地坑院的BIM数据分析及改造——以陕西省三原县柏社村为例

卫夏蒙



地坑院的BIM数据分析及改造——以陕西省三原县柏社村为例

卫夏蒙

西京学院, 陕西 西安 710123

在建设美丽乡村的大语境下，位于陕、晋、豫三省交汇处独有一种特殊建筑形式，人们称之为“地平面之下的院落”——地坑院。这些具有特殊建筑形式的乡村特色老建筑该如何借用最新的科学技术手段进行修复与改造，使原其更加宜居，是本文讨论的重点。BIM（建筑信息模型）是时下建筑行业信息化的新型技术手段，通过软件建立建筑的三维模型，并模拟建立建筑工程信息库，可以精准的掌控建筑建造的每一个环节，目前该技术手段主要用于建筑行业与工程制造业。本文选取地坑院较多的陕西省三原县柏社村为试点，选取一座现状较好的地坑院使用BIM技术进行采光、通风等数据的分析，并提出合理的维护与改造建议。同时对其他特殊古建筑的维护与改造提供一定的技术层面的借鉴。

生土建筑; 地坑院; BIM; 数据分析

地坑院，又称地坑窑、地窨院，属于生土建筑中窑洞类建筑中的一中特殊的建筑形式，是一种在地平面之下的、带天井庭院的下沉式窑洞。地坑院建筑历史久远，《礼记·礼运》是最早记录有关人类穴居活动的，内容如下：“地高则窟于地下，地下则窟于地上，谓之地上累土为窟”。“地高”的形式或指黄土塬上的穴居，为避风寒而穴与地下，这可能是一种竖穴，今西北黄土高原上的下沉式“坑窑”就是这种穴居的遗风[1]。近几年研究地坑院的学者慢慢增多，对地坑院营造修复与改造方法这一方向的的研究文章也逐渐增多。王茹等在《建筑经济》上发表文章《基于BIM的古建筑保护方案经济指标体系构建与评价方法研究》中提出[2]，我国现存古建群数量巨大，其保护工作需要大量的人力物力财力，BIM（Building Information Model）技术的引入可提高古建保护工作的效率，使古建保护工作更加科学合理。黄丽在其硕士论文《基于BIM的陕县地坑院建筑信息模型的研究及应用》中提到，使用BIM技术应用到地坑院室内环境改善设计过程中，帮助建筑史进行准确、有效的建筑空间分析、构建制作、能耗分析等，以便更好的为地坑院传统民居形式的保护和发展提供更有效的方法[3]。本文是对使用BIM技术进行地坑院的参数进行分析，提出更加适宜的维护与改造方案，并对后续其他特殊古建筑的维护与改造提供一定的技术层面的借鉴。

1 地坑院概述

1.1 地坑院在中国的分布概述

地坑院主要分布于陕西省中部、山西省南部、河南省西部，三省交界的黄土地质区域。目前河南省陕县地区、陕西省三原县地区有大量保护较完整的地坑院村落。

1.2 柏社村地坑院情况概述

柏社村历史悠久，据地方志记载，柏社村已有1600余年的聚落发展史，柏社村包括多个自然村，居住月3750人，据调查现存有780余个窑院，其中村子的核心区域面积为92.97 km2，计中分布有220多处窑院。2010年，在柏社村召开了第四届“为中国而设计”全国环境艺术高峰论坛，会议明确提出了“为农民而设计”的学术主张[2]。2014年3月，柏社村入选第六批国家级历史文化名村[3]。在2018年初对柏社村进行了多次实地调研中发现西安建筑科技大学对个别地坑院进行了翻新与修复，并在地上建设了生土建筑形式的公共厕所[4]。

在对柏社村的实地调研中发现，该村大部分的地坑院已经大门紧锁，没有人居住，有将近一半的地坑院存在着不同程度的损坏与坍塌现象。只有在村子主入口以及主干道两侧有少量的地坑院保存与修缮的较好，但也不是作为本地村民居住的民居。而是摇身一变，成了为“展览馆”与“农家乐”，成为了柏社村振兴旅游业的最佳资本。本文研究的地坑院选取是在国家科技支撑计划课题“西北地区历史文化村镇社区功能提升技术集成研究与示范”项目资助改造后的某一座地坑院（图1）。

图 1 柏社村地坑院现状

1.3 地坑院的建筑特色

地坑院建筑的建筑特色是，在建造时，首先在地势平坦区域自上而下挖一个类似于天井的深坑，长宽大约8~12 m，深度约6~8 m，挖好后晾晒一年，有效地蒸发土壤中的水分。其次在坑内的四壁挖8至12孔窑洞，窑洞一般宽3~4 m、高3 m、进深5~8 m。其中一个窑洞由地下至地上开凿成为甬道通向地面，为地坑院的入口，挖好后再晾晒一年。最后将地坑院的庭院中间凿一口井，并对庭院部分地面进行处理，形成中间地四周高的地势，这样在雨水丰沛的季节便可以有效的排水与蓄水。

1.3.1 地坑院建筑的优点第一，由于地坑院所处的地理环境，在在春、秋、冬天三季会有多风沙天气，处于地平面之下具有防风防沙的效果。第二，地坑院内窑洞的顶部一般距地面有2~3 m的距离，有十分厚的土壤层作为保温隔热层，故而具有保温隔热性能好、冬暖夏凉的优点。

1.3.2 地坑院建筑的缺点第一，由于地坑院内窑洞是属于单面开口的建筑形式，只有一侧设有门和窗，且窑洞的进深较大，一般有5~8 m，故而室内的采光和通风会比较差。第二，每年夏季降雨较多的时节，窑洞内湿度会较大。

2 BIM技术在建筑领域的应用

2.1 BIM技术概述

BIM（建筑信息模型）是以电脑三维模拟为基础，是整合建筑工程各个环节信息的工程数据集约化模型。BIM理念的工作流程是：首先用CAD绘制二维平面图，然后将CAD图导入Revit中进行建筑信息模型的创建，其次把在Revit中创建好的模型导入Phoenics软件中进行风环境的模拟、导入Ecotect中进行采光模拟，通过对模拟数值的分析发现问题，进而提出优化的方案（图2）。

图 2 使用传统BIM相关软件的工作流程

在BIM技术中尝试使用比RPhoenics、Ecotect软件更加简单便捷的国产软件——绿建斯维尔进行地坑院的各项参数分析。绿建斯维尔软件主要用于绿色建筑相关的模拟分析的软件，可进行一模多算，其中包括能耗计算、日照分析、采光分析、住区热环境分析、建筑声环境分析、建筑通风分析等方向。它的优点是可以直接将CAD中绘制的三维模型导入绿建斯维尔中进行参数分析，省去了将CAD文件导入Revit建模之后再导入Phoenics和Ecotect的步骤，更加方便快捷（图3）。本文根据地坑院建筑的特殊构造情况，主要从日照、采光、通风三个方面进行分析，力求精准的找出地坑院在居住使用上的问题，并对其改造提出可实施性建议。

图 3 使用绿建斯维尔软件的工作流程

2.2 BIM在古建修复领域使用的探索

BIM技术目前在国内外主要用于建筑工程方面，国内的斯维尔软件主要用于工程建设行业，包括工程设计、工程施工、工程监理、造价咨询等，以及提供行业信息化产品及解决方案和BIM及绿色建筑咨询服务。在我国，目前将BIM使用于古建的模型信息收集以及数据分析这一方向的研究还比较少。在知网中输入关键词：BIM、古建，搜索可得知，目前在知网中关于BIM技术在古建筑上的使用主要是在于古建筑的模型建立以及建立古建筑三维模型信息库这一方面。例如西安建筑科技大学王茹教授发表的《明清古建筑信息模型设计平台研究》中提到，使用BIM技术来构建全新的传统民居保护和利用的研究平台[7]。而本文主要的研究点是通过BIM技术对地坑院进行数据分析，提出具有针对性的地坑院保护与更新的措施，提升地坑院的宜居性。

3 陕西省三原县柏社村地坑院的BIM数据分析

3.1 地坑院BIM数据的建立

地坑院有别与其它建筑的一点在于，大部分建筑都是在地平面上建造建筑，而地坑院是在地平面上向下挖掘与延申，是中国一种特殊的“负建筑”。通过对选取的地坑院进行实地测量，获得较为详细的一手数据，根据测量数据直接在CAD中绘制地坑院的三维模型。然后将模型导入绿建斯维尔软件中进行三维模型的创建。在三维模型的绘制中，所有与高度相关的数值皆为负值，这为模型的搭建与后续数据的分析增加了较大的难度。如图所示（图4），是创建地坑院模型的步骤，而模型的建造过程能够较好的体现实际地坑院的建造过程。

图 4 地坑院模型创建过程

3.2 地坑院风环境的模拟分析

由于地坑院的建筑构造较为特殊，一般会从地面向下延申5~8 m，且窑洞是单面开口，故而会存在一定的通风问题。首先选取柏社村所在第咸阳市的气象参数，咸阳市常年主导风向是东南风，风速1.6 m/s。首先使用绿建斯维尔在距地坑院的庭院地面1.1 m处对地坑院整体的风环境进行模拟，分析结果如下图所示（图5）。从图中可以看出，地坑院距地面1.1 m处最大风速为0.01 m/s，最小风速为0 m/s的庭院部分风速为0.005 m/s。然后对窑洞内部的通风进行分析，得出窑洞内部最小风速0 m/s，最大风速0.007 m/s，仅在靠近门窗处通风较好（图6）。通过对地坑院庭院空间以及窑洞内部空间的同风分析可得出地坑院在通风上存在以下两点问题：第一，因该地区常年风向为东北风，故而仅有南向的两口窑洞通风较好，其余方向的窑洞通风都较为不好；第二，各个窑洞均仅在入口处通风稍大，窑洞内部均为最小风速。

图 5 地坑院庭院通风分析

图 6 地坑院窑洞内部通风分析

3.3 地坑院光环境的模拟分析

用于研究的本地坑院距水平面5.5 m，窑洞窗户距地坑院的庭院地面高1.2 m，窑洞进深5 m以上，窗户与门在同一侧。柏社村属于我国第Ⅲ类光气候区，通过软件的测算，室内除靠近窗口处区域外能够达到2.0%的标准值。窑洞内部有近60%的空间达不到国家采光标准。

3.4 关于地坑院宜居的改善建议

3.4.1关于通风情况的改善因柏社村地坑院窑洞进深较大且只有一端外，这是窑洞通风不佳的最大原因。推荐以下两种改进办法：第一，可在窑洞最后部的顶端开凿通风孔，使室内空气流动起来。第二，可在靠窗户一侧的窗户顶端安装排风扇，加速空气的流通。

3.4.2关于采光情况的改善在对柏社村地坑院的多次实地调研中发现当地村民在白天基本上都在户外活动，在室内活动时间较少。根据村民的生活习惯推荐以下两种改善办法：第一，扩大窗户的面积、将整扇木门改为上窗下门的门扇，从而增加采光口的面积。第二，在室内安装反光装置，使光线可以延申至窑洞更深处。

图 7 地坑院窑洞内部采光分析

4 结论

将BIM技术用于陕西省地坑院的建筑信息化建模与参数分析中属于一次新的尝试，其中使用我国新研发的绿建斯维尔软件对古建进行参数分析也属于一次新的尝试。本文主要想通过新技术手段对地坑院进行科学的、精准的参数化分析，发现古民居影响居住舒适度的问题在哪，将问题用科学的方法解决，从而提升居住的舒适度，使当地的村民愿意继续居住生活在地坑院中，使地坑院这一特殊的建筑不至于因为时代的发展而被彻底的荒废掉。另外文中提到的关于地坑院宜居的改善建议仅仅是作者基于以往对环境设计方向学科研究的经验提出的，并未对该地坑院进行实际改造，故而无法提供改善前后的数据对比来印证改善建议的有效性与可实施性。

[1] 常青.建筑志[M].上海:上海人民出版社,1998

[2] 王茹,张祥,韩婷婷.基于BIM的古建筑保护方案经济指标体系构建与评价方法研究[J].建筑经济,2014,35(6):110-114

[3] 黄丽.基于BIM的陕县地坑院建筑信息模型的研究及应用[D].郑州:郑州大学,2016:3

[4] 雷会霞,吴左宾,高元.隐于林中，沉入地下——柏社村的价值与未来[J].城市规划,2014(11):88

[5] 吴昊,张豪.柏社村地坑窑洞民居环境改造文化成因[J].西北美术,2015(1):34-37

[6] 黄瑜潇.柏社村地坑窑院建筑的现代应用设计机器生态低技术研究[D].西安:西安建筑科技大学,2017:10

[7] 王茹,孙卫新,徐东东.明清古建筑信息模型设计平台研究[J].图学学报,2013,34(4):76-83

BIM Analysis and Renovation for “the Pit Courtyard ”——Taking Baishe Village of Sanyuan County, Shaanxi Province as a case

WEI Xia-meng

710123,

In the context of constructing beautiful countryside, there is a special form of architecture at the intersection of Shaanxi, Shanxi and Henan provinces. People call it “the courtyard below the ground level”, aka The pit courtyard. How to take advantage of the latest scientific and technological means to restore and renovate these old buildings with special architectural forms, and make them more livable is the focus of this paper. BIM (Building Information Model) is the latest technical means for the informatization of the construction industry, through which the 3D model of a building can be built, while the database of the building can be simulated and constructed. This model, which is mainly used in the construction industry and engineering manufacturing, can control every aspects of construction accurately. In this paper, we chose the stronghold of the pit courtyard in Baishe Village of Sanyuan County, Shaanxi Province. We selected a well preserved pit garden to apply the BIM technology to analyze the data such as lighting and ventilation, and reasonable preservation and renovation suggestions are proposed. At the same time, we provided a certain technical references for the maintenance and renovation of other heritage buildings.

Raw earth building; the pit courtyard; BIM; data analysis

TU981

A

1000-2324(2019)03-0425-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.014

2018-05-25

2018-06-21

西京学院科研基金项目:陕西地坑院的BIM数据收集与分析(XJ170103)

卫夏蒙(1988-),女,硕士,讲师,主要从事环境设计与研究. E-mail:175309866@qq.com