基于6D BIM技术的双壁钢围堰碳足迹计算模型及应用研究.pdf

第 4 期张红卫.基于 6D BIM 技术的双壁钢围堰碳足迹计算模型及应用研究基于 6D BIM 技术的双壁钢围堰碳足迹计算模型及应用研究张红卫(中铁二十二局集团第五工程有限公司,重庆 400711)采用日期:2023 03 02第一作者:张红卫(1981),男,本科,高级工程师,主要从事桥梁和隧道施工方面的工作。摘 要:在我国的“双碳”政策背景下,6D BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)作为近年来的热门技术正处于飞速发展阶段。以某工程采用的双壁钢围堰为例,阐述了 6D BIM 技术在工程实际中的应用。通过 Revit 软件建立 3D 模型,进行碰撞分析,并利用 C#语言实现了 Revit 模型向 Midas Civil 模型的转换。依托 Fuzor 软件和 Navis-works 软件,完成了 4D BIM 和 5D BIM 的建立,对各阶段资源消耗进行统计,使钢围堰施工进度与资源消耗智能化、可视化。采用全生命周期评价(life cycle assessment,LCA)对碳排放进行测算,建立碳足迹计算模型,并对 QT Creator 集成开发平台进行二次开发,开发碳足迹计算系统、建立碳足迹因子库,实现 6D BIM 技术,为绿色建筑、低碳建筑的探索和实现提供参考。关键词:6D BIM 技术;双壁钢围堰;模型建立与转换;资源消耗;碳足迹计算模型中图分类号:TU201 4 文献标识码:A 文章编号:1672 9889(2023)04 0027 05Research on Carbon Footprint Calculation Model and Application of Double-walledSteel Cofferdam Based on 6D BIM TechnologyZHANG Hongwei(China Railway 22th Bureau Group Fifth Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 400711,China)Abstract:Under the background of dual carbon in China,6D BIM as a hot technology in recent years,is in a stage of rap-id development.Take a double-walled steel cofferdam used in a certain project as an example to explain the application of 6DBIM technology in engineering practice.The 3D model was established through Revit,the collision analysis wasperformed,and the Revit model was converted to the Midas Civil model using the C#language.Relying on Fuzor and Navis-works software,the establishment of BIM 4D and 5D models was completed,and the resource consumption at each stagewas statistically counted,so that the construction progress and resource consumption of the steel cofferdam were intelligent andvisualized.The life cycle assessment(LCA)is used to measure carbon emissions,establish a carbon footprint calculation mod-el,and carry out secondary development of QT Creator integrated development platform,develop a carbon footprint calcula-tion system,and establish a carbon footprint factor library.Realize 6D BIM technology to provide reference for theexploration and implementation of green buildings and low-carbon buildings.Key words:6D BIM technology;double-wall steel cofferdam;model building and transformation;resource consumption;car-bon footprint calculation model 随着交通强国、数字中国等重大战略的提出,智慧建设的理念越来越多地体现在我国土木工程的建设中,各地的工程建设越来越重视创新、驱动的概念,朝着融合、发展的方向转变1。目前,我国正处于大力开展基础设施建设的阶段,对基础设施建设的速度、规模、质量与效益尤为重视。在信息时代,土木工程行业的高质量发展离不开数字信息技术,其中,BIM 作为当今智能建造的热点技术被广泛应用于工程施工领域。桥梁工程作为交通运输的咽喉,重要性不言而第 20 卷 第 4 期2023 年 8 月现 代 交 通 技 术Modern Transportation TechnologyVol 20 No 4Aug.2023现 代 交 通 技 术2023 年喻。已有专家学者对桥梁工程领域的智能建造进行了研究。文武松等2以 BIM 技术为载体,完成了数据共享和业务集成,从而实现了桥梁施工过程中的数智化升级与数字孪生驱动的桥梁智能建造;搭建智慧工地以提升生产效率,实现了桥梁运营期智慧运维监测,最终形成了桥梁智能建造、智慧服务一体化综合管理平台。齐成龙等3以杭州湾跨海大桥为工程背景,围绕方案比选、接口设计、信息化建设管理、钢结构智能建造、智能梁场、装配式构件智能建造等方面,构建复杂环境条件下的大跨度铁路桥梁智能设计与智能建造体系。杨元元4基于BIM 技术,对大型预制梁场智慧建造模式进行研究,搭建了智慧梁场协同管理平台,对我国的装配式桥梁工程建造新模式的发展具有深远意义。此外,杨云英等5基于 5D BIM 技术对建筑施工阶段的低碳信息集成管理技术进行探索,提出了 6D BIM技术的概念,并详细阐述了如何收集低碳信息、建立低碳管理模型,实现了 BIM 技术与低碳建筑之间的联动。姜彩琳6分析了建筑项目施工阶段的成本与碳排放的计算,利用工程计量造价系统,构建了基于 BIM 的施工成本和碳排放计算模型,进而构建出了低碳信息集成管理的 6D BIM。潘升等7以某海外建筑钢结构工程为例,详细介绍了 3D 模型、4D 进度、5D 成本、6D 构件状态的应用过程,强调了6D BIM 技术的高效与可视化管理,突出了 6D BIM技术在工程项目中的优势。近年来,5D BIM 技术以其明显的优势和广阔的前景被广泛应用于国内外建筑工程领域。随着我国“双碳”目标和绿色建筑领域发展要求的提出8,融入低碳信息集成管理技术的 6D BIM 技术也诞生了。然而,目前 6D BIM 技术仍处于理论阶段,关于其在工程实际中应用的文献资料很少,且现有文献大多偏向于对整个建筑工程的碳足迹计算与应用研究,基础设施碳足迹则相对被忽略。因此,本文依托工程实例,建立双壁钢围堰 BIM,对围堰施工进度与资源消耗进行关联模拟,并确定碳排放测算方法,通过 QT Creator 二次开发碳足迹计算系统,建立碳足迹因子数据库,进而实现对双壁钢围堰全生命周期碳排放的实时监测与计算。本文完整介绍了6D BIM 在工程各个阶段的应用及其效果,体现了6D BIM 技术信息化、可视化、多维化、低碳化和可持续发展的优势。1 6D BIM 技术路线介绍6D BIM 技术路线如图 1 所示。图 1 6D BIM 技术路线2 3D BIM 的建立与转换2 1 BIM 的建立根据双壁钢围堰的设计图纸和参数,利用 Revit软件建立三维模型,精确反映钢围堰单元构件的定位及尺寸9,通过可视化效果模拟其预拼装过程。建立模型时,先建立各节段单元件的三维族库,然后将单元件进行组拼,双壁钢围堰及施工平台模型如图 2 所示。图 2 双壁钢围堰及施工平台模型将 Revit 3D 模型导入 Navisworks 软件进行碰撞检测,快速查找出模型各单元件的碰撞点,并出具碰撞检测报告10。根据报告结果,不断对双壁钢围堰的设计方案进行优化,解决了传统的二维 CAD(计算机辅助设计)图纸无法避免错、漏、碰这一问题11。2 2 Revit-Midas Civil 模型转换Midas Civil 作为通用的空间有限元分析软件,广泛适用于桥梁、地下结构、工业建筑等土木工程领域12,尤其针对桥梁结构,在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多便捷的功能13。然而,利用Revit 软件建立的 3D 模型无法直接转换到 MidasCivil 软件中进行结构分析。针对这一问题,本文基于 Revit 平台的 Revit API(应用程序接口)技术,借助 Visual Studio 平台上的 C#语言,实现 Revit 模型信息提取程序的二次开发,获取 Revit 双壁钢围堰82第 4 期张红卫.基于 6D BIM 技术的双壁钢围堰碳足迹计算模型及应用研究模型所含的几何参数、弹性模量、泊松比等模型信息,利用 C#语言编写 MCT 文件并生成接口程序。MCT 文件作为 Midas Civil 的数据文件,包含建模时模型所需的所有信息;把该接口放置于 Revit软件中,在交互的 GUI(graphical user interface,图形用户界面)上即可实现模型由 Revit 到 Midas Civil的直接转换。将生成的 MCT 文件导入 Midas Civil 中,能够准确地将 Revit 模型信息传递到有限元模型中,并对该模型进行相应的有限元计算。双壁钢围堰模型转换效果如图 3 所示。图 3 双壁钢围堰模型转换效果3 BIM 关联模拟3 1 BIM 施工模拟运用 Fuzor 软件完成双壁钢围堰建造过程的4D BIM 模拟,与项目时间表相关联,按照工程施工进度计划进行施工过程模拟。真实还原施工建造顺序,实时监控模拟施工建造过程并制成动画进行展示14,让相关人员更加直观地查看建造进展;并根据施工过程模拟动画,反复优化,最终确定双壁钢围堰的现场施工步骤。围堰施工模拟进度动画效果如图 4 所示。图 4 围堰施工模拟进度动画效果3 2 泥浆可视化动态模拟为详细了解围堰底部的情况,在围堰吸泥下沉的过程中,安排专业人员利用测绳测量围堰内的水深,并将每日的测量结果进行数据处理。围堰每日吸泥量如表 1 所示。根据表 1 的数据,利用 BIM 软件进行地形图三维影像模拟成像,使围堰内的泥土清理情况和剩余工程量情况一目了然15。BIM 地形三维影像如图 5 所示。表 1 围堰每日吸泥量(m3)序号吸收方量设计方量剩余方量第 1 次吸泥2 517 31211 600 3299 083 017第 2 次吸泥2 415 56211 600 3296 667 455第 3 次吸泥2 631 23111 600 3294 054 224第 4 次吸泥2 215 24511 600 3291 838 979第 5 次吸泥1 820 97911 600 3290图 5 BIM 地形三维影像4 5D 资源消耗模型5D BIM 在 4D BIM 的基础上增加了资源消耗维度。根据双壁钢围堰结构的特点,将其资源消耗划分为建材制造、建材运输和建设施工 3 个阶段。建立资源消耗计算模型。4 1 建材制造阶段的资源消耗模型双壁钢围堰采用分块加工、现场拼装的制造方式,包含外壁板、水平杆、竖肋、外环肋等 Q235B 型钢构件。建材制造阶段的资源消耗模型为Z1=ni=1Ci(1)式中,Z1为建材制造阶段的资源消耗量,kg;n 为材料总件数,件;Ci为第 i 种材料的质量,kg。4 2 建材运输阶段的资源消耗模型双壁钢围堰在建材运输阶段产生的资源消耗主要来源于交通运输工具的能源消耗。该阶段的资源消耗模型为Z2=ni=1CiKi(2)式中,Z2为建材运输阶段资源消耗量,kg;Ki为第 i种材料的运输距离,km。4 3 建设施工阶段的资源消耗模型双壁钢围堰在建设施工阶段涉及的模块较多,但本文仅研究双壁钢围堰本身,不将钢护筒及钻孔平台等辅助设施的资源消耗计入其中。因此本阶段的资源消耗主要来自各机械设备的使用过程。92现 代 交 通 技 术2023 年建设施工阶段的资源消耗模型为Z3=ni=1HiTi(3)式中,Z3为建设施工阶段资源消耗量,kg;Hi为第 i种机械设备每小时消耗能源量;Ti为第 i 种机械设备使用的时间,h。由此可以得出双壁钢围堰各个阶段的资源消耗量及消耗总量。4 4 5D 资源消耗信息录入基于“BIM+项目管理”的智能建造管理与创新模式,以 Navisworks 软件为载体,导入数据信息,使资源消耗智能化、可视化;结合广联达 BIM5D 平台,关联构件、物资等信息清单,实时录入、更新每天的施工进度,工作人员可通过手机端 App 等便捷方式随时查看,快速了解现场施工信息。以上操作为双壁钢围堰的 6D BIM 技术奠定了基础。5 6D BIM 双壁钢围堰碳足迹计算模型及应用5 1“双碳”目标双壁钢围堰是我国深水基础施工中的常用结构。在双壁钢围堰的生产和施工中,不论是钢材生产过程还是围堰组装焊接过程,都会排放大量的二氧化碳气体,导致碳排放量增加。基于 6D BIM 技术,结合 5D BIM 提供的各阶段资源消耗信息,以建筑全生命周期视角综合进行碳排放考量。双壁钢围堰降碳路径如图 6 所示。图 6 双壁钢围堰降碳路径5 2 基于 BIM 的建筑工程量转化与计算通过 Revit 软件所计算出的工程量数据一般按照分部分项工程进行分类统计,这样统计不仅会使各分项工程的工程量的定额单位不一致,且只能提供项目基础工程量,不能提供材料、人工和机械台班等的用量,导致碳足迹计算参数不完整。依据中华人民共和国住房和城乡建设部于2016 年印发的装配式建筑工程消耗量定额(建标2016291 号),将各分项工程量转换为各材料和机械台班消耗量,以定额为中间转换物,参与到工程消耗量统计中,以便快速统计工程消耗量。工程消耗量统计框架如图 7 所示。图 7 工程消耗量统计框架5 3 碳排放测算方法目前,碳排放测算的方法主要是全生命周期评价。LCA 是一种对产品、工艺或者活动“从摇篮到坟墓”全过程中消耗的资源和潜在的环境影响进行评价的工具,包括原材料的开采与加工,产品制造、运输、使用、维护直至废弃处置的全过程16。使用基于过程法的全生命周期评价法计算碳排放量,基本原理为碳排放量=各项碳排放指标指标相应的碳排放因子。由于双壁钢围堰后期需拆除,为临时性建筑,不考虑运营维护阶段,因此只需界定其生产、运输、施工 3 个阶段的典型活动碳排放构成和碳排放核算范围,并建立材料、结构、设备、技术、工艺、施工组织管理与碳排放映射关联方法17。通过 BIM 计量软件结合工程定额,得到各阶段碳排放指标。生产阶段的计算模型为E1=ni=0Qi(1+i)Fi(4)式中,E1为材料生产阶段产生的碳排放量,t;Qi为第 i 种材料的消耗量,kg;i为第 i 种材料的生产折损率,%;Fi为第 i 种材料的碳足迹因子,kg CO2/单位。运输阶段的计算模型为E2=ni=0QiGiDi(5)式中,E2为材料运输阶段产生的碳排放量,t;Di为第 i 种材料的运距,km;Gi为第 i 种材料运输车型每千米的碳足迹因子,kg CO2/km。施工阶段的计算模型为E3=ni=0QiGiDi+ni=0MiKi+ni=0PiLi(6)式中,E3为材料施工阶段产生的碳排放量,t;Mi为第 i 种机械台班总量,台班;Ki为第 i 种机械每台班碳足迹因子,kg CO2/台班;Pi为人工工日总数,工日;Li为每工日人工碳足迹因子,kg CO2/工日。根据式(6)可计算得出双壁钢围堰生产施工过程各个阶段的碳排放量。求和后便可得到整体的碳排放,其计算模型为03第 4 期张红卫.基于 6D BIM 技术的双壁钢围堰碳足迹计算模型及应用研究E=E1+E2+E3(7)5 4 QT Creator 碳足迹计算系统基于 C+语言,采用全生命周期测算法,对 QTCreator 集成开发平台进行二次开发,开发的碳足迹计算系统如图 8 所示。图 8 碳足迹计算系统通过分析建筑物化过程各阶段碳足迹的来源,建立基于 BIM 的建筑物化碳足迹计算模型,进行消耗量转化计算。对双壁钢围堰碳排放进行计算,得出 3 个阶段的碳排放量分别为:203 342 t、4 256 t 和 8 753 t。分析得出材料生产阶段的碳排放量最大。根据建立的碳排放数学计算模型,同步计算各阶段的碳排放量。以此为依据验证 QT Creator 碳足迹计算系统的准确性,对比发现,QT Creator 碳足迹计算系统计算得出的碳排放量与通过数学计算模型直接计算结果一致,确认该系统精准高效。6 结论本文将 6D BIM 技术融合应用于双壁钢围堰的设计和施工中。建立 3D BIM 模型,并通过 C#语言将模型转换到 Midas Civil 中进行有限元分析,同时将有效数据存储到数据库中。此操作无须人工过度干预,简单方便,打破了不同阶段数据传递困难的壁垒,有效缩短了设计阶段的工期。(1)基于“BIM+项目管理”的智能建管新模式,实现 4D BIM 的施工进度可视化、施工动态模拟。在 4D BIM 的基础上,融入 5D 资源消耗,建立资源消耗模型,实现各参建方在施工全过程中的协同管理。并通过计算得出结论:建材生产过程中所产生的资源消耗最多。为碳排量计算奠定基础。(2)开发基于 BIM 的碳足迹计算系统,建立碳足迹因子数据库,对材料生产、运输以及主体施工阶段的碳足迹进行计算。结果表明:材料生产阶段的碳排放量最大,可通过优化设计图纸、利用 BIM技术减少碰撞等降低返工率,减少用钢量,或寻找新的绿色材料进行替代。参考文献 1 李文龙,张国青.交通强国背景下智慧交通发展趋势展望C中国智慧工程研究会智能学习与创新研究工作委员会 2020 万知科学发展论坛论文集(智慧工程三).出版地不详:出版者不详,2020.2 文武松,毛伟琦,陶世峰.新时代桥梁智能建造及智慧服务体系研究J.世界桥梁,2022,50(6):122 127.3 齐成龙,康银庚,王永,等.杭州湾跨海大桥智能设计与建造体系方案J.铁路技术创新,2022(3):30 35.4 杨元元.基于 BIM 的大型预制梁场智慧建造过程研究D.兰州:兰州交通大学,2022.5 杨云英,权长青,金仁和,等.建筑施工过程低碳信息集成管理技术J.土木工程与管理学报,2018,35(3):139 144.6 姜彩琳.基于 BIM 的施工成本与低碳信息集成管理J.内蒙古科技与经济,2021(1):74 76.7 潘升,吴洪明,唐楚发,等.一种 6D-BIM 技术在建筑工程施工管理中的应用 以某海外建筑钢结构工程为例J.建筑结构,2022,52(S1):1942 1944.8 姚军,裘黎红.姚军&裘黎红:建筑行业的数字化、低碳化发展新趋势J.建筑设计管理,2021,38(11):8 17.9 陈龙.基于 BIM 技术的双壁钢围堰设计制造方法研究J.铁道建筑技术,2018(6):30 32,105.10 朱世彬,李峁清,陈靖,等.上海世茂深坑酒店总承包管理过程中的 BIM 技术应用J.施工技术,2016,45(23):164 166.11 靳明波,张德峰,南文治,等.BIM 技术在轨道交通枢纽车站施工中的应用J.现代交通技术,2019,16(6):88 92.12 董卯,郭乃胜,王楠,等.基于 Revit 与 MIDAS/CIVIL 的桥梁结构模型转换方法J.大连海事大学学报,2020,46(3):101 108.13 赵有红,高玉清,张荣.Midas Civil 在悬索桥结构验算中的应用J.公路,2022,67(3):187 192.14 王璠,黄清泉,许敦悦,等.BIM 技术在建筑施工全过程中的应用与分析J.工程技术研究,2019,4(22):32 33.15 魏加志.老黏土地质条件下双壁钢围堰快速吸泥下沉技术研究J.铁道建筑技术,2018(8):53 55,96.16 吴嘉莘,杨红娟.农业净碳汇测算方法研究综述J.农业经济,2020(10):29 31.17 刘圆圆.基于 ALCA 的公路生命周期二氧化碳计量理论与方法研究D.西安:长安大学,2019.(责任编辑 林景怡)13