基于BIM技術的關中地區農村住宅節能創新設計
——以關中農村住宅為例

趙文輝 （陜西理工大學土木工程與建筑學院，陜西 漢中 723000）

1 研究背景

隨著我國經濟的高速發展，城鎮化進程不斷加速，能源消耗總量逐年上升。面對有限的資源承載力，推進建筑節能，實施可持續發展戰略勢在必行。目前，城市建筑已執行相關節能設計標準使建筑能耗顯著降低。然而，鄉村建筑多為居民自行建造，缺乏科學設計，因此，部分建筑存在著如熱工性能差、能耗高、室內熱環境不理想等問題。

農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，農村住宅建筑的前期設計不僅影響建筑運行過程中的能源消耗，而且直接影響到廣大鄉村居民的人居環境質量。

目前關中地區農村現存2大類民居：傳統生土民居及簡易型磚混民居，且由于相關的農村民居設計規范的稀缺，導致關中的民居在節能設計方面存在很大的缺失，從而導致建筑在能源方面耗費巨大。目前，傳統生土民居僅存少數，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，圍護結構的傳熱系數較大，建筑熱工性能差。由于民居建筑被動式設計的缺失，建筑整體熱工性能較差，當地居民只能依賴風扇、火爐等設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。

近年關中地區農村的飛速發展，農村住宅也得加快改進。再加之關中地區面積相對較大，人口多、住房集中，創新的節能房屋設計可以進一步推廣，有很大的實際意義。

2 研究方法

前期對關中地區民用建筑進行實地調研。調研民用住宅的建筑主要朝向、功能分區、低能耗設計、建筑材料的選擇以及當地人對住宅舒適度的評價。近年來，國家對建筑節能的重視以及人們對住宅居住舒適度要求的提升，農村高能耗、舒適度差且未進行合理設計的民居即將面臨過時被淘汰。針對以上這些方面的調研通過采用能耗軟件進行分析，以相應的分析結果為基礎對關中農村民居進行節能創新改善設計。通過BIM系列軟件中EcotectAnalysis軟件對節能設計進行論證與評估。

3 研究結果

3.1 建筑朝向

通過EcotectAnalysis軟件中的weathertool對關中典型地區寶雞進行建筑最佳朝向進行分析，分析結果如圖1。

圖1

關中地區地處夏熱冬冷區域，根據圖1分析得出關中地區建筑最佳朝向為南偏東15。。在關中農村地區民居朝向沒有規則亦未經過合理的規劃，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，導致住宅大多為東西朝向，從而使得建筑的熱環境舒適度極差，尤其是夏天室內平均溫度幾乎為30℃酷熱難耐。因地制宜的建筑朝向對建筑居舒適度有一定的提高作用。

3.2 功能分區

根據《住宅設計規范》（GB50096-2011）的相關規定，住宅建筑主要功能房間應該設置在該設計區域的最好朝向處。關中民用住宅大多數都依地形而建，并沒有過多地注意《住宅設計規范》中所提到的最優功能分區，這也是關中民用住宅居住舒適度差的重要原因之一。關中地區地處黃土高原上，通過BIM分析軟件EcotectAnalysis對前期所收集的數據進行整理分析結果如下圖。

全年主導風向分析

逐月主導風向分析

根據分析結果得出關中地區主導風向主要為西北風，結合建筑最優朝向分析得出平面功能布置的結果，民宅主要功能（臥室、客廳、餐廳）應該朝南偏東15。方向布置，這樣有利于通風采光，相比之前東西向室內居住舒適度會有所提高，BIM軟件分析如下圖。

3.3 低能耗設計

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

3.4 EcotectAnalysis建模

1.三維可視界面

2.三維可編輯界面

根據前面的數據分析，建模主要有以下幾個方面。

3.4.1 墻體

傳統的墻體構造為“水泥砂漿-實心黏土磚-水泥砂漿-瓷磚飾面”這種墻體構造導熱系數大，對于室內熱環境舒適度極為不利，室內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備則無法達到宜于人居的溫濕度。將墻體構造改為“水泥砂漿-磚墻-泡沫塑料-磚墻-水泥砂漿瓷磚飾面”這樣室內溫度不易流失，室外高溫對室內影響也比較小，也能減少建筑的能耗。構造簡圖如下。

傳統墻體構造

保溫隔熱墻體構造

3.4.2 門窗洞口大小及其構造

門窗洞口大小嚴格按照《住宅設計規范》（GB 50096-2011）所要求的窗地比1/6～1/4進行開口。材料構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）的光學性能、熱工性能和密封性，改善門窗的構造。

門構造簡圖

窗戶構造簡圖

3.4.3 屋頂構造

屋頂構造主要以保溫隔熱為主。傳統的屋頂構造主要是“白色涂料-水泥砂漿-樓板-水泥砂漿-油氈防水層-保護層”這種屋頂構造的熱工性能非常差，室內的環境舒適度也會受到很大的影響。將傳統的屋頂構造由室內-室外更改為“白色涂料-水泥砂漿-結構層-找平層-結合層-隔汽層-保溫層-找平層-結合層-油氈防水層-保護層”，這樣房間的環境熱舒適度會達到人宜居的狀態。

屋頂構造簡圖

天花板構造簡圖

3.4.4被動式太陽能設計

關中地區夏熱冬冷，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自然通風這2方面著手進行設計，遮陽主要采用遮陽板以及窗簾等構件進行設計，對于加強自然通風則以門窗洞口的合理開口大小以及室內氣流循環設計為主；冬季采暖保溫主要以加強門窗氣密性以及室內對于太陽能的采取能力大小進行設計，其主體構造如下圖。

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的門窗對于太陽能的采取能力會明顯提高，同時加強門窗的氣密性使得室內溫度不易流失，這樣相比傳統的冬季室內環境溫度明顯有提高室內溫度的作用。

對于夏季防暑降溫主要在開窗大小以及采用遮陽板等設計和構造上進行處理，同時直接受益窗底部開設通風口與天窗形成氣流循環，加強室內自然通風。

4 BIM-EcotectAnalysis被動式節能分析

將節能設計的相關材料數據導入BIM-Ecotect Analysis中，進行設計可行性分析，分析結果如下圖。

①未加被動式設計的熱舒適度

②加強自然通風設計的熱舒適度

③自然通風+被動式太陽能熱舒適度

④采用多種被動式設計熱舒適度

通過上面被動式設計對室內環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能設計在不增加其他主動式輔助設備的情況下，室內環境熱舒適度范圍在擴大。因此，節能創新設計對關中地區民居住宅的節能有顯著的提高作用。

5 小結

BIM軟件分析結果表明，該地區農村建筑采用適合的節能設計可有效提高室內熱環境質量，本研究可為關中及同類地區的鄉村民居設計提供理論參考。EcotectAnalysis2010在熱環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果，可以有效地幫助建筑師改進設計方案的熱工性能，選擇有效的技術手段提高建筑的相關性能。

因此，建筑節能設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境熱舒適度要求。數字技術應用于建筑節能設計研究和實踐中，節約成本，更加高效。