青海河湟地區莊廓“厚重”生態經驗的現代設計轉化
——以河湟民俗文化博物館設計為例

王雪菲，雷振東，陳景衡（通訊作者）/WANG Xuefei, LEI Zhendong, CHEN Jingheng (Corresponding Author)

1 引言

近年來我國各地區許多以高校為主的學術團體，對典型傳統地域性建筑的生態經驗進行了大量的研究。劉加平院士團隊在西藏高寒、新疆干熱、云南多民族等典型地區，對傳統民居中所蘊含的生態經驗進行了科學化與技術化研究，提出適宜的地域生態住宅模式，并進行了示范項目的建設[2]。宋曄皓等人對夏熱冬冷地區村鎮農宅進行研究，提出了基于鄉野調研的被動式設計策略庫和綠色建筑設計框架[3]。魯安東等人對江浙地區傳統蠶室建筑進行了類型化的研究，分析了其建筑形式與環境調控原理之間的關系[4-5]。肖毅強總結了嶺南地區傳統聚落中的典型類型空間，提出了“氣候空間”的概念，并對其形態尺度進行了定量研究[6]。張彤等人以“熱力學模型”為分析框架，探索了徽州鄉土建筑內在的生態機制[7]。這些學者團隊采用了多學科交叉的研究方法，在規律和原理層面對傳統地域性建筑的生態經驗進行了研究，對本研究有很大啟示。

青海省河湟地區具有生態脆弱、資源稀缺、氣候嚴寒的環境特征，以及濃厚的宗教氛圍和多民族融合的文化特征，其地方傳統建筑源遠流長，特色鮮明。然而，隨著城市化的快速發展，該地區面臨環境資源惡化、地域建筑文化消亡的嚴重問題。在地域文化背景下，如何實現建筑可持續的目標？通過科學系統的研究，從原理層面理解傳統建筑的環境作用機制，重構地域建筑生態知識體系，對于現代地域建筑設計的研究是十分必要的。

傳統地域性建筑受到環境氣候、經濟技術和社會文化等各方面的影響，各個因素之間互相制約、平衡，關系復雜，難以量化，某些文化上的影響甚至是“反氣候”的[8]。如果單純從技術層面對傳統建筑生態經驗進行研究，有忽視建筑學科復雜性和脫離設計研究核心價值的局限。如何厘清要素間的關系，明確模式演化的動因，將生態經驗從多要素的復雜作用中剝離出來，明確其中的技術原理，再將其還原到地域文化語境中，并在現代建筑體系下，轉換成為建筑師可操作的具體設計模式。特別是小體量的傳統建筑的生態經驗，在大尺度公共建筑中如何轉化以及適用性，都是需要進一步研究的重點。

本文以青海省河湟地區傳統莊廓為研究對象，解析其“厚重”生態經驗的科學原理，并將其轉換為現代建筑體系中的設計模式，利用空間形態策略詮釋傳統建筑的生態內核，以解決地域文化傳承和綠色需求發展之間的矛盾。

2 傳統莊廓“厚重”生態經驗

莊廓是青海河湟地區特有的傳統民居類型，其整體形態規整，中間設置院落，四面由房間或院墻圍合而成。最外側為生土夯筑而成的高大院墻，除入戶大門外沒有任何開口，外觀封閉厚重。房間全部朝向院落，內墻多由精致的木雕門窗組成，木質梁枋層次豐富，與質樸封閉的外觀相比，顯得精巧通透。整體呈現外封內敞、外拙內秀的形態特征（圖1）。

1 河湟地區傳統莊廓聚落和建筑（攝影：王雪菲）

河湟地區氣候嚴寒、輻射強烈、多風沙，資源匱乏，為應對外部條件，形成相對舒適的居住環境，傳統莊廓發展出了多種生態經驗策略。其中，作為分隔莊廓內部環境和外部氣候的界面，厚重院墻起到了尤為重要的環境調節作用。同時，院墻是莊廓外部形態中占據面積最多的要素，它使建筑與所處的黃土高原地理環境渾然一體，構成了人們對于該地區人居環境的整體意象。

2.1 厚重圍護結構

傳統莊廓的整體形態外封內敞，內部院落低矮開敞，利于爭取更多太陽輻射，而外側圍護結構厚重封閉，有效隔離外部嚴寒氣候，減緩內部熱量的流失（圖2）。外部院墻形態上有明顯收分，由上至下厚度約為400～1000mm，千戶院等建筑的外墻隨高度的增加則厚度更大。院墻采用生土夯筑而成，表面涂抹草泥，生土經過夯筑之后，密度可達1800～2000kg/m3，質量很大，熱阻值和比熱容遠高于普通磚墻[9]。白天吸收太陽輻射儲存在墻體中，夜晚釋放熱量，可減小室內溫度波動，減緩溫度變化，有效應對河湟地區晝夜溫差大的特點。此外，莊廓在建造時首先夯筑外部院墻，后期再根據功能需要不斷建造房間，建造房間時會在院墻內側再砌筑一道土坯內墻，因此，外墻是由夯土院墻和土坯內墻組成的雙層墻結構，雙墻之間的空氣間層可對外部嚴寒氣候進行緩沖，起到進一步的保溫防寒作用。

2）放眼全球，重點選擇。在埃克森美孚公司的七大油氣戰略區中，北美、南美、大洋洲是核心戰略區，其次是歐洲和非洲，而亞洲及中東并不具有重要位置。中東以資源豐富且優質著稱，埃克森美孚并沒有太多涉足，僅進入卡塔爾、阿聯酋、伊拉克等少數幾個國家，也不占據主導地位。亞洲也是諸多國際石油公司早期進入并視為核心的戰略區，埃克森美孚除了在哈薩克斯坦與雪佛龍、殼牌等大石油公司聯合作業參股田齊茲、卡沙甘等少數幾個大項目外，只進入印尼、馬來西亞等少數國家，存在感不強。埃克森美孚非常看好俄羅斯北極地區，但隨著美國對俄羅斯實施能源制裁，埃克森美孚不得不撤出了其在俄羅斯北極龐大的勘探項目。

2.2 厚重圍護結構的復合性

傳統莊廓的厚重外墻是在當地物質資源、氣候環境、經濟技術、社會文化等多方面因素互相作用、影響下形成的。處于黃土高原與青藏高原的過渡地帶，河湟地區地表深厚的黃土層為當地的營建活動提供了豐富的物質基礎，生土土料經過水分控制和強力夯擊，顆粒之間產生膠結，使夯筑體的力學性能和耐久性大幅改善，作為建筑材料取材方便、成本低廉。但由于夯土墻體的抗壓強度大，抗拉、抗剪強度較差，需要較大的截面尺寸以增加側推力，因此傳統莊廓的院墻十分厚重，洞口極少，以避免受力不均。這種厚度和質量上的增加，同時也提高了夯土墻的熱工性能，有效應對當地嚴寒和溫差大的氣候特點。多方面因素的復合作用下，逐漸穩定，最終形成了該地區的“厚重”建筑類型。

3 現代地域建筑設計實踐中的問題

在傳統建筑的圍護結構中，物質實體承擔了結構、圍護、保溫和裝飾的多重作用，也被賦予了建構、生態和文化等多重意義，有著很強的復合性，是一種提高資源利用效率的營建策略，蘊含著傳統社會樸素的生態觀。然而隨著新型材料的開發和建造技術的提升，在現代建筑體系中，尤其是在大型公共建筑復雜且高質量的建設需求下，混凝土材料、框架結構、保溫系統以及飾面材料被廣泛采用，現代建筑圍護結構的各方面作用被層層分解，傳統的厚重圍護結構的復合性也被消解。保溫系統的全面包覆使建筑環境與外部氣候割裂，環境調控的目標被從建筑設計的范疇中剝離。此外，僅依靠外飾面層對地域性進行回應，建筑內部的結構關系很難從外部得到感知，忽略了外在形式背后的動因[10]，這樣的“厚重”難免成為停留于外在形象層面的簡單模仿。

在河湟民俗文化博物館的方案設計中，作為地區標志性文化類公共建筑，項目需要構建典型河湟地域建筑的風格，表達河湟地域文化。同時也需要遵循生態設計原則，達到國家對于新建公共建筑應按照綠色建筑標準進行建設的要求，面對目前普遍出現的綠色技術指標化和設備堆砌化的困境。因此，如何解決地域文化傳承和綠色技術發展之間的矛盾，是設計中需要深入思考的問題。為了響應地方氣候環境，從結構層面建立建筑與地域場所的關聯，設計團隊受到傳統莊廓的啟發，嘗試將其“厚重”生態經驗在原理層面進行轉化；以期在大型公共建筑的前期設計中，利用空間形態策略提升建筑的生態績效，使傳統建筑的生態原則成為地域形式表達的內在邏輯，并將其轉化為現代設計中的具體模式（圖3）。

2 傳統莊廓厚重圍護結構在建筑中的生態作用（繪制：王雪菲）

4 “厚重”生態經驗的現代轉化

4.1 腔體空間的復合

傳統厚重圍護界面的構造是基于材料的物質性產生的，形態上的厚度賦予其空間上的縱深，使其從一個二維的界面變成三維的實體，延長了室內外熱量交換的路徑，輻射得熱被儲存、緩釋，從而使其獲得力學和熱工性能的提升。現代建造體系中，圍護結構已無需利用厚重質量來獲得性能的改善，但通過從實體物質到腔體空間的轉化，依然可以對建筑主體環境起到緩沖作用，達到提升環境性能的目標，同時整合功能和形態需求（圖4），以此延續傳統莊廓厚重外墻多重作用復合的特性，達到內在邏輯和外在形式的統一，是一種多目標復合的設計決策。

4.2 腔體空間的生態原理及規律

在腔體空間中，導熱、對流和輻射3種傳熱方式同時存在，由于靜止的空氣介質導熱性小，封閉的空氣間層可以起到良好的保溫、隔熱作用（圖5）。但不同于普通材料層，空氣間層的熱阻并不與其厚度成正比，主要受到兩個界面上的空氣邊界層厚度和界面之間的輻射換熱強度的影響[11]。在我國民用建筑熱工設計規范中，給出了不同特定工況下，厚度在13～90mm的封閉空氣間層熱阻取值[12]，適用于構造層面的腔體。但對于能夠整合一定功能和形態需求的、空間層面的，以及體量較大的腔體，對于其環境性能影響的研究目前還比較少。

為了明確空間層面的腔體對室內熱環境的影響，本文分別采用了穩態和動態方法，對簡化房間模型進行計算。采用穩態計算的方法時，將腔體視作外墻部分結構，空氣間層熱阻的計算結果受形態影響較小；且改變其熱阻，房間內平均溫度幾乎不變，這主要是由于外墻的傳熱系數較小，增加熱阻對房間熱環境影響不大。采用動態模擬計算，將腔體作為單獨熱區時，四周有腔體的房間室內平均溫度波動較小，年總熱、冷負荷減少10%左右，說明腔體作為緩沖空間，有效抵御了室外氣候的影響（圖6）；增加空腔寬度，房間內平均溫度變化較小，但由于房間傳入空腔的熱量增多，房間熱負荷隨之稍有增加（圖7），說明腔體寬度較小，保持較為狹長的形態時，有利于單位空間提升環境性能的效率。

3 河湟民俗文化博物館方案設計效果圖（圖片來源：西北荒漠區綠色建筑模式與技術體系課題組）

4 圍護結構的轉換和特性

5 圍護結構實體與腔體空間的熱過程

6 四周有腔體房間的溫度場

7 腔體寬度對熱負荷的影響

8 不同需求下的腔體空間類型

9 河湟民俗文化博物館方案設計中的腔體類型

4.3 博物館建筑中的腔體類型

以河湟民俗文化博物館方案設計為例，通過厚重外墻到腔體空間的轉譯，團隊在設計前期探索了不同功能需求和形態需求下的腔體空間類型（圖8、9），以期建筑在形成良好環境性能的同時，與當地歷史文脈產生結構性的關聯。

4.3.1 功能需求下的腔體類型

根據不同功能對環境性能要求的等級差異，公共建筑空間可分為低性能空間、普通性能空間和高性能空間[13]。對于河湟地區嚴寒氣候，低性能空間適宜分布于建筑周邊，作為普通或高性能空間與室外氣候的過渡，使空間布局響應熱量的傳遞邏輯。例如，設備、儲藏、交通等輔助功能，可與形態狹長的腔體空間相結合，解放主體使用空間的同時，使其形態完整而具有更多使用功能上的可能性，提高空間使用效率。

（1）設備功能

在博物館建筑中，展廳作為核心功能，占使用空間的比例很大，并且作為對室內物理環境有較高要求的高性能空間，需要通風、空調等大量設備系統的支撐。在本案例設計中，中心展廳是整體空間序列的高潮，采用了集中向心的形態。為保證展廳內部空間的純粹和完整，將設備系統在建筑空間層面進行組織，與房間四周的腔體空間進行整合，避免附加后期裝修遮蔽管線，使建筑結構在空間內部得到更為真實的表現。

在本案例設計中，展廳周圍布置了雙層圍護結構，形成腔體空間，并將空調系統的送風管道和雨水管道集中置于腔體內，預留了檢修空間。其中兩個集中展廳的體量較大，層高分別為14m和20m，為保證結構穩定性，并且避免腔體內空氣因垂直方向溫差過大引起過多對流換熱，將其在豎向上分別劃分為兩層和三層。展廳內墻設置可開啟側高窗，外墻對應處設置百葉，使展廳內部能夠自然排煙，減少消防設備管道，在設計前期達到設備減量的目的（圖10）。

10 河湟地區“厚重”生態模式的設計應用

11 交通功能的腔體空間

（2）交通功能

交通空間因有明確的方向性，多呈現線性形態，與樓梯、坡道或走廊結合時，形成兩側封閉、垂直高聳的空間形態，因富有表現力而經常在博物館、展覽館等公共建筑中出現。作為使用者短暫停留的場所，交通空間對環境性能的要求等級較低，特別是僅用作疏散功能的樓梯間對于能耗的要求幾乎為零，利用交通空間作為腔體對室外環境進行緩沖，可有效減少主要使用空間的熱損失。本案例中內院的微氣候相對穩定，面對內院設置坡道的腔體空間采用了雙層玻璃幕墻構造，緩沖外部氣候的同時充分利用太陽輻射補充得熱（圖11）。

4.3.2 形態需求下的腔體類型

在文化類建筑的設計中，通過形態表達對地方歷史文化進行回應是不可回避的需求。根據傳統莊廓的外部形態特點，例如，收分和深洞口形成不同形態的空腔類型，結合不同功能需求和環境性能需求，達到形態表達（expression）和環境性能（performance）的復合目標[10]，以及外在形態表達和內在空間邏輯的統一（圖12）。

（1）收分形態

為了加強結構穩定性，傳統莊廓的夯土院墻采用了上窄下寬的收分形式，也使整體形態顯得更加敦厚。在該博物館設計中，為了回應地域性的表達，在單層展廳和辦公區域等外部采用了收分形態的腔體空間，其中內墻材料為加氣混凝土砌塊，外墻采用了預制混凝土墻板，保證傾斜外墻的施工效果。部分腔體作為集中設備管線的空間或是直接作為土建風道。

（2）深窗洞形態

因為夯土墻的抗剪強度較差，傳統莊廓的外墻上很少開洞口且開洞面積較小，狹小的洞口由于墻體厚度顯得更加深入。本案例設計中，在功能或形態上需要開洞口的部位，結合腔體空間形成了深洞口，增加了建筑立面的層次。部分窗洞采用了耐候鋼板材質的窗套，強調洞口的縱深感，暗示墻體的厚度。窗間墻部分的腔體結合設備功能，保證展廳空間的完整性。

5 結論與展望

本文提取了河湟地區傳統莊廓“厚重”建筑類型，對其內在的生態原理和復合性進行了解析，利用腔體對嚴寒氣候的緩沖作用，完成從實體圍護結構到腔體空間的轉譯。在此基礎上，以河湟民俗文化博物館方案設計為例，研究在文化類公共建筑中不同功能需求、不同形態需求下的復合腔體類型。后續將對辦公、學校、酒店和商業等更多功能類型的公共建筑進行探索，形成一系列的腔體模式圖解，探尋更多空間類型演變的可能，實現環境性能、形式以及功能需求的整合，延續地域傳統建筑的生態內核，達到建筑文化傳承和綠色發展為一體的復合目標，為我國西北地區的綠色建筑設計提供新的研究思路。□

12 收分形態和深洞口形態的腔體空間（4-12繪制：王雪菲）