BIM技術(shù)在傳統(tǒng)民居建筑能耗分析中的應(yīng)用研究
——以土家族三合水民居為例 ＊

王瑞陽 曾旭東 Wang Ruiyang Zeng Xudong

1 研究背景

黨的十九大提出推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和新農(nóng)村建設(shè)，2018年1月2日，中共中央、國務(wù)院發(fā)布《中共中央國務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》，做出鄉(xiāng)村振興的重大戰(zhàn)略部署。2021年3月13日，《十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》第七篇提出，走中國特色社會主義鄉(xiāng)村振興道路，全面實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。為響應(yīng)國家政策號召，給鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的具體實(shí)施提供參考路徑，本文致力于探索以BIM量化分析技術(shù)為建筑正向設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)，搭建BIM建筑信息模型，并以重慶土家族三合水民居為例進(jìn)行在地性建筑設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化。

2 土家族民居

土家族民居概述

在建筑氣候分區(qū)中，重慶屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季炎熱潮濕，冬季寒冷少雨。一定程度上，這種氣候條件促成了土家族傳統(tǒng)民居形制的產(chǎn)生。重慶多山地，吊腳樓不僅對地形的適應(yīng)性強(qiáng)，還能防潮。因此，井院式木構(gòu)吊腳樓是重慶地區(qū)土家族建筑的常見形式。

吊腳樓是以穿斗式為主的木結(jié)構(gòu)建筑，由立柱支撐，遠(yuǎn)離地面，通風(fēng)較好既能隔離潮氣，又能防止蛇蟲鼠蟻的侵害。對于山地民居的建造而言，以木材為主要建材的吊腳樓可以就地取材，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便。吊腳樓使部分建筑底面完全脫離地表，有利于保持原有地形地貌，廣泛適用于坡地、水域及叢林沼澤等。

2.1 土家族民居的材料形制

土家人多聚居于林木茂盛的山區(qū)，其房屋的主要用料為就地取材的木料、瓦材和石板，分別用于房屋的結(jié)構(gòu)與裝修、屋面和地面。屋面多使用小青瓦，一般不設(shè)基礎(chǔ)，只在柱下設(shè)墊石塊以求防潮、平整。由于南方多雨且地面潮濕，一層地面多為架空設(shè)計(jì)。吊腳樓為廂房，下部空間堆放雜物，屋頂主要為懸山式。

2.1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

土家族居民的圍護(hù)結(jié)構(gòu)多使用裝板做法，裝板在木建筑中相當(dāng)于建筑墻面，其按材料可以分為夾板式裝板、竹編式裝板、可拆卸木裝板。

夾板式裝板常出現(xiàn)于建筑的山墻面，用來填充穿斗、屋架穿枋與木柱之間的空隙。夾板式裝板做法指傳統(tǒng)建筑竹墻的做法，夾板的主體骨架為竹編，用黏土與谷殼等混合材料外貼后，再在外表面刷一層白石灰。竹編式裝板指土家族人采用的一種燎竹編織的裝板，燎竹具有中空小、竹結(jié)變化小、細(xì)長等特點(diǎn)，其編制手法非常粗獷，粗糙的表面讓建筑表皮的肌理更為多樣?？刹鹦赌狙b板常見于集鎮(zhèn)商戶柜臺的上店面與大門，比普通的落堂壁更厚，厚度一般為200～400mm。為了安全穩(wěn)固，在朝向室內(nèi)一面還設(shè)置了頂門杠，在建筑中起到采光和保障安全的作用。

2.1.2 建筑構(gòu)件

柱子用料以筆直的杉木為佳，土家族吊腳樓的穿斗式構(gòu)架拉結(jié)力強(qiáng)，對用料要求不高，可用樅木替代杉木，但用料大體上是均勻的，滿足結(jié)構(gòu)要求。

室內(nèi)一般采用木地面，院壩使用青石板地面，堂屋為三合土地面，以石灰、粘土、細(xì)沙按一定比例分層夯實(shí)鋪設(shè)；板壁就地取材，一般采用木板壁；宋代以前，土家族吊腳樓外墻多為木骨泥墻，如今已很少見，且多為附屬用房使用；部分店居型民居、大型吊腳樓民居和公共建筑的山墻常用磚砌筑；門分為實(shí)拼門（以龍骨固定，木板拼搭而成）、框檔門（在木框中鑲嵌木板）和隔扇門（上半部分鑲嵌各類格柵圖案）；窗有直欞窗（僅以木條分隔）、花窗和平開窗（少見）。

1 三合水民居模型

2.2 土家族民居的平面形制

由于重慶地區(qū)土家族民居的構(gòu)成元素較多，不同的設(shè)置也形成了不同的平面形制。為了適應(yīng)山地地形，土家族民居的平面布局大多靈活多變，根據(jù)基本的平面形制，可分為長條形、曲尺形、三合水（凹字形）及四合水（口字形）四種類型。

最初的吊腳樓由長條形三開間的單棟房屋構(gòu)成，又被稱作“座子屋”，是重慶地區(qū)土家族民居住宅最基本的形式——中間為堂屋，兩側(cè)為廂房，廂房上一般有閣樓。在長條形的基礎(chǔ)上加設(shè)房間，就形成了曲尺形的平面形制；座子屋加兩側(cè)廂房，形成“三合水”的平面形制（這種房屋的平面形制一般為正屋三間、五間甚至七間，兩邊出兩間亦或三間，主要取決于居住者的經(jīng)濟(jì)條件和家庭需要）；“四合水”則是在“三合水”平面形制的兩廂房之間加上山門。

3 模擬結(jié)果及方案對比

3.1 建立分析模型

（1）在基礎(chǔ)參數(shù)測算完畢后，將其輸入ArchiCAD軟件，建立適合BIM平臺的材料庫。首先，在選項(xiàng)菜單欄選擇元素信息，其中建筑材料一欄可調(diào)出ArchiCAD自帶的材料信息，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行材料庫優(yōu)化。然后，在對話框中新建材料，并根據(jù)相關(guān)信息重新命名。將測量數(shù)據(jù)如導(dǎo)熱性、密度、比熱容等參數(shù)錄入建筑材料數(shù)據(jù)庫，并將結(jié)構(gòu)外觀等信息補(bǔ)充完整。

（2）建立有效的包絡(luò)建筑結(jié)構(gòu)和主要室內(nèi)結(jié)構(gòu)的模型，方便自動生成區(qū)域。導(dǎo)入EPW格式或STAT格式的氣候數(shù)據(jù)文件，或輸入經(jīng)緯度，從Eco Designer的數(shù)據(jù)庫中獲取信息（如溫度、濕度、日照輻射、風(fēng)速）。

（3）使用區(qū)域工具點(diǎn)選室內(nèi)封閉空間，可自動生成相應(yīng)模型，若需修改，可通過更新區(qū)域工具自動調(diào)整區(qū)域范圍，將建筑設(shè)備配置相同的區(qū)域放進(jìn)同一個熱量區(qū)中。

（4）在運(yùn)營配置文件中可定義人類熱能獲取量、公共熱水復(fù)合、濕度荷載以及運(yùn)營時間配置，然后將運(yùn)營配置文件賦予熱量區(qū)。

（5）設(shè)定熱量區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)及熱量區(qū)門窗洞口參數(shù)，為熱量區(qū)分配建筑設(shè)備系統(tǒng)，并設(shè)定參數(shù)及運(yùn)行時間表（圖1）。

3.2 建筑材料測試——復(fù)合材料方案

設(shè)置好基礎(chǔ)參數(shù)后，即可對原始材料與新建復(fù)合材料進(jìn)行模擬比較，從而達(dá)到優(yōu)化改造的目的。本文以樺木和摻加了軟纖維保溫隔熱層的復(fù)合材料的模擬對比為例。

首先，從整體上來看（表1），復(fù)合材料組在能量消耗、燃料消耗、一次能量消耗等指標(biāo)中均比對照組低，建筑外殼平均傳熱系數(shù)和外部傳熱系數(shù)閾值也明顯減少。在能量平衡對比中可以看出（圖2），冬季加熱所需供應(yīng)的能量明顯減少，傳輸散失的能量也較對照組更少；從主要使用房間（土家族民居臥室）來看，內(nèi)部最低溫度較對照組高0.98℃，最高溫度低2.76℃；傳輸所需供應(yīng)能量減少2 656.1kW·h/年，傳輸、通風(fēng)、冷卻散失的能量也較對照組更少；以3、6、9、12月的第一天為例觀察每日溫度配置，夏季復(fù)合材料組內(nèi)部最高溫度低了近2℃，春季與秋季的差別不明顯，冬季的室內(nèi)最低溫度和最高溫度都比對照組高。

2 原始材料與復(fù)合材料對比的能量平衡圖

3.3 建筑制式測試——通風(fēng)間層改造方案

在原方案的基礎(chǔ)上，對建筑屋頂下方空間進(jìn)行改造，形成同房間層。具體措施為在二層空間上部設(shè)置通風(fēng)層樓板（在ArchiCAD模型中將樓板定義為三層平面），在墻體上部開洞，使頂層空氣流通。

將通風(fēng)層設(shè)定為新區(qū)域，且所有通風(fēng)層區(qū)域劃入同一熱量區(qū)，為通風(fēng)層熱量區(qū)設(shè)定自然通風(fēng)系統(tǒng)，采用默認(rèn)配置，熱量區(qū)運(yùn)營配置文件設(shè)置為“無條件”。新增通風(fēng)間層的方案為通風(fēng)層改造組（簡稱“通風(fēng)組”），原始方案為對照組，通過Eco Designer對兩組模型進(jìn)行能耗分析，對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

通過對比項(xiàng)目關(guān)鍵值可以看出（表2），經(jīng)過通風(fēng)層改造后，建筑外殼平均傳熱系數(shù)降低了0.18W/m2·K，且每年各項(xiàng)能量消耗有明顯降低。通過項(xiàng)目能量平衡對比可以看出（圖3），通風(fēng)組與對照組的能量消耗峰值與全年能量消耗分布非常相近。但在散失能量的構(gòu)成上，通風(fēng)組于夏季通過自然通風(fēng)散失的熱量顯著高于對照組；相應(yīng)的，通風(fēng)組通過機(jī)械制冷散失的熱量更少，在夏季能有效減少建筑能耗。

3.4 建筑平面布局測試——與曲尺形對比

長條形民居的單位面積能耗較低，增加設(shè)備后建筑凈能耗沒有明顯提升。曲尺形和三合水形制的民居單位面積能耗相近，在加入建筑設(shè)備后的能耗增加明顯，因此排除設(shè)備的影響，后續(xù)研究將全部采用帶設(shè)備的模型進(jìn)行比較，并且將體形系數(shù)和體量相差略大的經(jīng)常使用的三合水民居和曲尺形民居進(jìn)行對比。

通過對比項(xiàng)目關(guān)鍵值可以看出（表2），三合水民居比曲尺形民居建筑外殼的平均傳熱系數(shù)高0.09W/m2·K。通過項(xiàng)目能量平衡對比可以看出（圖4），三合水民居和曲尺形民居雖然在夏季的能量消耗峰值相近（除去最熱的幾周），但是全年能量消耗分布差異較大，冬季曲尺形民居的能量消耗是三合水民居的1.2倍。但在散失能量的構(gòu)成上，三合水民居夏季通過自然通風(fēng)散失的熱量顯著高于曲尺形民居。由于建筑平面的改變，兩組全年能量消耗分布并不相同，尤其在最冷月與最熱月的差異最顯著。

表1 樺木與復(fù)合材料對比的關(guān)鍵值

表2 三合水民居有無通風(fēng)層與曲尺形民居對比的主要使用房間關(guān)鍵值

3 有無通風(fēng)層對比的能量平衡圖

4 三合水民居與曲尺形民居對比的能量平衡圖

4 結(jié)語

從整體能耗生成分析來看，當(dāng)僅增加復(fù)合材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，建筑總體能耗有所降低，在冬夏兩季的室內(nèi)溫度變化也較為明顯。從模擬分析數(shù)值來看，使用保溫材料和原材料共同作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所消耗及散失的能量比僅僅使用原材料時的數(shù)值更低。本文以樺木與摻加了軟纖維保溫隔熱層的復(fù)合材料的對比為例，探究了復(fù)合材料與單一材料方案的能耗差異，為后續(xù)土家族建筑制式及建筑平面布局的測試提供了研究基礎(chǔ)。

在建筑制式方面，研究了土家族建筑比較有特色的自然通風(fēng)層，其使用可在一定程度上降低建筑的內(nèi)部溫度，雖然降溫效果不如空調(diào)系統(tǒng)，但是自然通風(fēng)層的設(shè)置不僅可以節(jié)約大量能耗，還能保證房間內(nèi)空氣的清潔度。對于農(nóng)村地區(qū)而言，這種方式既綠色節(jié)能又成本低廉，因此在未來的建筑改造中，應(yīng)適當(dāng)保留建筑通風(fēng)層部分，或與其他改造措施協(xié)同應(yīng)用。

從平面布局來看，三合水民居和曲尺形民居的年總能量消耗與散失值基本相同，但是總體分布相差較大，根據(jù)土家族居民在冬夏兩季的不同需求，可選擇不同的平面形制。

圖片來源

1?4 作者自繪

表格來源

1?2 作者自繪