基于BIM的某低碳办公楼全生命周期结构设计

引言

在全国总排放量里，建筑业碳排放量所占比例很高，其中办公楼由于楼层相对较高、功能较为复杂，在结构设计阶段时，材料的挑选、方案的布局在全生命周期碳排放中影响很大。传统设计主要依靠二维图纸，各个专业之间信息的传递滞后，时常会出现因结构与机电管线发生冲突而导致的返工现象，这不但会增多材料的损耗，还会在间接层面提升碳排放。BIM技术把三维模型作为核心，对建筑从设计直至拆除整个全生命周期的数据进行整合，能够达成设计方案的可视化校验、结构性能的参数化分析，以及碳排放的实时量化管控，对于推动建筑业朝着绿色方向转型具备重要意义。

1 BIM在低碳办公楼全生命周期结构设计要点

1.1 设计阶段：参数化建模与低碳方案优化

结构低碳化的关键窗口期处于设计阶段，BIM技术借助参数化建模和多目标模拟达成方案的最优状态，在某低碳办公楼项目中，运用Revit搭建三维结构模型，把柱网间距、梁截面高度、材料强度等设定成可编辑的参数，并且联动ETABS与碳排放分析软件开展耦合计算。于初始方案当中，混凝土框架结构每单位面积的碳排放量达到280kgCO₂ ₂e，经过BIM模拟进行优化之后，选择钢-混凝土组合结构，同时对梁柱节点的形式加以调整。

1.2 施工阶段：数字化施工与材料损耗控制

在施工阶段，凭借BIM模型所开展的可视化交底以及过程管控工作，能够最大程度上削减材料的浪费情况以及能耗方面的损失。就某项目而言，其借助Navisworks展开施工工序的模拟操作，提前察觉传统现浇楼板支模方案中存在的材料重复使用的问题。随后，将方案优化成预制叠合板分阶段吊装方案，让模板的损耗率从原本的 15% 降低到了3% ，成功节约了280 立方米的木材。

1.3 运维阶段：结构健康监测与低碳运维决策

在运维阶段，BIM模型与结构健康监测系统达成深度融合，达成了低碳化的精准维护目标。以某办公楼为例，于关键构件处设置了 120 个传感器，这些传感器能够实时收集应变、温度、振动等数据，之后通过API接口将收集到的数据接入BIM模型进而构建出“数字孪生体”，当该办公楼 3 层的某个框架柱的应变数值连续 3 天超出设计阈值的10% 时，模型会自动以高亮的形式显示该构件，并且推送相关维护建议。建议采用局部加固的方式，而非整体更换方案，这样的维护策略，能够节省大约5 吨的钢材。

2 基于BIM的低碳办公楼结构设计面临的挑战

2.1 技术标准与数据体系碎片化

各种不同的BIM软件，其核心的数据格式往往难以兼容。当结构模型进入设计、施工以及运维等阶段进行信息传递时，必须多次进行格式转换，导致低碳参数会出现丢失或者失真的现象。与此同时，整个行业目前缺少统一的低碳指标数据库，就再生骨料混凝土的碳排放因子计算范围而言，从“生产到工地”到“全生命周期”都有所涉及，因为这样的原因，不同的BIM模型所得到的核算结果存在明显差异，对方案优化的科学性造成了严重的不良影响。

2.2 跨阶段协同机制与专业人才短缺

在建筑项目中，设计单位、施工单位以及运维单位在BIM应用方面并未构建全生命周期的协同平台，使得在设计阶段所确定下来的低碳方案难以顺利落地实施。比如，某座办公楼在设计时借助BIM对轻量化钢结构节点进行了优化，然而由于施工单位未能获取到模型里的详细参数，在现场进行焊接作业时额外添加了支撑构件，结果导致该区域的碳排放量超出标准。此外，复合型人才的匮乏对技术应用的深度形成了进一步制约，极少数的结构设计师能够熟练地运用BIM模型开展碳排放模拟工作，基层技术人员对于“参数化建模-性能分析-低碳优化”的流程了解不深入，导致BIM技术在低碳方面所具备的潜力难以得到充分的挖掘与释放。

2.3 初期投入成本与效益平衡难题

对于中小型企业而言，BIM技术在初期阶段的投入形成了一定压力，专业软件单套的年费处于 5 至 10 万元的区间，配套的图形工作站每台的价格超过了 2 万元。在部分项目当中，为了把成本控制好，BIM的应用仅停留在设计阶段进行三维建模，施工模拟、运维监测等功能模块并没有被纳入其中。这种“半截子”应用难以发挥BIM整合数据的优势，导致低碳设计的全周期效益无法释放，也让企业对长期投入持观望态度，制约技术推广与低碳目标实现。

3 基于BIM的低碳办公楼结构设计的对策

3.1 构建统一的技术标准与数据平台

在相关工作中，行业主管部门发挥牵头作用，制订了以IFC4.3 标准为基础的低碳BIM数据交换规范。该规范清晰确定了结构模型中像材料碳足迹、施工能耗等参数的格式以及传递规则，同时，此规范还提出要求让Revit、ArchiCAD等居于主流地位的软件开放数据接口。此外，借助国家级建筑产业互联网平台这一有力依托，构建起动态数据库，数据库包含数量超过 3000 种的低碳建材，并且，统一了碳排放因子核算的边界范围，达成了BIM模型和数据库之间的实时连接。

3.2 建立跨主体协同机制与人才培养体系

构建云端的建筑信息模型协同平台，设计单位能够上传带有低碳参数的结构模型，施工单位可以及时反馈现场工艺的可行状况，运维单位能够提前录入后期监测的相关需求，进而形成一个“设计-施工-运维”的完整闭环。高校开设名为“BIM+低碳结构设计”的微型专业，企业与培训机构携手开展实际操作方面的培训，着重提升参数化建模、碳排放模拟等相关技能，计划在三年的时间内培养两万名具备多种能力的复合型人才，并且建立起一套技能认证体系，以此保证人员具备的能力与岗位所提出的需求相适配。

3.3 创新成本分摊与政策激励模式

政府针对运用全生命周期建筑信息模型技术的低碳项目，给予相当于设计费 3%的补贴，同时，把建筑信息模型的应用列入绿色建筑评价体系中，以此减轻企业在投入方面面临的压力。积极推广“软件租赁搭配按次付费”的模式，中小型企业能够依照项目的具体需求，租用具备高级功能的模块，使使用成本降低。设计企业构建了建筑信息模型模型的复用库，当某低碳办公楼的结构参数模板被应用到同类项目之后，建模的效率提高了 40% ，单个项目平均能够节省 120 人天的工时，依靠这种规模效应达成了成本与效益之间的动态均衡。

结论

BIM技术为低碳办公楼整个生命周期的结构设计供应了成体系的解决办法，凭借设计时期开展参数化的优化、施工时期进行数字化的管控、运维时期实施精准化的监测，能够明显削减建筑的碳足迹。现阶段所遭遇的技术标准呈现碎片化状况、协同机制存在缺失现象、面临成本压力等挑战，能够借助统一数据标准、搭建协同平台、创新激励政策等手段来实现突破。在未来，伴随数字孪生、人工智能算法和建筑信息模型达成深度的融合，针对低碳办公楼的结构设计能够达成“实时对碳排放量予以预警、自动优化设计方案、对全周期开展追溯”这样闭环式的管理模式，从而为建筑行业达成碳达峰目标提供关键的技术支撑。

参考文献：

[1] 郑 通 .BIM 技 术 在 低 碳 建 筑 中 的 节 能 应 用 探 讨 [J]. 中 国 建 筑 装 饰 装修,2024,(13):97-99.

[2] 刘 金 城 .BIM 技 术 在 新 型 装 配 式 结 构 设 计 中 的 应 用 [J]. 建 材 世界,2023,44(01):79-82.

[3] 廖玲. 低碳建筑材料在建筑工程专业群结构设计中的应用[J]. 材料保护,2021,54(04):199-200.

[4]申晓宝.建筑结构设计中 BIM 技术的应用[J].中国住宅设施,2020,(11):29-30.

[5]胡瑛,施继余.BIM 技术下的预制装配式混凝土结构设计方法讨论[J].建筑技术开发,2020,47(03):21-22.