基于BIM 技术寒冷地区近零能耗农宅技术经济分析

张旭东 ZHANG Xu-dong；刘海龙 LIU Hai-long；张晓华 ZHANG Xiao-hua；马凯 MA Kai；王相博 WANG Xiang-bo

（①宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；②吴忠市红寺堡区住房城乡建设和交通局，吴忠 751900）

0 引言

2020年，我国建筑运行的碳排放量为21.8 亿t，建筑建造的碳排放量为15 亿t，建筑运行和建造的碳排放量约占全社会碳排放量的36%[1]。因此，建筑领域的能源消耗和碳排放问题引来越来越多的学者关注。目前，我国节能工作正在从节能向“减碳”方向进一步迈进，其中对于推动城乡绿色低碳建设转型有着显著作用，加快乡村振兴的步伐，提高节能减排的要求，不断更新建筑节能技术，努力建造超低能耗的农村住宅，推动近零能耗建筑在乡村地区的推广和发展，运用BIM 技术建立Revit 建筑模型，实现“双碳”目标有利于推动经济结构的绿色转型，加快形成绿色的生产方式和生活方式，助推高质量发展，在降碳的同时减少污染物的排放，从而与环境质量改善产生显著的协同增效作用。

1 BIM 技术

1.1 近零能耗建筑

过去十年，在我国建筑节能领域，近零能耗建筑在我国被大力推广[2]。零能耗一词是建筑领域十分常见的词汇，其主要特点是不需要利用常规不可再生能源进行制热[3]，而零能耗建筑由于诸多限制，“近零能耗”建筑就随之而诞生。

1.2 项目概况

本文以宁夏石嘴山市平罗县宝丰镇兴胜村零碳住宅示范工程项目为例，本项目所处位置属于寒冷地区，建筑结构为框架结构，地上一层，建筑面积120m2。针对宁夏地区干旱寒冷、风沙大、日照强等气候特点，近零能耗建筑采用直接受益式与附加式被动阳光房，太阳房在冬季白天可以为房间供热，夜间可作为一个温度缓冲区减少热量的散失，同时避免了外门直接接触室外空气，大大地降低了冷风侵入耗热量，减少了室外风沙的进入，提高了房间的气密性。

1.3 模型的建立与渲染

为了对模型进行最终效果渲染，本文首先利用Revit软件建立整体模型，然后通过Lumion 转化，最终利用Mars 完成效果渲染（见图1）。在该过程中重点与难点集中在不同软件间互导与转化需依靠不同插件来完成，如①Revit 软件建模与Mars 软件效果渲染之间：首先依靠Revit 软件建立整体模型，然后借助Lumion 插件导出为DAE 文件格式以实现导入Mars 软件中能被正常编辑；②Revit 软件建模与广联达计价软件之间：Revit 模型与广联达软件需借助GFC 插件，以实现将建筑模型导入到广联达计价软件避免二次建模[4]。

图1 三维农宅Revit 模型图和渲染图

1.4 Mars 光辉城市渲染

本项目利用Mars 软件对模型作了全方位的建筑设计优化渲染，几乎完成90%的渲染工作，最终呈现导出Ansel超高清图（见图2）。首先，利用Mars 软件对农宅模型补充优化，诸多Revit 中没有或很难绘制的模型在Mars 中补充布置，例如，农宅部分家具模型，周围的花草树木，以及人物模型等。其次，对农宅建筑的材料材质选取更换，达到要求的最佳结果，模拟出最真实的虚拟农宅模型。前提条件是进行Revit 建模时必须将每个模块准确分开，不然材质渲染时会大面积的相同，无法做到精确渲染。

图2 Mars 光辉城市渲染效果图

2 近零能耗农宅节能技术分析

本文近零能耗技术主要应用于围护结构、热回收系统、水资源利用、太阳能一体化四个方面，对应项目技术分析如下：

2.1 围护结构技术分析

近零能耗农宅围护结构部分主要解决保温性能不足问题，本示范工程外墙构造采用200mm 的ALC 蒸压加气混凝土条板+200mm 的石墨基EPS 保温板，其综合传热系数为0.15W/（m2·℃），而传统普通砌体结构传热系数为0.41W/（m2·℃）。外围护结构气密性设计采用连续并包围整个建筑外围护结构的气密性，外门窗与门窗洞口之间的缝隙、穿墙管与墙面之间的缝隙及不同围护结构交界处的缝隙均用气密性材料进行密封，使得建筑气密性小于0.6次/h。外围护结构无热桥设计主要是为了消除外围护结构热桥，近零能耗建筑采用连续性保温系统，在屋面与地面之间采用连续性保温，防止在各种构件的连接处出现结构性热桥，造成热量的散失。

普通农宅外窗传热系数一般情况下为6.4W/（m2·℃），本项目中外窗采用三玻两腔塑钢窗（5 超白+12Ar+5 超白+12Ar+5 超白），其综合传热系数为1.2W/（m2·℃）（见图3），夏季太阳得热系数≥0.45，冬季太阳得热系数≤3.0，两种外窗的传热系数差别之大，三玻两腔塑钢玻璃窗大大地提高了保温性能[5]。

图3 普通与近零能耗农宅传热系数柱形图

2.2 热回收系统技术分析

近零能耗建筑采用换热效率大于75%的高效热回收系统（见图4），装在本工程120m2房间里面，房间有一个客厅、两个卧室，居住人口为4 人，每人最小新风量按30m2/h 计算，新风系统总风量为120m2/h。

图4 热回收系统技术分析饼状图

2.3 水资源利用系统技术分析

黑水、灰水资源利用系统主要是将“黑水”收集在黑水三格化粪池中，经过处理后消除大多数病原微生物和寄生虫卵，达到对粪便的无害化要求，用于灌溉农作物；将“灰水”收集到灰水化粪池中处理过后直接用于灌溉周围绿化。

2.4 太阳能一体化系统

在寒冷地区太阳能资源还是十分丰富的，零碳建筑屋面设计是BIPV 太阳能光伏建筑一体化屋面。BIPV 光伏建筑一体化是一种将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术，该系统可同时满足建筑的供电、供热水及采暖需求。

3 经济造价分析

经济造价分析见表1。

表1 单项工程预算分析对比表

3.1 保温系统造价分析

普通农宅与近零能耗农宅保温系统对比分析可知，普通农宅一般没有保温系统，而近零能耗农宅地面保温系统主要240mm 厚的EPS 保温层，综合造价11455.05 元；墙面保温系统是200mm 厚EPS 保温板，综合单价18501.88元；屋面保温系统主要是260mm 厚EPS 保温板，综合单价12880.04 元；经粗略计算气密性胶带工程量为454.2m，造价为9084 元。综合来看整个近零能耗农宅的保温系统造价比普通农宅高出48944.06 元，见图5。其中地面保温造价占整体保温系统的22%，墙面保温占整体保温系统36%，屋面保温占整体保温系统25%，气密性胶带占整体保温系统17%，见图6。

图5 近零能耗农宅保温系统合价柱形图

图6 近零能耗农宅保温系统合价饼状图

3.2 门窗工程造价分析

普通农宅和近零能耗农宅门窗工程造价对比分析，普通农宅常用木门单价5780.3 元，金属塑钢门单价667.18元，钢制防火防盗门单价1256.37 元，门工程造价合计7703.85 元；近零能耗农宅常用木门单价16254 元，隔热铝合金型材中空玻璃门单价4278 元，钢制防火防盗门单价3686.4 元，门工程造价合计24218.4 元。普通农宅窗户工程主要是隔热铝合金窗，造价为20496.05 元；近零能耗农宅窗户工程主要是三玻两腔塑钢断桥窗，造价为53424元，见图7。

图7 普通农宅与近零能耗农宅门窗工程柱形图

3.3 太阳能系统和新风系统造价分析

普通农宅中没有近零能耗农宅建筑安装的太阳能系统和新风系统，太阳能系统包含了太阳能光伏板和储能设备，其中太阳能光伏板总造价50000 元，储能设备造价50000 元，合计100000 元；新风系统造价7000 元。

3.4 造价分析

查阅相关设计规范，按《全国统一建筑工程预算工程量计算规则》，对普通农宅和近零能耗农宅的结构和构造做法进行对比分析后，分别按照传统普通式和近零能耗农宅构造做法挂清单定额，最终算出普通农宅总造价为20.71 万元， 单方造价1726.22 元；近零能耗农宅总造价为42.93 万元，单方造价3577.15 元。综合分析可知，近零能耗农宅建筑比普通农宅总造价高22.22 万元，单方造价高了1850.93 元，计算出造价如图8、图9 所示[6]。

图8 普通农宅与近零能耗农宅综合造价条形图

图9 普通农宅与近零能耗农宅单位造价条形图

4 结论

综上所述，绿色建筑快速发展的同时借助BIM 技术，推动建筑行业的数字化转型。本文通过运用BIM 技术，建立Revit 农宅模型，在Mars 渲染下，更加直观地预览农宅建筑成型效果，同时灵活运用GFC 插件，将Revit模型直接导入广联达软件当中进行算量计价，大大缩短了工作时间，减少了工作量。对普通农宅和近零能耗农宅造价分析可知，近零能耗农宅比普通农宅的增量成本主要体现在保温系统以及气密性、门窗工程、太阳能和新风系统、给排水工程中，综合造价比普通农宅造价要高一倍之多，总造价高出22.22 万元。