李偉 孫旻杰 賈逸群 / LI Wei, SUN Minjie, JIA Yiqun

1 引言

2012 年底，黨的“十八大”報告正式提出建設(shè)美麗中國的宏偉構(gòu)想，2015年6月1日起由質(zhì)檢總局、國家標(biāo)準(zhǔn)委于2015年5月27日發(fā)布的《美麗鄉(xiāng)村建設(shè)指南》國家標(biāo)準(zhǔn)正式實施。美麗中國的起點是美麗鄉(xiāng)村，其建設(shè)目標(biāo)為“規(guī)劃科學(xué)布局美、村容整潔環(huán)境美、創(chuàng)業(yè)增收生活美、鄉(xiāng)風(fēng)文明素質(zhì)美”。鄉(xiāng)村建筑是美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的難點、重點，同時也是亮點所在。當(dāng)前鄉(xiāng)村建筑的建設(shè)存在以下主要問題：缺少專業(yè)建筑師參與，當(dāng)前鄉(xiāng)村建筑的建設(shè)主要是由工匠主導(dǎo)的自發(fā)性設(shè)計與建造；建筑性能低下，由于設(shè)計施工不當(dāng)，鄉(xiāng)村建筑的保溫、防潮、隔熱等性能嚴(yán)重不足；由于建筑地域性的缺失，當(dāng)前鄉(xiāng)村建筑對鄉(xiāng)村文化與傳統(tǒng)建筑特色傳承不足。

“2018中國國際太陽能十項全能競賽”是面向全球高校，要求設(shè)計與建造僅依靠太陽能供能的小型建筑，并著眼于高度市場化的重大國際賽事。該項賽事旨在推動建筑、能源以及新技術(shù)的結(jié)合，探索面向未來的零能耗太陽能建筑。北京建筑大學(xué)與香港大學(xué)聯(lián)隊的作品斯陋宅正是根植于我國美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的背景，探索新型綠色宜居鄉(xiāng)村建筑的設(shè)計與建造的技術(shù)策略與市場推廣，借此對美麗鄉(xiāng)村建筑建設(shè)起到一定的指導(dǎo)作用。

2 太陽能十項全能競賽

2.1 起源與發(fā)展

“太陽能十項全能競賽”英文為“Solar Decathlon”（簡稱SD），是由美國能源部從2002年發(fā)起并主辦的以全球高校為參賽單位的建筑與可再生能源科技競賽。競賽要求每所參賽大學(xué)設(shè)計并實際建造一棟太陽能零能耗住宅，并將其進行為期約一周的現(xiàn)場競賽和公眾展示（孫昊天，2010）。競賽一般每兩年舉辦一屆，將太陽能零能耗住宅的推廣與設(shè)計作為競賽的重點，旨在為人們尋求一種更加節(jié)能與健康的人居環(huán)境。在美國政府的支持下，歐洲于2010年開始引入SD競賽，2013年SD競賽首次登陸中國。自開辦以來，該項賽事影響了全球各國政府、企業(yè)及民眾，共有6000余品牌企業(yè)贊助，100多個政府部門及專業(yè)機構(gòu)鼎力支持，300萬民眾到場參觀，媒體傳播率達3億受眾（中國太陽能十項全能競賽官網(wǎng)，2018）。

2.2 意義

在全球環(huán)境與能源危機日益加重的背景下，SD競賽是對建筑領(lǐng)域可持續(xù)性研究成果的一次很好的技術(shù)檢驗和市場推廣。競賽本身的意義在于：首先，培養(yǎng)人才，學(xué)生作為參賽主體，在兩年的時間內(nèi)克服各種困難，進行設(shè)計、選材、建造和測試自給自足的、健康的太陽能房屋，通過參與競賽探索新的太陽能住宅設(shè)計方法，培養(yǎng)新一代太陽能建筑設(shè)計人才；其次，提高公共意識，競賽作品對世界公眾開放，提高公眾對可再生能源、最新節(jié)能技術(shù)和設(shè)施及其產(chǎn)品的認(rèn)識，增強公眾綠色消費理念和可持續(xù)發(fā)展的觀念；最后，促進太陽能住宅市場化，競賽作品有助于提高太陽能住宅的吸引力，通過工業(yè)化建造創(chuàng)新技術(shù)與太陽能利用新技術(shù)的有機整合，促進太陽能建筑設(shè)計一體化，加快了太陽能住宅市場推廣的進程。

2.3 SDC2018競賽要求

2018中國國際太陽能十項全能競賽（以下簡稱“SDC2018”）由中國國家能源局和美國能源部聯(lián)合主辦，中國產(chǎn)業(yè)海外發(fā)展協(xié)會承辦，共青團中央學(xué)校部為支持單位，舉辦城市為山東省德州市。大賽要求每支賽隊以永久性使用為目標(biāo)，在限定的空間范圍內(nèi)（圖1），建造一棟完成面積為120～200m2的單層或雙層太陽能住宅。房屋必須配備電視機、冰箱、烹飪廚具、洗碗機、洗衣機、電腦等日常家用電器及生活設(shè)施，并新增電動汽車及其充電設(shè)備。競賽通過10個單項來評比最終成績（表1）。 SDC2018共有來自全球10個國家和地區(qū)41所高校的22支賽隊參與，最終有19件作品建成（表2）。

3 斯陋宅作品解析

3.1 方案設(shè)計

3.1.1 設(shè)計背景

隨著美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的國家戰(zhàn)略日益深化，鄉(xiāng)村土地市場進一步開放，鄉(xiāng)村居民追求美好生活的向往愈加迫切，現(xiàn)有老舊鄉(xiāng)村住宅無論從居住條件還是環(huán)境都已不適應(yīng)新時代鄉(xiāng)村居民的需求。同時，城市居民對自然生活的向往和鄉(xiāng)村旅游的興起推動了鄉(xiāng)村建筑的快速發(fā)展，鄉(xiāng)村新型綠色宜居建筑的建設(shè)亟需設(shè)計引導(dǎo)。

圖1 競賽場地尺寸（來源：官方競賽手冊）

近幾十年的中國建筑創(chuàng)新與研究大多集中在城市背景下的建筑設(shè)計，但更為廣闊的鄉(xiāng)村建筑一直得不到足夠的重視。由北京建筑大學(xué)和香港大學(xué)組成的“魯班柱&紫荊花”聯(lián)隊致力于中國廣大鄉(xiāng)村新型綠色宜居建筑的規(guī)劃設(shè)計與研究創(chuàng)新，以期為美麗鄉(xiāng)村建設(shè)提供綠色、可持續(xù)的設(shè)計理念與技術(shù)方法。

3.1.2 設(shè)計理念

斯陋宅即“Slow House”（圖2），目標(biāo)是通過技術(shù)整合，設(shè)計和建造一座低造價高性能的房子，它可以適應(yīng)不同家庭的個性化需求以及同一家庭不同的生活需求，比如面向城市人在鄉(xiāng)村度假的民宿，從城市回流到鄉(xiāng)鎮(zhèn)有一定經(jīng)濟基礎(chǔ)的務(wù)工人員的自建房屋，在老家有地的城市居民的度假別墅等。同時考慮到中國地域廣闊、民族眾多且風(fēng)俗習(xí)慣各異，新民居建設(shè)要遵從地域文化特點與民族生活特點，符合中國傳統(tǒng)民居建設(shè)理念，符合中國傳統(tǒng)家庭生活觀念，符合中國傳統(tǒng)審美理念。傳統(tǒng)的往往是最美的、最迷人的，但是傳統(tǒng)中也有鄙陋之處，鄉(xiāng)村新民居要堅持揚棄有格，要在繼承中發(fā)展，在傳承中創(chuàng)新。鄉(xiāng)村新民居要符合新時代新農(nóng)民的工作生活需求、審美需求，農(nóng)村新民居建設(shè)必然是舒適的、經(jīng)濟的、節(jié)能的、生態(tài)的和美觀的。

表1 競賽評比10項指標(biāo)（來源：www.sdchina.org.cn）

表2 參賽隊伍及作品特征

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，團隊制定了“五高五低”的設(shè)計策略：低浪費、高適應(yīng)；低技術(shù)、高技法；低維護、高建造；低碳耗、高品位；低造價、高價值。建筑可持續(xù)實踐的最終目標(biāo)遠遠超過所謂的綠色設(shè)計和建筑，在不損害個體識別性的前提下，在消費和對自然、小區(qū)和未來的貢獻之間的求得平衡，秉承有益且互惠的居住理念。

3.1.3 建筑設(shè)計

斯陋宅位于面積625m2的方形基地內(nèi)（25m×25m），在競賽園區(qū)內(nèi)臨近園區(qū)西側(cè)主入口的01號地塊（圖3），建筑高4.8m，面積為176m2，兩室兩廳一衛(wèi)的室內(nèi)布局能夠滿足絕大多數(shù)家庭的需要。斯陋宅設(shè)計以庭院為中心，庭院北側(cè)是客廳，層高較高且局部設(shè)置夾層，南側(cè)是臥室，層高較低。南北兩部分錯落相對，主次分明，以廊道為紐帶進行聯(lián)系，秉承了“一戶一庭一院落”的中國傳統(tǒng)民居精髓?？臻g組織上，斯陋宅以庭院空間為核心，入口的灰空間（圖4）、客廳的公共空間、廚房的輔助空間、臥室的私密空間呈風(fēng)車狀排布，這種組織方式使建筑各部分功能既緊密聯(lián)系又相互獨立、避免干擾，可以營造豐富、流動的空間體驗（圖5）。室內(nèi)設(shè)計現(xiàn)代簡約，以木制家具為主，同時融入可變式家居與智能控制的理念，力圖讓人們在傳統(tǒng)民居建筑格局中體驗現(xiàn)代化的智能生活方式。在展示流線設(shè)計上，通過道路鋪裝與木制小橋結(jié)合，有序引導(dǎo)游客到達入口灰空間，并以庭院為起點，根據(jù)流線標(biāo)識依次展開瀏覽參觀。

圖2 斯陋宅建成效果

圖3 場地位置（來源：競賽組委會）

圖4 入口灰空間

圖5 平面

圖6 門窗構(gòu)造示意

圖7 夏季自然通風(fēng)模擬

3.2 綠色設(shè)計

3.2.1 高效的圍護體系

圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能對整個建筑的節(jié)能效果具有舉足輕重的作用，為了保持室內(nèi)溫度在相對恒定的范圍，建筑物必須獲得或者阻止熱量的交換：冬季北方室內(nèi)溫度高于室外溫度，要防止或者減少室內(nèi)熱量損失，并盡可能獲取室外陽光輻射帶來的熱量以維持室內(nèi)舒適溫度；夏季北方室外溫度高于室內(nèi)溫度，在不影響通風(fēng)采光的情況下，要阻止或者減緩室外熱量的傳入，以保持室內(nèi)的涼爽。外圍護結(jié)構(gòu)包括外墻、外門窗、屋面和樓地面4個部分，其保溫隔熱性能的好壞直接影響整體建筑全年運行能耗。斯陋宅采取整體式外圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱技術(shù)，其墻體由外墻面裝飾板、空氣流通層木擱條、具有選擇性的防水防風(fēng)隔潮特質(zhì)卷材層、定向結(jié)構(gòu)刨花板（Oriented Strand Board，OSB）、墻骨柱、墻骨柱間填充的玻璃棉、防火型雙面紙面石膏板飾面、室內(nèi)粉刷層共同形成一體式保溫墻體，便于工業(yè)化安裝，縮短工期，減少施工污染。門窗則采用被動式木包鋁玻璃門窗，以隔熱鋁結(jié)構(gòu)為主體，采用創(chuàng)新型鋁合金斷熱保溫材料以防止玻璃壓板與主柱連接處冷橋出現(xiàn)，配置節(jié)能暖邊間隔條，三玻兩腔真空Low-E玻璃（圖6），整窗傳熱系數(shù)為0.7W/m2·K，隔音和保溫效果良好。

圖8 全晴天自然采光采光系數(shù)模擬

圖10 斯陋宅雨水庭院鳥瞰（來源：德州24小時新聞網(wǎng)）

3.2.2 通風(fēng)系統(tǒng)

斯陋宅采用自然通風(fēng)和新風(fēng)機組結(jié)合的混合式通風(fēng)技術(shù)，使通風(fēng)調(diào)控更為便捷。當(dāng)室外溫度高于12℃且空氣質(zhì)量良好的時候，開啟天窗加強自然通風(fēng)；冬季寒冷和夏季潮濕的情況下，使用帶熱回收的新風(fēng)機組進行通風(fēng)換氣；夏季夜晚根據(jù)室外溫度開啟門窗洞口實現(xiàn)自然通風(fēng)降溫。在木建筑外表皮和屋頂下設(shè)置有通風(fēng)層，在夏季通風(fēng)可帶走陽光輻射熱，降低室內(nèi)溫度，節(jié)省能耗。斯陋宅外立面全部采用木質(zhì)墻體并設(shè)置可開啟窗扇，建筑中央則設(shè)置庭院且與其相鄰的房間朝向內(nèi)庭院開門，以改善室內(nèi)通風(fēng)效果。

根據(jù)德州氣象資料，設(shè)定夏季風(fēng)速3m/s，風(fēng)向東南風(fēng)，建筑的門窗全部開啟，對斯陋宅的通風(fēng)性能進行模擬。結(jié)果顯示，斯陋宅南北兩側(cè)的窗戶開啟形成了對流通風(fēng)，室內(nèi)風(fēng)速在1.5m高度達到了1.5m/s，可滿足室內(nèi)舒適度的要求（圖7）。但是考慮到衛(wèi)生間氣味的原因，因此衛(wèi)生間適時采用主動或被動通風(fēng)的方式進行通風(fēng)。

圖9 全年發(fā)電功率模擬

圖11 地螺栓樁柱基礎(chǔ)

3.2.3 太陽能利用

建筑自然采光是節(jié)約能源、提高舒適度的重要方式。人工照明需消耗大量的能源，使建筑的運營維護成本增加。因此從環(huán)保節(jié)能角度而言，充分利用自然采光的設(shè)計具有一定的必要性。斯陋宅設(shè)計采取多種采光口形式以應(yīng)對不同功能區(qū)的采光要求，采用天窗、落地窗、高側(cè)窗，以及不同大小的側(cè)窗進行采光。對斯陋宅全晴天自然采光系數(shù)進行模擬（圖8），結(jié)果顯示斯陋宅采光系數(shù)為4%～28%，側(cè)面采光最小采光系數(shù)為4%，最小值符合我國對住宅建筑室內(nèi)自然采光的采光系數(shù)≥2%的規(guī)定。

太陽能作為最為常見的可再生能源，取之不盡、用之不竭，是未來能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。國際太陽能十項全能競賽是展示太陽能技術(shù)在居住建筑中應(yīng)用的舞臺。斯陋宅通過主動式太陽能技術(shù)（太陽能光電、光熱利用）為建筑運行提供能量，釆用太陽能并網(wǎng)技術(shù)，以及選用節(jié)能的家電和照明燈具，節(jié)約生活用電消耗。太陽能光電系統(tǒng)原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，利用太陽電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換為直流電能。發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組、太陽能控制器和蓄電池組成。斯陋宅的太陽能光電系統(tǒng)由天普新能源科技有限公司贊助，同時采用了由北京瓦得能科技有限公司贊助的太陽能光電光熱一體化系統(tǒng)，通過將光熱、光電系統(tǒng)與建筑系統(tǒng)有機結(jié)合，材料綜合考慮浪費少、成本低；充分利用光照面積，光熱、光電轉(zhuǎn)換效率高。斯陋宅的屋面光伏板面積約為62m2，轉(zhuǎn)換效率為16.5%，通過軟件模擬屋面光伏板全年的發(fā)電量（圖9），經(jīng)過統(tǒng)計斯陋宅全年可產(chǎn)12 790.57kWh電量，發(fā)電總量能夠滿足其全年耗電量。

圖12 木梁柱節(jié)點

圖13 搭建過程

3.2.4 雨水花園

斯陋宅庭院設(shè)計也是其一大特色。庭院汲取了傳統(tǒng)園林的平面布局理念，采用雨水花園技術(shù)措施，營造了一個生態(tài)美觀且極具地方特色的住宅庭院（圖10）。因為斯陋宅采用了鋼架螺栓地樁作為基礎(chǔ)，整個基地做到了零硬化地面，同時架高的基礎(chǔ)與地面形成空氣夾層。夏季，可強化基礎(chǔ)與地面夾層冷空氣的流通，有利于房屋的散熱；冬季，基礎(chǔ)與地面夾層的防風(fēng)擋板被放下，形成保溫空氣間層，極大地提高了房屋的整體節(jié)能效果。

斯陋宅零硬化地面為雨水花園的實施提供了便利。雨水花園的設(shè)計采用綠植配合透水地面和雨水收集利用系統(tǒng)，形成海綿庭院微觀水環(huán)境及小型生態(tài)系統(tǒng)，為建筑提供了良好的微氣候。夏季雨水和冬季雪水，經(jīng)過雨水管道與過濾系統(tǒng)后匯集到集水池，可用于澆灌植物、沖廁，防澇的同時營造良好的景觀環(huán)境并節(jié)約水資源。

3.3 工業(yè)化與市場化

3.3.1 工業(yè)化建造體系

斯陋宅項目與建造行業(yè)密切配合，經(jīng)過多次研究調(diào)整，確立了模數(shù)化的設(shè)計方法與工業(yè)化的建造策略。模數(shù)化設(shè)計方法有利于工業(yè)化建造，提高室內(nèi)空間的靈活性和使用效率。工業(yè)化的建造策略方面，選取高度預(yù)制化的木結(jié)構(gòu)體系，并結(jié)合建筑設(shè)備系統(tǒng)、家具和內(nèi)部裝飾進行整體化設(shè)計，大大縮短了現(xiàn)場建造時間。

斯陋宅基礎(chǔ)采取新型鋼架螺栓地樁技術(shù)——獨立式地螺栓樁柱架空壓型鋼地梁形成建筑基礎(chǔ)（圖11），替代了傳統(tǒng)鋼筋混凝土基礎(chǔ)。其優(yōu)勢在于：靈活，可適用于不同的建筑平面形式與基地形態(tài)；生態(tài)，不用混凝土，不用挖掘，不用回填，能夠最大程度保留地面土地原有性狀，整個基礎(chǔ)能夠拆卸遷移與循環(huán)使用；抗震，基礎(chǔ)與地面采用鋼架螺旋地樁柔性連接，地梁與螺旋地樁亦采用螺栓的柔性連接，能夠吸收地震能量，承受較大的地震形變。

斯陋宅主體結(jié)構(gòu)為膠合木梁柱結(jié)構(gòu)，節(jié)點利用內(nèi)嵌式鋼板連接件螺栓連接（圖12），主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件均在工廠預(yù)制，現(xiàn)場組裝完成。膠合木梁柱的加工是在木材構(gòu)件的端部或中間，對木材構(gòu)件采用損傷最小的線槽及螺栓孔以配合鋼制連接件的連接。施工組裝時只需要將木梁柱吊起拼裝并用螺栓緊固，得到高強靈活結(jié)構(gòu)的同時加快了裝配速度（圖13）。區(qū)別于傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)榫卯連接，這套膠合木結(jié)構(gòu)不會對木材構(gòu)件連接處造成較大的損傷，相比外包式鋼板連接內(nèi)嵌的構(gòu)件連接也更為美觀。同時，斯陋宅圍護結(jié)構(gòu)為木骨架的建造體系，能夠?qū)κ覂?nèi)空間靈活劃分，快速高效，最大化減少了現(xiàn)場施工的濕作業(yè)。

斯陋宅的建造體系創(chuàng)新地傳承了中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)營造模式，富有彈性的框架組織在速度、成本與適應(yīng)之間取得了良好的平衡。

3.3.2 市場化運用價值

圖14 開放的預(yù)制木梁柱體系（來源：團隊制作）

中國廣大鄉(xiāng)村對建筑有著多樣化的需求。斯陋宅具有極強的可擴展性的工業(yè)化設(shè)計和建造，可作為原型，通過模數(shù)化在水平、垂直方向擴展，根據(jù)城市中心、郊區(qū)和鄉(xiāng)村住宅的不同人口密度與功能需求，組合成不同規(guī)模與形態(tài)的生態(tài)宜居建筑。在成本方面，針對競賽對建筑性能和發(fā)電量要求很高這一問題，斯陋宅著重探索低價高效的解決方案，在確保能耗平衡的前提下，采取適宜技術(shù)，減少高成本的建筑設(shè)備。此外，斯陋宅幾乎沒有運行能耗的支出，更是增強了其市場潛力。如在一些建筑密度低、供電網(wǎng)絡(luò)難以到達或費用過高的鄉(xiāng)村地區(qū)或偏遠景區(qū)，建筑自身的太陽能發(fā)電系統(tǒng)成為建筑供能的一個解決方案，同時斯陋宅低技的自然通風(fēng)體系，高效地改善了室內(nèi)熱環(huán)境及空氣質(zhì)量。最后，在技術(shù)策略上，斯陋宅是以技術(shù)的組合而非系統(tǒng)的整合回應(yīng)多樣的需求，倘若追求高技術(shù)的有機整合，將降低整個建筑系統(tǒng)的開放性，同時意味著其可變性、靈活性與適應(yīng)性均隨之弱化。斯陋宅高度開放的預(yù)制木結(jié)構(gòu)梁柱建筑體系（圖14），使其能夠在開放的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)，根據(jù)客戶需求調(diào)整平面布局，定制不同的圍護墻體、外墻飾面板、室內(nèi)設(shè)施、家具和內(nèi)裝飾，從而滿足不同目標(biāo)人群的個性化需求。

斯陋宅空間的靈活性與適應(yīng)性、建造的便捷性、低能耗性，可以作為美麗鄉(xiāng)村生態(tài)宜居建筑的原型。在后續(xù)研究中，可進一步調(diào)整建筑體系以提高其靈活性，如采用更廉價的保溫圍護結(jié)構(gòu)、豐富多樣的技術(shù)體系組合，以滿足美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的多樣化需求。斯陋宅是為中國新時代城鎮(zhèn)化及美麗鄉(xiāng)村建設(shè)而探索的新型綠色宜居建筑，可以根據(jù)當(dāng)?shù)厝宋摹⒆匀画h(huán)境進行設(shè)計與建造體系的定制。

4 結(jié)語

2018年8月17日，在經(jīng)過激烈的競賽周角逐之后，SDC2018大賽落下帷幕，所有賽隊作品都將原址保留作為德州太陽能小鎮(zhèn)的展品。斯陋宅獲得了電動通勤第2名及最受公眾歡迎獎。斯陋宅充分挖掘傳統(tǒng)文化，基于生態(tài)氣候設(shè)計策略集成適宜且高效的技術(shù)手段，探索建筑空間的適宜性、工業(yè)化建造的高效性、建筑環(huán)境的生態(tài)性。作為一個原型，其適宜于中國國情下的低成本主被動技術(shù)結(jié)合的綠色建筑，可應(yīng)用于中國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)等領(lǐng)域，具有廣泛的市場適應(yīng)性。