CN116244972A - 一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，包括：通过配置基准流量参数模块，设定建筑生命周期系统边界，运用BIM‑LCA技术路径计算建筑存量更新情景模拟的基准流量参数集；通过创建更新情景模块，评估建筑的物理状态和预期寿命；通过输入动态过程模块，模拟并可视化建筑存量更新的动态过程；通过输入材料组成模块，设定更新情景中投入过程涉及的材料类型；通过输出模拟结果模块，计算更新情景模拟的资源环境流量和材料组成流量；通过输出最优解模块，计算不同权重下建筑资源环境性能的综合效益，评估建筑存量更新的最优策略。本发明开发了资源环境性能导向的建筑更新策略评估工具，能够提高双碳目标下城市更新决策的科学性。
Description
技术领域
本发明涉及建筑存量动态评估领域，公开了一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统。
背景技术
从资源环境视角评估城市建筑的存量更新、开发辅助制定建筑存量更新策略的决策支持工具具有重要意义。当前国内外建筑存量的动态评估广泛应用于建筑能耗、资源使用、环境影响、需求预测、运行成本与管理等方面，其关键性技术主要体现在指标、方法和工具三个方面。从指标上看，建筑存量动态评估主要涉及建筑在不同程度的拆除、新建或更新改造过程中产生的能源消耗、材料消耗、环境影响和经济效益等指标。从方法上看，由于建筑存量的规模、组成和状态等属性存在随时间变化的特性，建筑存量动态评估常用的方法框架涉及生命周期评价方法、系统分析与建模、情景模拟等。从工具上看，可用于辅助的资源环境性能表现，比如用于建筑尺度的代表性工具有EPIQR、BR-DSS和NSGA-Ⅱ；用于城市和街区尺度的有EnergyProforma、DeST和Urbio。
现有国内外评估工具能够支持从建筑、街区或城市尺度评估建筑存量的资源环境性能和经济效益，但尚缺乏对建筑全生命周期过程的考量，不足以对“双碳”目标和城市更新背景下建筑更新改造的动态过程进行细致、全面、多样化的评估，同时在辅助制定中观层面城市规划设计方案上的应用有限。这体现了现有技术主要存在以下3个问题：
1.对城市更新过程中建筑存量在中观层面资源环境潜能和生命周期规律的认识仍存在不足。一方面，当前城市更新策略的制定主要以经济发展、民生改善和环境提升为导向，存量更新改造方案通常采取一个片区“一刀切”的方式，很少从建筑本身的生命周期进程出发，造成建筑短寿、存量资源利用不合理、过度产生建筑垃圾和人为碳排放等问题。另一方面，真实的城市更新场景不仅包含建筑的拆除过程，还包含建筑的新建过程，但现有评估技术中既有建筑和新增建筑的生命周期过程通常被分开计量，未从城市运行的角度界定评估的系统边界，不足以模拟城市更新场景中新旧建筑更替的动态过程。
2.已有辅助决策支持工具在情景设定和指标选取方面还不够完善。情景模拟多局限于单一生命周期阶段，侧重评估某个特定生命周期阶段的部分建筑性能，缺乏涵盖存量更新全生命周期阶段的动态过程设定，以及缺乏兼具能耗、材耗、经济效益和环境影响指标的资源环境性能综合效益的评价。比如，EPIQR、BR-DSS和NSGA-Ⅱ能够评估建筑使用阶段的维修改造策略，实现多目标、多方案的情景模拟并给出最优解，但仅涉及建筑运行和维修改造阶段，未考虑拆除和新建阶段，且未将建材消耗及拆除材料的回收利用纳入指标体系；EnergyProforma、DeST和Urbio能够评估单一情景的建筑及以上空间尺度的能源利用策略，但仅涉及运行阶段，未考虑建筑的维修改造、拆除和新建阶段，且对节能改造措施的设定较为单一，不支持对建筑更新改造的动态过程进行全生命周期的评价；同时仅以能耗为核心指标，缺乏从多个角度综合评估建筑的资源环境性能，不足以对资源消耗和环境影响双重约束下的更新策略进行比选和择优。
3.现有技术尚缺乏从资源环境视角对城市设计尺度的更新策略进行评估的方法和工具，不能直接支持城市规划设计方案在建筑存量资源环境性能方面的评估和优化。建筑设计和城市规划领域的从业人员难以从资源环境性能的角度对更新设计方案进行较为直观地模拟和比选，这限制了评估工具在城市规划设计实践中的应用。
发明内容
本发明旨在提供一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，以建筑可持续评价框架(ISO TS 21929-1)下生命周期评价和生命周期成本原理为理论基础，以中观层面城市设计尺度的建筑存量为评估对象，以资源环境性能为核心评价指标，耦合能耗模拟、生命周期评价、情景分析和物质流分析的技术路线，通过设定建筑存量的更新情景，模拟建筑各生命周期阶段的动态过程，计算建筑在运行过程和投入过程产生的能源消耗、材料消耗、环境影响、成本等资源环境流量，量化评估多种未来情景下建筑更新改造的资源环境性能，并通过指标归一化和指标赋权方法对模拟结果进行加权求和及比选，得出不同权重下综合效益最优的建筑存量更新策略。本发明能够突破现有技术在中观层面评估建筑存量生命周期资源环境性能方面的局限，解决现有技术在系统边界、情景设定、指标选取和实践应用上存在的问题，支持以资源环境性能表现为导向的建筑更新策略的模拟和优化，辅助中远期城市更新设计方案的制定，促进“双碳”目标和城市更新双重背景下城市建筑节能减排和建筑材料循环利用的可持续发展。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，包括以下步骤：
步骤S1：通过配置基准流量参数模块，设定建筑生命周期系统边界及投入过程涉及的干预措施，运用BIM-LCA技术路径计算建筑各生命周期阶段资源环境性能和材料组成的单位面积指标，输入建筑存量更新情景模拟的基准流量参数集；
步骤S2：通过创建更新情景模块，评估建筑的物理状态和预期寿命，确定建筑存量更新情景模拟的建筑类型参数、面积参数、预期寿命参数和状态参数；
步骤S3：通过输入动态过程模块，在情景分类的基础上，设定建筑存量更新情景中运行过程和投入过程的时序安排，模拟并可视化建筑存量更新全部生命周期阶段的动态过程；
步骤S4：通过输入材料组成模块，设定建筑存量更新情景中投入过程涉及的建筑材料类型；
步骤S5：通过输出模拟结果模块，计算建筑存量更新情景模拟的资源环境流量和材料组成流量，输出单个情景的流量计算结果，并在单个情景流量计算的基础上输出多个建筑或多个情景的流量汇总和流量统计结果；
步骤S6：通过输出最优解模块，使用指标归一化和指标赋权方法处理建筑存量更新情景模拟的输出结果，通过加权求和方法计算不同权重下建筑各项资源环境性能的综合效益，比较并选择动态评估的最优解，得出建筑存量更新的最优策略。
进一步地，上述步骤S1的通过配置基准流量参数模块，设定建筑生命周期系统边界及投入过程涉及的干预措施，运用BIM-LCA技术路径计算建筑各生命周期阶段资源环境性能和材料组成的单位面积指标，输入建筑存量更新情景模拟的基准流量参数集，具体包括：
所述建筑生命周期系统边界及投入过程涉及的干预措施，其特征在于：
建筑存量生命周期系统边界包括5个建筑生命周期阶段，即运行阶段、维修阶段、节能改造阶段、拆除阶段和新建阶段，生命周期各阶段不涉及建材的开采、生产和运输过程；
建筑存量更新的运行过程包括既有建筑的运行和新建后建筑的运行两部分，与拆除阶段和新建阶段构成了存量更新动态过程的闭环；
建筑存量更新的投入过程包括维修阶段、节能改造阶段、拆除阶段和新建阶段；
维修阶段根据不同节能标准下建筑的运行状态和干预措施设定维修路径；
维修阶段具有周期性，依据材料使用寿命定义干预措施的更新频率；
拆除阶段根据不同节能标准下建筑的运行状态设定拆除路径；
新建阶段满足居住建筑节能设计的现行标准；
系统边界内所有生命周期阶段的流量计算以每平方米建筑面积为功能单位，既包括新建筑构件或材料的投入过程，又包括旧建筑构件或材料的拆解和循环利用过程。
所述BIM-LCA技术路径，其特征在于：
针对目标建筑建立BIM模型(建筑信息模型)，在BIM模型中对建筑赋予构造层次和材料；
根据节能标准对建筑的围护结构和采暖系统进行节能改造设计，确定改造过程涉及的干预措施，使用能耗模拟软件验证节能改造方案是否满足节能标准；
运用生命周期评价工具对经过能耗模拟验证的改造后建筑进行LCA(生命周期评价)和LCC(生命周期成本)分析，计算建筑在投入过程产生的资源消耗和环境影响，确定建筑各项资源环境性能和材料组成的单位面积指标，获得建筑存量更新情景模拟的基准流量参数集。
所述计算建筑各生命周期阶段资源环境性能和材料组成的单位面积指标，其特征在于：
建筑围护结构和采暖系统的LCA计算涉及4项指标，包括一次能耗、全球变暖潜能值、成本和材耗量；
建筑围护结构和采暖系统的LCC计算涉及5项指标，包括拆除重量、投入重量、投入成本、施工成本和回收系数；
建筑围护结构的LCA计算是首先为围护结构BIM模型的各个构件赋予构造层次和材料，再使用生命周期评价工具统计各类材料的重量和环境影响指标；
建筑采暖系统的LCA计算是首先估算改造过程单位使用面积的材料用量，其次建立材料量与估算量匹配的简化BIM模型，最后使用生命周期评价工具统计相关材料环境影响指标；
建筑的LCA和LCC计算涉及7种建筑材料，包括混凝土、钢铁、有色金属、砂浆、砖石、木材和玻璃；
旧建筑构件或材料默认采用拆解方式进行拆除，并按回收利用方式定义材料循环利用的收益；
节能改造阶段和维修阶段的LCC计算涉及新建筑构件或材料的投入成本和旧建筑构件或材料的循环利用效益；
拆除阶段的LCC计算涉及建筑拆除的施工成本和旧构件或材料的循环利用效益；
新建阶段的LCC计算涉及建筑建造的施工成本，根据建造的劳务定额和耗时估算。
进一步地，上述步骤S2的通过创建更新情景模块，评估建筑的物理状态和预期寿命，确定建筑存量更新情景模拟的建筑类型参数、面积参数、预期寿命参数和状态参数，具体包括：
步骤S2-1：评估建筑的物理状态，确定建筑的类型、面积、初始状态值和衰减系数，按干预措施设定状态投入值；
状态值是指建筑物理质量状态，从结构质量、装修质量和设备质量三方面衡量；
建筑的运行状态受干预措施影响，每经过一次干预措施即计算一次状态投入值；
衰减系数是指建筑物随时间推移的老化速度，参照每年的房屋折旧率计算；
新建后建筑衰减系数的取值取决于新建阶段建筑物理质量状态的设定。
步骤S2-2：评估建筑的预期寿命，根据设计使用寿命和建成年份确定建筑的预期寿命，设定建筑存量更新情景的拆除年限。
进一步地，上述步骤S3的通过输入动态过程模块，在情景分类的基础上，设定建筑存量更新情景中运行过程和投入过程的时序安排，模拟并可视化建筑存量更新全部生命周期阶段的动态过程，其特征在于：
对建筑存量更新时序定义4种优先策略，包括：拆除并新建(DM&NEW)优先、保持现状(EX)优先、周期性维修(R)优先和节能改造(EER)优先；
根据建筑存量更新时序的优先策略对情景进行分类；
根据建筑类型参数和情景分类设定建筑存量更新情景中运行过程和投入过程的时序安排，模拟建筑存量更新全部生命周期阶段的动态过程。
进一步地，上述步骤S5的通过输出模拟结果模块，计算建筑更新情景模拟的资源环境流量和材料组成流量，输出单个情景的流量计算结果，并在单个情景流量计算的基础上输出多个建筑或多个情景的流量汇总和流量统计结果，具体包括：
步骤S5-1：单个情景的流量计算；
单个情景流量计算的基本公式由式(1.1)表示：
T＝t·a (1.1)
式中，t表示基准流量，即单位面积流量；a表示总建筑面积；T表示流量总量；
参与资源环境流量计算的指标包括一次能耗、全球变暖潜能值、成本、材耗和状态值；
资源环境流量计算结果涉及相对累积值和绝对累积值两个方面；其中，相对累积值是指以每n年为单位累积的资源环境流量，绝对累积值是指在m年内累积的资源环境流量；
具体地，以每n年为单位累积的资源环境流量计算公式如式(1.2)所示：
Ppern＝pop·aop+pin·ain (1.2)
式中，pop表示单位面积运行值；aop表示建筑运行期间的总建筑面积；pin表示单位面积投入值；ain表示投入时建筑的总建筑面积；Ppern表示建筑在运行与投入时合计的每n年的资源环境流量。
具体地，在m年内累积的资源环境流量计算公式如式(1.3)所示：
式中，Ppern，y表示第y个单位时间内的资源环境流量；Ptotal表示在m年内累积的资源环境流量总量；其中，m为n的正整数倍，y取值范围为[1，m/n]。
具体地，以每n年为单位的建筑状态值计算公式如式(1.4)所示：
Si，v＝Si，y-1-es，y+sin，y (1.4)
式中，Si，y表示第y个单位时间内的状态值；Si，y-1表示前一个单位时间内的状态值，其中，当y取1时，Si，0即为初始状态值；es，y表示第y个单位时间内的衰减系数；sin，y表示第y个单位时间内产生的状态投入值；
参与材料组成流量计算的指标包括材料重量和材料成本。
材料组成流量计算结果涉及材料重量流量、材料重量存量和材料成本流量三个方面。
具体地，以每n年为单位累积的材料重量流量计算公式如式(2.1)所示：
Mpern＝min·ain-mde·ade (2.1)
式中，min表示单位面积材料重量投入量；ain表示投入时建筑的总建筑面积；mde表示单位面积材料重量拆除量；ade表示拆除时建筑的总建筑面积；Mpern表示建筑在投入与拆除时合计的每n年的材料重量；
具体地，以每n年为单位累积的材料重量存量计算公式如式(2.2)所示：
Mi，y＝Mi，y-1+Min，y-Mde，y (2.2).
式中，Mi，y表示第y个单位时间内的材料重量；Mi，y-1表示前一个单位时间内的材料重量，其中，当y取1时，Mi，0即为初始材料重量；Min，y表示第y个单位时间内的材料投入重量；Mde，y表示第y个单位时间内的材料拆除重量；
具体地，以每n年为单位累积的材料成本流量计算公式如式(2.3)所示：
Cpern＝cco·aco+cin·ain-Mde·ere (2.3)
式中，cco表示单位面积施工成本；aco表示施工面积；cin表示单位面积材料成本投入量；ade表示投入时建筑的总建筑面积；Mde表示材料拆除重量；ere表示材料回收系数；Cpern表示建筑在施工、投入和拆除时合计的每n年的材料成本流量。
具体地，在m年内累积的材料重量或材料成本的流量计算公式如式(2.4)所示：
式中，Qpern，y表示第y个单位时间内的材料重量流量或材料成本流量；Qtotal表示在m年内累积的材料重量流量总量或材料成本流量总量；其中，m为n的正整数倍，y取值范围为[1，m/n]。
步骤S5-2：多个建筑或多个情景的流量汇总和流量统计。
进一步地，上述步骤S6所述的通过输出最优解模块，使用指标归一化和指标赋权方法处理建筑存量更新情景模拟的输出结果，通过加权求和方法计算不同权重下建筑各项资源环境性能的综合效益，比较并选择动态评估的最优解，得出建筑存量更新的最优策略，具体包括：
步骤S6-1：对建筑存量更新情景模拟结果的资源环境性能指标值进行归一化处理并输出雷达图结果；
参与归一化计算的5项资源环境性能指标包括一次能源消耗、全球变暖潜能值、成本、材耗和状态值，其中一次能耗、全球变暖潜能值、成本和材耗取建筑运行m年后投入过程和运行过程合计的每年的单位面积累积值，状态值取建筑在m年内的平均值；
指标值的归一化计算如式(3.1)所示：
式中，x为真实值；xmin为数组的最小值；xmax为数组的最大值；f(x)为归一化值，取值区间为[0，1]，定义归一化结果的最优取值为1。
其中，一次能源消耗、全球变暖潜能值、成本和材耗这4项指标的归一化需做负数化处理，如式(3.2)所示：
f(x′)＝1-f(x) (3.2)
式中，f(x)表示经归一化公式计算得到的数值，f(x′)表示经负数化处理后得到的归一化值。
步骤S6-2：对指标归一化值进行赋权，通过加权求和方法计算不同权重下建筑资源环境性能的综合效益；
指标值的加权求和计算如式(3.3)所示：
r＝rPE·fPE+rGWP·fGWP+rCOST·fCOST+rMF·fMF+rS·fS (3.3)
式中，rPE表示一次能耗指标的归一化值；rGWP表示全球变暖潜能值指标的归一化值；rCOST表示成本指标的归一化值；rMF表示材耗指标的归一化值；rS表示状态值指标的归一化值；fPE表示一次能耗指标的权重值；fGWP表示全球变暖潜能值指标的权重值；fCOST表示成本指标的权重值；fMF表示材耗指标的权重值；fS表示状态值指标的权重值。
步骤S6-3：根据雷达图和综合效益比较并选择动态评估的最优解，得出建筑存量更新的最优策略。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案具有如下优点或有益效果：
1.突破现有技术在中观层面评估建筑存量资源环境性能方面的局限，从城市运行角度定义了建筑存量生命周期评价的系统边界，综合考虑了建筑的运行、维修、节能改造、拆除和新建5个生命周期阶段，结合更新目标和建筑生命周期阶段定义了建筑存量更新的动态过程，实现了多种未来情景下建筑更新动态过程的量化评估，支持以资源环境性能表现为导向的建筑更新策略的模拟和优化，辅助挖掘城市更新过程中建筑存量的资源环境潜能，提高“双碳”目标和城市更新双重背景下中远期城市规划决策的科学性；
2.从方法上提供了整合BIM-LCA工具获取建筑资源环境和材料组成基准流量参数的技术路线，提出了耦合能耗模拟、生命周期评价、情景分析和物质流分析的建筑存量资源环境性能动态评估方法框架，并结合了加权求和方法进一步得出动态评估的最优解。
3.进一步完善了衡量资源消耗和环境影响综合效益的评价指标，涵盖了建筑在能耗、材耗、成本、环境影响、状态和寿命方面的性能表现，并在材料组成的流量计算中考虑了拆除材料的回收利用价值。
4.面向建筑设计和城市规划设计实践，开发了从资源环境视角对城市设计尺度的建筑更新策略进行评估的工具，从流程上强化更新情景的设定和模拟，可视化建筑存量更新全部动态过程及其涉及的干预措施、时序安排、产生的物质流量等，支持对多情景、多目标、多方案的建筑更新设计策略进行直观的比选和优化，实现相关领域从业人员在设计实践中落实节能减碳发展目标的应用需求。
附图说明
图1为本发明一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统流程图。
图2为本发明一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统的情景模拟流程和模块结构示意图。
图3为本发明一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统的情景模拟用户操作界面示意图。
图中，组件100用于输入基准流量参数模块；组件200用于创建和查询情景模块；组件300用于输入情景基础信息和建筑参数模块；组件400用于显示动态过程模块；组件500用于输入材料组成模块；组件600用于输入动态过程模块；组件700用于输出结果模块；组件800用于其他配套模块。
图4为本发明一个实施例的建筑生命周期评价系统边界示意图。
图5为本发明一个实施例的建筑生命周期动态过程参数设定示意图。
图6为本发明一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统的获得基准流量的BIM-LCA流程图。
图7为本发明一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统的输入资源环境基准流量参数的用户操作界面示意图。
图8为本发明一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统的输入材料组成基准流量参数的用户操作界面示意图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。应当注意，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件，本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统。
本发明以天津市一处典型街区的既有住宅建筑为例，在定义该建筑的生命周期系统边界和节能目标的基础上，以每5年为单位模拟建筑未来100年内更新情景的动态过程，，计算建筑在运行过程和投入过程中产生的资源环境流量和材料组成流量，评估多种更新情景的资源环境性能，得出不同优先目标下综合效益最优的建筑存量更新策略。
如图1、图2和图3所示，一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，包括以下步骤：
步骤S1：通过配置基准流量参数模块，设定建筑生命周期系统边界及投入过程涉及的干预措施，运用BIM-LCA技术路径计算建筑各生命周期阶段资源环境性能和材料组成的单位面积指标，输入建筑存量更新情景模拟的基准流量参数集。
基准流量参数集是情景模拟的重要数据支撑。基准流量参数的取值与实施例的选取直接相关，因此在开展情景模拟前需要首先配置建筑各生命周期阶段的基准流量参数，具体步骤包括：
步骤S1-1：确定建筑的物理特性和更新目标，从城市运行的角度定义建筑的生命周期系统边界及投入过程涉及的干预措施
本发明实施例选取的典型建筑是一栋位于天津市中心城区的既有低层住宅建筑，建于1984年，三层，砖混结构，平面形式为板式，总建筑面积1603.5平方米，未做节能设计。从建筑资源环境性能的角度，建筑存量更新的核心需求体现在以节能改造为导向，通过改造设计使建筑性能达到居住建筑节能的现行规范和标准。因此，根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ26-2010)和《天津市居住建筑节能设计标准》(DB29-1-2013)，为典型建筑的更新改造制定了两个节能目标：65％节能(第三步节能)和75％节能(第四步节能)。
具体地，如图4所示，本发明实施例从城市运行的角度定义建筑的生命周期系统边界，包括5个生命周期阶段，即运行阶段、维修阶段、节能改造阶段、拆除阶段和新建阶段。系统边界内各生命周期阶段均不涉及建材的开采、生产和运输过程。其中，参与投入过程的生命周期阶段包括维修阶段、节能改造阶段、拆除阶段和新建阶段。
整合节能目标和系统边界，如图5所示，建筑生命周期各阶段的干预措施设定如下：
1.运行阶段
从城市运行的角度，建筑存量更新的运行过程包括既有建筑的运行和新建后建筑的运行两部分，与拆除阶段和新建阶段构成了建筑更新动态过程的闭环。在时间设定上，运行阶段是从既有建筑的剩余使用过程到新建后建筑的使用过程，以每5年为单位，共计100年。由干预措施产生的投入过程计为5年内的一次性投入。
2.节能改造阶段
根据65％节能和75％节能两个节能标准，节能改造阶段设定了3种改造路径，包括：
(1)从现状至65％节能目标的改造；
(2)从现状至75％节能目标的改造；
(3)从65％节能到75％节能目标的改造。
节能改造为一次性干预措施。建筑经节能改造达到相应节能标准后进入新的运行状态，该过程在整个生命周期内仅进行一次。
3.维修阶段
维修阶段是指对建筑构件或建材进行原样翻新。维修涉及的干预措施按构件和材料可分为内部小型维修、外部小型维修和大型维修3类。维修阶段在建筑全生命周期过程中呈现周期性更替规律，可依据材料使用寿命定义更新频率。典型建筑维修阶段的干预措施及其更新频率如表1所示。其中，由于需50年更新一次的砂浆类材料与建筑本身的设计使用寿命在使用年限上一致，因此未计入构件和材料的维修阶段，而计入建筑整体的拆除阶段。
表1维修阶段的三类干预措施及其更新频率
根据不同节能标准下建筑的运行状态，维修的干预措施按是否符合节能标准可分为3种，包括：
(1)运行阶段未符合节能标准的维修；
(2)运行阶段符合65％节能标准的维修；
(3)运行阶段符合75％节能标准的维修。
4.拆除阶段
根据不同节能标准下建筑的运行状态设计3种拆除路径，包括：
(1)在运行阶段未符合节能标准的情况下进行拆除；
(2)在运行阶段符合65％节能标准的情况下进行拆除；
(3)在运行阶段符合75％节能标准的情况下进行拆除。
为计算建筑各部件在拆除阶段的循环利用价值，默认采用拆解的方式对建筑及其构件进行拆除。
5.新建阶段
根据拆旧建新的一般性规律，典型建筑的新建阶段与拆除阶段设定在同一个时间模块内，即默认在旧建筑拆除后的5年内进行新建。新建建筑满足居住建筑节能设计的现行标准。为便于计算，新建建筑设定为相对典型建筑类型不变、面积相等，同时符合75％节能标准的建筑。
综上，建筑各生命周期阶段动态过程参数如表2所示，规定了是否参与运行过程和投入过程的计算。
表2动态过程参数的含义和代码
步骤S1-2：基于BIM-LCA技术路径，建立典型建筑的BIM模型，对建筑的围护结构和采暖系统进行节能改造设计，使用能耗模拟软件对改造方案进行验证
在调研建筑平面和外观的基础上，使用Revit软件建立BIM模型。参照华北地区具有相同特征建筑的构造做法和相关图集，确定建筑主要围护结构的构件、具体构造及平均传热系数，以及室内采暖系统的形式和主要构件。建筑围护结构和采暖系统的主要构件如表3所示。
表3典型建筑围护结构和采暖系统的主要构件
如图6所示，基于BIM-LCA技术路径，运用BIM模型对建筑的围护结构和采暖系统进行节能改造设计，并对改造后的建筑进行能耗模拟，验证改造方案是否达到65％或75％节能目标，将满足相应节能标准的改造后建筑纳入后续LCA和LCC计算。典型建筑的节能改造方案如表4所示，能耗模拟结果如表5所示。
表4不同节能目标的典型建筑改造设计方案
表5不同节能标准的典型建筑能耗模拟结果(单位：kWh/平方米/年)
步骤S1-3：基于BIM-LCA技术路径，使用生命周期评价工具对经过能耗模拟验证的改造后建筑进行LCA和LCC分析，计算建筑在投入过程产生的资源消耗和环境影响，并按材料类型统计材耗的重量和成本，得出建筑各生命周期阶段资源环境性能和材料组成的单位面积指标，获得建筑存量更新情景模拟的基准流量参数集。
系统边界内所有生命周期阶段流量计算以每平方米建筑面积为功能单位，既包括新建筑构件或材料的投入过程，又包括旧建筑构件或材料的拆解和循环利用过程，具体如下：
(1)建筑LCA计算
建筑围护结构和采暖系统的LCA计算涉及4项指标，包括一次能耗、全球变暖潜能值、成本和材耗量。
建筑围护结构的LCA计算是在通过Revit软件为围护结构BIM模型的各个构件赋予构造层次的基础上，使用生命周期评价工具统计各类材料的重量和环境影响指标。建筑采暖系统的LCA计算是在查阅相关采暖系统改造相关案例的文献的基础上，首先估算改造过程单位使用面积的材料用量，其次在Revit中建立材料量与估算量匹配的简化模型，最后使用生命周期评价工具统计相关材料环境影响指标。
结合建筑更新干预措施的设定，按建筑构件和构造材料分类统计LCA结果，并根据LCA结果确定建筑生命周期阶段涉及的主要建材，包括混凝土、钢铁、有色金属、砂浆、砖石、木材和玻璃等，将主要建材设定为材料组成流量计算涉及的材料类型。在可拆解的建筑构件和材料中，可循环利用的材料主要有外窗中的铝合金，以及采暖系统中的钢制散热器和镀锌钢管；可作为渣土再利用的材料主要有屋顶的水泥砂浆找平层和防水层，以及外窗中的玻璃。
(2)建筑LCC计算
建筑围护结构和采暖系统的LCC计算考虑构件或材料的循环利用效益，涉及5项指标，包括拆除重量、投入重量、投入成本、施工成本和回收系数。
具体地，节能改造阶段和维修阶段的LCC计算涉及新建筑构件或材料的投入成本和旧建筑构件或材料的循环利用效益；拆除阶段涉及建筑拆除的施工成本和旧构件或材料的循环利用效益；新建阶段涉及建筑建造的施工成本，根据建造的劳务定额和耗时估算。为便于计算，建筑节能改造阶段和维修阶段不核算拆除构件或材料的施工成本，该部分成本合并计入拆除阶段。
旧建筑构件或材料默认采取拆解方式进行拆除，并按回收利用方式定义材料循环利用的收益。构件和材料的单价数据主要参考京津冀地区的案例和相关询价网站。施工成本、回收利用率和回收单价数据主要参考相关文献。其中，玻璃的回收系数定义了2种，当材料为白玻璃时回收系数为0.9，当材料为low-e玻璃时回收系数为1.9。
整理上述结果，典型建筑情景模拟基准流量参数集如下，其中资源环境性能基准流量参数见表6，材料组成基准流量参数见表7。资源环境性能基准流量参数的用户输入界面如图7所示，材料组成基准流量参数的用户输入界面如图8所示。
表6典型建筑情景模拟的资源环境性能基准流量参数
表7典型建筑情景模拟的材料组成基准流量参数
步骤S2：通过创建更新情景模块，评估建筑的物理状态和预期寿命，确定建筑存量更新情景模拟的建筑类型参数、面积参数、预期寿命参数和状态参数。
步骤S2-1：评估建筑的物理状态，确定建筑的类型、面积、初始状态值和衰减系数，按干预措施设定状态投入值。
采用状态值和衰减系数两个指标量化表征建筑物理状态。状态值指的是建筑物理质量状态，从结构质量、装修质量和设备质量三方面衡量；衰减系数指的是建筑物随时间推移的老化速度，参照每年的房屋折旧率计算。新建后建筑衰减系数的取值取决于新建阶段建筑物理质量状态的设定。
不同类型建筑初始状态值和每5年的衰减系数的取值如表8所示，其中状态值数值越高表示建筑物理状态越好，衰减值越低表示建筑老化速度越慢。根据下表，典型建筑的初始状态值为0.4，衰减系数为0.08。
表8不同类型建筑初始状态值和衰减系数取值
建筑的运行状态受干预措施影响，因此每经过一次投入过程即计算一次状态投入值。典型建筑情景模拟的状态投入值如表9所示。建筑运行期间状态值的取值区间定义为[0.2,1]，拆除阶段状态值归0，新建后建筑的状态值取1。
表9状态投入值
| 动态过程 | 状态投入值 |
| RP1(in.) | 0.10 |
| RP1(ex.) | 0.10 |
| RP2(in.) | 0.10 |
| RP2(ex.) | 0.10 |
| RP3(in.) | 0.10 |
| RP3(ex.) | 0.10 |
| RF1 | 0.20 |
| RF2 | 0.20 |
| RF3 | 0.20 |
| EER1(1→2) | 0.60 |
| EER2(1→3) | 0.60 |
| EER3(2→3) | 0.30 |
| DM1 | 0.00 |
| DM2 | 0.00 |
| DM3 | 0.00 |
| NEW | 1.00 |
步骤S2-2：评估建筑的预期寿命，根据设计使用寿命和建成年份确定建筑的预期寿命，设定建筑存量更新情景的拆除年限
采用预期寿命指标描述建筑存量的剩余使用年限。本发明实施例根据《建筑结构可靠度设计统一标准》，按建筑类型确定建筑的设计使用年限，再根据建筑的建成年份推算剩余使用年限。
根据上述标准，典型建筑的设计使用年限为50年，则其拆除年份预计在2035年左右。假设情景模拟的时间起点为2020年，其建筑预期寿命可定义为15年。
理论上，建筑拆除的时间节点取决于建筑的预期寿命，但现实中，建筑的拆除时点不仅受内部条件制约，还受外部环境的影响。因此，建筑的拆除时间节点需弹性设置，在参考产权年限和结构加固技术的情况下，建筑的拆除年限可在预期寿命的基础上延长20-30年；在参考建筑短寿和不合理拆除的情况下，建筑的拆除年限可在预期寿命的基础上有所缩短。据此，在参考产权年限和结构加固技术的基础上，典型建筑的拆除可设定5个时间节点，分别为既有建筑运行的第15年、既有建筑运行的第35年、新建后建筑运行的第50年、新建建筑运行的第70年和新建建筑运行的第80年。
结合建筑各生命周期阶段运行和投入过程的情景设定，典型建筑情景模拟中各项建筑参数的取值如表10所示。
表10典型建筑情景模拟的建筑参数及其取值
步骤S3：通过输入动态过程模块，在情景分类的基础上，设定建筑存量更新情景中运行过程和投入过程的时序安排，模拟并可视化建筑存量更新全部生命周期阶段的动态过程
步骤S3-1：根据建筑存量更新时序的优先策略对情景进行分类，初步设定建筑存量更新时序
根据新建阶段的定义，建筑在新建后无需再次进行节能改造，因此更新情景的时序安排可按有无节能改造划分为两类，如下表11所示，其中A类情景不包含节能改造，B类情景包含节能改造。情景的二级分类具体定义了每类情景的优先策略，包括拆除并新建(DM&NEW)优先、保持现状(EX)优先、周期性维修(R)优先和节能改造(EER)优先4种情况。
表11建筑存量更新情景的分类和时序安排
步骤S3-2：根据建筑类型参数和情景分类设定建筑存量更新情景中运行过程和投入过程的时序安排，以每5年为单位模拟建筑存量更新情景在未来100年内全部生命周期阶段的动态过程
根据情景分类和更新时序设定了多组典型建筑情景模拟的动态过程，具体如表12所示。
表12多组典型建筑情景模拟的动态过程(100年内)
步骤S4：通过输入材料组成模块，设定建筑存量更新情景中投入过程涉及的建筑材料类型。
根据步骤S1和步骤S3确定典型建筑更新投入过程涉及的材料类型，如表13所示，并按情景模拟的动态过程输入细分材料类型。
表13典型建筑更新投入过程涉及的细分材料类型
| 投入过程 | 混凝土 | 钢铁 | 有色金属 | 砂浆 | 砖石 | 木材 | 玻璃 |
| 小型维修 | -- | -- | -- | √ | -- | -- | -- |
| 大型维修 | -- | √ | √ | -- | -- | √ | √ |
| 节能改造 | -- | √ | √ | √ | -- | -- | √ |
| 拆除 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
| 新建 | √ | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
步骤S5：通过输出模拟结果模块，计算建筑存量更新情景模拟的资源环境流量和材料组成流量，输出单个情景的流量计算结果，并在单个情景流量计算的基础上输出多个建筑或多个情景的流量汇总和流量统计结果
步骤S5-1：单个情景的流量计算
单个情景流量计算的基本公式由式(1.1)表示：
T＝t·a (1.1)
式中，t表示基准流量，即单位面积流量；a表示总建筑面积；T表示流量总量。
1.以资源环境性能为核心指标的流量计算
参与资源环境流量计算的指标包括一次能耗、全球变暖潜能值、成本、材耗和状态值。
资源环境流量计算结果涉及相对累积值和绝对累积值两个方面。本发明实施例中，相对累积值是指以每5年为单位累积的资源环境流量，绝对累积值是指在100年内累积的资源环境流量。
具体地，以每5年为单位累积的资源环境流量计算公式如式(1.2)所示：
Pper5＝pop·aop+pin·ain (1.2)
式中，pop表示单位面积运行值；aop表示建筑运行期间的总建筑面积；pin表示单位面积投入值；ain表示投入时建筑的总建筑面积；Pper5表示建筑运行与投入合计的每5年的资源环境流量。
具体地，在100年内累积的资源环境流量计算公式如式(1.3)所示：
式中，Pper5，y表示第y个5年的资源环境流量；Ptotal表示在100年内累积的资源环境流量总量；其中，y取值范围为[1，20]。
为评估建筑物理状态，以每5年为单位的建筑状态值计算公式如式(1.4)所示：
Si，y＝Si，y-1-es，y+sin，y (1.4)
式中，Si，y表示第y个5年的状态值；Si，y-1表示前一个5年的状态值，当y取1时，Si，0即为初始状态值；es，y表示第y个5年的衰减系数；sin，y表示第y个5年产生的状态投入值。
整理上述结果，以典型建筑更新情景B3-1-7为例的建筑存量在100年内运行和投入过程的各项资源环境流量平均值如表14所示。
表14典型建筑更新情景B3-1-7的各项资源环境流量平均值(每年)
2.以材料组成为核心指标的流量计算
参与材料组成流量计算的指标包括材料重量和材料成本。
材料组成流量计算结果涉及材料重量流量、材料重量存量和材料成本流量三个方面。
本发明实施例中，参与材料组成流量计算的建材有混凝土、钢铁、有色金属、砂浆、砖石、木材和玻璃。
具体地，以每5年为单位累积的材料重量流量计算公式如式(2.1)所示：
Mper5＝min·ain-mde·ade (2.1)
式中，min表示单位面积材料重量投入量；ain表示投入时建筑的总建筑面积；mde表示单位面积材料重量拆除量；ade表示拆除时建筑的总建筑面积；Mper5表示建筑在投入与拆除时合计的每5年的材料重量。
具体地，以每5年为单位累积的材料重量存量计算公式如式(2.2)所示：
Mi，y＝Mi，y-1+Min，y-Mde，y (2.2).
式中，Mi，y表示第y个5年的材料重量；Mi，y-1表示前一个5年的材料重量，当y取1时，Mi，0即为初始材料重量；Min，y表示第y个5年的材料投入重量；Mde，y表示第y个5年的材料拆除重量。
具体地，以每5年为单位累积的材料成本流量计算公式如式(2.3)所示：
Cper5＝cco·aco+cin·ain-Mde·ere (2.3)
式中，cco表示单位面积施工成本；aco表示施工面积；cin表示单位面积材料成本投入量；ade表示投入时建筑的总建筑面积；Mde表示材料拆除重量；ere表示材料回收系数；Cper5表示建筑在施工、投入和拆除时合计的每5年的材料成本流量。
具体地，在m年内累积的材料重量或材料成本的流量计算公式如式(2.4)所示：
式中，Qper5，y表示第y个5年的材料重量流量或材料成本流量；Qtotal表示在100年内累积的材料重量流量总量或材料成本流量总量；其中，y取值范围为[1,20]。
整理上述结果，以典型建筑更新情景B3-1-7为例的建筑存量在100年内投入的各项材料重量流量平均值如表15所示，材料成本流量平均值如表16所示。
表15典型建筑更新情景B3-1-7的各项材料重量单位面积平均值(每年)
| 指标 | 状态 | 单位 | 平均值 |
| 混凝土 | 拆除 | kg/平方米/年 | -11.01 |
| 钢铁 | 拆除 | kg/平方米/年 | -0.69 |
| 有色金属 | 拆除 | kg/平方米/年 | -0.05 |
| 砂浆 | 拆除 | kg/平方米/年 | -3.57 |
| 砖石 | 拆除 | kg/平方米/年 | -5.89 |
| 木材 | 拆除 | kg/平方米/年 | -0.09 |
| 玻璃 | 拆除 | kg/平方米/年 | -0.08 |
| 混凝土 | 投入 | kg/平方米/年 | 11.01 |
| 钢铁 | 投入 | kg/平方米/年 | 0.66 |
| 有色金属 | 投入 | kg/平方米/年 | 0.04 |
| 砂浆 | 投入 | kg/平方米/年 | 3.98 |
| 砖石 | 投入 | kg/平方米/年 | 0.00 |
| 木材 | 投入 | kg/平方米/年 | 0.09 |
| 玻璃 | 投入 | kg/平方米/年 | 0.11 |
| 混凝土 | 合计 | kg/平方米/年 | 0.00 |
| 钢铁 | 合计 | kg/平方米/年 | -0.03 |
| 有色金属 | 合计 | kg/平方米/年 | -0.01 |
| 砂浆 | 合计 | kg/平方米/年 | 0.41 |
| 砖石 | 合计 | kg/平方米/年 | -5.89 |
| 木材 | 合计 | kg/平方米/年 | 0.00 |
| 玻璃 | 合计 | kg/平方米/年 | 0.03 |
表16典型建筑更新情景B3-1-7的各项材料成本单位面积平均值(每年)
步骤S5-2：多个建筑或多个情景的流量汇总和流量统计
一方面，流量汇总可用于比较分析本发明实施例典型建筑在不同情景下的模拟结果。另一方面，单个建筑的情景模拟过程可拓展至多个建筑。通过以单个建筑的情景模拟流程类推多个建筑，可得到多个建筑的流量计算结果，进而对流量进行统计得到多个建筑情景模拟的总体流量。
步骤S6：通过输出最优解模块，使用指标归一化和指标赋权方法处理建筑存量更新情景模拟的输出结果，通过加权求和方法计算不同权重下建筑各项资源环境性能的综合效益，比较并选择动态评估的最优解，得出建筑存量更新的最优策略。
为评估建筑存量更新情景的综合效益，采用指标归一化和加权求和方法处理情景模拟的输出结果。
步骤S6-1：对建筑存量更新情景模拟结果的资源环境性能指标值进行归一化处理并输出雷达图结果；
参与归一化计算的5项资源环境性能核心指标包括一次能源消耗、全球变暖潜能值、成本、材耗和状态值，其中一次能耗、全球变暖潜能值、成本和材耗取建筑运行m年后投入过程和运行过程合计的每年的单位面积累积值，状态值取建筑在m年内的平均值。
指标值的归一化计算如式(3.1)所示：
式中，x为真实值；xmin为数组的最小值；xmax为数组的最大值；f(x)为归一化值。归一化取值区间为[0,1]。
由于一次能源消耗、全球变暖潜能值、成本和材耗与建筑性能负相关，状态值与建筑性能正相关，因此定义归一化结果的最优取值为1，一次能源消耗、全球变暖潜能值、成本和材耗这4项指标的归一化在计算中做负数化处理，如式(3.2)所示：
f(x′)＝1-f(x) (3.2)
式中，f(x)表示经归一化公式计算得到的数值，f(x′)表示经负数化处理后得到的归一化值。
多组典型建筑情景模拟输出的资源环境性能指标值及其归一化值如表17所示。
步骤S6-2：对指标归一化值进行赋权，通过加权求和方法计算不同权重下建筑各项资源环境性能的综合效益；
指标值的加权求和计算如式(3.3)所示：
r＝rPE·fPE+rGWP·fGWP+rCOST·fCOST+rMF·fMF+rS·fS (3.3)
式中，rPE表示一次能耗指标的归一化值；rGWP表示全球变暖潜能值指标的归一化值；rCOST表示成本指标的归一化值；rMF表示材耗指标的归一化值；rS表示状态值指标的归一化值；fPE表示一次能耗指标的权重值；fGWP表示球变暖潜能值指标的权重值；fCOST表示成本指标的权重值；fMF表示材耗指标的权重值；fS表示状态值指标的权重值。各项指标的权重考虑了评估目标、决策需求和数据来源等因素，采用专家打分法设定。
根据不同优先目标设定的典型建筑资源环境性能指标的权重值如表18所示，多组典型建筑情景模拟输出结果的加权求和如表19所示。
表17多组典型建筑情景模拟输出的资源环境性能指标真实值及归一化值
表18不同优先目标的典型建筑资源环境性能指标权重值
表19多组典型建筑情景模拟输出的资源环境性能指标的加权求和结果
| 情景 | 求和1 | 求和2 | 求和3 | 求和4 |
| (B3-1-1) | 4.54 | 14.04 | 12.71 | 13.54 |
| (B3-1-4) | 4.54 | 14.04 | 12.71 | 13.54 |
| (B3-1-7) | 4.54 | 14.04 | 12.71 | 13.54 |
| (B1-1-1) | 4.48 | 13.74 | 12.60 | 13.49 |
| (B1-1-9) | 4.45 | 13.32 | 12.79 | 13.62 |
| (B1-1-5) | 4.39 | 13.35 | 12.36 | 13.35 |
| (A3-1) | 4.38 | 13.12 | 12.97 | 13.53 |
| (B2-2) | 4.35 | 13.18 | 12.27 | 13.21 |
| (B3-1-10) | 4.34 | 13.56 | 11.84 | 13.02 |
| (A2-3) | 4.30 | 13.09 | 13.04 | 13.18 |
| (B2-1) | 4.19 | 12.79 | 11.55 | 12.77 |
| (B2-4) | 4.05 | 12.18 | 11.17 | 12.55 |
| (B1-1-12) | 3.99 | 11.93 | 11.00 | 12.54 |
| (B3-2-5) | 3.89 | 11.23 | 11.13 | 12.54 |
| (B1-2-1) | 3.87 | 11.14 | 11.07 | 12.55 |
| (A3-10) | 3.85 | 10.84 | 11.09 | 12.71 |
| (B3-2-2) | 3.82 | 11.06 | 10.80 | 12.34 |
| (B1-2-3) | 3.73 | 10.34 | 10.88 | 12.42 |
| (A2-7) | 3.65 | 10.98 | 11.73 | 11.64 |
| (A3-14) | 3.52 | 9.23 | 10.52 | 12.30 |
| (A3-15) | 3.32 | 8.34 | 10.07 | 12.05 |
| (A2-8) | 3.25 | 10.22 | 10.81 | 9.09 |
| (A2-9) | 3.12 | 9.18 | 10.96 | 10.44 |
| (A2-12) | 2.82 | 8.17 | 10.39 | 9.72 |
| (A3-17) | 2.67 | 5.88 | 7.93 | 10.78 |
| (A2-14) | 2.16 | 6.06 | 9.09 | 8.19 |
| (A1-1) | 2.09 | 5.64 | 4.71 | 5.72 |
| (B3-1-6) | 1.78 | 4.55 | 3.07 | 5.03 |
| (B3-1-2) | 1.76 | 4.57 | 3.17 | 4.90 |
| (B1-1-2) | 1.70 | 4.27 | 3.05 | 4.84 |
| (B1-1-6) | 1.63 | 3.84 | 2.69 | 4.83 |
| (A3-2) | 1.60 | 3.64 | 3.43 | 4.88 |
| (A2-4) | 1.53 | 3.62 | 3.49 | 4.53 |
| (A3-11) | 1.09 | 1.33 | 1.43 | 4.18 |
步骤S6-3：根据雷达图和综合效益比较并选择动态评估的最优解，得出建筑存量更新的最优策略。
综上，不同优先目标的典型建筑存量更新资源环境性能动态评估结果，具体如下：
以性能均衡为目标和以减少碳排放为优先目标的综合效益最优情景为情景B3-1-1、情景B3-1-4和情景B3-1-7，其更新策略为：
1.在近5年内进行满足75％节能标准的改造和翻新；
2.经节能改造后，在35年内进行拆除并新建；
3.经节能改造后，进行6次符合75％节能标准的周期性维修，其中小型维修4次，大型维修2次。
以节约成本为优先目标的综合效益最优情景为情景A2-3，其更新策略为：
1.在第15年进行拆除并新建；
2.新建后，进行5次符合75％节能标准的周期性维修，其中小型维修3次，大型维修2次。
以降低材耗为优先目标的综合效益最优情景为情景B1-1-9，其更新策略为：
1.在近5年内进行满足65％节能标准的改造和翻新；
2.在第20年进行符合65％节能标准的小型维修；
3.在第35年进行拆除并新建；
4.新建后，进行4次符合75％节能标准的周期性维修，其中小型维修2次，大型维修2次。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，其特征在于，所述评估系统包括配置基准流量参数模块、创建更新情景模块、输入动态过程模块、输入材料组成模块、输出模拟结果模块和输出最优解模块；其中：包括以下步骤：
步骤S1：通过配置基准流量参数模块，设定建筑生命周期系统边界及投入过程涉及的干预措施，运用BIM-LCA技术路径计算建筑各生命周期阶段资源环境性能和材料组成的单位面积指标，输入建筑存量更新情景模拟的基准流量参数集；
步骤S2：通过创建更新情景模块，评估建筑的物理状态和预期寿命，确定建筑存量更新情景模拟的建筑类型参数、面积参数、预期寿命参数和状态参数；
步骤S3：通过输入动态过程模块，在情景分类的基础上，设定建筑存量更新情景中运行过程和投入过程的时序安排，模拟并可视化建筑存量更新全部生命周期阶段的动态过程；
步骤S4：通过输入材料组成模块，设定建筑存量更新情景中投入过程涉及的建筑材料类型；
步骤S5：通过输出模拟结果模块，计算建筑存量更新情景模拟的资源环境流量和材料组成流量，输出单个情景的流量计算结果，并在单个情景流量计算的基础上输出多个建筑或多个情景的流量汇总和流量统计结果；
步骤S6：通过输出最优解模块，使用指标归一化和指标赋权方法处理建筑存量更新情景模拟的输出结果，通过加权求和方法计算不同权重下建筑各项资源环境性能的综合效益，比较并选择动态评估的最优解，得出建筑存量更新的最优策略。
2.根据权利要求1所述的一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，其特征在于：所述步骤S1的通过配置基准流量参数模块，设定建筑生命周期系统边界及投入过程涉及的干预措施，运用BIM-LCA技术路径计算建筑各生命周期阶段资源环境性能和材料组成的单位面积指标，输入建筑存量更新情景模拟的基准流量参数集，具体包括：
所述建筑生命周期系统边界及投入过程涉及的干预措施，其特征在于：
建筑存量生命周期系统边界包括5个建筑生命周期阶段，即运行阶段、维修阶段、节能改造阶段、拆除阶段和新建阶段，生命周期各阶段不涉及建材的开采、生产和运输过程；
建筑存量更新的运行过程包括既有建筑的运行和新建后建筑的运行两部分，与拆除阶段和新建阶段构成了存量更新动态过程的闭环；
建筑存量更新的投入过程包括维修阶段、节能改造阶段、拆除阶段和新建阶段；
维修阶段根据不同节能标准下建筑的运行状态和干预措施设定维修路径；
维修阶段具有周期性，依据材料使用寿命定义干预措施的更新频率；
拆除阶段根据不同节能标准下建筑的运行状态设定拆除路径；
新建阶段满足居住建筑节能设计的现行标准；
系统边界内所有生命周期阶段的流量计算以每平方米建筑面积为功能单位，既包括新建筑构件或材料的投入过程，又包括旧建筑构件或材料的拆解和循环利用过程。
3.根据权利要求2所述的一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，其特征在于：所述的BIM-LCA技术路径，包括如下内容：
针对目标建筑建立BIM建筑信息模型，在BIM建筑信息模型中对建筑赋予构造层次和材料；
根据节能标准对建筑的围护结构和采暖系统进行节能改造设计，确定改造过程涉及的干预措施，使用能耗模拟软件验证节能改造方案是否满足节能标准；
运用生命周期评价工具对经过能耗模拟验证的改造后建筑进行生命周期评价LCA和生命周期成本LCC分析，计算建筑在投入过程产生的资源消耗和环境影响，确定建筑各项资源环境性能和材料组成的单位面积指标，获得建筑存量更新情景模拟的基准流量参数集。
4.根据权利要求2所述的一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，其特征在于：所述的计算建筑各生命周期阶段资源环境性能和材料组成的单位面积指标，其特征在于：
建筑围护结构和采暖系统的LCA计算涉及4项指标，包括一次能耗、全球变暖潜能值、成本和材耗量；
建筑围护结构和采暖系统的LCC计算涉及5项指标，包括拆除重量、投入重量、投入成本、施工成本和回收系数；
建筑围护结构的LCA计算是首先为围护结构BIM模型的各个构件赋予构造层次和材料，再使用生命周期评价工具统计各类材料的重量和环境影响指标；
建筑采暖系统的LCA计算是首先估算改造过程单位使用面积的材料用量，其次建立材料量与估算量匹配的简化BIM模型，最后使用生命周期评价工具统计相关材料环境影响指标；
建筑的LCA和LCC计算涉及7种建筑材料，包括混凝土、钢铁、有色金属、砂浆、砖石、木材和玻璃；
旧建筑构件或材料默认采用拆解方式进行拆除，并按回收利用方式定义材料循环利用的收益；
节能改造阶段和维修阶段的LCC计算涉及新建筑构件或材料的投入成本和旧建筑构件或材料的循环利用效益；
拆除阶段的LCC计算涉及建筑拆除的施工成本和旧构件或材料的循环利用效益；
新建阶段的LCC计算涉及建筑建造的施工成本，根据建造的劳务定额和耗时估算。
5.根据权利要求1所述的一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，其特征在于：所述步骤S2的通过创建更新情景模块，评估建筑的物理状态和预期寿命，确定建筑存量更新情景模拟的建筑类型参数、面积参数、预期寿命参数和状态参数，具体包括：
步骤S2-1：评估建筑的物理状态，确定建筑的类型、面积、初始状态值和衰减系数，按干预措施设定状态投入值；
状态值是指建筑物理质量状态，从结构质量、装修质量和设备质量三方面衡量；
建筑的运行状态受干预措施影响，每经过一次干预措施即计算一次状态投入值；
衰减系数是指建筑物随时间推移的老化速度，参照每年的房屋折旧率计算；
新建后建筑衰减系数的取值取决于新建阶段建筑物理质量状态的设定。
步骤S2-2：评估建筑的预期寿命，根据设计使用寿命和建成年份确定建筑的预期寿命，设定建筑存量更新情景的拆除年限。
6.根据权利要求1所述的一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，其特征在于：所述步骤S3的通过输入动态过程模块，在情景分类的基础上，设定建筑存量更新情景中运行过程和投入过程的时序安排，模拟并可视化建筑存量更新全部生命周期阶段的动态过程，其特征在于：
对建筑存量更新时序定义4种优先策略，包括：拆除并新建优先、保持现状优先、周期性维修优先和节能改造优先；
根据建筑存量更新时序的优先策略对情景进行分类；
根据建筑类型参数和情景分类设定建筑存量更新情景中运行过程和投入过程的时序安排，模拟建筑存量更新全部生命周期阶段的动态过程。
7.根据权利要求1所述的一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，其特征在于：所述步骤S5的通过输出模拟结果模块，计算建筑更新情景模拟的资源环境流量和材料组成流量，输出单个情景的流量计算结果，并在单个情景流量计算的基础上输出多个建筑或多个情景的流量汇总和流量统计结果，具体包括：
步骤S5-1：单个情景的流量计算；
步骤S5-2：多个建筑或多个情景的流量汇总和流量统计。
8.根据权利要求7所述的一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，其特征在于：所述的计算建筑更新情景模拟的资源环境流量和材料组成流量，具体包括：
单个情景流量计算的基本公式由式(1.1)表示：
T＝t·a (1.1)
式中，t表示基准流量，即单位面积流量；a表示总建筑面积；T表示流量总量；
参与资源环境流量计算的指标包括一次能耗、全球变暖潜能值、成本、材耗和状态值；
资源环境流量计算结果涉及相对累积值和绝对累积值两个方面；其中，相对累积值是指以每n年为单位累积的资源环境流量，绝对累积值是指在m年内累积的资源环境流量；
具体地，以每n年为单位累积的资源环境流量计算公式如式(1.2)所示：
Ppern＝pop·aop+pin·ain (1.2)
式中，pop表示单位面积运行值；aop表示建筑运行期间的总建筑面积；pin表示单位面积投入值；ain表示投入时建筑的总建筑面积；Ppern表示建筑在运行与投入时合计的每n年的资源环境流量；
具体地，在m年内累积的资源环境流量计算公式如式(1.3)所示：
式中，Ppern，y表示第y个单位时间内的资源环境流量；Ptotal表示在m年内累积的资源环境流量总量；其中，m为n的正整数倍，y取值范围为[1,m/n]；
具体地，以每n年为单位的建筑状态值计算公式如式(1.4)所示：
si，y＝si，y-1-es，y+sin，y (1.4)
式中，Si，y表示第y个单位时间内的状态值；Si，y-1表示前一个单位时间内的状态值，其中，当y取1时，Si，0即为初始状态值；es，y表示第y个单位时间内的衰减系数；sin，y表示第y个单位时间内产生的状态投入值；
参与材料组成流量计算的指标包括材料重量和材料成本；
材料组成流量计算结果涉及材料重量流量、材料重量存量和材料成本流量三个方面；
具体地，以每n年为单位累积的材料重量流量计算公式如式(2.1)所示：
Mpern＝min·ain-mde·ade (2.1)
式中，min表示单位面积材料重量投入量；ain表示投入时建筑的总建筑面积；mde表示单位面积材料重量拆除量；ade表示拆除时建筑的总建筑面积；Mpern表示建筑在投入与拆除时合计的每n年的材料重量；
具体地，以每n年为单位累积的材料重量存量计算公式如式(2.2)所示：
Mi，y＝Mi，y-1+Min，y-Mde，y (2.2)
式中，Mi，y表示第y个单位时间内的材料重量；Mi，y-1表示前一个单位时间内的材料重量，其中，当y取1时，Mi，0即为初始材料重量；Min，y表示第y个单位时间内的材料投入重量；Mde，y表示第y个单位时间内的材料拆除重量；
具体地，以每n年为单位累积的材料成本流量计算公式如式(2.3)所示：
Cpern＝cco·aco+cin·ain-Mde·ere (2.3)
式中，cco表示单位面积施工成本；aco表示施工面积；cin表示单位面积材料成本投入量；ade表示投入时建筑的总建筑面积；Mde表示材料拆除重量；ere表示材料回收系数；Cpern表示建筑在施工、投入和拆除时合计的每n年的材料成本流量；
具体地，在m年内累积的材料重量或材料成本的流量计算公式如式(2.4)所示：
式中，Qpern，y表示第y个单位时间内的材料重量流量或材料成本流量；Qtotal表示在m年内累积的材料重量流量总量或材料成本流量总量；其中，m为n的正整数倍，y取值范围为[1,m/n]。
9.根据权利要求1所述的一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，其特征在于：所述步骤S6的通过输出最优解模块，使用指标归一化和指标赋权方法处理建筑存量更新情景模拟的输出结果，通过加权求和方法计算不同权重下建筑各项资源环境性能的综合效益，比较并选择动态评估的最优解，得出建筑存量更新的最优策略，具体包括：
步骤S6-1：对建筑存量更新情景模拟结果的资源环境性能指标值进行归一化处理并输出雷达图结果；
步骤S6-2：对指标归一化值进行赋权，通过加权求和方法计算不同权重下建筑资源环境性能的综合效益；
步骤S6-3：根据雷达图和综合效益比较并选择动态评估的最优解，得出建筑存量更新的最优策略。
10.根据权利要求9所述的一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统，其特征在于：所述的使用指标归一化和指标赋权方法处理建筑存量更新情景模拟的输出结果，通过加权求和方法计算不同权重下建筑各项资源环境性能的综合效益，具体包括：
参与归一化计算的5项资源环境性能指标包括一次能源消耗、全球变暖潜能值、成本、材耗和状态值，其中一次能耗、全球变暖潜能值、成本和材耗取建筑运行m年后投入过程和运行过程合计的每年的单位面积累积值，状态值取建筑在m年内的平均值；
指标值的归一化计算如式(3.1)所示：
式中，x为真实值；xmin为数组的最小值；xmax为数组的最大值；f(x)为归一化值，取值区间为[0,1]，定义归一化结果的最优取值为1；
其中，一次能源消耗、全球变暖潜能值、成本和材耗这4项指标的归一化需做负数化处理，如式(3.2)所示：
f(x′)＝1-f(x) (3.2)
式中，f(x)表示经归一化公式计算得到的数值，f(x′)表示经负数化处理后得到的归一化值；
指标值的加权求和计算如式(3.3)所示：
r＝rPE·fPE+rGWP·fGWP+rCOST·fCOST+rMF·fMF+rS·fS (3.3)
式中，rPE表示一次能耗指标的归一化值；rGWP表示全球变暖潜能值指标的归一化值；rCOST表示成本指标的归一化值；rMF表示材耗指标的归一化值；rS表示状态值指标的归一化值；fPE表示一次能耗指标的权重值；fGWP表示全球变暖潜能值指标的权重值；fCOST表示成本指标的权重值；fMF表示材耗指标的权重值；fS表示状态值指标的权重值。
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| CN202310368307.6A CN116244972A (zh) | 2023-04-09 | 2023-04-09 | 一种实现情景模拟的建筑存量资源环境性能动态评估系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117252447A (zh) * | 2023-11-17 | 2023-12-19 | 山东海晟盐业有限公司 | 一种工业盐生产统计方法及系统 |
| CN117542461A (zh) * | 2024-01-09 | 2024-02-09 | 贵州百胜数源工程技术管理有限公司 | 一种基于大数据的建筑材料环境适应性特征分析与优化系统 |
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| CN118587040A (zh) * | 2024-08-06 | 2024-09-03 | 广州市市政工程设计研究总院有限公司 | 基于bim技术的桥梁碳排放和成本测算及优化平台、方法、计算机设备和存储介质 |
-
2023
- 2023-04-09 CN CN202310368307.6A patent/CN116244972A/zh active Pending
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