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        環(huán)境生態(tài)學視角下的地坑院窯洞營造及優(yōu)化分析

        2021-07-08 07:57:30劉富余王宇田煒令沈小玥
        重慶建筑 2021年6期
        關(guān)鍵詞:窯洞原生態(tài)環(huán)境

        劉富余,王宇,田煒令,沈小玥

        (山東建筑大學 建筑城規(guī)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(nóng)村地區(qū),人類的建筑活動已經(jīng)與自然環(huán)境相背而行,綠色建筑理念的提出依然難以產(chǎn)生與自然環(huán)境同等效力的生態(tài)恢復作用,尋求適宜的生態(tài)建造與新時代綠色建筑的結(jié)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(tài)建筑”,在當下遭到了被遺棄的境遇,但其因地制宜的構(gòu)建措施、資源節(jié)約的生態(tài)理念以及遵從自然的和諧關(guān)系,為應對環(huán)境危機、能源消耗以及人與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供了更多的可能性。針對窯洞建筑空間環(huán)境、功能組織、能源供應、安全防護等方面進行適宜的現(xiàn)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(xiāng)村現(xiàn)代化進程也有著重要的現(xiàn)實意義。

        1 環(huán)境生態(tài)學與原生態(tài)建筑相關(guān)理論

        1.1 環(huán)境生態(tài)學理論

        環(huán)境生態(tài)學是生態(tài)學發(fā)展歷程中的重要分支,是介于環(huán)境學與生態(tài)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(tài)系統(tǒng)內(nèi)在的變化機理、內(nèi)在規(guī)律和系統(tǒng)內(nèi)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(tài)系統(tǒng)恢復、重建和保護對策的學科,即運用生態(tài)學理論,闡明人與環(huán)境間的相互作用及解決環(huán)境問題的生態(tài)途徑[1]。因此,環(huán)境生態(tài)學與生態(tài)學、污染生態(tài)學、社會生態(tài)學等均有所不同,它關(guān)照的是環(huán)境質(zhì)量治理和生態(tài)環(huán)境修復這兩類物理環(huán)境問題。

        1.2 原生態(tài)建筑

        原生態(tài)建筑(Primary Ecological Architecture),是指經(jīng)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(tài)的建造方式建造的傳統(tǒng)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(tài)、還是營造手段上都充滿了原生態(tài)的建筑精神,蘊含著古人“原生態(tài)”的自然生態(tài)環(huán)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(qū)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(xiàn)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(huán)境(圖1)。

        圖1 入口在東南方的五行與窯院布局關(guān)系

        2.2 構(gòu)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(fā)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(jù)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(qū),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(jīng)過歷史演變,依然保留了穴居居住形態(tài),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(huán)境和地理條件的回應形式,充分融合到原始的地貌環(huán)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(huán)境生態(tài)觀

        3.1 因地制宜的環(huán)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(zhì)深層的雜質(zhì)較少,建筑在縱深方向具有較好的發(fā)展?jié)摿?,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(huán)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(huán)境中生長出來,與自然環(huán)境融為一體,形成建筑與環(huán)境的和諧對話,反映出了窯院建筑形制遵從環(huán)境改造自然的營造方式,實現(xiàn)了自然環(huán)境的生態(tài)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(tài)的黃土,極少使用其他材料。挖掘出來的土經(jīng)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(huán)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(tài)建筑和可持續(xù)發(fā)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(jié)能性

        地坑院窯洞采用原生態(tài)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(diào)節(jié)窯洞內(nèi)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(nèi)散熱,冬季窯洞內(nèi)的溫度比普通平房高5℃左右,夏天室內(nèi)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(nèi)外的氣候條件,所以無論在冬季還是夏天,在沒有空調(diào)等設(shè)備的情況下,窯洞都可以利用建筑材料的特性使室內(nèi)溫度處于舒適狀態(tài),保持冬暖夏涼的特點。節(jié)約能源,是生土建筑的典型優(yōu)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(chuàng)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(shè)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(nèi)的墻面用秸稈和黏土抹平整,室內(nèi)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?shù)木S修窯洞就可以使用很長時間,對于經(jīng)濟條件并不富裕的黃土高原農(nóng)村地區(qū)而言,既經(jīng)濟又適用。

        3.5 綠色健康的生態(tài)性

        地坑院窯洞因其原生態(tài)的建造方式,以及采用環(huán)??裳h(huán)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(nèi),而且具有良好的隔音效果。再加上窯洞內(nèi)冬暖夏涼的溫度穩(wěn)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(nèi)空間。因其生態(tài)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(huán)境生態(tài)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(xiàn)出了原生態(tài)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(zhì)量居住環(huán)境的今天,改善窯內(nèi)環(huán)境已然是“剛需”,基于環(huán)境生態(tài)學的基礎(chǔ)提出改良措施,可為窯洞建筑的發(fā)展和延續(xù)提供更多的可能性。

        4.1 增加采光,改善室內(nèi)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(nèi)照度的嚴重不足,通過研究總結(jié),改善地坑院窯洞建筑室內(nèi)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(shù),達到1/8的采光比,改善自然采光的同時,還可以提高室內(nèi)溫度;(2)采用增加陽光間的形式,陽光間附建在房屋南側(cè),其圍護結(jié)構(gòu)全部或部分由玻璃等透光材料構(gòu)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(jié)省能源(圖3);(3)窯洞室內(nèi)抹墻采用白色涂料,增加陽光在窯內(nèi)的反射次數(shù),可以明顯改善室內(nèi)的光線亮度;(4)傳統(tǒng)窯洞內(nèi)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(nèi)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(shè)“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(zhì)量

        地坑院窯洞由于只有一面開窗,不能形成穿堂風,室內(nèi)空氣未能充分交換。另外,因為居民在室內(nèi)進行吃、住等多項活動,沒有明確的分區(qū),容易造成空氣異味,所以改善室內(nèi)通風應從兩方面入手:(1)采用機械排風,加強室內(nèi)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(nèi)功能空間分區(qū),保證動靜、潔污、干濕分區(qū)的分離。通過兩種方式的結(jié)合,較好地改善了室內(nèi)通風環(huán)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(huán)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(nèi)降溫后,室內(nèi)的水蒸氣不能及時散發(fā)出去,導致室內(nèi)潮濕嚴重。針對防滲防潮可以通過以下方式解決:(1)窯洞內(nèi)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(nèi)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(tǒng)窯洞頂部只做了夯實處理,在此基礎(chǔ)上可以加設(shè)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(shè)置檐口和落水管,實現(xiàn)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(nèi)還可以通過采用機械排風,使得室內(nèi)空氣流通,避免室內(nèi)墻壁結(jié)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(zhì)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(tǒng)土窯拱形結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式,既能保留窯洞特色,又可以加強窯洞的穩(wěn)定性(圖8);(2)窯洞內(nèi)部拱頂用磚石砌筑,形成堅固的拱券結(jié)構(gòu)[9];(3)相比其他窯洞,地坑院窯洞的使用年限較少,所以要經(jīng)常修修補補,預防坍塌。

        圖8 窯洞結(jié)構(gòu)加固示意圖

        4.5 除舊迎新,新型能源的利用

        窯洞內(nèi)的“炕”與灶臺都需要燃燒秸稈、樹枝等傳統(tǒng)燃料,不僅需求量大,還會造成植被破壞。窯洞地區(qū)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(nóng)作物的秸稈為原材料,不僅干凈衛(wèi)生,還有利于生態(tài)環(huán)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(diào)節(jié)窯洞建筑的耗能結(jié)構(gòu),達到新舊結(jié)合[10]。

        圖9 窯頂太陽能光伏板設(shè)置示意圖

        5 結(jié)語

        地坑院窯洞建筑是我國生土建筑營造的經(jīng)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(xiàn)出環(huán)境生態(tài)學的理念。挖掘和探究這些獨特民居的生態(tài)文化觀,與當下生態(tài)建筑技術(shù)和理念相結(jié)合,對于窯洞這種特殊生土建筑的傳承和保護有著至關(guān)重要的作用,并且對于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)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。

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