基于BIM技术的关中地区农村住宅节能创新设计——以关中农村住宅为例

赵文辉 （陕西理工大学土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723000）

1 研究背景

随着我国经济的高速发展，城镇化进程不断加速，能源消耗总量逐年上升。面对有限的资源承载力，推进建筑节能，实施可持续发展战略势在必行。目前，城市建筑已执行相关节能设计标准使建筑能耗显著降低。然而，乡村建筑多为居民自行建造，缺乏科学设计，因此，部分建筑存在着如热工性能差、能耗高、室内热环境不理想等问题。

农村住宅建筑在我国整个住宅建筑中占到全国总建筑面积的51%以上，农村住宅建筑的前期设计不仅影响建筑运行过程中的能源消耗，而且直接影响到广大乡村居民的人居环境质量。

目前关中地区农村现存2大类民居：传统生土民居及简易型砖混民居，且由于相关的农村民居设计规范的稀缺，导致关中的民居在节能设计方面存在很大的缺失，从而导致建筑在能源方面耗费巨大。目前，传统生土民居仅存少数，大部分民居为村民自建的简易型砖混民居。自建砖混民居的屋顶未设置保温层，外墙多为240厚实心粘土砖墙，外窗多为面积较大的木窗，围护结构的传热系数较大，建筑热工性能差。由于民居建筑被动式设计的缺失，建筑整体热工性能较差，当地居民只能依赖风扇、火炉等设备以及大量增减衣物，才能维持最基本的热舒适。因此这种舒适度差且能耗巨大的问题急需解决。

近年关中地区农村的飞速发展，农村住宅也得加快改进。再加之关中地区面积相对较大，人口多、住房集中，创新的节能房屋设计可以进一步推广，有很大的实际意义。

2 研究方法

前期对关中地区民用建筑进行实地调研。调研民用住宅的建筑主要朝向、功能分区、低能耗设计、建筑材料的选择以及当地人对住宅舒适度的评价。近年来，国家对建筑节能的重视以及人们对住宅居住舒适度要求的提升，农村高能耗、舒适度差且未进行合理设计的民居即将面临过时被淘汰。针对以上这些方面的调研通过采用能耗软件进行分析，以相应的分析结果为基础对关中农村民居进行节能创新改善设计。通过BIM系列软件中EcotectAnalysis软件对节能设计进行论证与评估。

3 研究结果

3.1 建筑朝向

通过EcotectAnalysis软件中的weathertool对关中典型地区宝鸡进行建筑最佳朝向进行分析，分析结果如图1。

图1

关中地区地处夏热冬冷区域，根据图1分析得出关中地区建筑最佳朝向为南偏东15。。在关中农村地区民居朝向没有规则亦未经过合理的规划，住宅街道的朝向几乎每个方向都有涉及。以宝鸡市岐山县太慈村为例，住宅街道南北向的居多，导致住宅大多为东西朝向，从而使得建筑的热环境舒适度极差，尤其是夏天室内平均温度几乎为30℃酷热难耐。因地制宜的建筑朝向对建筑居舒适度有一定的提高作用。

3.2 功能分区

根据《住宅设计规范》（GB50096-2011）的相关规定，住宅建筑主要功能房间应该设置在该设计区域的最好朝向处。关中民用住宅大多数都依地形而建，并没有过多地注意《住宅设计规范》中所提到的最优功能分区，这也是关中民用住宅居住舒适度差的重要原因之一。关中地区地处黄土高原上，通过BIM分析软件EcotectAnalysis对前期所收集的数据进行整理分析结果如下图。

全年主导风向分析

逐月主导风向分析

根据分析结果得出关中地区主导风向主要为西北风，结合建筑最优朝向分析得出平面功能布置的结果，民宅主要功能（卧室、客厅、餐厅）应该朝南偏东15。方向布置，这样有利于通风采光，相比之前东西向室内居住舒适度会有所提高，BIM软件分析如下图。

3.3 低能耗设计

对于关中地区民居住宅的低能耗设计主要以被动式节能策略为主，其次以对建筑构造、材料的选型为辅，此两者结合可以有效地减少建筑的能耗。将节能设计置入BIM软件EcotectAnalysis中，对其进行建筑节能的可行性。

3.4 EcotectAnalysis建模

1.三维可视界面

2.三维可编辑界面

根据前面的数据分析，建模主要有以下几个方面。

3.4.1 墙体

传统的墙体构造为“水泥砂浆-实心黏土砖-水泥砂浆-瓷砖饰面”这种墙体构造导热系数大，对于室内热环境舒适度极为不利，室内温湿度变化与室外温湿度此变化相差不大，建筑的耗能较大，如不增加主动式辅助设备则无法达到宜于人居的温湿度。将墙体构造改为“水泥砂浆-砖墙-泡沫塑料-砖墙-水泥砂浆瓷砖饰面”这样室内温度不易流失，室外高温对室内影响也比较小，也能减少建筑的能耗。构造简图如下。

传统墙体构造

保温隔热墙体构造

3.4.2 门窗洞口大小及其构造

门窗洞口大小严格按照《住宅设计规范》（GB 50096-2011）所要求的窗地比1/6～1/4进行开口。材料构造方面主要采用中空玻璃、镀膜玻璃，提高材料（玻璃、窗框材料）的光学性能、热工性能和密封性，改善门窗的构造。

门构造简图

窗户构造简图

3.4.3 屋顶构造

屋顶构造主要以保温隔热为主。传统的屋顶构造主要是“白色涂料-水泥砂浆-楼板-水泥砂浆-油毡防水层-保护层”这种屋顶构造的热工性能非常差，室内的环境舒适度也会受到很大的影响。将传统的屋顶构造由室内-室外更改为“白色涂料-水泥砂浆-结构层-找平层-结合层-隔汽层-保温层-找平层-结合层-油毡防水层-保护层”，这样房间的环境热舒适度会达到人宜居的状态。

屋顶构造简图

天花板构造简图

3.4.4被动式太阳能设计

关中地区夏热冬冷，因此夏季需需充分考虑防暑降温，冬季需考虑保温采暖。对于夏季防暑降温主要从遮阳和加强自然通风这2方面着手进行设计，遮阳主要采用遮阳板以及窗帘等构件进行设计，对于加强自然通风则以门窗洞口的合理开口大小以及室内气流循环设计为主；冬季采暖保温主要以加强门窗气密性以及室内对于太阳能的采取能力大小进行设计，其主体构造如下图。

如左图所示，底层采用直接受益窗，屋顶采用竖向天窗，这样对于太阳能的采取相比传统的门窗对于太阳能的采取能力会明显提高，同时加强门窗的气密性使得室内温度不易流失，这样相比传统的冬季室内环境温度明显有提高室内温度的作用。

对于夏季防暑降温主要在开窗大小以及采用遮阳板等设计和构造上进行处理，同时直接受益窗底部开设通风口与天窗形成气流循环，加强室内自然通风。

4 BIM-EcotectAnalysis被动式节能分析

将节能设计的相关材料数据导入BIM-Ecotect Analysis中，进行设计可行性分析，分析结果如下图。

①未加被动式设计的热舒适度

②加强自然通风设计的热舒适度

③自然通风+被动式太阳能热舒适度

④采用多种被动式设计热舒适度

通过上面被动式设计对室内环境热舒适度的作用分析，从图示中可以明显看到通过被动式节能设计在不增加其他主动式辅助设备的情况下，室内环境热舒适度范围在扩大。因此，节能创新设计对关中地区民居住宅的节能有显著的提高作用。

5 小结

BIM软件分析结果表明，该地区农村建筑采用适合的节能设计可有效提高室内热环境质量，本研究可为关中及同类地区的乡村民居设计提供理论参考。EcotectAnalysis2010在热环境分析方面提供了逐时温度分析、逐时得失热量分析、逐月能耗分析、逐月不舒适度分析、温度分布分析等分析功能与手段。通过解读这些模拟结果，可以有效地帮助建筑师改进设计方案的热工性能，选择有效的技术手段提高建筑的相关性能。

因此，建筑节能设计不仅需要考虑建筑能耗水平控制，还需要兼顾建筑空间光热等环境热舒适度要求。数字技术应用于建筑节能设计研究和实践中，节约成本，更加高效。