環境生態學視角下的地坑院窯洞營造及優化分析

劉富余，王宇，田煒令，沈小玥

（山東建筑大學 建筑城規學院，山東濟南 250101）

0 引言

隨著鋼筋混凝土的建筑逐漸蔓延到廣大農村地區，人類的建筑活動已經與自然環境相背而行，綠色建筑理念的提出依然難以產生與自然環境同等效力的生態恢復作用，尋求適宜的生態建造與新時代綠色建筑的結合因而顯得尤為重要。起源于黃土高原的地坑院窯洞作為“原始的生態建筑”，在當下遭到了被遺棄的境遇，但其因地制宜的構建措施、資源節約的生態理念以及遵從自然的和諧關系，為應對環境危機、能源消耗以及人與自然環境的可持續發展提供了更多的可能性。針對窯洞建筑空間環境、功能組織、能源供應、安全防護等方面進行適宜的現代化改造，不僅對生土建筑文化的保護與傳承有著重要的借鑒作用，而且對提升窯洞民居生活宜居性、加快鄉村現代化進程也有著重要的現實意義。

1 環境生態學與原生態建筑相關理論

1.1 環境生態學理論

環境生態學是生態學發展歷程中的重要分支，是介于環境學與生態學之間的一門交叉學科，研究在人為參與和干擾效應下，生態系統內在的變化機理、內在規律和系統內不同組分之間的相互作用及對人類的反效應，并且尋求受損生態系統恢復、重建和保護對策的學科，即運用生態學理論，闡明人與環境間的相互作用及解決環境問題的生態途徑[1]。因此，環境生態學與生態學、污染生態學、社會生態學等均有所不同，它關照的是環境質量治理和生態環境修復這兩類物理環境問題。

1.2 原生態建筑

原生態建筑（Primary Ecological Architecture），是指經過漫長的人類歷史演變，依然傳承了建筑最原始的雛形，并且采用具有地域特色的地方材料，以生態的建造方式建造的傳統民居建筑。地坑院窯洞建筑因其鮮明的地域特征和文化特色，無論在聚落格局、建筑形態、還是營造手段上都充滿了原生態的建筑精神，蘊含著古人“原生態”的自然生態環境觀[2]。

2 地坑院窯洞民居的營造特點

2.1 選址

地坑院窯洞一般位于較平坦的黃土高原和丘陵地帶，這些地區一般地勢較為平坦，沒有可供挖掘的崖壁，所以就以下沉式窯洞為主。在建造窯洞之前，先請風水師選地、定方位、方向等，確定主次窯洞的位置。講究陰陽平衡，體現了中國古老的風水學對民間建筑的影響，其選址因地制宜，適應環境（圖1）。

圖1 入口在東南方的五行與窯院布局關系

2.2 構建

地坑院窯洞通過向縱深方向挖掘土方，采用“減法”的方式開發地下空間，向下挖出深6～8m、長12～15m的長方形或者正方形土坑作為院落，再根據八卦方位在墻的四壁挖出若干個窯洞，作為不同功能的窯洞分區，其工序可以概括為：挖坑→剔壁（四壁垂直土崖面）→挖窯→剔窯→泥窯（抹墻）→砌筑前墻（土或磚墻）→安裝門窗→鋪貼地面。

2.3 布局

地坑院窯洞原始于穴居，經過歷史演變，依然保留了穴居居住形態，即“建筑原始雛形”的布局形式。窯院采用沉于地下的合院形制，包括院落、主窯、客窯、牲畜窯、廁所等，這種對自然環境和地理條件的回應形式，充分融合到原始的地貌環境中，有著“見樹不見村，見村不見房，聞聲不見人”的特點[3]（圖2）。

圖2 地坑院布局

3 地坑院窯洞建筑營造中的環境生態觀

3.1 因地制宜的環境適應性

黃土高原的自然地理氣候很大程度決定了建筑的形式，降雨少、氣候干燥、土質深層的雜質較少，建筑在縱深方向具有較好的發展潛力，穴居生存因此得來。窯院民居“負陰抱陽、背山面水、隨坡就勢”的選址原則就符合因地制宜的環境適應性[4]。沉于地下的地坑院窯洞是適應黃土高原地形地貌的完美形式之一，走進村里，只見郁郁蔥蔥的樹木從窯院里伸出來，地坑院似乎從這個環境中生長出來，與自然環境融為一體，形成建筑與環境的和諧對話，反映出了窯院建筑形制遵從環境改造自然的營造方式，實現了自然環境的生態性[5]。

3.2 就地取材的資源利用

地坑院窯洞依靠黃土高原，所以使用的建筑材料是原生態的黃土，極少使用其他材料。挖掘出來的土經過其他工序的加工，可以做成土胚，用來砌筑院墻、土炕、煙囪等。這種生土材料取材方便、施工簡單，還可以再使用，不會造成材料的浪費或者環境的污染。除了黃土外，還有燒制磚、白灰、麥秸草青瓦等本地綠色建材[6]，符合生態建筑和可持續發展的原則，是理想的生土建筑研究原型。

3.3 冬暖夏涼的低碳節能性

地坑院窯洞采用原生態的黃土作為建造材料，而黃土具有良好的蓄熱性能，可以通過儲熱能力調節窯洞內的小氣候。與普通房屋相比，地坑院窯洞的上部和后面均有黃土層覆蓋，土層白天吸熱，夜間向室內散熱，冬季窯洞內的溫度比普通平房高5℃左右，夏天室內溫度比室外溫度低3℃～5℃[7]。此外，下沉式的合院空間布局也會影響室內外的氣候條件，所以無論在冬季還是夏天，在沒有空調等設備的情況下，窯洞都可以利用建筑材料的特性使室內溫度處于舒適狀態，保持冬暖夏涼的特點。節約能源，是生土建筑的典型優勢。

3.4 便捷簡易的營建性

地坑院窯洞在建筑營造中采用減法原則，通過向下撅土創造空間，形成低于地平的合院形制。在人工挖掘建造過程中，不需要大量的人員和器械設備，一家一戶就可以完成窯洞的挖掘工作。窯洞挖掘之后，將室內的墻面用秸稈和黏土抹平整，室內地面用水泥或者石灰整平，這種營造方式施工時間短、造價低廉，并且通過適當的維修窯洞就可以使用很長時間，對于經濟條件并不富裕的黃土高原農村地區而言，既經濟又適用。

3.5 綠色健康的生態性

地坑院窯洞因其原生態的建造方式，以及采用環保可循環的黃土材料，其本身不具有任何有害性。黃土密實度較高，窯洞上方的覆土層深厚，不僅可以阻止外界輻射進入室內，而且具有良好的隔音效果。再加上窯洞內冬暖夏涼的溫度穩定性，使得外界對人們的生活影響降到最小，形成了一個“健康、舒適、無害”的室內空間。因其生態健康的適宜性，長期居住于窯洞中的人比居住于普通平房中的人平均增壽6歲，且患皮膚病、氣喘病、風濕病等疾病的人明顯較少[7]。

4 基于環境生態學的地坑院窯洞建筑改良策略

有著“地下住所，地上良田”之稱的地坑院窯洞，體現出了原生態的營造理念，但也有著明顯的缺陷和不足，包括潮濕陰暗、通風不暢等，在人們追求高質量居住環境的今天，改善窯內環境已然是“剛需”，基于環境生態學的基礎提出改良措施，可為窯洞建筑的發展和延續提供更多的可能性。

4.1 增加采光，改善室內亮度

地坑院窯洞由于在地面以下建造，并且只有一個立面采光，造成室內照度的嚴重不足，通過研究總結，改善地坑院窯洞建筑室內采光的措施有：（1）增加立面開窗面積，前立面選擇門頭窗或者玻璃門簾，可以有效增加采光系數，達到1/8的采光比，改善自然采光的同時，還可以提高室內溫度；（2）采用增加陽光間的形式，陽光間附建在房屋南側，其圍護結構全部或部分由玻璃等透光材料構成，與房間之間的公共墻上開有門、窗等孔洞，使得冬季的采暖更加有效，節省能源（圖3）；（3）窯洞室內抹墻采用白色涂料，增加陽光在窯內的反射次數，可以明顯改善室內的光線亮度；（4）傳統窯洞內的布局方式一般為前廳后臥，通常用矮墻或者帷簾隔開，導致窯內后半部采光較差，可將隔斷換作大面積的窗或者全玻璃隔斷，使后臥得到間接采光；（5）在窯洞的后壁增設“采光井”，并將采光井從窯洞頂部伸出，獲得采光，還可兼顧通風問題[8]（圖4）。

圖3 陽光間改善采暖

圖4 采光井增加采光

4.2 改善通風，提高空氣質量

地坑院窯洞由于只有一面開窗，不能形成穿堂風，室內空氣未能充分交換。另外，因為居民在室內進行吃、住等多項活動，沒有明確的分區，容易造成空氣異味，所以改善室內通風應從兩方面入手：（1）采用機械排風，加強室內外空氣交換，或者利用煙囪效應使用橫向、豎向通道連接到室外，形成空氣對流（圖5）；（2）使用隔斷劃分合理的室內功能空間分區，保證動靜、潔污、干濕分區的分離。通過兩種方式的結合，較好地改善了室內通風環境[8]。

圖5 橫向、豎向通道改善通風

4.3 除濕防潮，改變潮濕環境

地坑院窯洞的潮濕和滲透狀況在夏季尤為明顯，由于降雨較多，水分滲入土層到窯洞，造成雨水滲透。室外濕度較高的空氣進入室內降溫后，室內的水蒸氣不能及時散發出去，導致室內潮濕嚴重。針對防滲防潮可以通過以下方式解決：（1）窯洞內墻壁抹面的草泥中可以添加白灰增加墻壁的密實度，再用素混凝土抹面或瓷磚貼面等，可以防止雨水滲透；（2）窯洞內地面可以用地板鋪裝，還可以通過做防潮防滲卷材等方式，減少地面土壤水分滲透；（3）傳統窯洞頂部只做了夯實處理，在此基礎上可以加設防水層或防水卷材，還可以通過在窯洞頂部找坡，水泥砂漿抹面（圖6），另一種有效的方法是在窯洞頂部設置檐口和落水管，實現有組織排水，以及種植植物起到防滲防潮的作用[9]（圖7）；（4）窯洞的立面墻上可以采用飾磚貼面，減少雨水沖刷；（5）室內還可以通過采用機械排風，使得室內空氣流通，避免室內墻壁結露；（6）使用吸濕劑除濕防潮。

圖6 窯洞種植植物示意圖

圖7 窯頂種植屋面示意圖

4.4 防止塌陷，預防自然災害

因為黃土土質疏松，加上暴雨沖擊，造成水分下滲到窯洞墻體形成裂縫，有可能造成窯洞建筑的坍塌，所以預防窯洞坍塌的方法就要從加固做起，主要方式有：（1）采用鋼筋混凝土與傳統土窯拱形結構結合的方式，既能保留窯洞特色，又可以加強窯洞的穩定性（圖8）；（2）窯洞內部拱頂用磚石砌筑，形成堅固的拱券結構[9]；（3）相比其他窯洞，地坑院窯洞的使用年限較少，所以要經常修修補補，預防坍塌。

圖8 窯洞結構加固示意圖

4.5 除舊迎新，新型能源的利用

窯洞內的“炕”與灶臺都需要燃燒秸稈、樹枝等傳統燃料，不僅需求量大，還會造成植被破壞。窯洞地區可采用的新能源有：（1）沼氣池，建造在廁所和牲圈旁邊，用糞便和農作物的秸稈為原材料，不僅干凈衛生，還有利于生態環保；（2）太陽能，安裝太陽能熱水器，采用陽光間、窯頂太陽能光伏板等形式的太陽能利用方式（圖9），可以調節窯洞建筑的耗能結構，達到新舊結合[10]。

圖9 窯頂太陽能光伏板設置示意圖

5 結語

地坑院窯洞建筑是我國生土建筑營造的經典案例，是獨具地域特色的建筑形式，其營造過程從選址、建造及裝飾手法上體現出環境生態學的理念。挖掘和探究這些獨特民居的生態文化觀，與當下生態建筑技術和理念相結合，對于窯洞這種特殊生土建筑的傳承和保護有著至關重要的作用，并且對于生態環境的可持續發展具有積極意義。

圖片來源：

圖1、圖2：作者改繪；

圖3—圖9：作者自繪。