建筑生命周期環境管理與信息化解決方案
作者： 四川農業大學城鄉建設學院 申瓊,楊潔,侯萍隨著環保與低碳的理念越來越為公眾所關注，各行各業都在探索自身在環保方面發展的可能性。
建筑行業作為國民經濟中的支柱產業，其所造成的環境影響和面臨的環境負擔尤為嚴重。有研究表明，中國建筑物總能耗占全社會總能耗的25％～28％，ＣＯ2排放量占社會總排放量的40％左右［1］。建筑的高能耗和高碳排放使得它對節能減排工作造成巨大的壓力，因而近年來對綠色建筑及其評價的研究越來越受到政府及行業的關注。
建筑的能耗和碳排放不僅發生在建筑運行階段，還發生在建材生產、建筑建造等階段，因此需要采用生命周期的理念對建筑產品進行評價和管理。量化地分析評價建筑全生命周期環境影響是建筑行業改進的基礎，也是實現建筑行業節能減排的基礎。近年來，世界各國在綠色建筑評價方面做了許多工作，如建筑行業國際標準ＩＳＯ21930：續建筑認證體系ＤＧＮＢ［4］、日本的建筑物綜合環境性能評價系統ＣＡＳＢＥＥ［5］、韓國綠色環境評價標準ＧＢＣ［6］的評價指標體系中，也都包含著從建筑材料開始的生命周期評價結果。同時，各個國家研究機構也都開發了建筑全生命周期的評價工具，如加拿大的ＡＴＨＥＮＡ［7］，英國的ＥＮＶＥＳＴ2［8］，瑞典的ＥＣＯＥＦＦＥＣＴ［9］等，體現了國際社會對建筑行業全生命周期評價的重視程度。國內，技術方面，蔡筱霜［10］以辦公建筑為例，建立了建筑全生命周期碳排放計算方法及部分建筑環境影響清單數據庫；林波榮等［11］以典型住宅建筑和商業建筑為例，采用生命周期評價方法，對建筑全生命周期焓能及ＣＯ2排放進行了研究。標準方面，中國早在2006年發布的《綠色建筑評價標準》［12］就強調了建筑的全生命周期的概念，重慶市也在2009年發布了《重慶市綠色建筑評價標準》［13］，評價綠色建筑提供了各項詳細的標準支持；而2011年的ＪＧＪ／Ｔ222－2011《建筑工程可持續性評價標準》［14］則是基于生命周期方法的建筑可持續性評價標準。
在現有的對綠色建筑的研究中，大多數研究集中在如何建造綠色建筑，如選用新型綠色建材、研發節能技術等，而基于綠色建筑評價、利用評價結果支持和改進建筑管理，仍在探索當中。在現行的綠色建筑管理領域，盡管已經建立了多種評價標準，但多數標準主要依靠人工進行數據收集、評價和報告，增加了評價過程的主觀因素，降低了工作效率。尤其是對于建筑生命周期評價而言，涉及大量數據的收集、處理和分析，如果沒有信息化的軟件工具支持，整個評價過程將耗時耗力，且難以真正為建筑管理體系提供支持。
本研究基于建筑的生命周期思想，提出了建筑生命周期評價與管理的基本思路與方法，聯合開發了相應的數據庫與信息化解決方案，適用于建筑行業對建筑產品進行生命周期管理，實現綠色低碳建筑目標。
1 方案總體介紹
建筑的生命周期主要包括3個階段：建材生產階段，包括原材料的開采加工過程、建材生產過程以及建材的運輸過程；建筑建造階段，包括建筑的設計，實際的施工過程；建筑運行與維護階段，主要包括建筑運行過程中的采暖、制冷、機械通風及照明等以及建筑的維護更新過程中消耗的建材。此外，建筑的拆除處置階段，在本方案中尚未考慮。
針對以上建筑生命周期的3個階段，開發了相應的建材和建筑生命周期數據收集、計算、分析與報告功能，并開發了相應的數據庫系統。其工作原理是：不同階段的主體利用數據收集工具填報建材生產、建筑制造、建筑運行階段的各種生產及環境信息，信息將被存儲在數據庫中。然后結合國內外的生命周期基礎數據庫，建模、計算、分析產品的生命周期環境影響，并可以根據分析結果進行不同方案的選擇，為建材生產、建筑建造或建筑管理的改進提供支持。集成管理方案的體系框架如圖1所示。
圖1 集成方案總體框架
2 建材生產
在建材生產階段，方案可根據建材生產及運輸過程中的材料消耗、能源消耗、環境排放等數據，采用生命周期評價方法在eBalance［15］軟件中建立建材的LCA 模型，然后結合CLCD［16］等生命周期基礎數據庫進行建材生產全生命周期的碳足跡及相關節能減排指標計算，并根據生命周期評價結果為不同的建材產品出具LCA 報告，使建材生產商明確產品的環境影響，并對產品進行改進。
同時建材生產商可將建材的LCA報告提交給相關的認證或評估機構，由認證評估機構對結果進行認證和評估，并根據認證和評估結果為廠商出具相關標識聲明等。由此，建材廠商可為自己的產品進行宣傳，提高產品的市場競爭力，也為建筑建設單位的綠色選材提供參考。
此外，在對常用建材做LCA 報告的同時可以累積建材行業的數據，并逐步擴充建材行業的LCA本地數據庫。
3 建筑設計與建造
該解決方案在建筑設計階段，有助于進行設計方案與選材的優化。可以通過對比采用不同的設計方案，選擇更適合、環境性能更好的設計方案。也可以通過選擇環境影響較小的建材降低建筑生命周期的環境影響。
在設計階段按施工圖計算得到的只是按設計方案預計的環境影響。在沒有確定建材供應商之前，是采用數據庫的行業平均數據進行估算。建筑實際的環境影響需要在施工完成、項目決算后對模型按實際的數據進行更正，按建材實際的供應商的數據，并考慮施工過程的能源消耗等環境影響。在建造階段主要是對采購和施工過程的管理，選擇環境影響小的供應商。
建筑行業的建筑信息模型（Building INformation Modeling, BIM）系統是將建筑的設計數據、建造信息、維護信息等各種建筑信息保存在一起，為建筑生命周期中的所有決策提供可靠依據。通過與BIM 系統建立接口，就可以從BIM 中導出建筑設計方案的所有材料清單，然后導入到該系統中，結合CLCD基礎數據庫和建材數據庫提供的數據支持，就可計算該建筑的生命周期各種環境影響指標（包括碳足跡和各種節能減排指標），并輸出報告。
將建筑的LCA 報告提交給認證／評估機構，由認證／評估機構做出認定后頒予相應證明，可參與綠色建筑評選。同時也可以根據對最終方案的分析，發現可以改進的環節，在實際建造過程中進行改進，真正提高建筑的環境性能。
此方案的潛在用戶包括政府管理部門和建筑開發商兩類。對政府管理部門而言，通過方案的實施，可以了解現有建筑的生命周期各項環境影響指標，在對建筑行業現有環境影響在定量了解的基礎上，制定更為合理的政策目標，避免政策目標與實際情況的脫離。同時，通過實施該方案，政府可以規范開發商在建筑設計制造階段的開發行為，督促其采用更加環保的技術和材料，從而達到強化對建筑行業的節能與低碳管理的目的。此外，在當前各地將建筑行業作為節能減排重要領域的情況下，方案的實施能夠幫助政府推進節能減排目標的實現。而對開發商來說，一方面，依據方案計算得到的定量化的生命周期結果，可以發現建筑生命周期中環境影響大的環節和問題，從而不斷改進設計方案，開發出更加節能低碳的建筑設計方案；另一方面，通過該方案的實施，開發商可以優化對建筑開發全過程的管理，包括建筑材料的選擇、建筑技術的改進等。此外，通過實施該方案，開發商可參與綠色建筑評選及相關環保標識的申請，提高企業自身及其產品的市場競爭力和社會影響力。
目前，該方案已經在實際建筑項目中應用實施。具體的實施框架如圖2所示。
圖2 建筑設計與施工階段的管理方案框架
首先，開發商依據管理機構出臺的綠色建筑等級標準選擇合適的建筑等級目標，并根據選定的等級目標進行設計與施工方案的制定。然后根據設計與施工方案的各種數據，結合CLCD基礎數據庫進行設計方案的評估，根據評估結果可不斷修改方案，最終選定與等級目標相符合的設計與施工方案，并報管理機構核查頒發綠色建筑等級標識。
設計方案選定之后通過招標確定相關供應商，經過供應商調查得到供應商數據庫，結合施工數據對建造階段進行建模計算。根據計算結果不僅可以出具建筑碳足跡報告，還可以對整個供應鏈進行環境影響分析并通過進行綠色供應鏈管理進一步提高建筑的環境性能。
4 建筑運行／社區
針對建筑運行階段即社區層面上的碳排放問題，本研究同樣開發了相應的社區碳排放評測系統。該評測系統基于生命周期評價方法并結合CLCD基礎數據庫設計了數據統計模型，對社區層面上的碳排放進行統計計算。社區碳排放系統的總體研發框架如圖3所示。
圖3 社區碳排放評測系統研發框架
在該評測系統中，社區管理者和住戶分別填報各自的信息數據和活動數據，評測系統后臺配置了排放系數數據庫，可根據用戶填報的活動數據計算相應活動的碳排放結果，并根據計算結果統計形成建筑運行的碳排放結果數據庫，進而出具碳盤查報告。此外，還可根據用戶填報的信息數據、活動數據并結合碳排放結果數據庫，利用eBalance模型計算進行不同的方案與情景分析，為建筑與社區運行提供更合理的政策建議。
該評測系統是集社區信息和數據管理、信息和數據填寫、碳排放量計算、圖表結果分析以及統計報告為一體的解決方案。評測系統采用網站形式，可實現網上在線填報，操作性強，采集信息方便快捷；填報工作設計合理規范，極大地提高了用戶填報的數據質量，避免因數據質量太差導致可信度不高。此外，系統后臺配置的計算方法依據相關的國際標準ISO14064-1［17］設定，更加科學化，而計算結果不僅可以實現即時化，同時可以將定量結果以相應的圖表形式表現出來，量化和圖表化使相關方對建筑運行階段的碳排放情況有更加直觀的了解。
通過社區碳排放評測系統的運行，政府和社區管理部門可以定量掌握社區的能耗與碳排放情況，進而更有針對性地制定相關的政策目標，改進社區管理，促進低碳社區的建設。
5 CLCD數據庫
在整個系統的計算過程中都離不開數據庫的支持。數據庫的主要目的是提供各種原料的生命周期匯總數據（通常包含從資源開采到產品出廠的全過程），以簡化下游產品的生命周期建模、計算與分析。
本系統采用了中國生命周期核心數據庫（CLCD）作為基礎數據庫。CLCD數據庫是目前國內唯一可公開獲得的綜合性中國本地化LCA基礎數據庫。CLCD基礎數據庫擁有一個統一的核心模型，是由300多種交叉聯系在一起的大宗能源、原材料、運輸單元過程組成的，這些單元過程構成了一個網狀的核心模型，從而保證了CLCD所有產品生命周期模型的完整性和一致性。加上一些下游單元過程，CLCD 0．8總共有600多個單元過程和產品，并仍在不斷擴展中。主要的產品如表1所示，完整的產品列表見文獻［18］。
CLCD數據庫在開發過程中，遵循了數據庫收集指南中針對各工作步驟和文檔記錄提出的建議和要求，并開發了eBalance軟件的相應功能，確保了數據收集過程的流程化和一致性。
在CLCD數據庫中區分了國內生產與進口部分，進口原材料采用國外Ｅｃｏｉｎｖｅｎｔ數據庫［19］的數據，國內生產部分進一步按工藝技術和企業規模進行了細分，分別收集數據并建立模型，最后按中國的市場份額加權平均，得到的數據代表中國市場平均水平。在各個單元過程中，原料消耗數據主要來自行業統計資料或技術文獻，主要排放物來自于國家污染源普查統計，部分排放物來自于化學平衡計算。
表1 CLCD 0．8數據庫涵蓋的主要產品種類
在eBalance軟件中完整記錄了數據收集過程的原始數據和算法，使得數據收集過程隨時可重復、可追溯。
數據收集完成后，按數據庫指南要求，進行了完整性檢查、物料平衡檢查。并提出了基于原始數據不確定度的數據質量評估和基于敏感度分析的數據質量控制方法（稱為CLCD－Ｑ方法）［20］，用于數據質量評估與控制。CLCD數據庫涵蓋的清單物質可用于支持不可再生資源消耗、水資源消耗、全球暖化、酸化、富營養化、固體廢物、可吸入無機物、毒性等多種環境影響的分析。
CLCD的建材產品數據庫是基于CLCD的基礎產品數據庫得到的，從而保障了建材產品模型的完整性和數據的一致性。其中水泥、鋼鐵等大宗建材產品，也是CLCD核心模型的組成部分。目前涵蓋的建材產品種類包括無機非金屬、鋼材、有色、塑料、涂料等，見表2。
表2 CLCD數據庫中的建材產品種類
CLCD基礎數據庫中基礎能源、原材料的數據和CLCD建材數據庫中各種建材的數據可用于建材生產階段，建筑設計和建造階段以及建筑運行階段能耗和碳排放等環境影響生命周期計算，是解決方案的重要組成部分。
6 結 論
本研究開發了一套針對建筑行業特點的生命周期管理方案，涵蓋了建材生產、建筑設計及制造、建筑運行等建筑行業的全生命周期。該方案不僅可以實現不同方案或情景的對比分析，幫助選擇對環境更為友好的方案，還可實現對建筑行業的不同階段進行建模計算，分析不同階段的環境影響，為建筑產品的持續改進提供支持；同時還可以將建筑企業與認證評估機構和政府聯系起來，讓3者在系統的管理方案中發揮各自的最大優勢，實現建筑行業綠色低碳的目標。
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