地坑院的BIM數據分析及改造——以陜西省三原縣柏社村為例

衛夏蒙

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地坑院的BIM數據分析及改造——以陜西省三原縣柏社村為例

衛夏蒙

西京學院, 陜西 西安 710123

在建設美麗鄉村的大語境下，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村特色老建筑該如何借用最新的科學技術手段進行修復與改造，使原其更加宜居，是本文討論的重點。BIM（建筑信息模型）是時下建筑行業信息化的新型技術手段，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，可以精準的掌控建筑建造的每一個環節，目前該技術手段主要用于建筑行業與工程制造業。本文選取地坑院較多的陜西省三原縣柏社村為試點，選取一座現狀較好的地坑院使用BIM技術進行采光、通風等數據的分析，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層面的借鑒。

生土建筑; 地坑院; BIM; 數據分析

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》是最早記錄有關人類穴居活動的，內容如下：“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[1]。近幾年研究地坑院的學者慢慢增多，對地坑院營造修復與改造方法這一方向的的研究文章也逐漸增多。王茹等在《建筑經濟》上發表文章《基于BIM的古建筑保護方案經濟指標體系構建與評價方法研究》中提出[2]，我國現存古建群數量巨大，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用》中提到，使用BIM技術應用到地坑院室內環境改善設計過程中，幫助建筑史進行準確、有效的建筑空間分析、構建制作、能耗分析等，以便更好的為地坑院傳統民居形式的保護和發展提供更有效的方法[3]。本文是對使用BIM技術進行地坑院的參數進行分析，提出更加適宜的維護與改造方案，并對后續其他特殊古建筑的維護與改造提供一定的技術層面的借鑒。

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區域。目前河南省陜縣地區、陜西省三原縣地區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，據地方志記載，柏社村已有1600余年的聚落發展史，柏社村包括多個自然村，居住月3750人，據調查現存有780余個窯院，其中村子的核心區域面積為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“為中國而設計”全國環境藝術高峰論壇，會議明確提出了“為農民而設計”的學術主張[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研中發現西安建筑科技大學對個別地坑院進行了翻新與修復，并在地上建設了生土建筑形式的公共廁所[4]。

在對柏社村的實地調研中發現，該村大部分的地坑院已經大門緊鎖，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象。只有在村子主入口以及主干道兩側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“農家樂”，成為了柏社村振興旅游業的最佳資本。本文研究的地坑院選取是在國家科技支撐計劃課題“西北地區歷史文化村鎮社區功能提升技術集成研究與示范”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，有效地蒸發土壤中的水分。其次在坑內的四壁挖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便可以有效的排水與蓄水。

1.3.1 地坑院建筑的優點第一，由于地坑院所處的地理環境，在在春、秋、冬天三季會有多風沙天氣，處于地平面之下具有防風防沙的效果。第二，地坑院內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、冬暖夏涼的優點。

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

2 BIM技術在建筑領域的應用

2.1 BIM技術概述

BIM（建筑信息模型）是以電腦三維模擬為基礎，是整合建筑工程各個環節信息的工程數據集約化模型。BIM理念的工作流程是：首先用CAD繪制二維平面圖，然后將CAD圖導入Revit中進行建筑信息模型的創建，其次把在Revit中創建好的模型導入Phoenics軟件中進行風環境的模擬、導入Ecotect中進行采光模擬，通過對模擬數值的分析發現問題，進而提出優化的方案（圖2）。

圖 2 使用傳統BIM相關軟件的工作流程

在BIM技術中嘗試使用比RPhoenics、Ecotect軟件更加簡單便捷的國產軟件——綠建斯維爾進行地坑院的各項參數分析。綠建斯維爾軟件主要用于綠色建筑相關的模擬分析的軟件，可進行一模多算，其中包括能耗計算、日照分析、采光分析、住區熱環境分析、建筑聲環境分析、建筑通風分析等方向。它的優點是可以直接將CAD中繪制的三維模型導入綠建斯維爾中進行參數分析，省去了將CAD文件導入Revit建模之后再導入Phoenics和Ecotect的步驟，更加方便快捷（圖3）。本文根據地坑院建筑的特殊構造情況，主要從日照、采光、通風三個方面進行分析，力求精準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在古建修復領域使用的探索

BIM技術目前在國內外主要用于建筑工程方面，國內的斯維爾軟件主要用于工程建設行業，包括工程設計、工程施工、工程監理、造價咨詢等，以及提供行業信息化產品及解決方案和BIM及綠色建筑咨詢服務。在我國，目前將BIM使用于古建的模型信息收集以及數據分析這一方向的研究還比較少。在知網中輸入關鍵詞：BIM、古建，搜索可得知，目前在知網中關于BIM技術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王茹教授發表的《明清古建筑信息模型設計平臺研究》中提到，使用BIM技術來構建全新的傳統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技術對地坑院進行數據分析，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數據分析

3.1 地坑院BIM數據的建立

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據，根據測量數據直接在CAD中繪制地坑院的三維模型。然后將模型導入綠建斯維爾軟件中進行三維模型的創建。在三維模型的繪制中，所有與高度相關的數值皆為負值，這為模型的搭建與后續數據的分析增加了較大的難度。如圖所示（圖4），是創建地坑院模型的步驟，而模型的建造過程能夠較好的體現實際地坑院的建造過程。

圖 4 地坑院模型創建過程

3.2 地坑院風環境的模擬分析

由于地坑院的建筑構造較為特殊，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問題。首先選取柏社村所在第咸陽市的氣象參數，咸陽市常年主導風向是東南風，風速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環境進行模擬，分析結果如下圖所示（圖5）。從圖中可以看出，地坑院距地面1.1 m處最大風速為0.01 m/s，最小風速為0 m/s的庭院部分風速為0.005 m/s。然后對窯洞內部的通風進行分析，得出窯洞內部最小風速0 m/s，最大風速0.007 m/s，僅在靠近門窗處通風較好（圖6）。通過對地坑院庭院空間以及窯洞內部空間的同風分析可得出地坑院在通風上存在以下兩點問題：第一，因該地區常年風向為東北風，故而僅有南向的兩口窯洞通風較好，其余方向的窯洞通風都較為不好；第二，各個窯洞均僅在入口處通風稍大，窯洞內部均為最小風速。

圖 5 地坑院庭院通風分析

圖 6 地坑院窯洞內部通風分析

3.3 地坑院光環境的模擬分析

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。柏社村屬于我國第Ⅲ類光氣候區，通過軟件的測算，室內除靠近窗口處區域外能夠達到2.0%的標準值。窯洞內部有近60%的空間達不到國家采光標準。

3.4 關于地坑院宜居的改善建議

3.4.1關于通風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通風孔，使室內空氣流動起來。第二，可在靠窗戶一側的窗戶頂端安裝排風扇，加速空氣的流通。

3.4.2關于采光情況的改善在對柏社村地坑院的多次實地調研中發現當地村民在白天基本上都在戶外活動，在室內活動時間較少。根據村民的生活習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 地坑院窯洞內部采光分析

4 結論

將BIM技術用于陜西省地坑院的建筑信息化建模與參數分析中屬于一次新的嘗試，其中使用我國新研發的綠建斯維爾軟件對古建進行參數分析也屬于一次新的嘗試。本文主要想通過新技術手段對地坑院進行科學的、精準的參數化分析，發現古民居影響居住舒適度的問題在哪，將問題用科學的方法解決，從而提升居住的舒適度，使當地的村民愿意繼續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展而被徹底的荒廢掉。另外文中提到的關于地坑院宜居的改善建議僅僅是作者基于以往對環境設計方向學科研究的經驗提出的，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據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濟指標體系構建與評價方法研究[J].建筑經濟,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用[D].鄭州:鄭州大學,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].城市規劃,2014(11):88

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

[6] 黃瑜瀟.柏社村地坑窯院建筑的現代應用設計機器生態低技術研究[D].西安:西安建筑科技大學,2017:10

[7] 王茹,孫衛新,徐東東.明清古建筑信息模型設計平臺研究[J].圖學學報,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

西京學院科研基金項目:陜西地坑院的BIM數據收集與分析(XJ170103)

衛夏蒙(1988-),女,碩士,講師,主要從事環境設計與研究. E-mail:175309866@qq.com