建筑设计中碳中和与 BIM 技术的协同实践研究

一、引言

在全球气候治理的大背景下，碳中和已成为各国可持续发展的核心目标。我国明确提出 “2030 年前碳达峰、2060 年前碳中和” 的战略部署，建筑行业作为能源消耗和碳排放的重点领域，其绿色转型迫在眉睫。据统计，建筑行业全生命周期碳排放占全国总碳排放的比重超过 40% ，其中建材生产、施工建造、运行维护和拆除处置四个阶段均产生大量碳排放。

建筑信息模型（BIM）技术作为建筑领域数字化转型的核心工具，凭借其数据集成、模拟分析和全流程协同能力，为建筑碳中和目标的实现提供了关键技术支撑。在建筑设计阶段，通过 BIM 技术对建筑全生命周期的碳排放进行精准核算与优化，能够从源头降低碳排放强度，为实现全周期碳中和奠定基础。本文聚焦建筑设计领域，深入探讨碳中和与 BIM 技术的协同实践路径，旨在为建筑行业碳中和目标的实现提供理论参考和实践指导。

二、建筑碳中和与 BIM 技术的理论关联

（一）建筑碳中和的核心逻辑

建筑碳中和是指在建筑全生命周期内，通过碳减排、碳增汇和碳抵消等手段，实现净碳排放量为零。碳减排是核心路径，主要通过降低能源消耗、减少化石燃料依赖等方式实现，如采用节能设备、优化建筑布局等；碳增汇是重要补充，包括建筑材料固碳、建筑周边植被碳汇等，如使用固碳混凝土、增加屋顶绿化等；碳抵消则是通过参与碳交易、投资碳汇项目等方式，平衡无法避免的碳排放。

（二）BIM 技术的碳管理能力维度

BIM 技术在建筑碳中和管理中具有独特优势，主要体现在三个维度。数据集成方面，BIM 模型可存储建筑全生命周期的碳排放因子，如建材生产阶段的碳排放参数、施工阶段的机械能耗数据等，为碳排放核算提供全面的数据支撑。模拟预测方面，借助 BIM 软件可对不同设计方案的碳足迹进行动态计算，预测建筑在各阶段的碳排放情况，为方案优化提供依据。协同优化方面，BIM 平台能够实现多专业协同工作，使建筑、结构、机电等专业的碳减排措施相互配合、协同落地，提升整体碳减排效果。

（三）设计阶段的碳管控特殊性

设计阶段对建筑全生命周期碳排放具有决定性影响。在建材生产阶段，设计方案决定了建材的种类、用量和规格，其碳排放占建筑全生命周期碳排放的 50% 以上；在运行阶段，设计方案直接影响建筑的能耗水平，而运行阶段的碳排放将持续 20-50 年。因此，在设计阶段引入 BIM 技术进行 “碳前置管控” 具有重要意义，能够通过精准的模拟分析和方案优化，从源头降低建筑全生命周期的碳排放。

三、基于 BIM 的建筑全周期碳核算体系

（一）BIM 模型的碳排放因子库构建

构建完善的碳排放因子库是实现基于 BIM 的建筑全周期碳核算的基础。在建材生产阶段，需将钢材、水泥、玻璃等主要建材的碳排放参数嵌入 BIM 模型，如每吨钢材的碳排放量、每立方米水泥的碳排放量等。在施工阶段，应建立机械能耗、运输碳排放的动态计算模块，根据施工机械的类型、功率和使用时间，以及建材运输的距离、方式等，实时计算施工过程中的碳排放量。在运行阶段，需将设备能耗、空调系统碳排放的模拟公式与 BIM 模型关联，根据设备的运行参数、使用频率等，预测运行阶段的碳排放情况。

（二）设计阶段碳核算的 BIM 实现路径

在方案设计阶段，可基于建筑的面积指标，利用 BIM 软件进行碳排放量快速估算，初步判断设计方案的碳排放水平。在初步设计阶段，结合建筑的材料用量，通过 BIM 模型进行碳足迹精细化计算，分析不同材料组合对碳排放的影响。在施工图设计阶段，关联施工工艺参数，如施工机械的选择、施工顺序等，对建筑的碳排放进行精确预测，为施工阶段的碳管控提供依据。

四、BIM 驱动的设计阶段碳减排策略

（一）建材选择优化

借助 BIM 技术辅助低碳材料选型，将再生材料、低碳水泥、固碳建材等的参数输入 BIM 模型，通过模拟分析比较不同材料的碳排放情况，选择碳排放低、性能优的材料。同时，利用 BIM 技术进行模块化设计，通过碰撞检测提前发现设计中的冲突和不合理之处，减少材料浪费，降低建材生产阶段的碳排放。例如，在某住宅项目中，通过 BIM 模块化设计，材料利用率提高了 10% ，减少碳排放约 500 吨。

（二）被动式设计强化

利用 BIM 日照模拟优化建筑朝向与窗墙比，根据建筑所在地的气候条件，模拟不同朝向和窗墙比对建筑采光和能耗的影响，确定最佳的建筑朝向和窗墙比，减少运行阶段的采暖制冷能耗。通过 BIM 自然通风仿真，分析建筑内部的气流组织，优化通风开口的位置和大小，提高自然通风效率，降低机械通风的碳足迹。

（三）可再生能源集成

在 BIM 模型中进行光伏组件布置与发电量模拟，根据建筑的屋顶面积、朝向等条件，优化光伏组件的布置方案，计算光伏发电量，分析其对建筑用电负荷的碳替代率。同时，利用 BIM 技术对地源热泵、空气源热泵系统进行能效分析，对比传统空调系统的碳减排量，选择适合的可再生能源系统。

五、BIM 技术在建筑碳中和中的全周期延伸应用

（一）施工阶段的碳管控

利用 BIM 施工模拟优化运输路径与机械调度，根据施工进度计划和建材需求，模拟不同的运输路线和机械使用方案，选择碳排放最低的方案。基于 BIM 的建材到场验收与损耗追踪，通过 BIM 模型记录建材的进场数量、使用情况和损耗量，及时发现和解决材料浪费问题，减少因浪费导致的隐性碳排放。某项目通过 BIM 技术进行施工阶段碳管控，施工碳排放减少约 12% 。

（二）运行阶段的碳管理

将 BIM 与物联网技术结合，实现建筑能耗的实时监测，通过 BIM 模型展示建筑各区域、各设备的能耗数据，动态调整运行策略，降低碳排放量。利用 BIM 技术的建筑设备维护提醒功能，根据设备的运行状态和维护周期，及时提醒进行设备维护，保障设备高效运行，减少额外能耗。某办公楼通过 BIM 与物联网结合的碳管理系统，年减少碳排放约 150 吨。

（三）拆除阶段的碳减排

在 BIM 模型中记录建筑材料的可回收信息，如材料的类型、数量、回收方式等，为拆除阶段的材料回收利用提供指导，提升材料再利用率，减少建筑垃圾的碳排放。基于 BIM 的拆除方案模拟，分析不同拆除顺序和方法对碳排放的影响，选择碳排放最低的拆除方案。某旧建筑拆除项目通过 BIM 技术优化拆除方案，材料再利用率提高 20% ，减少碳排放约 200吨。

结论与展望

BIM 技术通过对建筑全生命周期的碳核算与设计优化，能够有效降低建筑碳排放。在设计阶段引入 BIM 技术进行碳管控，能够从源头降低建筑全生命周期的碳排放，为实现建筑碳中和目标奠定坚实基础。未来，随着数字孪生、人工智能等技术与 BIM 的融合，建筑碳管理将向智能化方向发展。通过数字孪生技术构建建筑的虚拟镜像，结合人工智能算法对建筑的碳排放进行实时预测和优化，实现建筑碳智能管控。

参考文献：

[1]赵明哲,唐建.双碳背景下BIM技术在室内设计中的应用[J].低温建筑技术,2024,46(06):11-13+26.

[2]胡志勇,王新槐,龚伶妃,等.BIM技术加速建筑业数字化转型的思考与实践[J].建筑节能(中英文),2024,52(05):79-83.