基于建筑空間設計中的“煙囪效應”分析—以新疆阿以旺民居為例

王奕希

隨著能源危機全球化問題的加劇和可持續發展理念的踐行，生態循環與綠色設計的環保價值觀在現代建筑空間設計、建造和使用過程中逐漸受到重視。通過研究遺留下來的歷史建筑可以發現，現代高科技文明出現以前，人們建造房屋時對于通風避暑、冬暖夏涼等功能需求的實現有著極大的智慧，其中最典型的就是新疆阿以旺民居建筑的“煙囪效應”結構原理在建筑空間布局中的應用。

1 “煙囪效應”的工作原理

“煙囪效應”是指建筑空間下部面向外部開口的水平連通空間與垂直連通空間共同組合形成的建筑室內空間導氣系統。因為整個導氣系統剖面呈現出近似“煙囪”的管道狀形態，所以被稱為“煙囪效應”。建筑空間結構主要利用了煙囪管道狀結構中的空氣流通工作原理，如圖1 所示。在炎熱的夏季，建筑四周處于無風或微風狀態時，室內與室外出現氣溫差異，此時導氣系統通道內的熱空氣膨脹、變輕、上升，通過頂部a 點排出室外，造成空間內部的氣壓變小。外部空氣從空間兩側的b 點和c 點涌入室內，從而產生拔風效應，持續為室內空間帶來新風，并降低室內的溫度和濕度，改變室內空間的熱環境，實現建筑室內空間空氣的自我循環與更新[1]。

圖1 “煙囪效應”結構工作原理示意圖（來源：作者自繪）

由于“煙囪效應”結構技術不需要額外設置機械設備便可用于室內空間的通風，具有投入成本少、效果明顯以及技術含量高等優點，屬于低成本的生態技術，被廣泛運用于建筑空間設計，應用前景十分廣闊。“煙囪效應”結構技術適用于不同地域環境、不同建筑類型的建筑空間設計，如我國新疆的阿以旺民居和伊朗亞茲德的四季住宅，在應對當地氣候和地貌特征上都運用了“煙囪效應”結構原理，從而達到室內通風和冬暖夏涼的建筑空間要求。

“煙囪效應”結構技術不僅是一種有效的建筑節能措施，也是鄉土建筑地域性創作的特殊表達方式，能夠根據不同地區的經濟、技術、氣候和文化等具體特點演變出各種形式特征，具備良好的可塑性、適應性和再創性，對建筑外部形態和建筑內外空間設計都有著直接的影響。

2 新疆阿以旺民居的空間結構與功能布局

阿以旺民居是新疆和田地區一種常見的土木結構住宅，主要以阿以旺為基本構成要素。阿以旺在維吾爾族語言中意思為“明亮的住所”，是戶外活動場所與室內活動空間相結合的一種庭院類型的組合形式，即在民居原本開敞的庭院上先提升建筑的整體高度[2]，再加蓋部分屋頂，并在提升部分的四周用側窗進行圍攔。這種建筑形式既滿足了住宅空間設計中對采光通風的基本需求，又起到了防風阻沙的作用。

新疆阿以旺民居的空間功能布局多樣，主要的空間功能分區為起居室、附屬房間和副業生產加工區域。整體空間布局是典型的“內向型”院落布局，建筑室內常以阿以旺廳為中心連接其他的功能空間—夏居室、冬居室、雜用房、廚房以及戶內外活動區等。

作為建筑前庭，阿以旺是帶有天窗的會客廳室。其他庭院分布在四周，飼養牲畜的畜圈和居民廁所因空間性質被設置在民居空間的兩側。后室也稱作冬居，通常不開窗或者開有小面積的窗。冬居室一般位于民居空間的深處，需要穿過幾個房間才能進入，私密性極好，光線比較昏暗，空間保溫效果極佳，適宜冬季居住。夏居室相對冬居室面積更大，按照維吾爾族的習俗，在子女與父母分室后，作為子女的房間使用。

新疆阿以旺民居總體來說是一組空間結構和層次各不相同的建筑群。在具體的營造法式中，復雜多變的建筑空間結構、縱深化的內部趨向、多層次的圍廊以及立體化的柱式體系都是其在鄉土建筑中的獨特表達方式。該民居最顯著的特點是具有一個空間寬敞的復合式套間結構，其通光透氣的優點在沒有建筑天窗結構條件的時代顯得十分突出[3]。

無論是外部結構還是內部結構，無論是總體建筑樣式還是單體建筑體例，新疆阿以旺民居建筑都呈現出不同以往任何建筑的藝術造型特點及空間處理思維。我國傳統民居建筑在營造法式上基本都秉承中軸對稱、前朝后寢的建筑空間布置法則，即使在相對封閉的圍合空間內進行功能布局，強調的依然是建筑整體空間布局中的平面化與直觀化。在建筑平面空間的組裝拼合過程中，墻體起到了重要的承載和阻斷作用。

西方的傳統民居建筑大多強調建筑空間在立體縱深化的空間營造，其中柱式發揮了至關重要的作用。深入分析新疆阿以旺民居的建筑形式可以發現，其建筑外部使用了高大厚實的墻體，而建筑內部的回廊空間和居室空間則采用柱子，是一種中西兼容的組合實用型建筑樣式。

3 新疆阿以旺民居建筑空間設計中“煙囪效應”的應用

新疆阿以旺民居的自然通風效應以風壓通風為輔、熱壓通風為主的組合形式來實現。風壓通風效果的產生源自建筑物對風沙的阻擋使得室外四周氣流壓力的分布產生變化。建筑物四周的氣流分布如圖2 所示。

圖2 建筑物四周的氣流分布（來源：網絡）

迎風面的空氣流動受到建筑物的阻擋，導致動態壓力降低，靜態壓力增高，其側面和背風面因此產生局部渦流，從而造成側面和背風面的靜態壓力降低[4]。與建筑物遠處未受到干擾的氣流相比，這種靜態壓力的升高或降低被統稱為風壓的波動。

熱壓通風是利用建筑物內部空間因空氣密度的不同（熱空氣趨于上升狀態，冷空氣趨于下降狀態）來促進室內空間達到自然通風的效果。建筑室內空間在熱壓作用下，所設置的室內進風和出風風口的高度差異越大，形成的溫度差異越大，熱壓通風的效果也越明顯[5]。我國新疆民居所采用的熱壓通風系統，大部分都是應用了“煙囪效應”原理，即建筑的中庭空間以近似煙囪的形態來實現室內通風。

和田地區阿以旺民居的建筑墻體相當厚實，且墻體所采用的建筑材料是蓄熱和隔熱性能優秀的生土材質，因此即使處于炎熱的夏季，建筑空間內部的溫度也遠低于室外。阿以旺民居建筑的內部空間相對較為封閉，室內空氣密度相較于室外也更高。建筑室內外空間的垂直壓力梯度因為空氣密度和溫差存在高度差異，建筑中庭“阿以旺廳”的天窗就成為促進室內通風的“煙囪口”。建筑外的空氣從空間下方的門洞進入，再通過氣流從空間頂部的天窗排出，以此完成“阿以旺廳”的通風換氣。

這樣的建筑空間結構有效加速了阿以旺民居內部的空氣流通，降低了當地的建筑室內溫度，且無須消耗多余的資源和能源，是非常適宜于我國新疆和田地區當地氣候條件的節能型自然通風系統。

新疆阿以旺民居建筑在整體朝向上主導迎合風向，以便于建筑空間內部的空氣流動通暢。由于風沙主要來自建筑的西北方向，人們會在院落的西北面使用厚實的圍墻來阻擋外界的塵土，并將需要保持潔凈的房間放置在院落的東面，其他不同功能的房間則在四周進行環繞式布置，以便盡可能減小各部分與外界環境的接觸面積，從而最大限度減少太陽輻射對建筑內部造成的熱輻射和熱交換，使得阿以旺民居的內部空間維持在一個相對恒定的溫度范圍內。阿以旺民居的平面布局如圖3 所示[6]。

圖3 阿以旺民居的平面布局（來源：網絡）

4 可持續發展理念下的現代建筑空間設計

和諧共生的人居環境與可持續性的建筑致力于研究建筑內部空間和外部環境之間的協調性，關注建筑與自然環境、社會環境之間的融合共生關系，如土地資源利用的最大化、建筑與環境綠化系統的合理布置、生物的多樣性保護、歷史文化建筑的維護與保存等。其中，阿以旺民居是特色鄉土建筑的典型代表，對其進行研究分析具有重要意義[7]。

阿以旺民居的設計建設與當地的自然氣候、地理風貌密切結合在一起，在新疆傳統地域文化中占據重要的地位。在研究剖析其特點和具體的建筑空間布置手法后發現，這類傳統民居獨具特色的營造手法集中體現的正是當地人們的審美傾向、造型觀念以及如何通過技術性手段適應氣候環境等多方面的認知和共識。

從客觀上分析，新疆阿以旺民居的建筑外形結構及其形成的歷史背景和地理因素等都或多或少存在時代性差異，但仍起到了自然通風的作用，在高度干燥炎熱的氣候條件下為當地居住者提供清涼的室內環境，形成了帶有地域特色的建筑形制，這對于現代建筑空間設計提出的“鄉土智慧”“綠色住宅”“生態建筑”“建筑活力”等概念的研究和落實具有一定參考意義和學習價值。

總結前人智慧，在現代建筑空間設計中運用“煙囪效應”結構原理的案例不勝枚舉，如天井中庭、太陽能煙囪和呼吸式雙層幕墻等空間結構。施工技術的高速發展使得現代建筑的建造過程更加高效，而“煙囪效應”結構原理在現代建筑空間設計中的應用，不僅有效解決了建筑所在地區的通風問題，而且通過內部空間各個部分的相互配合，提升了建筑室內空間的環境質量，同時很大程度上減少了不必要的能源消耗與排放。

通過合理、靈活運用建造技術和建筑材料，力求實現資源和能源利用的最大化，這是當代設計師從新疆阿以旺民居建筑中得到的啟發，也是當前建筑設計與鄉土建筑研究的側重點與出發點。

在建造手法上合理運用“煙囪效應”的結構原理，能夠實現可再生能源（如太陽能、風能、沼氣、地熱等清潔能源）的轉化再利用以及水資源（如中水循環利用系統、污水處理系統等）的有效利用[8]。

在理論層面，可持續發展理念的建筑設計能夠實現自然環境與能源的效益最大化，進而提高社會空間與經濟空間的效率，最終達成居住環境與建筑空間系統的全面生態化。在技術方面，還應倡導在建造過程中充分利用地方條件，通過合適的技術有效解決問題。

5 結語

節能概念、因地制宜、文化映照等設計要素在歷史遺留下來的特色鄉土建筑中早已存在。隨著時代的發展，人們在建筑空間設計時對于舒適性和安全性的需求越來越高。經濟、文明和科技的高度進步，使得建造者能夠在技術層面盡量滿足建筑空間設計不斷增長的物質需求和情心理需求。

但從鄉土建筑的保護與再生和新時代建筑可持續發展理念的角度來看，現代設計者應更加重視建筑空間設計與所處地域的氣候相適應，從而最大限度減少不可再生資源的消耗，降低建筑對環境的污染和破壞，并從中發掘出與建筑環境相適宜的建筑特色與魅力。

新疆阿以旺民居建筑體現出了當地人們極大的建造智慧和實用思維。當下，在新時期的建筑設計中，設計師們應研究學習新疆阿以旺民居的空間設計理念，從適宜建筑物本土環境和可持續發展的角度進行建筑形態的設計建造，從而推動現代建筑更加長遠的發展。