BIM技术在陕北新型窑洞设计中的应用
BIM技术在陕北新型窑洞设计中的应用
陕北窑洞作为黄土高原地区的传统民居，承载着丰富的历史文化价值。然而，随着社会的发展，传统窑洞面临着诸多问题，如采光通风不良、结构不稳定等。本文探讨了如何运用BIM（建筑信息模型）技术，对陕北窑洞进行现代化改造，以实现传统与科技的完美结合。
1. 引言
窑洞是陕北黄土高原地区一种传统而具特色的民居建筑，主要分布于延安、榆林等地。其最大特点是就地取材，因地制宜，经济实用，造型美观，有利于生态保护与可持续发展。由于窑洞上部覆盖着一层厚厚的夯实黄土，与其他民居相比，保温储热功能显著，具有冬暖夏凉，防火抗震、隔音隔热等无可比拟的优势。
近年来，随着社会经济的发展与人民生活水平的提高，陕北地区的窑洞建筑被人们逐渐遗弃，窑洞资源正不断减少并逐渐趋于枯竭。因此，窑洞民居的保护和发展传承已迫在眉睫。
BIM (Building Information Modeling)，即建筑信息模型，依托于三维信息技术，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，记录各个环节的数据信息并汇聚于一个信息数据库中，为建设、设计、施工、监理、设施运营等单位及业主提供协同工作平台，实现了对建筑工程全生命周期的管理。
2. 现存窑洞现状、问题与改进策略
2.1. 窑洞的现状
传统的黄土窑洞虽然造价低廉且冬暖夏凉，但由于侧方和后壁不开窗，导致采光差、通风不畅，容易潮湿。加之黄土属离散结构，在风吹日晒下会出现风化剥落，若大量降雨入渗时，则会产生窑洞坍塌的不良后果。因此，人们纷纷搬离黄土窑洞，将其用来储藏粮食、杂物以及养殖牲畜。
砖石窑洞克服了黄土窑洞的一些缺点，比黄土窑洞更加美观坚固，采光通风和排水更加科学合理，在改革开放后逐渐被居民广泛采用，但是它造价较高，需占用空地，与黄土窑洞的冬暖夏凉效果相比逊色了不少。目前，随着居民经济状况的好转，人们将黄土窑洞视为贫穷和落后的象征，加之黄土窑洞自身难以改变的缺点，终将被废弃并退出大众视野。如今，大多数居民所居住的窑洞均为独立式的砖石窑洞。
图1. 独立式砖石窑洞
2.2. 现有独立式窑洞存在的问题
选址与建设问题：窑址选择在地势相对陡峭的边坡地带，易发生边坡失稳、土泥石流等自然灾害。窑洞的地基土质为湿陷性黄土，遇水侵蚀，地基容易产生湿陷性不均匀沉降，导致地面变形对窑洞造成的结构性破坏。窑址朝向不够好，使得窑洞采光通风不佳。在建窑时，未结合当地土地利用规划，及其附近所设有的水、电和互联网等基础设施，导致生活基础设施配备不良，人居环境较差，没有良好的给排水系统、缺乏卫生间，道路不成体系等。
结构问题：独立式窑洞在建造时，全凭工匠经验，未进行任何设计，有的将边窑腿宽度设置太小，导致边腿抗水平推力不足，造成窑腿或窑体变形开裂。
室内物理环境问题：窑洞存在屋顶防水效果差，雨季容易渗漏水，导致窑洞墙体开裂、坍塌；室内通风质量差，采光日照不足，出现潮湿阴暗，容易发霉现象；冬季室内温度较低，热舒适性体验度不好。
空间功能布局问题：独窑洞居住空间功能混乱，客厅、餐厅、厨房、卧室等空间糅合在一起，功能未能很好地划分开，私密性较差。
2.3. 现有独立式窑洞改进策略与措施
针对独立式窑洞存在的以上问题，提出相应的改善策略与改进措施如下：
正确选址：窑洞选址要综合考虑到地形地质、气候水位、位置朝向以及交通与基础设施等多个方面。首先，应选择地势相对平坦，避免滑坡、泥石流、强风、弱电、雷击等自然灾害的影响。其次，选择较好的地下土质，保证天然地基有较强稳定性，避免窑洞洞室塌陷的风险。再次，应优先考虑地下水位较低、不会影响出入口舒适度的地段；选定合适的建筑朝向，确保窑洞具有良好的采光通风条件。最后，在建设时，还要考虑当地土地与交通规划，接入附近水、电、互联网及道路等基础设施，确保生活便利。
结构优化：为解决拱脚处产生的很大水平推力，可在拱跨一定时，适当增加拱圈的矢高，以有效降低拱脚处的水平推力。若拱圈采用合理拱轴线，可使拱圈受力状态由压弯转化为轴压状态，从而提高窑洞结构的整体承载力。
室内环境改善：通过采用适宜的围护结构构造以提升所改造窑洞围护结构的热工性能，对窑洞墙体、门窗、地面进行合理的保温隔热设计，进而提高室内热舒适状况。改善窑洞是单侧通风方式，在窑洞北墙上开高窗以增强风压自然通风；选用合理的屋顶构造防水排水系统、窑洞内表面涂刷防水涂料等措施改善室内潮湿情况，全面解决窑洞室内的物理环境问题。
空间布局优化：合理设计窑洞尺寸，优化窑洞室内功能布局。独立式窑洞孔数一般为三孔或者五孔，单孔窑洞的室内进深一般在7
8 m，开间3.24 m左右，窑洞层高一般为4.34.6 m，窑洞顶部必须覆土12.5米，以保证窑洞的稳固性。通过考虑居民的居住需求，优化客厅、餐厅、厨房、卧室等空间布局，提高了居住舒适度。
3. BIM技术在新型窑洞设计中的应用分析
BIM技术在设计阶段中的应用主要体现在三维模型建构、建筑性能模拟分析、三维管综与碰撞检查、专业协同设计等方面。将上述改进现有独立式窑洞的策略和方法通过BIM技术引入到新型窑洞设计中，除了可以实现新型窑洞在设计阶段的三维效果呈现，为不同专业的设计人员与业主之间交流提供方便，达到在可视化的操作下完成新型窑洞的设计与施工的目的；还可以根据不同的专业需求，将窑洞模型导入软件内完成相应的计算与分析，如场地分析与建筑朝向分析，不同围护结构条件下的能耗分析；同时对于窑洞设计施工图纸的调整、管线碰撞检测以及虚拟施工也有着不可忽视的良好效果。
3.1. 三维效果呈现
BIM技术具有超强的三维可视化设计功能，应用这个技术手段可将传统的二维图纸转变为三维立体模型，能够将新设计的窑洞更加直观立体地展现在设计人员和业主面前，为新型窑洞后续建设的顺利推进提供可靠保障。
图2. Revit创建的新型窑洞三维模型
3.2. 场地分析
场地分析是建筑物定位的主要影响因素，是对建筑物的空间方位和外观、建筑物和周边环境的关联性进行评价分析的过程。在工程的规划阶段，场地的地貌、植被、气候条件都是影响设计决策的重要因素。传统的场地分析存在诸如定量分析不足、受设计人员主观判断影响较大、无法科学采集和处理应用数据信息等弊端。将BIM技术与GIS地理信息系统相结合，根据生成三维地形数据进行窑洞场地环境模拟分析，能够为后期窑洞群的场地规划与布局、交通流线组织关系给予设计指导。
3.3. 窑洞朝向的精确确定
建筑朝向是指建筑物正立面所对的方向，对建筑节能具有重要影响。科学的建筑朝向能保证建筑物夏季室内自然通风、冬季热量流失的减少，实现建筑节能设计目标。窑洞朝向的选定与窑洞室内物理环境问题的改善息息相关，利用BIM技术精确计算窑洞最佳朝向十分必要。为提高建筑朝向分析的科学性，利用BIM技术，以中国气象局记录的陕北地区当地气象数据为依据，选择当地全年气温最高和最低两个月的数据作为主要参考，通过Weather Tool工具明确新型窑洞日照时长及所获取的太阳辐射量，确定出窑洞的最佳朝向，出具规划模型。
3.4. 能耗分析
BIM技术对建筑物进行能耗分析所用的工具是Ecotect Analysis软件。Ecotect Analysis是一种建筑物理模拟工具，分析范围广泛，从太阳辐射、日照、遮阳、采光、照明到热工、室内声场、室内外风场等均可模拟。该软件的操作方法是从建模软件Revit Architecture中导出gbXML或DXF文件格式，再直接导入Ecotect软件中进行物理环境的各种模拟；或者是直接在Ecotect软件中建立与3D信息模型相同数据信息的模型直接进行后续的能耗分析。
3.5. 施工图设计及调整
首先，在施工图设计环节，除了进行建筑与结构设计外，还要确定施工材质，明确施工构造，使得整个设计方案符合施工需求，BIM技术的引入让施工图设计前置，减少了施工图绘制工作量和绘制难度；其次，BIM技术给不同专业的设计人员的高度协同处理提供了统一平台，促使建筑结构和其它相关联的部分更为协调，针对建筑、结构设计与水电暖通系统等可能存在的冲突问题予以及时调整处理，以保障整套施工图设计的效果；最后，应用BIM技术可完成管线碰撞检测以及虚拟施工等，及时发现其中存在的异常问题和冲突点，对施工图设计不合理之处采取最佳策略进行调整改进，避免了可能出现的严重设计偏差问题，增强设计的可行性。
4. 结语
陕北传统黄土窑洞这种具有地域风格的特色民居由于自身所存缺点正濒临废弃，而独立式砖石窑洞仍被大量居民使用，为了传承和发展这种具有保护意义和科学价值的民间建筑，针对独立式窑洞现状和存在问题提出改进策略和方法，旨在设计陕北新型窑洞。为适应信息时代发展步伐，在设计阶段引入BIM技术，结合BIM技术的三维可视化、各专业设计协同化、设计参数修改一步化、施工场景模拟化等优势，提出将BIM技术应用在新型窑洞设计中发挥积极作用。
可得出以下结论：
利用BIM技术，各参与方可实时获取新型窑洞的各部分构造、材质、尺寸等信息内容，并直观地展现设计的3D效果及细部模型，实现信息共享与管理，便于各专业设计师准确地把握所设计的内容，及时修改和完善新型窑洞设计模型。
利用BIM技术直接修改需要改进的围护结构内容，与其相关联的信息数据也将随之自动进行实时更新，将大大提升建筑性能模拟分析和设计效率，使得设计方案得到最佳优化。
BIM技术在新型窑洞设计中具有非常强大的应用价值，为传统民居的建筑信息化提供支持，促进了传统民居设计的成熟与完善，并使BIM技术的应用得到进一步推广。