BIM技术在传统民居建筑能耗分析中的应用研究——以土家族三合水民居为例 ＊

王瑞阳 曾旭东 Wang Ruiyang Zeng Xudong

1 研究背景

党的十九大提出推进农业现代化和新农村建设，2018年1月2日，中共中央、国务院发布《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》，做出乡村振兴的重大战略部署。2021年3月13日，《十四五规划和2035年远景目标纲要》第七篇提出，走中国特色社会主义乡村振兴道路，全面实施乡村振兴战略，加快农业农村现代化。为响应国家政策号召，给乡村振兴战略的具体实施提供参考路径，本文致力于探索以BIM量化分析技术为建筑正向设计的切入点及创新点，搭建BIM建筑信息模型，并以重庆土家族三合水民居为例进行在地性建筑设计过程的优化。

2 土家族民居

土家族民居概述

在建筑气候分区中，重庆属于夏热冬冷地区，夏季炎热潮湿，冬季寒冷少雨。一定程度上，这种气候条件促成了土家族传统民居形制的产生。重庆多山地，吊脚楼不仅对地形的适应性强，还能防潮。因此，井院式木构吊脚楼是重庆地区土家族建筑的常见形式。

吊脚楼是以穿斗式为主的木结构建筑，由立柱支撑，远离地面，通风较好既能隔离潮气，又能防止蛇虫鼠蚁的侵害。对于山地民居的建造而言，以木材为主要建材的吊脚楼可以就地取材，结构简单，施工方便。吊脚楼使部分建筑底面完全脱离地表，有利于保持原有地形地貌，广泛适用于坡地、水域及丛林沼泽等。

2.1 土家族民居的材料形制

土家人多聚居于林木茂盛的山区，其房屋的主要用料为就地取材的木料、瓦材和石板，分别用于房屋的结构与装修、屋面和地面。屋面多使用小青瓦，一般不设基础，只在柱下设垫石块以求防潮、平整。由于南方多雨且地面潮湿，一层地面多为架空设计。吊脚楼为厢房，下部空间堆放杂物，屋顶主要为悬山式。

2.1.1 围护结构

土家族居民的围护结构多使用装板做法，装板在木建筑中相当于建筑墙面，其按材料可以分为夹板式装板、竹编式装板、可拆卸木装板。

夹板式装板常出现于建筑的山墙面，用来填充穿斗、屋架穿枋与木柱之间的空隙。夹板式装板做法指传统建筑竹墙的做法，夹板的主体骨架为竹编，用黏土与谷壳等混合材料外贴后，再在外表面刷一层白石灰。竹编式装板指土家族人采用的一种燎竹编织的装板，燎竹具有中空小、竹结变化小、细长等特点，其编制手法非常粗犷，粗糙的表面让建筑表皮的肌理更为多样。可拆卸木装板常见于集镇商户柜台的上店面与大门，比普通的落堂壁更厚，厚度一般为200～400mm。为了安全稳固，在朝向室内一面还设置了顶门杠，在建筑中起到采光和保障安全的作用。

2.1.2 建筑构件

柱子用料以笔直的杉木为佳，土家族吊脚楼的穿斗式构架拉结力强，对用料要求不高，可用枞木替代杉木，但用料大体上是均匀的，满足结构要求。

室内一般采用木地面，院坝使用青石板地面，堂屋为三合土地面，以石灰、粘土、细沙按一定比例分层夯实铺设；板壁就地取材，一般采用木板壁；宋代以前，土家族吊脚楼外墙多为木骨泥墙，如今已很少见，且多为附属用房使用；部分店居型民居、大型吊脚楼民居和公共建筑的山墙常用砖砌筑；门分为实拼门（以龙骨固定，木板拼搭而成）、框档门（在木框中镶嵌木板）和隔扇门（上半部分镶嵌各类格栅图案）；窗有直棂窗（仅以木条分隔）、花窗和平开窗（少见）。

1 三合水民居模型

2.2 土家族民居的平面形制

由于重庆地区土家族民居的构成元素较多，不同的设置也形成了不同的平面形制。为了适应山地地形，土家族民居的平面布局大多灵活多变，根据基本的平面形制，可分为长条形、曲尺形、三合水（凹字形）及四合水（口字形）四种类型。

最初的吊脚楼由长条形三开间的单栋房屋构成，又被称作“座子屋”，是重庆地区土家族民居住宅最基本的形式——中间为堂屋，两侧为厢房，厢房上一般有阁楼。在长条形的基础上加设房间，就形成了曲尺形的平面形制；座子屋加两侧厢房，形成“三合水”的平面形制（这种房屋的平面形制一般为正屋三间、五间甚至七间，两边出两间亦或三间，主要取决于居住者的经济条件和家庭需要）；“四合水”则是在“三合水”平面形制的两厢房之间加上山门。

3 模拟结果及方案对比

3.1 建立分析模型

（1）在基础参数测算完毕后，将其输入ArchiCAD软件，建立适合BIM平台的材料库。首先，在选项菜单栏选择元素信息，其中建筑材料一栏可调出ArchiCAD自带的材料信息，并以此为基础进行材料库优化。然后，在对话框中新建材料，并根据相关信息重新命名。将测量数据如导热性、密度、比热容等参数录入建筑材料数据库，并将结构外观等信息补充完整。

（2）建立有效的包络建筑结构和主要室内结构的模型，方便自动生成区域。导入EPW格式或STAT格式的气候数据文件，或输入经纬度，从Eco Designer的数据库中获取信息（如温度、湿度、日照辐射、风速）。

（3）使用区域工具点选室内封闭空间，可自动生成相应模型，若需修改，可通过更新区域工具自动调整区域范围，将建筑设备配置相同的区域放进同一个热量区中。

（4）在运营配置文件中可定义人类热能获取量、公共热水复合、湿度荷载以及运营时间配置，然后将运营配置文件赋予热量区。

（5）设定热量区结构参数及热量区门窗洞口参数，为热量区分配建筑设备系统，并设定参数及运行时间表（图1）。

3.2 建筑材料测试——复合材料方案

设置好基础参数后，即可对原始材料与新建复合材料进行模拟比较，从而达到优化改造的目的。本文以桦木和掺加了软纤维保温隔热层的复合材料的模拟对比为例。

首先，从整体上来看（表1），复合材料组在能量消耗、燃料消耗、一次能量消耗等指标中均比对照组低，建筑外壳平均传热系数和外部传热系数阈值也明显减少。在能量平衡对比中可以看出（图2），冬季加热所需供应的能量明显减少，传输散失的能量也较对照组更少；从主要使用房间（土家族民居卧室）来看，内部最低温度较对照组高0.98℃，最高温度低2.76℃；传输所需供应能量减少2 656.1kW·h/年，传输、通风、冷却散失的能量也较对照组更少；以3、6、9、12月的第一天为例观察每日温度配置，夏季复合材料组内部最高温度低了近2℃，春季与秋季的差别不明显，冬季的室内最低温度和最高温度都比对照组高。

2 原始材料与复合材料对比的能量平衡图

3.3 建筑制式测试——通风间层改造方案

在原方案的基础上，对建筑屋顶下方空间进行改造，形成同房间层。具体措施为在二层空间上部设置通风层楼板（在ArchiCAD模型中将楼板定义为三层平面），在墙体上部开洞，使顶层空气流通。

将通风层设定为新区域，且所有通风层区域划入同一热量区，为通风层热量区设定自然通风系统，采用默认配置，热量区运营配置文件设置为“无条件”。新增通风间层的方案为通风层改造组（简称“通风组”），原始方案为对照组，通过Eco Designer对两组模型进行能耗分析，对比实验结果。

通过对比项目关键值可以看出（表2），经过通风层改造后，建筑外壳平均传热系数降低了0.18W/m2·K，且每年各项能量消耗有明显降低。通过项目能量平衡对比可以看出（图3），通风组与对照组的能量消耗峰值与全年能量消耗分布非常相近。但在散失能量的构成上，通风组于夏季通过自然通风散失的热量显著高于对照组；相应的，通风组通过机械制冷散失的热量更少，在夏季能有效减少建筑能耗。

3.4 建筑平面布局测试——与曲尺形对比

长条形民居的单位面积能耗较低，增加设备后建筑净能耗没有明显提升。曲尺形和三合水形制的民居单位面积能耗相近，在加入建筑设备后的能耗增加明显，因此排除设备的影响，后续研究将全部采用带设备的模型进行比较，并且将体形系数和体量相差略大的经常使用的三合水民居和曲尺形民居进行对比。

通过对比项目关键值可以看出（表2），三合水民居比曲尺形民居建筑外壳的平均传热系数高0.09W/m2·K。通过项目能量平衡对比可以看出（图4），三合水民居和曲尺形民居虽然在夏季的能量消耗峰值相近（除去最热的几周），但是全年能量消耗分布差异较大，冬季曲尺形民居的能量消耗是三合水民居的1.2倍。但在散失能量的构成上，三合水民居夏季通过自然通风散失的热量显著高于曲尺形民居。由于建筑平面的改变，两组全年能量消耗分布并不相同，尤其在最冷月与最热月的差异最显著。

表1 桦木与复合材料对比的关键值

表2 三合水民居有无通风层与曲尺形民居对比的主要使用房间关键值

3 有无通风层对比的能量平衡图

4 三合水民居与曲尺形民居对比的能量平衡图

4 结语

从整体能耗生成分析来看，当仅增加复合材料的围护结构时，建筑总体能耗有所降低，在冬夏两季的室内温度变化也较为明显。从模拟分析数值来看，使用保温材料和原材料共同作为建筑围护结构所消耗及散失的能量比仅仅使用原材料时的数值更低。本文以桦木与掺加了软纤维保温隔热层的复合材料的对比为例，探究了复合材料与单一材料方案的能耗差异，为后续土家族建筑制式及建筑平面布局的测试提供了研究基础。

在建筑制式方面，研究了土家族建筑比较有特色的自然通风层，其使用可在一定程度上降低建筑的内部温度，虽然降温效果不如空调系统，但是自然通风层的设置不仅可以节约大量能耗，还能保证房间内空气的清洁度。对于农村地区而言，这种方式既绿色节能又成本低廉，因此在未来的建筑改造中，应适当保留建筑通风层部分，或与其他改造措施协同应用。

从平面布局来看，三合水民居和曲尺形民居的年总能量消耗与散失值基本相同，但是总体分布相差较大，根据土家族居民在冬夏两季的不同需求，可选择不同的平面形制。

图片来源

1−4 作者自绘

表格来源

1−2 作者自绘