生態(tài)文明視角下關(guān)中民居生產(chǎn)實踐技術(shù)探究

張 璐 楷亞銳衡建筑設(shè)計咨詢有限公司建筑設(shè)計師

任春曉 培特維建筑設(shè)計咨詢(上海)有限公司建筑設(shè)計師

張 呢 中國建筑設(shè)計研究院建筑設(shè)計師

1 傳統(tǒng)民居綠色技術(shù)視角

“人類世”（Anthropocene）一詞最早于20 世紀(jì)80 年代由美國生物學(xué)家尤金·施特默（Eugene Stoermer）創(chuàng)造，之后經(jīng)荷蘭大氣科學(xué)家保羅·克魯岑（Paul Crutzen）于21世紀(jì)初進一步推廣。這一詞用來描述人類行為活動對全球性生物擾動和自然資源過度消耗的時代，而導(dǎo)致溫室氣體加速積累對全球氣候和生物多樣性產(chǎn)生負(fù)影響[1]。據(jù)聯(lián)合國數(shù)據(jù)顯示，全球自2000 年以來已發(fā)生7 000 多起極端天氣事件。過去的2020 年，疫情蔓延、澳大利亞森林大火、西伯利亞氣溫創(chuàng)新高等事件，使氣候危機顯露出來。同時，伴隨著城市邊界擴展和人口劇增，高密度空間增加，“碳達峰”和“碳中和”概念被提出，人們迫切需要理解城市空間能夠?qū)夂颦h(huán)境作出怎樣響應(yīng)。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，建筑行業(yè)溫室氣體排放量占全球39%[2]。城市作為一個充滿活力的、動態(tài)的、開放的系統(tǒng)，內(nèi)部時刻進行著復(fù)雜能量交換——人與建筑、建筑系統(tǒng)、建筑與環(huán)境、人與外部環(huán)境。面對我國大量存量建筑，探索其原有生態(tài)技術(shù)，并通過技術(shù)改良應(yīng)用于舊建筑改造中，能夠有效降低建筑新建過程產(chǎn)生的環(huán)境污染和建成后運行過程對環(huán)境的影響。

生態(tài)技術(shù)作為我國傳統(tǒng)民居建筑文化的重要組成部分，在民居住宅長期發(fā)展過程中逐步形成一套自有特點。每個地區(qū)的鄉(xiāng)土建筑在建造中考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件，建造者在其長期實踐中充分利用該地區(qū)可用的營造技術(shù)和鄉(xiāng)土材料，嘗試將其與建筑空間和周邊環(huán)境進行整合，從而形成每個地區(qū)獨特的建筑風(fēng)格[3]。傳統(tǒng)民居的設(shè)計建造具有一定微氣候環(huán)境調(diào)節(jié)作用。同時人體感知寒冷或溫暖取決于周圍直接環(huán)境的溫度，比如受熱量、濕度、風(fēng)所影響的遮蔽處和空地上的溫度[4]。因此，傳統(tǒng)民居空間是調(diào)節(jié)建筑熱環(huán)境和居住熱適應(yīng)的關(guān)鍵要素[5]。例如從傳統(tǒng)民居選址布局、單體建造等方面解析自然通風(fēng)技術(shù)在傳統(tǒng)民居中的應(yīng)用；通過探討典型山體利用模式進行重慶傳統(tǒng)山體民居熱環(huán)境實測對比分析[6]；從常用圍護結(jié)構(gòu)材料入手，分析濕度對傳統(tǒng)民居建筑構(gòu)造的影響等[7]。基于上述內(nèi)容，本文選取西安幾處典型關(guān)中傳統(tǒng)民居，聚焦其綠色建造技術(shù)，并通過空間樣本的實地測量和文獻查閱，以期對我國現(xiàn)代建筑建造提供綠色生態(tài)參考，將傳統(tǒng)綠色技術(shù)與現(xiàn)代科學(xué)綠色建造體系相融合。

2 研究方法

本文通過實地調(diào)研走訪多個西安傳統(tǒng)民居，從中選取兩處保存良好且可入戶測量的院落進行深入研究。采用入戶訪談、儀器測量（進深/溫濕度等）和實地拍攝，結(jié)合文獻資料對比整理，總結(jié)相應(yīng)的、適宜于關(guān)中地區(qū)傳統(tǒng)民居并當(dāng)下可借鑒的生態(tài)技術(shù)經(jīng)驗。通過分析關(guān)中地區(qū)現(xiàn)代民居建造案例，來剖析當(dāng)代民居建造的綠色技術(shù)應(yīng)用。

3 研究對象

本文選擇西安市內(nèi)幾處典型傳統(tǒng)民居進行深度調(diào)研。第一個是高岳崧故居高家大院。該院落位于西安北院門144 號，建筑面積為1950 平方米，距今已有有400 多年的歷史，先后經(jīng)歷了三次大規(guī)模修繕，最近一次大規(guī)模修葺在20 世紀(jì)60 年代進行[8]。高家大院現(xiàn)分為南跨院、北跨院及后花園，整個院落呈現(xiàn)出“目”字形，其布局緊湊，私密性強，為典型的三院四進式磚木結(jié)構(gòu)四合院。房屋布局上，依據(jù)傳統(tǒng)倫理的長幼有序、尊卑有別，左右?guī)课蓓數(shù)陀谡课蓓敚课蓓攧t低于宗祠屋頂。第二個是光明巷47 號（見圖1、圖2）。院落藏于西安市內(nèi)深巷中，整體上保存狀況較好，為兩戶人家自住宅。該院落現(xiàn)存兩側(cè)廂房以及一座磚雕門洞，共約100 m2。建筑布局整體呈現(xiàn)東低西高態(tài)勢，其山墻上有松鳥磚雕，但屋檐部分瓦當(dāng)已遺失，屋檐水平線由于時間久遠(yuǎn)已出現(xiàn)變形。院落大門由原先呼應(yīng)“紫氣東來”之意，東向開啟轉(zhuǎn)為向西設(shè)立。本文根據(jù)實測數(shù)據(jù)來探討民居中可供當(dāng)下借鑒的生態(tài)綠色技術(shù)（見表1）。

表1 高家大院正房及廂房不同墻體厚度差異 （數(shù)據(jù)來源：作者實測）

3.1 保溫隔熱

由于關(guān)中地區(qū)冬季寒冷且多西北風(fēng)，并受到宅基地的影響，多為窄長內(nèi)聚形平面布局。一方面，院落布局中，側(cè)廂房有效避免寒風(fēng)侵襲；另一方面，墻體材料的使用也是民居營造過程中智慧的體現(xiàn)。據(jù)實地調(diào)研顯示，西安多處傳統(tǒng)民居墻體內(nèi)部填充大體都是生土材料，即通過簡單機械加工的原狀土，多為土坯或是夯土，如長安區(qū)大兆西街付士美故居。同時為了增強墻體韌性、強度及保溫性能，一些就地取材的秸稈等類似植物廢料會被加入墻體建造材料中，從而減少對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)荷。據(jù)資料表明，生土材料有突出的蓄熱性能，能夠保持室內(nèi)冬暖夏涼，有效調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度；并且其加工過程耗能低，碳排量小，分別為粘土磚和混凝土的3%和9%；多次拆除后的生土材料也可反復(fù)利用甚至可用做農(nóng)田肥料[9]。而秸稈、土坯等自然材料能一定程度上提升室內(nèi)溫度，如同等造價的600 mm 厚土坯墻與240 mm厚燒結(jié)磚墻相比，冬季室內(nèi)氣溫平均提升近1攝氏度[10]。

除墻體材料，厚度也經(jīng)過精心設(shè)計以求達到防御和保溫隔熱的效果。據(jù)測量結(jié)果，高家大院的墻體厚度為560 mm、320 mm 和220 mm 三種。外院墻體最厚，內(nèi)院墻次之，室內(nèi)隔墻最薄（見表1），有厚磚墻抹草泥和厚磚墻貼磚。這種建造方式好處在于，厚重的墻體有利于維持室內(nèi)恒定溫度，防止外部寒冷空氣侵入房間內(nèi)部，并且不同厚度墻體功能傾向性不同，內(nèi)院墻重在保溫，而室內(nèi)隔墻主要目的在于劃分不同空間。這樣分層設(shè)置墻體厚度，避免了采用統(tǒng)一墻厚而引起建筑材料上不必要的浪費，同時又保證室內(nèi)有效保溫。

3.2 遮陽采光

關(guān)中地區(qū)夏季炎熱且光照強，內(nèi)向院落布局和庭院種植，有助于調(diào)節(jié)民居內(nèi)微氣候，控制院落環(huán)境的溫度和濕度，并提供庇蔭區(qū)域。民居單體建筑形式上也有所設(shè)計。傳統(tǒng)民居結(jié)構(gòu)中多用坡屋頂和挑檐，借此夏季拔風(fēng)和降溫。一來挑檐下方形成緩沖灰空間，可減少熱輻射，可以避免在夏至日正午時刻太陽高度角最大時，陽光直射入室內(nèi)而造成舒適度降低。同時在冬季太陽高度角降低時，挑檐角度便于陽光射入室內(nèi)，一定程度上增加室內(nèi)溫度；二來出挑部分可避雨；同時檐廊豐富了院落空間層次。以光明巷47號為例，在夏季實際調(diào)研中，將測量儀器置于室內(nèi)桌上和室外檐口部位，測量北廂房室內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)（見表2）。結(jié)果表明出挑屋檐能夠一定程度上降低室內(nèi)熱量。

表2 光明巷47號室內(nèi)外檐口下溫度差異變化

傳統(tǒng)民居中屋檐隨著出挑長度增大，遮陽效果會更好。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)屋檐出挑長度達到0.5 m 時，外窗平均綜合遮陽系數(shù)不大于0.5；當(dāng)出挑長度為1.5 m 而成為檐廊時,綜合遮陽系數(shù)不大于0.35[11]。在屋檐出挑深度，光照強度相同下，進深小的房間采光效果自然也較好；相反的，開間小進深大的房間，加上房檐的部分遮擋，采光效果相對較差（見表3、表4）。巧妙的利用合適的窗墻比、窗地比，可以到達冬季最大程度采光夏季最大程度遮陽的效果。

表3 北院門144號高家大院各建筑單體開間與進深尺度關(guān)系

表4 北院門144號高家大院后樓建筑組成要素相關(guān)數(shù)值

3.3 屋面排水

我國北方民居中都普遍使用凹曲屋面，出檐深遠(yuǎn)，檐角上翹[12]。其中屋面多以排水為主，防水為輔助手段。根據(jù)古時《周禮·考工記》載: “上尊而宇卑，則吐水疾而溜遠(yuǎn)。”也就是說，屋脊處坡度大以加大水流速度，而檐口處坡度減緩以求將雨水遠(yuǎn)程拋出。以高家大院單側(cè)廂房為例，其屋頂坡度約與水平方向夾角為23 °，屋面瓦片相互搭接形成瓦垅和瓦坑，以組織排水路線。在這里瓦片材料多為尺寸為17 cm X 21 cm，以“壓七露三”排列方式，在瓦與椽之間也會設(shè)一層葦箔層和麥秸草泥灰，防水防潮同時兼具建筑構(gòu)造中的保溫隔熱層[13]。關(guān)中地區(qū)氣候多干燥，雨水收集顯得更為重要。向院內(nèi)傾斜的單坡屋頂便于將雨水收集到院內(nèi)，在院內(nèi)的地面上設(shè)有洞口來收集雨水，夏季通過水分蒸發(fā)保持院內(nèi)微氣候，稍高出地面的臺階，方便人們雨天在院內(nèi)行走。

3.4 通風(fēng)散熱

坡屋頂?shù)脑O(shè)置使得室內(nèi)吊頂和屋頂之間形成一個空氣夾層，可以利用熱壓通風(fēng)帶走夾層中的熱量，以降低其內(nèi)部溫度。同樣，關(guān)中地區(qū)內(nèi)院狹窄，四側(cè)房屋較高，從而形成類似于拔風(fēng)煙囪的天井空間，在室內(nèi)外形成溫度差時產(chǎn)生壓力差，能夠有效形成自然通風(fēng)。根據(jù)熱力差原理，出挑的屋檐使得天井底部成為一個陰影低溫區(qū)，而天井上部空間屬于陽光可直射的高溫區(qū)域，從而促進空氣流動，熱空氣上升，冷空氣下降，最終起到院落內(nèi)部拔風(fēng)效果。

4 項目案例分析

基于以上實地調(diào)研和資料整合，本文以西安建筑科技大學(xué)設(shè)計研究總院所設(shè)計的陜西關(guān)中地區(qū)現(xiàn)代民居— —咸陽·莪子村紅磚房為例（見圖3），探索根植于當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)代民居建造方案中傳統(tǒng)民居生態(tài)技術(shù)使用的可實施性。該項目宅基地南北長35.1 m，東西寬9 m，地形平坦；平面布局上，整體趨于坐北朝南，設(shè)計師將宅院門置于基地東南角[14]，沿襲了傳統(tǒng)民居中院門“紫氣東來”之意。鑒于基地東西寬度限制，并結(jié)合現(xiàn)代居住習(xí)慣，舍去側(cè)廂房，只設(shè)一層門房、院落、兩層正房和小后院。為提升居住舒適度和體現(xiàn)生態(tài)理念，被動式綠色技術(shù)設(shè)計上，項目設(shè)計團隊進行了保溫隔熱、通風(fēng)采光等一系列策略。

圖3 內(nèi)部宅院空間（南向角度） ?張曉明 (來源：有方空間）

該項目符合傳統(tǒng)關(guān)中民居中的窄廳和南北通透的設(shè)計手法，有利于形成穿堂風(fēng)（見圖4）。因為熱對流的傳熱速率大于熱傳導(dǎo)，這種通透設(shè)計能夠有效改善室內(nèi)進深過大而導(dǎo)致的通風(fēng)不佳情況；同時窄廳和通高空間相組合，二層通高部分設(shè)有高位窄窗，有利于形成風(fēng)壓。這種對流一定程度能夠通過通風(fēng)冷卻等方式耗散已經(jīng)積累的熱量，帶走夏季室內(nèi)的部分熱量，從而實現(xiàn)被動降溫效果。

正廳二層部分由坡屋頂構(gòu)成，類似傳統(tǒng)民居中的“悶頂”，可做儲藏，也可供住戶進行其他活動。所謂“悶頂”，是指建筑坡屋面與頂棚之間所構(gòu)成的空間，并根據(jù)用途和空間結(jié)構(gòu)不同分為住人悶頂和保溫隔熱悶頂。這其中主要區(qū)別在于該空間高度是否能夠進人，以及墻體上開窗還是小型通風(fēng)口。無論兩種區(qū)別如何，從整體上講，這種“悶頂”設(shè)計相當(dāng)于一個空氣介質(zhì)，形成緩沖空間。而由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)低，空氣越趨于靜態(tài)，越有利于夏季隔熱和冬季保溫，對一層日常起居起到調(diào)節(jié)作用。

5 結(jié)論

建筑物關(guān)聯(lián)自然和社會環(huán)境的建造方式是典型的地域性實踐過程。因此恰當(dāng)?shù)貙⒈就粱摹⑦m應(yīng)現(xiàn)代人居生活行為方式的技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代建造方式中，找到本土與時代的結(jié)合點。這種聯(lián)結(jié)既可以是材料運用，也可以是新技術(shù)的融合。在中國傳統(tǒng)民居的長期實踐中，如何“順應(yīng)”與“利用”自然因素是重要的生態(tài)理念，體現(xiàn)了古人們在實踐過程中充分運用比例尺度變化和材料融合，創(chuàng)造出宜居的生活環(huán)境，在適應(yīng)氣候方面有著豐富經(jīng)驗可供借鑒。這種和諧整體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)反映了建筑與自然、建筑與人、建筑與社會環(huán)境的關(guān)系。然而傳統(tǒng)民居中如坡屋頂檐口雨水影響行人通行；傳統(tǒng)單純采用瓦片鋪設(shè)的坡屋頂阻礙房間整體保溫性能得以有效提升等問題，需要融入現(xiàn)代技術(shù)手段進行合理改造。這樣既傳承傳統(tǒng)建筑文化，又為當(dāng)下低碳綠色節(jié)能建筑提供些許設(shè)計思路。