基于BIM技術(shù)的關(guān)中地區(qū)農(nóng)村住宅節(jié)能創(chuàng)新設(shè)計
——以關(guān)中農(nóng)村住宅為例

趙文輝 （陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723000）

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加速，能源消耗總量逐年上升。面對有限的資源承載力，推進(jìn)建筑節(jié)能，實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略勢在必行。目前，城市建筑已執(zhí)行相關(guān)節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)使建筑能耗顯著降低。然而，鄉(xiāng)村建筑多為居民自行建造，缺乏科學(xué)設(shè)計，因此，部分建筑存在著如熱工性能差、能耗高、室內(nèi)熱環(huán)境不理想等問題。

農(nóng)村住宅建筑在我國整個住宅建筑中占到全國總建筑面積的51%以上，農(nóng)村住宅建筑的前期設(shè)計不僅影響建筑運(yùn)行過程中的能源消耗，而且直接影響到廣大鄉(xiāng)村居民的人居環(huán)境質(zhì)量。

目前關(guān)中地區(qū)農(nóng)村現(xiàn)存2大類民居：傳統(tǒng)生土民居及簡易型磚混民居，且由于相關(guān)的農(nóng)村民居設(shè)計規(guī)范的稀缺，導(dǎo)致關(guān)中的民居在節(jié)能設(shè)計方面存在很大的缺失，從而導(dǎo)致建筑在能源方面耗費(fèi)巨大。目前，傳統(tǒng)生土民居僅存少數(shù)，大部分民居為村民自建的簡易型磚混民居。自建磚混民居的屋頂未設(shè)置保溫層，外墻多為240厚實心粘土磚墻，外窗多為面積較大的木窗，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)較大，建筑熱工性能差。由于民居建筑被動式設(shè)計的缺失，建筑整體熱工性能較差，當(dāng)?shù)鼐用裰荒芤蕾囷L(fēng)扇、火爐等設(shè)備以及大量增減衣物，才能維持最基本的熱舒適。因此這種舒適度差且能耗巨大的問題急需解決。

近年關(guān)中地區(qū)農(nóng)村的飛速發(fā)展，農(nóng)村住宅也得加快改進(jìn)。再加之關(guān)中地區(qū)面積相對較大，人口多、住房集中，創(chuàng)新的節(jié)能房屋設(shè)計可以進(jìn)一步推廣，有很大的實際意義。

2 研究方法

前期對關(guān)中地區(qū)民用建筑進(jìn)行實地調(diào)研。調(diào)研民用住宅的建筑主要朝向、功能分區(qū)、低能耗設(shè)計、建筑材料的選擇以及當(dāng)?shù)厝藢ψ≌孢m度的評價。近年來，國家對建筑節(jié)能的重視以及人們對住宅居住舒適度要求的提升，農(nóng)村高能耗、舒適度差且未進(jìn)行合理設(shè)計的民居即將面臨過時被淘汰。針對以上這些方面的調(diào)研通過采用能耗軟件進(jìn)行分析，以相應(yīng)的分析結(jié)果為基礎(chǔ)對關(guān)中農(nóng)村民居進(jìn)行節(jié)能創(chuàng)新改善設(shè)計。通過BIM系列軟件中EcotectAnalysis軟件對節(jié)能設(shè)計進(jìn)行論證與評估。

3 研究結(jié)果

3.1 建筑朝向

通過EcotectAnalysis軟件中的weathertool對關(guān)中典型地區(qū)寶雞進(jìn)行建筑最佳朝向進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖1。

圖1

關(guān)中地區(qū)地處夏熱冬冷區(qū)域，根據(jù)圖1分析得出關(guān)中地區(qū)建筑最佳朝向為南偏東15。。在關(guān)中農(nóng)村地區(qū)民居朝向沒有規(guī)則亦未經(jīng)過合理的規(guī)劃，住宅街道的朝向幾乎每個方向都有涉及。以寶雞市岐山縣太慈村為例，住宅街道南北向的居多，導(dǎo)致住宅大多為東西朝向，從而使得建筑的熱環(huán)境舒適度極差，尤其是夏天室內(nèi)平均溫度幾乎為30℃酷熱難耐。因地制宜的建筑朝向?qū)ㄖ邮孢m度有一定的提高作用。

3.2 功能分區(qū)

根據(jù)《住宅設(shè)計規(guī)范》（GB50096-2011）的相關(guān)規(guī)定，住宅建筑主要功能房間應(yīng)該設(shè)置在該設(shè)計區(qū)域的最好朝向處。關(guān)中民用住宅大多數(shù)都依地形而建，并沒有過多地注意《住宅設(shè)計規(guī)范》中所提到的最優(yōu)功能分區(qū)，這也是關(guān)中民用住宅居住舒適度差的重要原因之一。關(guān)中地區(qū)地處黃土高原上，通過BIM分析軟件EcotectAnalysis對前期所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析結(jié)果如下圖。

全年主導(dǎo)風(fēng)向分析

逐月主導(dǎo)風(fēng)向分析

根據(jù)分析結(jié)果得出關(guān)中地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向主要為西北風(fēng)，結(jié)合建筑最優(yōu)朝向分析得出平面功能布置的結(jié)果，民宅主要功能（臥室、客廳、餐廳）應(yīng)該朝南偏東15。方向布置，這樣有利于通風(fēng)采光，相比之前東西向室內(nèi)居住舒適度會有所提高，BIM軟件分析如下圖。

3.3 低能耗設(shè)計

對于關(guān)中地區(qū)民居住宅的低能耗設(shè)計主要以被動式節(jié)能策略為主，其次以對建筑構(gòu)造、材料的選型為輔，此兩者結(jié)合可以有效地減少建筑的能耗。將節(jié)能設(shè)計置入BIM軟件EcotectAnalysis中，對其進(jìn)行建筑節(jié)能的可行性。

3.4 EcotectAnalysis建模

1.三維可視界面

2.三維可編輯界面

根據(jù)前面的數(shù)據(jù)分析，建模主要有以下幾個方面。

3.4.1 墻體

傳統(tǒng)的墻體構(gòu)造為“水泥砂漿-實心黏土磚-水泥砂漿-瓷磚飾面”這種墻體構(gòu)造導(dǎo)熱系數(shù)大，對于室內(nèi)熱環(huán)境舒適度極為不利，室內(nèi)溫濕度變化與室外溫濕度此變化相差不大，建筑的耗能較大，如不增加主動式輔助設(shè)備則無法達(dá)到宜于人居的溫濕度。將墻體構(gòu)造改為“水泥砂漿-磚墻-泡沫塑料-磚墻-水泥砂漿瓷磚飾面”這樣室內(nèi)溫度不易流失，室外高溫對室內(nèi)影響也比較小，也能減少建筑的能耗。構(gòu)造簡圖如下。

傳統(tǒng)墻體構(gòu)造

保溫隔熱墻體構(gòu)造

3.4.2 門窗洞口大小及其構(gòu)造

門窗洞口大小嚴(yán)格按照《住宅設(shè)計規(guī)范》（GB 50096-2011）所要求的窗地比1/6～1/4進(jìn)行開口。材料構(gòu)造方面主要采用中空玻璃、鍍膜玻璃，提高材料（玻璃、窗框材料）的光學(xué)性能、熱工性能和密封性，改善門窗的構(gòu)造。

門構(gòu)造簡圖

窗戶構(gòu)造簡圖

3.4.3 屋頂構(gòu)造

屋頂構(gòu)造主要以保溫隔熱為主。傳統(tǒng)的屋頂構(gòu)造主要是“白色涂料-水泥砂漿-樓板-水泥砂漿-油氈防水層-保護(hù)層”這種屋頂構(gòu)造的熱工性能非常差，室內(nèi)的環(huán)境舒適度也會受到很大的影響。將傳統(tǒng)的屋頂構(gòu)造由室內(nèi)-室外更改為“白色涂料-水泥砂漿-結(jié)構(gòu)層-找平層-結(jié)合層-隔汽層-保溫層-找平層-結(jié)合層-油氈防水層-保護(hù)層”，這樣房間的環(huán)境熱舒適度會達(dá)到人宜居的狀態(tài)。

屋頂構(gòu)造簡圖

天花板構(gòu)造簡圖

3.4.4被動式太陽能設(shè)計

關(guān)中地區(qū)夏熱冬冷，因此夏季需需充分考慮防暑降溫，冬季需考慮保溫采暖。對于夏季防暑降溫主要從遮陽和加強(qiáng)自然通風(fēng)這2方面著手進(jìn)行設(shè)計，遮陽主要采用遮陽板以及窗簾等構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計，對于加強(qiáng)自然通風(fēng)則以門窗洞口的合理開口大小以及室內(nèi)氣流循環(huán)設(shè)計為主；冬季采暖保溫主要以加強(qiáng)門窗氣密性以及室內(nèi)對于太陽能的采取能力大小進(jìn)行設(shè)計，其主體構(gòu)造如下圖。

如左圖所示，底層采用直接受益窗，屋頂采用豎向天窗，這樣對于太陽能的采取相比傳統(tǒng)的門窗對于太陽能的采取能力會明顯提高，同時加強(qiáng)門窗的氣密性使得室內(nèi)溫度不易流失，這樣相比傳統(tǒng)的冬季室內(nèi)環(huán)境溫度明顯有提高室內(nèi)溫度的作用。

對于夏季防暑降溫主要在開窗大小以及采用遮陽板等設(shè)計和構(gòu)造上進(jìn)行處理，同時直接受益窗底部開設(shè)通風(fēng)口與天窗形成氣流循環(huán)，加強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)。

4 BIM-EcotectAnalysis被動式節(jié)能分析

將節(jié)能設(shè)計的相關(guān)材料數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM-Ecotect Analysis中，進(jìn)行設(shè)計可行性分析，分析結(jié)果如下圖。

①未加被動式設(shè)計的熱舒適度

②加強(qiáng)自然通風(fēng)設(shè)計的熱舒適度

③自然通風(fēng)+被動式太陽能熱舒適度

④采用多種被動式設(shè)計熱舒適度

通過上面被動式設(shè)計對室內(nèi)環(huán)境熱舒適度的作用分析，從圖示中可以明顯看到通過被動式節(jié)能設(shè)計在不增加其他主動式輔助設(shè)備的情況下，室內(nèi)環(huán)境熱舒適度范圍在擴(kuò)大。因此，節(jié)能創(chuàng)新設(shè)計對關(guān)中地區(qū)民居住宅的節(jié)能有顯著的提高作用。

5 小結(jié)

BIM軟件分析結(jié)果表明，該地區(qū)農(nóng)村建筑采用適合的節(jié)能設(shè)計可有效提高室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，本研究可為關(guān)中及同類地區(qū)的鄉(xiāng)村民居設(shè)計提供理論參考。EcotectAnalysis2010在熱環(huán)境分析方面提供了逐時溫度分析、逐時得失熱量分析、逐月能耗分析、逐月不舒適度分析、溫度分布分析等分析功能與手段。通過解讀這些模擬結(jié)果，可以有效地幫助建筑師改進(jìn)設(shè)計方案的熱工性能，選擇有效的技術(shù)手段提高建筑的相關(guān)性能。

因此，建筑節(jié)能設(shè)計不僅需要考慮建筑能耗水平控制，還需要兼顧建筑空間光熱等環(huán)境熱舒適度要求。數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于建筑節(jié)能設(shè)計研究和實踐中，節(jié)約成本，更加高效。