基于BIM的建筑生命周期环境与经济评价及优化设计方法研究

Life cycle assessment(LCA) and life cycle costing (LCC) are important methods for building sustainability evaluation. Traditional building LCA needs to extract data from 2D CAD drawing, which is time-consuming and makes it difficult to support optimisation in the designing process. Building Information Model (BIM) integrates multiple properties with 3D model which enables it to support information sharing and feedback during the building life cycle stages. However, current studies didn't make full use of the parameter database and the computational functions of BIM. Most of the BIM-LCA studies didn't pay enough attention to the dynamic of the time-related parameters and different objectives of evaluation for each life cycle stage of building. This study aims to build an integrated model combining BIM, LCA and LCC mothods (BIM-LCA/LCC), in order to enable dynamic evaluation supported by unified information node. First, the family database of BIM is extended to include LCI, cost and time-related parameters. Then the energy simulation tool with interoperability with BIM is integrated with the LCA and LCC model built-in BIM through Application Programming Interface. The model is tested by analysing typical residential buildings in northeast China. Key parameters for life cycle impacts and costs are identified through sensitivity study to support optimisation process based on LCA and LCC results. The model takes the uncertainty of the time-related parameters in to account, and it can suppot the assessment and optimisation process of each life cycle stage of building.

生命周期评价(LCA)与生命周期成本(LCC)是支持可持续建筑评价的重要方法。传统的建筑LCA需要从二维CAD提取数据，过程繁琐，难以支持设计优化。BIM整合3D模型与各类属性信息，能够支持建筑生命周期各阶段的信息反馈和共享。但是目前的研究未能充分发挥BIM的数据库编辑、计算和参数优化功能；对与时间有关的动态参数考虑较少；对不同阶段的评价目标考虑不足。 本研究拟建立基于BIM的建筑生命周期环境与经济评价模型(BIM－LCA/LCC)，实现统一信息节点支持下的动态评价。扩展建筑信息模型的构件数据库，加入 LCI、成本和时间参数；整合与BIM兼容的能耗模拟工具，利用BIM用户编程界面（Revit API）建立LCA和LCC分析模型；通过敏感度分析确定关键参数，实现基于LCA/LCC分析结果的设计参数优化。模型考虑对时间敏感的参数的不确定性，支持建筑生命周期不同阶段的分析、评价和决策优化。

本研究整合建筑信息模型与建筑生命周期环境影响和生命周期成本计算方法，建立基于BIM 的建筑生命周期环境与经济评价模型（BIM－LCA/LCC），实现统一信息节点支持下的动态评价。首先，建立多层级的建筑构件、材料数据库，包含其生命周期环境影响、成本和时间参数，并通过编码体系与BIM模型链接，进而利用用户编程界面建立LCA 和LCC 分析模型，并结合与BIM具有兼容性的能耗模拟工具进行完整的LCA和LCC计算。其次，应用上述方法，研究绿色建筑设计过程的分析、评价和决策方法；第三，讨论对时间敏感的参数的不确定性及其对计算和评价结果的影响；第四，通过敏感度分析确定关键参数，并探索在参数化设计平台基础上实现基于LCA/LCC 分析结果的设计参数优化。上述研究所建立的方法和研究结论，能够使绿色建筑设计决策更为全面、科学；所开发的工具，能够作为设计决策的辅助工具。.本研究通过对国内外基于BIM的建筑LCA方法与工具进行分析，指出现有的工具在模型精度的适应性、数据结构的完整性及对我国建筑研究的适用性方面均存在不足。同时，建筑生命周期评价未能与建筑设计过程有效结合；对动态参数的讨论缺乏系统性；分析指标及其归一化方法不统一。针对上述问题，课题组从数据库建立、程序开发、动态参数模拟和讨论、与设计过程结合的流程和方法等方面，结合多项案例进行了研究。研究成果包括：（1）建立面向BIM的建筑构件和材料生命周期评价数据库管理系统；（２）结合绿色建筑设计过程，研究BIM-LCA/LCC方法在设计过程中与模型精度的适应性与匹配度，并据此提出能够适合不同设计阶段的BIM-LCA/LCC方法；（３）应用BIM-LCA/LCC方法，研究不同节能目标下的建筑环境与经济性能，并讨论动态参数对LCA和LCC评价结果的影响及其阐释方法；（4）应用该方法，对既有建筑存量中典型建筑的改造策略进行情景模拟分析，完善前期建立的城市建成环境分析工具FragSIM，并获得软件著作权。课题组目前已发表相关学术论文8篇，出版专著一部；国际会议特邀报告3次，国际会议发言4次。研究成果转化为教学成果，获国际或国家行业学会设计及教学奖励4项，培养研究生8名。