建造、智慧服務一體化綜合管理平臺。齊成龍等[3]以杭州灣跨海大橋為工程背景,圍繞方案比選、接口設計、信息化建設管理、鋼結構智能建造、智能梁場、裝配式構件智能建造等方面,構建復雜環境條件下的大跨度鐵路橋梁智能設計與智能建造體系。楊元元[4]基于BIM 技術,對大型預制梁場智慧建造模式進行研究,搭建了智慧梁場協同管理平臺,對我國的裝配式橋梁工程建造新模式的發展具有深遠意義。此外,楊云英等[5]基于5D BIM 技術對建筑施工階段的低碳信息集成管理技術進行探索,提出了6D BIM技術的概念,并詳細闡述了如何收集低碳信息、建立低碳管理模型,實現了BIM 技術與低碳建筑之間的聯動。姜彩琳[6]分析了建筑項目施工階段的成本與碳排放的計算,利用工程計量造價系統,構建了基于BIM 的施工成本和碳排放計算模型,進而構建出了低碳信息集成管理的6D BIM。潘升等[7]以某海外建筑鋼結構工程為例,詳細介紹了3D 模型、4D 進度、5D 成本、6D 構件狀態的應用過程,強調了6D BIM 技術的高效與可視化管理,突出了6D BIM技術在工程項目中的優勢。

近年來,5D BIM 技術以其明顯的優勢和廣闊的前景被廣泛應用于國內外建筑工程領域。隨著我國“雙碳”目標和綠色建筑領域發展要求的提出[8],融入低碳信息集成管理技術的6D BIM 技術也誕生了。然而,目前6D BIM 技術仍處于理論階段,關于其在工程實際中應用的文獻資料很少,且現有文獻大多偏向于對整個建筑工程的碳足跡計算與應用研究,基礎設施碳足跡則相對被忽略。因此,本文依托工程實例,建立雙壁鋼圍堰BIM,對圍堰施工進度與資源消耗進行關聯模擬,并確定碳排放測算方法,通過QT Creator 二次開發碳足跡計算系統,建立碳足跡因子數據庫,進而實現對雙壁鋼圍堰全生命周期碳排放的實時監測與計算。本文完整介紹了6D BIM 在工程各個階段的應用及其效果,體現了6D BIM 技術信息化、可視化、多維化、低碳化和可持續發展的優勢。

1 6D BIM 技術路線介紹

6D BIM 技術路線如圖1 所示。

圖1 6D BIM 技術路線

2 3D BIM 的建立與轉換

2.1 BIM 的建立

根據雙壁鋼圍堰的設計圖紙和參數,利用Revit軟件建立三維模型,精確反映鋼圍堰單元構件的定位及尺寸[9],通過可視化效果模擬其預拼裝過程。建立模型時,先建立各節段單元件的三維族庫,然后將單元件進行組拼,雙壁鋼圍堰及施工平臺模型如圖2 所示。

圖2 雙壁鋼圍堰及施工平臺模型

將Revit 3D 模型導入Navisworks 軟件進行碰撞檢測,快速查找出模型各單元件的碰撞點,并出具碰撞檢測報告[10]。根據報告結果,不斷對雙壁鋼圍堰的設計方案進行優化,解決了傳統的二維CAD(計算機輔助設計)圖紙無法避免錯、漏、碰這一問題[11]。

2.2 Revit-Midas Civil 模型轉換

Midas Civil 作為通用的空間有限元分析軟件,廣泛適用于橋梁、地下結構、工業建筑等土木工程領域[12],尤其針對橋梁結構,在建模、分析、后處理、設計等方面提供了很多便捷的功能[13]。然而,利用Revit 軟件建立的3D 模型無法直接轉換到Midas Civil 軟件中進行結構分析。針對這一問題,本文基于Revit 平臺的Revit API(應用程序接口)技術,借助Visual Studio 平臺上的C#語言,實現Revit 模型信息提取程序的二次開發,獲取Revit 雙壁鋼圍堰模型所含的幾何參數、彈性模量、泊松比等模型信息,利用C#語言編寫MCT 文件并生成接口程序。MCT 文件作為Midas Civil 的數據文件,包含建模時模型所需的所有信息;把該接口放置于Revit軟件中,在交互的GUI(graphical user interface,圖形用戶界面)上即可實現模型由Revit 到Midas Civil的直接轉換。

將生成的MCT 文件導入Midas Civil 中,能夠準確地將Revit 模型信息傳遞到有限元模型中,并對該模型進行相應的有限元計算。雙壁鋼圍堰模型轉換效果如圖3 所示。

圖3 雙壁鋼圍堰模型轉換效果

3 BIM 關聯模擬

3.1 BIM 施工模擬

運用Fuzor 軟件完成雙壁鋼圍堰建造過程的4D BIM 模擬,與項目時間表相關聯,按照工程施工進度計劃進行施工過程模擬。真實還原施工建造順序,實時監控模擬施工建造過程并制成動畫進行展示[14],讓相關人員更加直觀地查看建造進展;并根據施工過程模擬動畫,反復優化,最終確定雙壁鋼圍堰的現場施工步驟。圍堰施工模擬進度動畫效果如圖4 所示。

圖4 圍堰施工模擬進度動畫效果

3.2 泥漿可視化動態模擬

為詳細了解圍堰底部的情況,在圍堰吸泥下沉的過程中,安排專業人員利用測繩測量圍堰內的水深,并將每日的測量結果進行數據處理。圍堰每日吸泥量如表1 所示。

表1 圍堰每日吸泥量 (m3)

根據表1 的數據,利用BIM 軟件進行地形圖三維影像模擬成像,使圍堰內的泥土清理情況和剩余工程量情況一目了然[15]。BIM 地形三維影像如圖5 所示。

圖5 BIM 地形三維影像

4 5D 資源消耗模型

5D BIM 在4D BIM 的基礎上增加了資源消耗維度。根據雙壁鋼圍堰結構的特點,將其資源消耗劃分為建材制造、建材運輸和建設施工3 個階段。建立資源消耗計算模型。

4.1 建材制造階段的資源消耗模型

雙壁鋼圍堰采用分塊加工、現場拼裝的制造方式,包含外壁板、水平桿、豎肋、外環肋等Q235B 型鋼構件。建材制造階段的資源消耗模型為

式中,Z1為建材制造階段的資源消耗量,kg;n為材料總件數,件;Ci為第i種材料的質量,kg。

4.2 建材運輸階段的資源消耗模型

雙壁鋼圍堰在建材運輸階段產生的資源消耗主要來源于交通運輸工具的能源消耗。該階段的資源消耗模型為

式中,Z2為建材運輸階段資源消耗量,kg;Ki為第i種材料的運輸距離,km。

4.3 建設施工階段的資源消耗模型

雙壁鋼圍堰在建設施工階段涉及的模塊較多,但本文僅研究雙壁鋼圍堰本身,不將鋼護筒及鉆孔平臺等輔助設施的資源消耗計入其中。因此本階段的資源消耗主要來自各機械設備的使用過程。建設施工階段的資源消耗模型為

式中,Z3為建設施工階段資源消耗量,kg;Hi為第i種機械設備每小時消耗能源量;Ti為第i種機械設備使用的時間,h。

由此可以得出雙壁鋼圍堰各個階段的資源消耗量及消耗總量。

4.4 5D 資源消耗信息錄入

基于“BIM+項目管理”的智能建造管理與創新模式,以Navisworks 軟件為載體,導入數據信息,使資源消耗智能化、可視化;結合廣聯達BIM5D 平臺,關聯構件、物資等信息清單,實時錄入、更新每天的施工進度,工作人員可通過手機端App 等便捷方式隨時查看,快速了解現場施工信息。以上操作為雙壁鋼圍堰的6D BIM 技術奠定了基礎。

5 6D BIM——雙壁鋼圍堰碳足跡計算模型及應用

5.1 “雙碳”目標

雙壁鋼圍堰是我國深水基礎施工中的常用結構。在雙壁鋼圍堰的生產和施工中,不論是鋼材生產過程還是圍堰組裝焊接過程,都會排放大量的二氧化碳氣體,導致碳排放量增加。

基于6D BIM 技術,結合5D BIM 提供的各階段資源消耗信息,以建筑全生命周期視角綜合進行碳排放考量。雙壁鋼圍堰降碳路徑如圖6 所示。

圖6 雙壁鋼圍堰降碳路徑

5.2 基于BIM 的建筑工程量轉化與計算

通過Revit 軟件所計算出的工程量數據一般按照分部分項工程進行分類統計,這樣統計不僅會使各分項工程的工程量的定額單位不一致,且只能提供項目基礎工程量,不能提供材料、人工和機械臺班等的用量,導致碳足跡計算參數不完整。

依據中華人民共和國住房和城鄉建設部于2016 年印發的《裝配式建筑工程消耗量定額》(建標[2016]291 號),將各分項工程量轉換為各材料和機械臺班消耗量,以定額為中間轉換物,參與到工程消耗量統計中,以便快速統計工程消耗量。工程消耗量統計框架如圖7 所示。

圖7 工程消耗量統計框架

5.3 碳排放測算方法

目前,碳排放測算的方法主要是全生命周期評價。LCA 是一種對產品、工藝或者活動“從搖籃到墳墓”全過程中消耗的資源和潛在的環境影響進行評價的工具,包括原材料的開采與加工,產品制造、運輸、使用、維護直至廢棄處置的全過程[16]。

使用基于過程法的全生命周期評價法計算碳排放量,基本原理為碳排放量=各項碳排放指標×指標相應的碳排放因子。

由于雙壁鋼圍堰后期需拆除,為臨時性建筑,不考慮運營維護階段,因此只需界定其生產、運輸、施工3 個階段的典型活動碳排放構成和碳排放核算范圍,并建立材料、結構、設備、技術、工藝、施工組織管理與碳排放映射關聯方法[17]。通過BIM 計量軟件結合工程定額,得到各階段碳排放指標。

生產階段的計算模型為

式中,E1為材料生產階段產生的碳排放量,t;Qi為第i種材料的消耗量,kg;μi為第i種材料的生產折損率,%;Fi為第i種材料的碳足跡因子,kg CO2/單位。

運輸階段的計算模型為

式中,E2為材料運輸階段產生的碳排放量,t;Di為第i種材料的運距,km;Gi為第i種材料運輸車型每千米的碳足跡因子,kg CO2/km。

施工階段的計算模型為

式中,E3為材料施工階段產生的碳排放量,t;Mi為第i種機械臺班總量,臺班;Ki為第i種機械每臺班碳足跡因子,kg CO2/臺班;Pi為人工工日總數,工日;Li為每工日人工碳足跡因子,kg CO2/工日。

根據式(6)可計算得出雙壁鋼圍堰生產施工過程各個階段的碳排放量。求和后便可得到整體的碳排放,其計算模型為

5.4 QT Creator 碳足跡計算系統

基于C++語言,采用全生命周期測算法,對QT Creator 集成開發平臺進行二次開發,開發的碳足跡計算系統如圖8 所示。

圖8 碳足跡計算系統

通過分析建筑物化過程各階段碳足跡的來源,建立基于BIM 的建筑物化碳足跡計算模型,進行消耗量轉化計算。

對雙壁鋼圍堰碳排放進行計算,得出3 個階段的碳排放量分別為:203.342 t、4.256 t 和8.753 t。分析得出材料生產階段的碳排放量最大。

根據建立的碳排放數學計算模型,同步計算各階段的碳排放量。以此為依據驗證QT Creator 碳足跡計算系統的準確性,對比發現,QT Creator 碳足跡計算系統計算得出的碳排放量與通過數學計算模型直接計算結果一致,確認該系統精準高效。

6 結論

本文將6D BIM 技術融合應用于雙壁鋼圍堰的設計和施工中。建立3D BIM 模型,并通過C#語言將模型轉換到Midas Civil 中進行有限元分析,同時將有效數據存儲到數據庫中。此操作無須人工過度干預,簡單方便,打破了不同階段數據傳遞困難的壁壘,有效縮短了設計階段的工期。

(1) 基于“BIM+項目管理”的智能建管新模式,實現4D BIM 的施工進度可視化、施工動態模擬。在4D BIM 的基礎上,融入5D 資源消耗,建立資源消耗模型,實現各參建方在施工全過程中的協同管理。并通過計算得出結論:建材生產過程中所產生的資源消耗最多。為碳排量計算奠定基礎。

(2) 開發基于BIM 的碳足跡計算系統,建立碳足跡因子數據庫,對材料生產、運輸以及主體施工階段的碳足跡進行計算。結果表明:材料生產階段的碳排放量最大,可通過優化設計圖紙、利用BIM技術減少碰撞等降低返工率,減少用鋼量,或尋找新的綠色材料進行替代。