可持續災后應急建筑韌性體系的探索與實踐——以BBBC項目為例

李珺杰，邊文彥，張文*

自然災害包括地震、傳染病、洪水、蟲災、風暴等，其中以地震、洪水、風暴對人類居住環境威脅最大。從世界范圍來看，中國是自然災害危害最嚴重的國家之一，每年直接受災人數占總人口的10%，導致每年有500多萬人受自然災害的影響而流離失所[1]。在全球環境不斷惡化、氣候問題突出的當下，可持續發展的人居環境也在全球范圍內獲得廣泛重視[2]。為了響應全球可持續發展的號召，促進營造健康、安全舒適的生活家園，抵御自然災害的侵襲，形成城市防災救災韌性體系,本研究聚焦可持續的應急救災建筑體系和建造模式，構建可快速收放、能源自給、宜居舒適、循環重構、安全耐用的應急人居空間系統。

1 災后應急建筑不只帳篷和板房

帳篷和移動房屋是目前使用最多的臨時性建筑結構，一般的帳篷圍護結構脆弱，作為短時野營尚可，但安全性和舒適性不足以形成 “居住”環境。移動房屋雖可以提供足夠的保護，但是在復雜孤立的應用場景中，其建造的復雜度高且建造時間長。移動房車具有可移動、設備整合、功能齊備等特點，是我國災后救援裝備中的重要組成部分，但因經濟成本較高，運行維護成本大，大量用于備災使用存在一定的困難。

近年來國內研究重點主要集中在輕型裝配式結構系統，是面向快速建造與市場應用的研究。朱競翔等基于震后災區校舍重建，開發以輕鋼結構為核心的預制裝配式輕型建筑系統，并在空間適應、復合圍護、建筑高度、基礎形式、可移動性等方面進行持續拓展[3]。張宏等致力于工業化裝配住宅體系研究，開發數代以鋁型材結構為核心、整合標準化工業部品的住宅產品體系，形成結構體、圍護體、內分隔體與內裝、內外設備體四大功能系統實現快速裝配[4]（表1）。日本建筑師坂茂以紙作為建筑結構和圍護材料，為災后建筑輕質的建筑體系提供了新思路[5]。

表1 災后安置建筑按使用特點分類，趙如月、劉媛卉、王毓乾繪制

2 量化自然災害后的可持續性

2.1 國內外量化自然災害后的可持續性標準及規范

自然災害一直以來是威脅人類生存和發展的重大障礙。在全球環境不斷惡化、氣候問題突出的當下，可持續發展的人居環境也在全球范圍內被廣泛重視[6]。針對災后臨時安置建筑的設計，國內外政府和相關機構推行了一系列設計導則，用于衡量災后安置建筑的可持續性。我國出臺的《地震災區過渡安置房建設技術導則》[7]和《地震后重建家園指導手冊》[8]等，從規劃布局、結構設計等方面對臨時安置建筑進行了指導。英國建筑研究院信托基金（BRE Trust）研發的災后可持續性自評工具QSAND（自然災害后可持續性的量化），作為綜合性建成環境工具，則提供了可持續性方面的評估方法[9]（表2）。

表2 國內外災后安置建筑相關導則及標準，項目組整理

衛生應急和災害風險管理框架（Health-EDRM）是對這一挑戰的重大回應[10]。它強調預防、準備和就緒以及應對和恢復對拯救生命和保護健康至關重要。它顯示了整個衛生系統如何能夠而且必須在所有努力中發揮基礎性作用。SPHERE環球計劃給出了人道主義憲章與人道救援響應的最低標準，是國際紅十字會與新月紅十字會聯合發起的產物，通過盡可能地采取措施，減輕災害或沖突對人們造成的痛苦[11]。QSAND是專門針對災后可持續性的自評價工具，包含了緊急救援72小時內的評價框架CAT以及72小時之后過度恢復階段的評價框架PAT，從可持續的視角將評價分成了庇護所與社區、安置地、材料與廢物、能源、飲水與衛生設施、自然環境、通訊與交叉問題8個大類，形成了基于可持續視角下量化災后建筑的框架體系[9]（表3）。

表3 QSAND, SPHERE&HEALTH標準內容對比分析，項目組整理

2.2 BBBC：量化可持續應急人居空間的8個大類

BBBC可持續災后應急建筑項目團隊組依托2013年四川4·20雅安地震蘆山災區、2020年四川內江817洪峰災區以及參加四川雅安“應急使命· 2021”抗震救災演習等多次的現場調研及訪談，結合國際QSAND評價框架，設計建造完成了一座可持續災后應急社區中心的示范建筑項目。項目建設于河北省張家口市，建筑面積約155m2，場地占地面積400m2，功能包含了醫療、兒童活動、公共廚房、公共衛生間、獨立居室以及一個半室外的棚架空間（圖1-3）。

圖1 BBBC建筑項目鳥瞰

圖2 人視點透視

圖3 庇護所內部庭院

結合國內外的標準規范以及國際的量化方法，以QSAND為基礎，BBBC的設計框架從量化可持續災后人居空間的視角，建構體系分為8個大類：庇護所與社區，安置地，材料與廢物，能源，飲水與衛生，自然環境，通訊與交叉問題。項目中每一項對應展開為若干子項，共計33項技術重點（圖4）。

圖4 BBBC：量化可持續應急人居空間的8個大類

3 BBBC：可持續應急人居空間的時序性體系

設計研究首先著眼于受災后不同階段的需求，展開不同的應對策略，提出一套BBBC（Bag+ Box + Building + Cloud）緊急救援庇護所的整體框架。BBBC的可持續應急人居空間的模式考慮到了從受災后的第一時間到災后救援的全周期進程（圖5）。根據時間線提出了“備災包（Bag）、備災盒（Box）、備災房（Building）、備災云（Cloud）”的概念（圖6）。

圖5 時序演繹下的可持續災后應急需求

圖6 BBBC備災救災體系

（1）備災包（Bag）針對前72小時緊急救援階段。在交通、通信阻斷，物資緊缺，沒有大型的機械幫助的情況下，解決醫療隊、救援隊的快速救援需求。備災包的設計中整合必要的物資、儀器（或工具）以及簡單的支撐、遮蔽材料，并且提供輕量化背負、能源自給、醫療救災、臨時居住等多種復雜應急問題。備災包包含3種類型，分別是醫療模盒、能源模盒、庇護模盒（圖7）。

圖7 72小時緊急救援的救災包及背負系統

（2）救災盒（Box）針對于72小時后重建階段。為應對災后復雜環境的運輸和現場快速搭建的要求，選取輕型結構框架和快速裝配圍護體系。模塊尺寸為1.2m（長）×2.4m（寬）×2.7m（高），利于在交通不便的情況下，最大幅度地壓縮體積運輸到現場，在使用時釋放模塊中折疊的空間，空間擴大至5倍（圖8、9），滿足緊急醫療救治、受災群眾的庇護和設備的空間需求，同時解決災后的私密性、安全性和衛生性問題。太陽能電池板將為庇護所解決能源需求。

圖8 備災盒的空間擴展模式

（3）救災房（Building）應對災后恢復階段。過渡性建筑依靠能源模塊展開附屬空間，通過模塊化的拓展思路，形成多樣的空間組合，進一步提升空間的舒適性和多功能性。組合形成更加完善的醫療衛生、居住休息、社區活動、共享交流的社區中心或者家庭居住空間。在更長的一段災后恢復時間內，通過合理的社區規劃和空間布局，逐步完善社區功能，在公眾參與的模式下，帶動村民共同搭建，完善社區生活功能需求，優化建筑品質，滿足災后更大規模的人群安置和管理善后等工作（圖10）。

圖9 空間擴展節點

圖10 不同救災模式下的模塊拓展

（4）備災云（Cloud）針對受災前的備災階段。物料都由備災云系統統一調配，存放在各個倉庫中。受災后，在智慧系統的調控下，以信息流、物質流、時間流的方式整合多種救災策略成為智慧災備系統，平戰結合，貫穿備災—救災—安置—恢復全過程（圖11）。

圖11 BBBC：可持續應急人居空間的時序性體系

4 BBBC：韌性理論背景下的自然災害庇護所

韌性也被稱為彈性、恢復力等，其概念起源于工程機械領域，表示物體在外力作用下變形后恢復到原始狀態的一種能力[12-13]。韌性理論引入災害風險管理領域，為世界防災減災實踐提供了新理念，并在國內外韌性城市社區建設中得到廣泛應用，形成了“韌性城市”“韌性社區”等概念[14-15]。國家韌性與社區韌性問題已多次成為世界減災大會上重要性全球性議題。美國聯邦應急管理署（FEMA） 在《2018–2022 戰略規劃》中，提出要建設準備充分的、有韌性的國家，并以此為愿景制定了備災文化等[16]。韌性理論是在社區空間以及居民自下而上的驅動力與組織能力的有效風險管理方式，相較于自上而下的風險管理模式，韌性理論的需求范圍更廣[17]。研究發現，韌性理論視角下的社區適災能力的增加會縮短災區恢復重建時間，并在后期發展恢復中發揮更明顯的作用[18]。

依據可持續發展的理論，在應急人居空間中架構基于社會、環境和經濟要素的空間構成模式，設計提出可持續災后應急的備災—救災—過渡恢復的具體策略框架，設計重點探討“空間韌性”“結構韌性”“能源韌性”3個方面，與之對應的是可持續應急空間的設計、建造和運行3個階段。

4.1 空間韌性

4.1.1 靈活模組

BBBC 在空間布局上體現出使用模式上的韌性調節。建筑由14個模塊組成，根據備災倉庫的尺寸，每一個模塊在折疊狀態下的尺寸都是1.2m×2.4m×2.7m，其中包含了4個醫療模塊（候診廳、清創、手術模塊，圖12）、2個兒童活動模塊（圖13）、1個零售模塊、2個設備間模塊、1個廁所模塊、1個浴室模塊、2個廚房模塊以及1個展示模塊等多種類型的空間形式。14個模塊組成了155m2的建筑空間，作為一個災后公共社區服務中心，為弱勢群體提供救助。根據不同災后需要，功能模塊可以排列組合成多種空間功能配置，從而實現不同用途的空間模式拓展，例如災后方艙醫院、救助中心指揮部、臨時學校或幼兒園、社區醫療中心、災民居住安置點等（圖14）。

圖12 醫療模塊室內

圖13 兒童模塊室內

圖14 靈活模組的功能擴展

4.1.2 外向型空間模式

建筑組成了兩種不同程度的庇護空間。一是利用腳手架快速搭建起來的棚膜下庇護空間。地震泥石流等自然災害過后，往往伴隨長時間的大雨，這對災民的救護又進一步提升了難度，并且給物資堆放、物資發放也提出了挑戰。BBBC的室外部分是一個大型的棚膜庇護，這種灰空間的營造也同時為一般受災災民提供了一個基礎的戶外活動場所。二是由模塊組成的室內空間，則是對弱勢群體更深度的保護，例如受傷的災民，老年人、婦女及兒童。在室內空間通過良好的保溫、隔熱設計，提升了室內環境的舒適度，給災后的弱勢群體提供更好的居住條件。建筑模塊所有的空間出入口都開向半室外的棚膜，利用棚下空間實現通行、等候等需求，這樣可以大大壓縮室內的空間面積，減少在災后環境下建造的工程量（圖15、16）。

圖15 兩層庇護：模塊庇護與棚架庇護

圖16 棚膜下的災后庇護空間

4.2 結構韌性

4.2.1 全鋁結構模塊化建筑

作為常見的制造材料，鋁型材是同等體積鋼、銅或黃銅材料重量的1/3，其材性具有優良的機加工性能，可制造為多種工業化標準構件。此外，鋁具有極高的回收性，再生鋁的特性與原生鋁幾乎沒有性能差別，是一種典型的可持續綠色建材。在大多數環境條件下，包括在空氣、水（或鹽水）、石油化學和很多化學體系中，鋁顯示出優良的抗腐蝕性。因此，鋁材在可持續應急空間中，體現出了材料循環利用、工業化加工與建造、輕質耐久等優勢。在BBBC策略中標準模塊的尺度下（1.2m×2.4m×2.7m），將整體產品的結構重量控制在125kg，這個重量可采用叉車搬運或摩托車托運的交通方式，對災后路面交通的要求較低，利于快速深入交通不便的受災地區展開緊急救援和居民安置。基于鋁框架和鋁材圍護的全鋁建筑的建造方法以及節點優化設計，BBBC項目優化了設計構件與連接方式，在短期的時間內滿足快速建造的要求（圖17）。

圖17 全鋁結構建筑框架

模塊化的設計實現了模塊的快速拆裝和重復利用，結構體系使模塊梯次循環使用達到30次以上，從而大大降低了建筑單次使用的成本。板墻之間采用了利于快速搭建的門栓式重型鎖扣，每個鎖扣的最大夾持力達到3000kg，每個墻板上兩個垂直邊和一個水平邊各3個鎖扣，共9個鎖扣以及底部一字板連接共同實現墻體承重的穩固結構（圖18）。

圖18 快速搭建的門栓式重型鎖扣連接

4.2.2 快速搭建的半室外庇護空間

由腳手架搭建而成的半室外庇護空間，采用十字型腕扣的連接方式。腳手架本身是為建筑施工過程順利進行而搭設的工作，平臺腳手架采用標準的φ48mm圓鋼管匹配十字腕扣，可以實現正交及斜角搭建的多種形式。腳手架搭建十分迅速，在現場僅用1天時間就全部完成，并且每根圓鋼管的重量僅有十幾公斤，在人工負重的范疇，完全不依賴于機械設備，實現災后環境下的公眾參與（圖19）。

圖19 十字型腕扣腳手架的半室外庇護空間

4.3 能源韌性

發災后能源的供給是保障災區通訊、炊事、取暖的重要保障，對災后的社區安置極為重要。在供能形式上依據能源韌性理論，考慮到場景的不確定性，有源模塊以光伏作為主要能源來源，采用水勢能、化石能、生物能、風能、動能互補的彈性供能方式（圖20）。BBBC的有源模塊實現全直流建筑的構想，從而提升供電系統的用電效率并減少電壓轉化過程中的能量損耗。全直流建筑不僅能讓能源消耗降低10%，在插座等用電末端還能將電壓控制在人體安全電壓內，實現用電安全、風險可控（圖21）。

圖20 多能互補

圖21 直流建筑系統

建筑屋面上安裝N型雙面雙玻光伏組件，雙面主體的光伏電力系統采用光伏智慧能源解決方案，選擇高效、高性能的N型雙面雙玻組件，正面效率大于22%，背面效率大于19%，且兼具無LID、低工作溫度、低溫度系數、優越的弱光響應等優勢[18]（圖22，表4）。

表4 BBBC光伏系統參數表，來源：項目組

圖22 建筑屋面光伏

農制生計是災后恢復階段災民公眾參與策略、共同有序恢復經濟收入以及心理紓解的手段。在農業景觀用水的策略中，水循環系統整合了生活用水、雨水兩部分，通過凈水系統實現水循環利用，凈水系統結合灰空間內部的景觀種植以及建筑四周的種植，形成景觀用水的補給（圖23）。選用經濟類作物作為綠化，雨水經過中庭自制凈水裝置過濾后，可直接澆灌植物。無水馬桶可繼續分解廢料、處理成為肥料，重新運輸至景觀位置堆肥，實現資源的可持續發展，讓村民通過災后農制生計，得到一定的心靈紓解（圖24-26）。

圖23 水循環系統

圖24 農制生計系統

5 結語

BBBC項目是一次基于可持續災后應急建筑項目的嘗試。在QSAND體系的影響下，按照災難時間表，將設計應對的時間段分為：備災階段；72小時緊急救援階段（對應QSAND-PAT階段）；災后過渡恢復階段（對應QSAND-CAT階段）。建筑依靠太陽能提供房屋所有的能源，發災后能源的供給是保障災區通訊、炊事、取暖的重要保障，對災后的社區安置極為重要。對建造速度和使用者的健康關懷也有更高的要求，實現了“小”而“輕”等優勢。

根據聯合國報告《災害的代價2000-2019》1），過去20年間，全球的洪水災害數量從1389起上升到3254起，增加了兩倍多，占災害總數的40%，影響人數達165萬人。其次是風暴災害，發生數量從1457起上升到2034起，占到災害總數的28%。此外，干旱、山火、極端氣溫，以及地震和海嘯等自然災害的發生次數均出現顯著上升。可持續發展的核心理念是注重長遠、科學規劃和追求效率，而關愛和支援災區的最高境界應是可持續的。尋求更好的災后救援方案，才能讓流離失所者在災后快速擁有一個溫暖、舒適的家。□（項目組成員：李珺杰、張文、黃宇軒、劉媛卉、吳煒、王毓乾、王鵬飛、趙如月、林睿、陳鑫、王浩駿、邊文彥、吳璽君、李皓妍、郭子奕、郭昊龍、高炳旭、郭昕晨、姚冠琪、包亞茹、王卓飛、袁詩潔、朱云萍等）

圖25 景觀石籠

圖26 中庭農業種植

注釋

1） 聯合國報告：氣候災害在過去20年間頻度加劇 中國受災數量居全球之首. 聯合國新聞. 2020-10-12.https://news.un.org/zh/story/2020/10/1068912