衛(wèi)夏蒙

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地坑院的BIM數(shù)據(jù)分析及改造——以陜西省三原縣柏社村為例

衛(wèi)夏蒙

西京學(xué)院, 陜西 西安 710123

在建設(shè)美麗鄉(xiāng)村的大語境下，位于陜、晉、豫三省交匯處獨有一種特殊建筑形式，人們稱之為“地平面之下的院落”——地坑院。這些具有特殊建筑形式的鄉(xiāng)村特色老建筑該如何借用最新的科學(xué)技術(shù)手段進行修復(fù)與改造，使原其更加宜居，是本文討論的重點。BIM（建筑信息模型）是時下建筑行業(yè)信息化的新型技術(shù)手段，通過軟件建立建筑的三維模型，并模擬建立建筑工程信息庫，可以精準(zhǔn)的掌控建筑建造的每一個環(huán)節(jié)，目前該技術(shù)手段主要用于建筑行業(yè)與工程制造業(yè)。本文選取地坑院較多的陜西省三原縣柏社村為試點，選取一座現(xiàn)狀較好的地坑院使用BIM技術(shù)進行采光、通風(fēng)等數(shù)據(jù)的分析，并提出合理的維護與改造建議。同時對其他特殊古建筑的維護與改造提供一定的技術(shù)層面的借鑒。

生土建筑; 地坑院; BIM; 數(shù)據(jù)分析

地坑院，又稱地坑窯、地窨院，屬于生土建筑中窯洞類建筑中的一中特殊的建筑形式，是一種在地平面之下的、帶天井庭院的下沉式窯洞。地坑院建筑歷史久遠，《禮記·禮運》是最早記錄有關(guān)人類穴居活動的，內(nèi)容如下：“地高則窟于地下，地下則窟于地上，謂之地上累土為窟”。“地高”的形式或指黃土塬上的穴居，為避風(fēng)寒而穴與地下，這可能是一種豎穴，今西北黃土高原上的下沉式“坑窯”就是這種穴居的遺風(fēng)[1]。近幾年研究地坑院的學(xué)者慢慢增多，對地坑院營造修復(fù)與改造方法這一方向的的研究文章也逐漸增多。王茹等在《建筑經(jīng)濟》上發(fā)表文章《基于BIM的古建筑保護方案經(jīng)濟指標(biāo)體系構(gòu)建與評價方法研究》中提出[2]，我國現(xiàn)存古建群數(shù)量巨大，其保護工作需要大量的人力物力財力，BIM（Building Information Model）技術(shù)的引入可提高古建保護工作的效率，使古建保護工作更加科學(xué)合理。黃麗在其碩士論文《基于BIM的陜縣地坑院建筑信息模型的研究及應(yīng)用》中提到，使用BIM技術(shù)應(yīng)用到地坑院室內(nèi)環(huán)境改善設(shè)計過程中，幫助建筑史進行準(zhǔn)確、有效的建筑空間分析、構(gòu)建制作、能耗分析等，以便更好的為地坑院傳統(tǒng)民居形式的保護和發(fā)展提供更有效的方法[3]。本文是對使用BIM技術(shù)進行地坑院的參數(shù)進行分析，提出更加適宜的維護與改造方案，并對后續(xù)其他特殊古建筑的維護與改造提供一定的技術(shù)層面的借鑒。

1 地坑院概述

1.1 地坑院在中國的分布概述

地坑院主要分布于陜西省中部、山西省南部、河南省西部，三省交界的黃土地質(zhì)區(qū)域。目前河南省陜縣地區(qū)、陜西省三原縣地區(qū)有大量保護較完整的地坑院村落。

1.2 柏社村地坑院情況概述

柏社村歷史悠久，據(jù)地方志記載，柏社村已有1600余年的聚落發(fā)展史，柏社村包括多個自然村，居住月3750人，據(jù)調(diào)查現(xiàn)存有780余個窯院，其中村子的核心區(qū)域面積為92.97 km2，計中分布有220多處窯院。2010年，在柏社村召開了第四屆“為中國而設(shè)計”全國環(huán)境藝術(shù)高峰論壇，會議明確提出了“為農(nóng)民而設(shè)計”的學(xué)術(shù)主張[2]。2014年3月，柏社村入選第六批國家級歷史文化名村[3]。在2018年初對柏社村進行了多次實地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)西安建筑科技大學(xué)對個別地坑院進行了翻新與修復(fù)，并在地上建設(shè)了生土建筑形式的公共廁所[4]。

在對柏社村的實地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，該村大部分的地坑院已經(jīng)大門緊鎖，沒有人居住，有將近一半的地坑院存在著不同程度的損壞與坍塌現(xiàn)象。只有在村子主入口以及主干道兩側(cè)有少量的地坑院保存與修繕的較好，但也不是作為本地村民居住的民居。而是搖身一變，成了為“展覽館”與“農(nóng)家樂”，成為了柏社村振興旅游業(yè)的最佳資本。本文研究的地坑院選取是在國家科技支撐計劃課題“西北地區(qū)歷史文化村鎮(zhèn)社區(qū)功能提升技術(shù)集成研究與示范”項目資助改造后的某一座地坑院（圖1）。

圖 1 柏社村地坑院現(xiàn)狀

1.3 地坑院的建筑特色

地坑院建筑的建筑特色是，在建造時，首先在地勢平坦區(qū)域自上而下挖一個類似于天井的深坑，長寬大約8~12 m，深度約6~8 m，挖好后晾曬一年，有效地蒸發(fā)土壤中的水分。其次在坑內(nèi)的四壁挖8至12孔窯洞，窯洞一般寬3~4 m、高3 m、進深5~8 m。其中一個窯洞由地下至地上開鑿成為甬道通向地面，為地坑院的入口，挖好后再晾曬一年。最后將地坑院的庭院中間鑿一口井，并對庭院部分地面進行處理，形成中間地四周高的地勢，這樣在雨水豐沛的季節(jié)便可以有效的排水與蓄水。

1.3.1 地坑院建筑的優(yōu)點第一，由于地坑院所處的地理環(huán)境，在在春、秋、冬天三季會有多風(fēng)沙天氣，處于地平面之下具有防風(fēng)防沙的效果。第二，地坑院內(nèi)窯洞的頂部一般距地面有2~3 m的距離，有十分厚的土壤層作為保溫隔熱層，故而具有保溫隔熱性能好、冬暖夏涼的優(yōu)點。

1.3.2 地坑院建筑的缺點第一，由于地坑院內(nèi)窯洞是屬于單面開口的建筑形式，只有一側(cè)設(shè)有門和窗，且窯洞的進深較大，一般有5~8 m，故而室內(nèi)的采光和通風(fēng)會比較差。第二，每年夏季降雨較多的時節(jié)，窯洞內(nèi)濕度會較大。

2 BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)概述

BIM（建筑信息模型）是以電腦三維模擬為基礎(chǔ)，是整合建筑工程各個環(huán)節(jié)信息的工程數(shù)據(jù)集約化模型。BIM理念的工作流程是：首先用CAD繪制二維平面圖，然后將CAD圖導(dǎo)入Revit中進行建筑信息模型的創(chuàng)建，其次把在Revit中創(chuàng)建好的模型導(dǎo)入Phoenics軟件中進行風(fēng)環(huán)境的模擬、導(dǎo)入Ecotect中進行采光模擬，通過對模擬數(shù)值的分析發(fā)現(xiàn)問題，進而提出優(yōu)化的方案（圖2）。

圖 2 使用傳統(tǒng)BIM相關(guān)軟件的工作流程

在BIM技術(shù)中嘗試使用比RPhoenics、Ecotect軟件更加簡單便捷的國產(chǎn)軟件——綠建斯維爾進行地坑院的各項參數(shù)分析。綠建斯維爾軟件主要用于綠色建筑相關(guān)的模擬分析的軟件，可進行一模多算，其中包括能耗計算、日照分析、采光分析、住區(qū)熱環(huán)境分析、建筑聲環(huán)境分析、建筑通風(fēng)分析等方向。它的優(yōu)點是可以直接將CAD中繪制的三維模型導(dǎo)入綠建斯維爾中進行參數(shù)分析，省去了將CAD文件導(dǎo)入Revit建模之后再導(dǎo)入Phoenics和Ecotect的步驟，更加方便快捷（圖3）。本文根據(jù)地坑院建筑的特殊構(gòu)造情況，主要從日照、采光、通風(fēng)三個方面進行分析，力求精準(zhǔn)的找出地坑院在居住使用上的問題，并對其改造提出可實施性建議。

圖 3 使用綠建斯維爾軟件的工作流程

2.2 BIM在古建修復(fù)領(lǐng)域使用的探索

BIM技術(shù)目前在國內(nèi)外主要用于建筑工程方面，國內(nèi)的斯維爾軟件主要用于工程建設(shè)行業(yè)，包括工程設(shè)計、工程施工、工程監(jiān)理、造價咨詢等，以及提供行業(yè)信息化產(chǎn)品及解決方案和BIM及綠色建筑咨詢服務(wù)。在我國，目前將BIM使用于古建的模型信息收集以及數(shù)據(jù)分析這一方向的研究還比較少。在知網(wǎng)中輸入關(guān)鍵詞：BIM、古建，搜索可得知，目前在知網(wǎng)中關(guān)于BIM技術(shù)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維模型信息庫這一方面。例如西安建筑科技大學(xué)王茹教授發(fā)表的《明清古建筑信息模型設(shè)計平臺研究》中提到，使用BIM技術(shù)來構(gòu)建全新的傳統(tǒng)民居保護和利用的研究平臺[7]。而本文主要的研究點是通過BIM技術(shù)對地坑院進行數(shù)據(jù)分析，提出具有針對性的地坑院保護與更新的措施，提升地坑院的宜居性。

3 陜西省三原縣柏社村地坑院的BIM數(shù)據(jù)分析

3.1 地坑院BIM數(shù)據(jù)的建立

地坑院有別與其它建筑的一點在于，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與延申，是中國一種特殊的“負建筑”。通過對選取的地坑院進行實地測量，獲得較為詳細的一手數(shù)據(jù)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)直接在CAD中繪制地坑院的三維模型。然后將模型導(dǎo)入綠建斯維爾軟件中進行三維模型的創(chuàng)建。在三維模型的繪制中，所有與高度相關(guān)的數(shù)值皆為負值，這為模型的搭建與后續(xù)數(shù)據(jù)的分析增加了較大的難度。如圖所示（圖4），是創(chuàng)建地坑院模型的步驟，而模型的建造過程能夠較好的體現(xiàn)實際地坑院的建造過程。

圖 4 地坑院模型創(chuàng)建過程

3.2 地坑院風(fēng)環(huán)境的模擬分析

由于地坑院的建筑構(gòu)造較為特殊，一般會從地面向下延申5~8 m，且窯洞是單面開口，故而會存在一定的通風(fēng)問題。首先選取柏社村所在第咸陽市的氣象參數(shù)，咸陽市常年主導(dǎo)風(fēng)向是東南風(fēng)，風(fēng)速1.6 m/s。首先使用綠建斯維爾在距地坑院的庭院地面1.1 m處對地坑院整體的風(fēng)環(huán)境進行模擬，分析結(jié)果如下圖所示（圖5）。從圖中可以看出，地坑院距地面1.1 m處最大風(fēng)速為0.01 m/s，最小風(fēng)速為0 m/s的庭院部分風(fēng)速為0.005 m/s。然后對窯洞內(nèi)部的通風(fēng)進行分析，得出窯洞內(nèi)部最小風(fēng)速0 m/s，最大風(fēng)速0.007 m/s，僅在靠近門窗處通風(fēng)較好（圖6）。通過對地坑院庭院空間以及窯洞內(nèi)部空間的同風(fēng)分析可得出地坑院在通風(fēng)上存在以下兩點問題：第一，因該地區(qū)常年風(fēng)向為東北風(fēng)，故而僅有南向的兩口窯洞通風(fēng)較好，其余方向的窯洞通風(fēng)都較為不好；第二，各個窯洞均僅在入口處通風(fēng)稍大，窯洞內(nèi)部均為最小風(fēng)速。

圖 5 地坑院庭院通風(fēng)分析

圖 6 地坑院窯洞內(nèi)部通風(fēng)分析

3.3 地坑院光環(huán)境的模擬分析

用于研究的本地坑院距水平面5.5 m，窯洞窗戶距地坑院的庭院地面高1.2 m，窯洞進深5 m以上，窗戶與門在同一側(cè)。柏社村屬于我國第Ⅲ類光氣候區(qū)，通過軟件的測算，室內(nèi)除靠近窗口處區(qū)域外能夠達到2.0%的標(biāo)準(zhǔn)值。窯洞內(nèi)部有近60%的空間達不到國家采光標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 關(guān)于地坑院宜居的改善建議

3.4.1關(guān)于通風(fēng)情況的改善因柏社村地坑院窯洞進深較大且只有一端外，這是窯洞通風(fēng)不佳的最大原因。推薦以下兩種改進辦法：第一，可在窯洞最后部的頂端開鑿?fù)L(fēng)孔，使室內(nèi)空氣流動起來。第二，可在靠窗戶一側(cè)的窗戶頂端安裝排風(fēng)扇，加速空氣的流通。

3.4.2關(guān)于采光情況的改善在對柏社村地坑院的多次實地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卮迕裨诎滋旎旧隙荚趹敉饣顒?，在室?nèi)活動時間較少。根據(jù)村民的生活習(xí)慣推薦以下兩種改善辦法：第一，擴大窗戶的面積、將整扇木門改為上窗下門的門扇，從而增加采光口的面積。第二，在室內(nèi)安裝反光裝置，使光線可以延申至窯洞更深處。

圖 7 地坑院窯洞內(nèi)部采光分析

4 結(jié)論

將BIM技術(shù)用于陜西省地坑院的建筑信息化建模與參數(shù)分析中屬于一次新的嘗試，其中使用我國新研發(fā)的綠建斯維爾軟件對古建進行參數(shù)分析也屬于一次新的嘗試。本文主要想通過新技術(shù)手段對地坑院進行科學(xué)的、精準(zhǔn)的參數(shù)化分析，發(fā)現(xiàn)古民居影響居住舒適度的問題在哪，將問題用科學(xué)的方法解決，從而提升居住的舒適度，使當(dāng)?shù)氐拇迕裨敢饫^續(xù)居住生活在地坑院中，使地坑院這一特殊的建筑不至于因為時代的發(fā)展而被徹底的荒廢掉。另外文中提到的關(guān)于地坑院宜居的改善建議僅僅是作者基于以往對環(huán)境設(shè)計方向?qū)W科研究的經(jīng)驗提出的，并未對該地坑院進行實際改造，故而無法提供改善前后的數(shù)據(jù)對比來印證改善建議的有效性與可實施性。

[1] 常青.建筑志[M].上海:上海人民出版社,1998

[2] 王茹,張祥,韓婷婷.基于BIM的古建筑保護方案經(jīng)濟指標(biāo)體系構(gòu)建與評價方法研究[J].建筑經(jīng)濟,2014,35(6):110-114

[3] 黃麗.基于BIM的陜縣地坑院建筑信息模型的研究及應(yīng)用[D].鄭州:鄭州大學(xué),2016:3

[4] 雷會霞,吳左賓,高元.隱于林中，沉入地下——柏社村的價值與未來[J].城市規(guī)劃,2014(11):88

[5] 吳昊,張豪.柏社村地坑窯洞民居環(huán)境改造文化成因[J].西北美術(shù),2015(1):34-37

[6] 黃瑜瀟.柏社村地坑窯院建筑的現(xiàn)代應(yīng)用設(shè)計機器生態(tài)低技術(shù)研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2017:10

[7] 王茹,孫衛(wèi)新,徐東東.明清古建筑信息模型設(shè)計平臺研究[J].圖學(xué)學(xué)報,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

西京學(xué)院科研基金項目:陜西地坑院的BIM數(shù)據(jù)收集與分析(XJ170103)

衛(wèi)夏蒙(1988-),女,碩士,講師,主要從事環(huán)境設(shè)計與研究. E-mail:175309866@qq.com