基于BIM 技術寒冷地區近零能耗農宅技術經濟分析

張旭東 ZHANG Xu-dong；劉海龍 LIU Hai-long；張曉華 ZHANG Xiao-hua；馬凱 MA Kai；王相博 WANG Xiang-bo

（①寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；②吳忠市紅寺堡區住房城鄉建設和交通局，吳忠 751900）

0 引言

2020年，我國建筑運行的碳排放量為21.8 億t，建筑建造的碳排放量為15 億t，建筑運行和建造的碳排放量約占全社會碳排放量的36%[1]。因此，建筑領域的能源消耗和碳排放問題引來越來越多的學者關注。目前，我國節能工作正在從節能向“減碳”方向進一步邁進，其中對于推動城鄉綠色低碳建設轉型有著顯著作用，加快鄉村振興的步伐，提高節能減排的要求，不斷更新建筑節能技術，努力建造超低能耗的農村住宅，推動近零能耗建筑在鄉村地區的推廣和發展，運用BIM 技術建立Revit 建筑模型，實現“雙碳”目標有利于推動經濟結構的綠色轉型，加快形成綠色的生產方式和生活方式，助推高質量發展，在降碳的同時減少污染物的排放，從而與環境質量改善產生顯著的協同增效作用。

1 BIM 技術

1.1 近零能耗建筑

過去十年，在我國建筑節能領域，近零能耗建筑在我國被大力推廣[2]。零能耗一詞是建筑領域十分常見的詞匯，其主要特點是不需要利用常規不可再生能源進行制熱[3]，而零能耗建筑由于諸多限制，“近零能耗”建筑就隨之而誕生。

1.2 項目概況

本文以寧夏石嘴山市平羅縣寶豐鎮興勝村零碳住宅示范工程項目為例，本項目所處位置屬于寒冷地區，建筑結構為框架結構，地上一層，建筑面積120m2。針對寧夏地區干旱寒冷、風沙大、日照強等氣候特點，近零能耗建筑采用直接受益式與附加式被動陽光房，太陽房在冬季白天可以為房間供熱，夜間可作為一個溫度緩沖區減少熱量的散失，同時避免了外門直接接觸室外空氣，大大地降低了冷風侵入耗熱量，減少了室外風沙的進入，提高了房間的氣密性。

1.3 模型的建立與渲染

為了對模型進行最終效果渲染，本文首先利用Revit軟件建立整體模型，然后通過Lumion 轉化，最終利用Mars 完成效果渲染（見圖1）。在該過程中重點與難點集中在不同軟件間互導與轉化需依靠不同插件來完成，如①Revit 軟件建模與Mars 軟件效果渲染之間：首先依靠Revit 軟件建立整體模型，然后借助Lumion 插件導出為DAE 文件格式以實現導入Mars 軟件中能被正常編輯；②Revit 軟件建模與廣聯達計價軟件之間：Revit 模型與廣聯達軟件需借助GFC 插件，以實現將建筑模型導入到廣聯達計價軟件避免二次建模[4]。

圖1 三維農宅Revit 模型圖和渲染圖

1.4 Mars 光輝城市渲染

本項目利用Mars 軟件對模型作了全方位的建筑設計優化渲染，幾乎完成90%的渲染工作，最終呈現導出Ansel超高清圖（見圖2）。首先，利用Mars 軟件對農宅模型補充優化，諸多Revit 中沒有或很難繪制的模型在Mars 中補充布置，例如，農宅部分家具模型，周圍的花草樹木，以及人物模型等。其次，對農宅建筑的材料材質選取更換，達到要求的最佳結果，模擬出最真實的虛擬農宅模型。前提條件是進行Revit 建模時必須將每個模塊準確分開，不然材質渲染時會大面積的相同，無法做到精確渲染。

圖2 Mars 光輝城市渲染效果圖

2 近零能耗農宅節能技術分析

本文近零能耗技術主要應用于圍護結構、熱回收系統、水資源利用、太陽能一體化四個方面，對應項目技術分析如下：

2.1 圍護結構技術分析

近零能耗農宅圍護結構部分主要解決保溫性能不足問題，本示范工程外墻構造采用200mm 的ALC 蒸壓加氣混凝土條板+200mm 的石墨基EPS 保溫板，其綜合傳熱系數為0.15W/（m2·℃），而傳統普通砌體結構傳熱系數為0.41W/（m2·℃）。外圍護結構氣密性設計采用連續并包圍整個建筑外圍護結構的氣密性，外門窗與門窗洞口之間的縫隙、穿墻管與墻面之間的縫隙及不同圍護結構交界處的縫隙均用氣密性材料進行密封，使得建筑氣密性小于0.6次/h。外圍護結構無熱橋設計主要是為了消除外圍護結構熱橋，近零能耗建筑采用連續性保溫系統，在屋面與地面之間采用連續性保溫，防止在各種構件的連接處出現結構性熱橋，造成熱量的散失。

普通農宅外窗傳熱系數一般情況下為6.4W/（m2·℃），本項目中外窗采用三玻兩腔塑鋼窗（5 超白+12Ar+5 超白+12Ar+5 超白），其綜合傳熱系數為1.2W/（m2·℃）（見圖3），夏季太陽得熱系數≥0.45，冬季太陽得熱系數≤3.0，兩種外窗的傳熱系數差別之大，三玻兩腔塑鋼玻璃窗大大地提高了保溫性能[5]。

圖3 普通與近零能耗農宅傳熱系數柱形圖

2.2 熱回收系統技術分析

近零能耗建筑采用換熱效率大于75%的高效熱回收系統（見圖4），裝在本工程120m2房間里面，房間有一個客廳、兩個臥室，居住人口為4 人，每人最小新風量按30m2/h 計算，新風系統總風量為120m2/h。

圖4 熱回收系統技術分析餅狀圖

2.3 水資源利用系統技術分析

黑水、灰水資源利用系統主要是將“黑水”收集在黑水三格化糞池中，經過處理后消除大多數病原微生物和寄生蟲卵，達到對糞便的無害化要求，用于灌溉農作物；將“灰水”收集到灰水化糞池中處理過后直接用于灌溉周圍綠化。

2.4 太陽能一體化系統

在寒冷地區太陽能資源還是十分豐富的，零碳建筑屋面設計是BIPV 太陽能光伏建筑一體化屋面。BIPV 光伏建筑一體化是一種將太陽能發電（光伏）產品集成到建筑上的技術，該系統可同時滿足建筑的供電、供熱水及采暖需求。

3 經濟造價分析

經濟造價分析見表1。

表1 單項工程預算分析對比表

3.1 保溫系統造價分析

普通農宅與近零能耗農宅保溫系統對比分析可知，普通農宅一般沒有保溫系統，而近零能耗農宅地面保溫系統主要240mm 厚的EPS 保溫層，綜合造價11455.05 元；墻面保溫系統是200mm 厚EPS 保溫板，綜合單價18501.88元；屋面保溫系統主要是260mm 厚EPS 保溫板，綜合單價12880.04 元；經粗略計算氣密性膠帶工程量為454.2m，造價為9084 元。綜合來看整個近零能耗農宅的保溫系統造價比普通農宅高出48944.06 元，見圖5。其中地面保溫造價占整體保溫系統的22%，墻面保溫占整體保溫系統36%，屋面保溫占整體保溫系統25%，氣密性膠帶占整體保溫系統17%，見圖6。

圖5 近零能耗農宅保溫系統合價柱形圖

圖6 近零能耗農宅保溫系統合價餅狀圖

3.2 門窗工程造價分析

普通農宅和近零能耗農宅門窗工程造價對比分析，普通農宅常用木門單價5780.3 元，金屬塑鋼門單價667.18元，鋼制防火防盜門單價1256.37 元，門工程造價合計7703.85 元；近零能耗農宅常用木門單價16254 元，隔熱鋁合金型材中空玻璃門單價4278 元，鋼制防火防盜門單價3686.4 元，門工程造價合計24218.4 元。普通農宅窗戶工程主要是隔熱鋁合金窗，造價為20496.05 元；近零能耗農宅窗戶工程主要是三玻兩腔塑鋼斷橋窗，造價為53424元，見圖7。

圖7 普通農宅與近零能耗農宅門窗工程柱形圖

3.3 太陽能系統和新風系統造價分析

普通農宅中沒有近零能耗農宅建筑安裝的太陽能系統和新風系統，太陽能系統包含了太陽能光伏板和儲能設備，其中太陽能光伏板總造價50000 元，儲能設備造價50000 元，合計100000 元；新風系統造價7000 元。

3.4 造價分析

查閱相關設計規范，按《全國統一建筑工程預算工程量計算規則》，對普通農宅和近零能耗農宅的結構和構造做法進行對比分析后，分別按照傳統普通式和近零能耗農宅構造做法掛清單定額，最終算出普通農宅總造價為20.71 萬元， 單方造價1726.22 元；近零能耗農宅總造價為42.93 萬元，單方造價3577.15 元。綜合分析可知，近零能耗農宅建筑比普通農宅總造價高22.22 萬元，單方造價高了1850.93 元，計算出造價如圖8、圖9 所示[6]。

圖8 普通農宅與近零能耗農宅綜合造價條形圖

圖9 普通農宅與近零能耗農宅單位造價條形圖

4 結論

綜上所述，綠色建筑快速發展的同時借助BIM 技術，推動建筑行業的數字化轉型。本文通過運用BIM 技術，建立Revit 農宅模型，在Mars 渲染下，更加直觀地預覽農宅建筑成型效果，同時靈活運用GFC 插件，將Revit模型直接導入廣聯達軟件當中進行算量計價，大大縮短了工作時間，減少了工作量。對普通農宅和近零能耗農宅造價分析可知，近零能耗農宅比普通農宅的增量成本主要體現在保溫系統以及氣密性、門窗工程、太陽能和新風系統、給排水工程中，綜合造價比普通農宅造價要高一倍之多，總造價高出22.22 萬元。