從現代坡屋面構造方式探討豫中地區傳統民居屋面適宜性改良技術*
——以鄭州方頂村方兆圖故居為例

于冰清 楊杏歌 呂紅醫 段 振

1 引言

傳統民居和傳統村落的保護與利用日益受到了各界重視，許多傳統村鎮中的傳統民居正在維修和活化利用，然而由于傳統建筑圍護結構隔熱性能不高，居住舒適度較差，致使傳統民居正在逐漸消失。因此，在傳統民居中采取節能改良技術，與地方傳統匠作工藝深入結合，在保持傳統村落和傳統民居風貌的同時有效提升其居住舒適性，有助于傳統村落和傳統民居的保護及活化利用，也有助于地方工匠的培訓和新技術、新工藝的推廣傳播。

屋頂是建筑物最頂部的圍護結構，與外墻一樣，起到分隔室內外的作用。屋頂也是室內外熱量交換的一個重要通道，根據數據統計，在冬季大約25%的室內熱量損失是通過屋頂散失到室外的，這與通過外墻損失的熱量接近[1]。屋頂傳熱系數高，需要提高保溫性;且傳統民居屋頂的防水性異常重要，屋面的生命周期關乎整個房屋的使用壽命，傳統民居廢棄、破壞大部分是由于屋頂的防水出了問題，屋頂漏雨導致坍塌，因此傳統民居的防水性異常重要。因此希望通過對現代坡屋面構造方式進行分析，總結分析出較為適宜的傳統屋面節能改良技術，并以此提出適宜方頂村示范工程——方兆圖宅的屋面改良做法，以期對豫中地區傳統建筑屋面結構節能改良技術的研發與應用推廣提供技術支撐，也有助于地方工匠的培訓和新技術、新工藝的推廣傳播。

2 豫中地區方頂村方兆圖故居現狀勘察及修復設計

2.1 方頂村村落概況

方頂村位于鄭州市上街區南部，距離省會鄭州約38公里，隸屬于上街區峽窩鎮，位于豫東平原與豫西淺山區的過渡地帶，是進入豫西山地的重要門戶。方頂村處于五云山山腳下，屬大陸性季風氣候，村落所在位置地勢較平坦，以逐級而上的臺地為主，臺地位于汜水河與其支流疙顫河交匯的一塊三角臺地邊上，聚落多沿臺地邊緣的沖溝和崖底分布[2]。

方頂村始建于明洪武五年（1372年），是目前鄭州市內發現的面積、規模最大，保持較為完整的一處明清民居建筑群，是中原淺山地區民居建筑風格的典型代表，直觀展示了河南地區明清以來村落的格局、街道、風貌、民居類型和民風民俗等，具有豐富的歷史、科學、社會研究價值，2015年被確定為河南省省級歷史文化名村。

2.2 方兆圖故居

方兆圖故居位于河南省歷史文化名村——鄭州市上街區方頂村古商道南側，是清末武狀元方兆圖的故居。方兆圖故居是一處兩進四合窯院式民居，由倒座和入口影壁圍合成第一進院落，進入二門后則是正房（窯洞）與兩廂房圍合而成的第二進院[3]，是豫中淺山丘陵地區的典型傳統民居形式。

內院上方是三孔石裱山窯，為土拱結構靠崖窯，窯臉部分為磚錮形式，主窯門上方有花池磚雕。倒座和東、西廂房為磚木結構、土木混合結構的單層硬山建筑，其梁架形式為五架梁上帶大叉手梁形式。院中間建有一座樣式在中原地區極為少見的影壁墻，影壁墻正中有一個小圓孔，家人透過圓孔可看到二門、大門外的情況。臨街倒座正中建有一座高大的門樓，門樓外的磚柱上雕有“犀牛望月”和“鹿銜靈芝”的圖案，雕刻形象逼真。

2.2.1 現狀勘察

方兆圖故居始建于清末，至上世紀八十年代基本廢棄。方兆圖故居歷經百余年的變遷，整體輪廓依然完整，但由于年久失修，建筑多殘破不全，有些建筑已經坍塌。經建筑殘損勘察，目前一進院倒座已經修復重建完成，影壁墻墻面酥堿嚴重、局部傾斜，二門及兩側墻體殘破不全，二進院東廂房已不復存在，西廂房后期改為平頂。

2.2.2 修復設計

通過對于現存建筑的勘察，方兆圖故居建筑通風采光、保溫隔熱等性能較差，居住舒適性差，在建筑的維修整治和修復中需要考慮其通風采光、保溫隔熱等性能的改良提升[4]。

根據原真性、完整性原則，使用原材料、原工藝對于方兆圖故居進行復原設計。首先，恢復整體院落格局，在原地坪修復東廂房和正窯，評估西廂房的殘損狀況及真實性后拆除重建，并修復原二進院圍墻及院門;其次，參照方頂村傳統民居和方兆圖宅的建筑風貌特點，修繕保護和修復所有建筑，延續地方風格;最后，全面梳理地方匠作工藝工法，延續地方手法和建造技術，并在此基礎上進行改良技術的研究與應用[4]（圖1-圖2）。

3 以現代坡屋面構造方式分析傳統民居屋面適宜性改良技術

3.1 構造方式的選取

現代建筑屋面構造方式分為將正置式與倒置式做法，將其用在與豫中傳統民居代表——方兆圖故居三開間廂房屋面進行比較;并將傳統坡屋面和現代坡屋面進行對比分析，得出適合傳統民居屋面的構造方式。

圖1 方兆圖故居現狀三維示意圖

圖2 方兆圖故居復原效果圖

3.1.1 正置式屋面

正置式屋面的做法即保溫層在下、防水層在上，多用于傳統建筑中，構造層次由下至上依次為木基層、望磚、隔汽層、保溫層、防水層、防水保護層、泥背、瓦瓦泥、干槎瓦，相應的構造層次可參考表1。

表1 方頂村傳統民居屋面構造層次與熱工性能參數表

（1）隔汽層:因部分保溫材料具吸水性，如水泥聚苯板、珍珠巖、加氣混凝土、eps板等吸水率高的材料，需考慮室內水汽，室內水汽隨著熱氣流上升進入保溫層，依舊會對保溫層產生影響，應采取防止室內水汽的措施，如室內加設吊頂，或在保溫層下設置隔汽層。而加設吊頂即遮擋了的梁架與屋面，影響了傳統建筑的結構美。且在保溫層下還需設置隔汽層，一般采用熱瀝青或與防水層相同的卷材，相當于又做了一層簡單的防水，工序較倒置式屋面復雜。

（2）防水層:可有效保護保溫層（保護吸水率高的保溫材料），保證保溫層不受雨水侵蝕從而確保保溫材料的性能。但這種做法容易受外力沖擊拉裂，保溫層局部壓壞會導致防水層被破壞，如eps、xps保溫板抗壓強度低，受外力沖擊易產生壓縮變形和面塊位移造成防水層拉裂破損，造成屋面漏雨與保溫效果的破壞。傳統建筑屋面相比現代建筑屋面做法施工復雜、工藝繁多，屋面防水一旦出問題，便會牽一發而動全身，需將屋面大面積拆除尋找漏點修補，從而也降低了屋面的使用壽命，增加維修次數與難度，因此在傳統民居中，防水層的作用大于保溫層的作用，且相比現代建筑對防水層的要求更高，而無疑這種做法容易對防水層造成破壞。

（3）保溫層:防水層在上，將保溫層密封，有效保護保溫層的干燥，達到隔熱保溫的效果，但僅限于吸水率高的保溫材料。屋面受外力沖擊時，保溫材料抗沖擊力較弱、保溫板塊體位移都會造成防水層破壞。這種正置式做法將保溫層設置在高溫一側，影響其保溫效果。

（4）保護、加強粘結層:防水層在上的做法會造成防水層老化耐久性差，還需在防水層上做桐油石灰膏作為保護、加強粘結層，保護防水層、增加屋面抗壓強度，并且能夠將材料膠結成整體增加防水層與上層苫背、瓦的粘結力。但同時這種做法對防水層的保護及作為加強粘結層的效果有限，且這種構造方式增加了工序，工藝繁瑣。

通過分析，可以看出正置式屋面做法復雜，需相應增加隔汽層與防水保護層，即涂熱瀝青一道或防水層與桐油石灰膏，對于量大面廣的三開間傳統民居來說，盡量減少施工工序更加容易推廣與應用;而且這種做法的原因主要是為了保護保溫層干燥，避免保溫層因吸水而影響保溫效果，而對于憎水保溫材料就不需要采用這種做法，且采用憎水性保溫材料保溫效果更佳。

3.1.2 倒置式屋面

倒置式屋面的做法即保溫層在上、防水層在下，多用于傳統建筑中，構造層次由下至上依次為木基層、望磚、防水層、保溫層、玻璃纖維網格布、泥背、瓦瓦泥、干槎瓦，相應的構造層次可參考表2。

表2 方頂村傳統民居屋面構造層次與熱工性能參數表

（1）防水層:保溫層在上，能夠有效保護防水層不被拉裂與沖擊，但必須采用憎水性保溫材料，如XPS保溫板、聚氨酯泡沫板，不僅吸水率低，且抗沖擊性能較好。

（2）保溫層:采用憎水性保溫材料，這些材料普遍比吸水性保溫材料性能較高、傳熱系數低、保溫效果好;憎水性保溫材料幾乎不吸水、不需要設置隔汽層和防水層保護，減少了施工工序，便于操作，更利于技術的推廣。倒置式屋面保溫層宜設置在低溫一側，室外溫度較低，將保溫層置于防水層上方，更利于屋面的保溫效果。但采用保溫板時，接縫較難處理，對施工要求較高;用于坡度較高屋面容易位移、滑坡，需有防滑坡構造措施。

（3）保護、增強粘結層:保護保溫層與找平作用，并加入玻璃纖維網格布作為拉結，起到軟鋼筋的作用，替代了傳統做法中打拐子粘麻搭辮子的作用;相比較正置式屋面防水層上加入桐油石灰膏作為粘結加強層的做法，更加有效的增強了苫背層與瓦屋面的附著力，防止屋面滑坡;且保溫板施工時一般和玻璃纖維網格布配合使用，即保溫層上鋪設玻璃纖維網格布，可有效防止滑坡和脫落現象，用來作為屋面與瓦面的連接較為適宜。

通過分析，可以看出倒置式屋面做法相對正置式簡單，且相對來說保溫防水性能較好，保溫層上的玻璃纖維網格布和保溫板的結合使用保證了傳統屋面的保溫及防滑，操作相對簡單，非常適用于傳統民居屋面，且利于推廣。

3.1.3 現代坡屋面與傳統坡屋面的對比

豫中地區方頂村地處寒冷地區，隸屬于河南，根據《河南省12系列建筑標準設計圖集》（12YJ5-2）[5]坡屋面做法，應采取保溫層在下，防水層在上的做法，但由于現代建筑和傳統民居有所區別，因此從以下幾個方面分析:

（1）現代建筑坡屋頂普遍采取掛瓦形式，瓦與屋面基層有通風間隙，這就在一定程度上抵御了外部沖擊，而傳統建筑瓦與基層是一體的，直接相連，且瓦與瓦相互疊加，具有牽一發而動全身的屬性，抗沖擊能力不及現代建筑中坡屋頂的做法。

（2）現代瓦面多采取塊瓦、波形瓦、金屬屋面、防水卷材屋面，這些現代瓦材質本身抗沖擊力較傳統瓦屋面強，在一定程度上減少了對保溫基層的損壞。而傳統屋面瓦的抗沖擊性不及現代屋面，因此對屋面保溫基層的保護有限，若將保溫層置于防水層之下，外力對屋面的沖擊會直接作用于保溫層，使得保溫層損壞，從而對防水層進行拉裂，影響屋面保溫防水效果;若將防水層置于保溫層之下便會對防水層有更好的保護（圖3）。

圖3 塊瓦屋面構造方式圖

（3）12YJ5-2坡屋面做法適用于所有保溫材料，防水層在上可有效保護保溫層，包括吸水性和憎水性保溫材料，但是防水層易受損害;而對于憎水性材料則不需要防水保護，宜采用倒置式屋面，可有效保護防水層不受破壞，且操作簡單、保溫防水效果較好。

（4）傳統建筑屋面不同于現代坡屋頂，現代坡屋頂結構屋面多為掛瓦，易于拆卸組裝，采取正置式做法，將屋面掛瓦去除即可直接進行防水材料維修或重新鋪設，維修成本和復雜程度較低。而傳統屋面瓦件相疊、數量繁多，且直接與苫背層粘結，防水出了問題需要大面積拆除再重新瓦瓦，與苫背層粘結;隨著傳統工匠和工藝的流失，瓦瓦的工匠越來越少，傳統屋面維修時間、成本等都在增加，相比較現代坡屋面的維修復雜、工序繁多，須盡量保證其防水性能，相比較來說倒置式屋面對防水層的保護高于正置式屋面。

通過以上的分析得出在傳統民居中采用倒置式做法優于正置式做法。

因此，在傳統建筑中應用保溫防水材料時，不能直接套用，應適當了解規范中制定的根據與前提條件，傳統建筑不同于現代建筑的結構、防火、構造、材料等，在現代建筑中適用的做法并非適用于傳統建筑中，需要深入分析與總結，在傳統建筑與現代建筑結構、構造、材料結合的過程中應具體問題具體分析。鑒于傳統建筑的地域性差異，在改良技術的研究中更應該考慮不同地域傳統民居的差異性，根據差異來選擇相應更加合適的改良技術。

3.2 保溫防水材料的選取

3.2.1 保溫材料的選取

現代建筑常用的保溫材料如表3所示，可分為吸水性和憎水性保溫材料。當采用吸水保溫材料時，則必須采用正置式屋面，保溫層需要有防水層保護才能保持良好的保溫效果;當采用憎水保溫材料時，可采用倒置式屋面，不需要防水層對其進行保護。傳統三開間民居量大面廣，而這些建筑屋面苫背層厚度多在60mm左右，因此在保溫材料的選擇上應盡量在滿足保溫性能的前提下選擇厚度較薄的材料，傳熱系數越低的保溫材料效果越好、所需的厚度越薄，通過表3可以看出適用于正置式屋面的吸水保溫材料普遍導熱系數較大，且需要考慮保溫材料的防水;而適用于倒置式屋面的憎水保溫材料整體傳熱系數較低，且無須考慮保溫材料的防水。因此根據材料屬性可選擇憎水保溫材料，其中以聚氨酯泡沫塑料板傳熱系數最低、其次是xps保溫板，在傳統民居屋面保溫材料的選擇時可優先采用這兩種保溫材料，也可不受構造方式的限制。

表3 方頂村傳統民居屋面構造層次與熱工性能參數表

3.2.1 防水材料的選取

傳統民居形制越高的建筑對防水要求越高，需要采取防水性較好的材料和方式，可根據形制選取相應的防水方式，以三開間的方兆圖故居為例進行防水材料的分析與選擇。

（1）聚乙烯丙高分子防水卷材

適用于寒冷地區，耐腐蝕、耐久性能好，抗滲能力強，可采用冷貼方式施工，但是粘結性能較差，對施工的要求非常高，搭縫易產生粘結不善的問題，且易老化，產生拉裂、搭接縫拉脫問題，而現代防水材料用于大量的傳統民居屋面中時，施工工藝不宜復雜。這種防水材料對于需要種植的屋面或防水要求不是很高的部位可選用，防水性要求高的可做雙層聚乙烯丙綸防水卷材，而傳統民居屋面對防水要求較高，因此可排除這種做法。

（2）SBS改性瀝青防水卷材

防水性能較好，相當于雙層聚乙烯丙高分子防水卷材，厚度較厚、耐撕裂、彈性好、承受基層裂縫的能力強，寒冷氣候下也可以施工、適用于北方，施工方便快捷。但在實際的跟蹤拍攝中發現，傳統民居中采用sbs改性瀝青防水卷材時，一般采取熱熔法操作，雖然對于防水層接縫更加密實，但是熱操作法增加了工匠在屋面的踩踏次數，這種操作增加了望磚的損壞率，需對望磚基層返工，費時費力廢材;第二方面，鑒于傳統民居木結構易燃的特殊性這種熱操作法會對防火造成一定的隱患，不宜采用高溫操作;最后，這種操作較為復雜，適用于現代大型建筑，但對于一般傳統民居體量小、工程量小就可以采用相對簡單的操作方式，比如膠粘式、自貼式更加方便操作。

膠粘式相對自貼式施工較為復雜，且在現場膠粘劑的質量、施工工人的施工技術和質量等都會產生一些不可控因素，特別是防水卷材的接縫處理對傳統建筑屋面來說尤為重要，考慮到傳統工匠大多未接觸這些現代材料，可將施工因素對屋面的影響降到最低，宜采用自貼式sbs防水卷材、方便快捷、且施工質量相對可靠，適用于傳統民居屋面。

（3）sbs瀝青防水涂料

Sbs瀝青防水涂料相對卷材防水對基層平整度要求不是很高、施工技術容易掌握、防水性能較好、與基層能夠有100%粘結面，但是防水層的完工需要多遍涂刷，每遍涂刷都需要有一定的間隔時間，防水層的完成需要較長時間，防水涂料的層數與施工直接影響防水效果。而根據在示范點現場施工的拍攝中發現即便在充分和工匠溝通與交流的基礎上依然有很多施工工序、做法、施工質量依然不能保證，很多必要的施工要點也并沒有嚴格執行，比如苫背一般需要晾至七八成干時才能進行下一步施工以保證其防水保溫性能，但是在實際施工中直接進行了下一層操作，沒有進行晾背。因此，通過對現場施工因素的考慮，不宜使用防水涂料。

通過對比分析，在傳統民居屋面設計中可考慮防水時可采取與防水涂料復合使用的方式，在接縫處可采用防水涂料進行保護，或在防水卷材保護粘結層聚合物砂漿里加入砂漿防水劑起到了保護與防水的雙重作用;為方便操作，在改良技術中，防水層上部的聚合物砂漿可采取加入砂漿防水劑對防水層接縫進行一定的保護，保證屋面的防水性能（表4）。

表4 防水材料屬性表

表5 方頂村傳統民居屋面構造層次與熱工性能參數表

3.3 傳統屋面改良技術的提出

根據上文的綜合分析與總結，得出豫中地區傳統民居方兆圖故居屋面宜采用倒置式屋面做法，即防水層在下、保溫層在上，保溫防水效果更佳。參考現代坡屋面的節能做法，在保證木屋架結構體系及小青瓦屋面這兩個構造層次不變前提下，為滿足屋面的保溫性能，增加一定厚度的保溫材料，結合各構造層次之間的材料特性，調整整個屋面的構造層次[1]。

具體做法為:①基層水泥砂漿找平，為鋪設防水層做基礎;②防水層選用自貼式sbs改性瀝青防水卷材，并在防水卷材上部的聚合物砂漿里加入防水劑，對防水層接縫處進行二次保護、確保防水層的防水性;③通過對保溫防水材料的綜合比對分析得出，保溫材料選取吸水率較低且保溫效果較好的聚氨酯保溫板、xps，根據不同材料的傳熱系數計算其所需要的厚度;④保溫板施工一般與玻璃纖維網格布結合，用在傳統民居屋面中，不僅有抗裂增強的作用，也有加強與瓦的連接、增強附著力的作用，防止屋面滑坡;⑤玻璃纖維網格布上滑秸泥背一層，在這里作為一層簡單的防水，對瓦屋面排水后進行了簡單的二次防護。該改良技術既保留了傳統工法技藝，又不會破壞傳統民居的傳統風貌。

由此得出傳統屋面改良技術構造層次由下至上依次為木基層、望磚、水泥砂漿（找平）、自貼式sbs改性瀝青防水卷材、聚合物砂漿（加入防水劑）、聚氨酯保溫板或XPS保溫板、聚合物砂漿（找平粘結）、玻璃纖維網格布（加強層）、滑秸泥背、瓦瓦泥、瓦，如表5所示。

4 傳統屋面與改良屋面熱工性能對比分析

方頂村傳統民居多為小式三開間建筑，屋面苫背層較為簡單，屋面結構厚度普遍較小厚度約60-100mm，熱工性能參數見表6，其屋面材料的導熱系數大，總熱阻為0.152㎡·K/W，傳熱系數為6.58W/㎡·K，達不到《農村居住建筑節能設計標準》對于屋面傳熱系數低于0.5W/㎡·K的要求。可以看出傳統屋面做法的保溫防水性能具有很大的局限性，雖然傳統苫背層具有一定的保溫效果，但這種黃泥與麥秸的混合物在熱工性能上遠遠低于現代生活中要求達到的熱工舒適度標準值，其整體保溫隔熱性能較差[2]，不能滿足現代居住舒適度的需求;且這些屋面的防水效果較差，滑秸泥背的防水性能有限，很多屋面因漏雨而大面積坍塌與破壞，不能滿足現今生活質量的要求。

表6 方頂村傳統民居屋面構造層次與熱工性能參數表

經過改良后的屋面，采用聚氨酯保溫板時，總熱阻為2.237㎡·K/W，傳熱系數為0.447㎡·K/W，采用XPS保溫板時，總熱阻為2.157㎡·K/W，傳熱系數為0.464W/㎡·K，均滿足《農村居住建筑節能設計標準》GBT 50824-2013中對于寒冷地區屋面部位傳熱系數小于0.5W/㎡·K的要求，相比較傳統建筑屋面傳熱系數降低了大約6W/㎡·K，保溫隔熱性能得到了明顯提升;防水效果較傳統做法有顯著提升。

5 結語

在現代保溫防水技術引入傳統民居的過程中，不能生搬硬套，需要對傳統民居和現代建筑有深入的了解，并進行橫向對比分析，在結合的過程中需要分析其異同再進行靈活應用，才能將改良技術最大程度進行優化。一方面兼顧傳統民居保護修復、地方施工工藝傳承、傳統風貌保留的特殊需求，作出優化提升;另一方面需要對現代建筑構造方式、材料及應用有深入了解，并深入總結其與傳統民居的異同，以利于在傳統民居中的應用，提出更加適宜的優化改良技術。

傳統民居不同于現代建筑，具有鮮明的地域性特征。而我們需要在應用傳統技術和改良技術的同時，尋求一個相對標準，在各個地區施工的時候或許因為各個地區做法有些許差別而對改良技術做出一定變動，但這也是推進各個地區改良、以及促進多樣性的重要舉措，在實踐中尋求發展與改進。