王珂 塞爾江 哈力克 黃志錚 蘭福林

我國(guó)建筑領(lǐng)域的能源消耗是全社會(huì)能源消耗的重要組成部分，其中建筑運(yùn)行能耗約占全社會(huì)總用能耗的20%[1]。建筑行業(yè)的自身特點(diǎn)決定了其在助力我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)中將發(fā)揮關(guān)鍵作用。而鄉(xiāng)村建筑作為我國(guó)建筑領(lǐng)域的主要部分，由于受到城市發(fā)展模式的影響，其低碳可持續(xù)發(fā)展的前景不容樂(lè)觀[2]。研究表明，2018年農(nóng)村住宅的商品能耗到達(dá)2.16億tce，占當(dāng)年建筑運(yùn)行總商品能耗的23%，超越了城鎮(zhèn)住宅的消耗量[3]。由此可見(jiàn)，鄉(xiāng)村已經(jīng)成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的主要陣地，推動(dòng)鄉(xiāng)村綠色建筑發(fā)展，降低建筑能耗，成為我國(guó)節(jié)能減排以及能源變革工作的重點(diǎn)。

2021年新疆首屆美麗鄉(xiāng)村競(jìng)賽以“新時(shí)代、新民居”為題，旨在打造能夠反映新疆地域文化、符合節(jié)能理念的新時(shí)代民居，以呼應(yīng)國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和“雙碳目標(biāo)”，推動(dòng)文化潤(rùn)疆工程與低碳社會(huì)發(fā)展①。本文以筆者團(tuán)隊(duì)的競(jìng)賽二等獎(jiǎng)作品“綠脈、呼吸、生長(zhǎng)”為例，探究通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新與地域性文脈相融合，打造“可呼吸、重文脈、易生長(zhǎng)”的新時(shí)代民居設(shè)計(jì)，科學(xué)合理地引導(dǎo)新疆農(nóng)村建筑綠色、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展理念（圖1）。

1 項(xiàng)目背景與概況

1.1 區(qū)域氣候特征

項(xiàng)目選址于新疆吐魯番夏鄉(xiāng)卡拉蘇村，其氣候環(huán)境總體呈現(xiàn)夏熱冬冷、日照充沛、干燥少雨、大風(fēng)頻繁的特點(diǎn)[4]。夏季最高溫度可達(dá)50℃，冬季極端低溫可達(dá)-30℃，太陽(yáng)能資源豐富，年日照時(shí)數(shù)超過(guò)3 000h，夏季盛行西北風(fēng)，冬季盛行東風(fēng)。因此，在建筑設(shè)計(jì)中，需要考慮冬季保溫和夏季遮陽(yáng)的雙重功效，以及充分利用太陽(yáng)能資源、改善室內(nèi)風(fēng)環(huán)境等措施（圖2）。

1.2 傳統(tǒng)民居的環(huán)境適應(yīng)性與生態(tài)智慧

吐魯番民居多以生土作為主要建材，其良好的熱惰性能使建筑無(wú)論在夏季隔熱還是冬季保溫方面都能靈活應(yīng)對(duì)。在建筑技藝方面，高架棚、透空墻的設(shè)計(jì)可以幫助人們抵御夏季強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射，增加空氣流通。建筑空間向地下的延伸使用不僅解決了食物變質(zhì)問(wèn)題，而且由于其冬暖夏涼的優(yōu)點(diǎn)也常常成為人們的臨時(shí)居所。值得注意的是，當(dāng)?shù)鼐用裢鶗?huì)在屋頂?shù)染哂辛己猛L(fēng)的地方設(shè)置一種四面透空空間，稱(chēng)作“晾房”，可滿(mǎn)足當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物葡萄的晾曬需求，同時(shí)也豐富了民居整體的虛實(shí)變化，成為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居的典型地域性特征。歷經(jīng)地域文化、氣候條件等多種因素相互影響而形成的傳統(tǒng)民居類(lèi)型，其所蘊(yùn)含的生態(tài)智慧和人文特點(diǎn)，都為今天我們探討新時(shí)代民居建筑文化傳承與節(jié)能策略奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)（圖3）。

2 建筑單元模塊化設(shè)計(jì)理念

近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑建造模式的不斷發(fā)展與轉(zhuǎn)型，具備節(jié)能環(huán)保特征的裝配式建筑以其優(yōu)越的建造方式和獨(dú)特的管理形式進(jìn)入人們的視野。而模塊化建筑作為預(yù)制裝配率最高的一種建造模式，具有速度快、質(zhì)量好、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[5]，在國(guó)家大力發(fā)展裝配式建筑和鄉(xiāng)村振興的背景下，成為未來(lái)農(nóng)村建筑發(fā)展的理想路徑。

2.1 模塊化構(gòu)思及尺度確定

目前吐魯番傳統(tǒng)民居仍然以土坯磚作為主要建材。然而傳統(tǒng)生土磚在選材環(huán)節(jié)由于缺乏科學(xué)指導(dǎo)，土料質(zhì)量不能得到保證，導(dǎo)致出模晾曬后易出現(xiàn)裂縫和變形的情況，且當(dāng)?shù)孛窬佣嘁跃用褡越橹?，缺乏設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的約束，容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理行為。傳統(tǒng)土坯營(yíng)造技術(shù)體系下的生土民居耐久性、力學(xué)性能差，房屋質(zhì)量參差不齊，嚴(yán)重限制了新時(shí)代背景下村民的居住新需求[6]。而模塊化建筑各部分在工廠內(nèi)預(yù)制完成，保證了建造質(zhì)量，且在施工方式、材料循環(huán)利用方面比傳統(tǒng)建造方式更加環(huán)保、高效，成為解決此種困境的有效措施。

方案充分考慮新技術(shù)與地域性特色的融合，首先優(yōu)化傳統(tǒng)土坯磚的尺寸和構(gòu)造，在保證土料質(zhì)量的同時(shí)，加入天然植物纖維，提高土坯磚的耐久性與強(qiáng)度，使其成為能夠標(biāo)準(zhǔn)化建造的新型土坯磚。其次引入模數(shù)空間概念，將磚的尺度與居住功能的空間屬性結(jié)合分析，以600mm作為基本模數(shù)，以2 400、3 600、4 800mm作為墻體模數(shù)，高度根據(jù)民居空間需求統(tǒng)一設(shè)定為3m，以此模數(shù)空間為基本單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到通過(guò)較少的空間模塊滿(mǎn)足居住多功能需求的目的（圖4）。

2.2 模塊單元設(shè)計(jì)與組合邏輯

依據(jù)使用需求與設(shè)計(jì)定位將建筑分為功能獨(dú)立的單元模塊，模塊體系應(yīng)具備獨(dú)立、通用、互換的特性[7]。居住單元的基本功能需求包括起居室、餐廳、廚房、衛(wèi)生間、臥室以及交通等從屬功能。一方面，空間單元依據(jù)不同功能需求呈現(xiàn)不同的屬性與尺度。從空間屬性來(lái)看，客廳、餐廳、臥室以及儲(chǔ)藏空間受家具、設(shè)備影響較小，具有一定的通用性與靈活性，而廚房、衛(wèi)生間易受到設(shè)備、管線布置限制，后期不易更改，需一次性整體配置。從空間尺度來(lái)看，客廳、餐廳、臥室、儲(chǔ)藏、廚房、衛(wèi)生間依據(jù)功能需求尺度依次減小。另一方面，同一功能單元的空間尺度會(huì)受到家庭人數(shù)的影響，不同的家庭結(jié)構(gòu)所需要的空間容量亦不相同。研究發(fā)現(xiàn)，吐魯番傳統(tǒng)的家庭結(jié)構(gòu)趨向于“小型家庭”模式，“主干戶(hù)”和“核心戶(hù)”的家庭結(jié)構(gòu)占大多數(shù)，另有部分由于年輕人外出生活而導(dǎo)致的夫妻戶(hù)家庭結(jié)構(gòu)類(lèi)型[8]。因此，通過(guò)對(duì)居住空間功能屬性與當(dāng)?shù)丶彝ソY(jié)構(gòu)的分析，方案采用5種基本模塊單元，依照不同家庭結(jié)構(gòu)的空間需求將不同尺度的功能單元與模塊相匹配，以提升空間適應(yīng)性（圖5）。

居住模塊單元的組織是整個(gè)方案的基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)孛窬踊締卧捎脰|西長(zhǎng)軸的“一字形”平面以及衍生而來(lái)的“L形”和“U形”平面[9]，這種體形有利于在冬天獲得足夠的陽(yáng)光，同時(shí)降低建筑表面的熱量消耗。本方案針對(duì)3種家庭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出不同尺度的建筑平面類(lèi)型，皆以傳統(tǒng)民居平面為基礎(chǔ)，采用“一明兩暗”的基本布局，保證功能流線的合理性，同時(shí)照顧臥室、客廳等主要使用空間的氣候條件。不同平面類(lèi)型通過(guò)置換客廳、餐廳等開(kāi)放空間模塊尺度和增添臥室、衛(wèi)生間等功能模塊進(jìn)行調(diào)整，從而滿(mǎn)足不同人群需求（圖6,7）。

1 方案鳥(niǎo)瞰圖

2 吐魯番氣候

3 吐魯番民居特點(diǎn)

4 模塊化構(gòu)思

5 模塊單元設(shè)計(jì)

6 模塊組織邏輯

7 3種家庭結(jié)構(gòu)平面圖

8 呼吸表皮結(jié)構(gòu)

9 呼吸表皮工作狀態(tài)

3 太陽(yáng)能呼吸表皮

3.1 設(shè)計(jì)靈感

特朗勃墻（Trombe wall）又稱(chēng)集熱墻，是由朝南的重質(zhì)墻體與相隔一定距離的玻璃蓋板組成[10]。其原理是利用光能加熱室內(nèi)墻體與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)間的夾層空氣，利用熱壓作用使熱空氣流入室內(nèi)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能。但夏季容易出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題，因此特朗勃墻在吐魯番的應(yīng)用并不廣泛。GIGS光伏板是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)，其轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)且成本低，但是光伏板通常生硬地固定在屋頂上，使得建筑風(fēng)貌遭到破壞。

本方案融合兩種現(xiàn)代技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，從傳統(tǒng)民居晾房肌理中得到靈感，設(shè)計(jì)一種具有地域特色的太陽(yáng)能呼吸墻，可以靈活調(diào)節(jié)自身狀態(tài)以適應(yīng)外界氣候變化，從而實(shí)現(xiàn)集保溫、通風(fēng)、遮陽(yáng)及太陽(yáng)能利用為一體的可調(diào)節(jié)墻體設(shè)計(jì)。該墻體包括內(nèi)外兩層表皮，內(nèi)表皮為當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的夯土墻，墻上開(kāi)設(shè)四個(gè)可啟閉的氣流閥門(mén)（上下各兩個(gè)），外表皮則以鋼構(gòu)架為龍骨，由模數(shù)為600mm的生土面板和光伏板交錯(cuò)排布，與窗戶(hù)對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置可開(kāi)啟嵌板，除此之外的其余嵌板均不可開(kāi)啟。墻體中間空腔部分用桁架固定，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，空腔上方交替設(shè)置固定的雙層Low-E玻璃與可開(kāi)啟GIGS光伏板（圖8）。

3.2 呼吸表皮工作狀態(tài)

太陽(yáng)能呼吸表皮通過(guò)外層可移動(dòng)嵌板及內(nèi)表皮閥門(mén)的協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)不同模式轉(zhuǎn)換（圖9）。夏季不通風(fēng)時(shí)，開(kāi)啟空腔頂部和表皮底層的光伏板，關(guān)閉與窗戶(hù)對(duì)應(yīng)的可移動(dòng)嵌板和內(nèi)墻閥門(mén)，空腔通過(guò)地下風(fēng)道引入低于常溫的冷風(fēng)，在熱壓作用下帶走內(nèi)部熱空氣，從而降低內(nèi)墻表面空氣溫度，改善室內(nèi)熱環(huán)境，同時(shí)減少高溫對(duì)光伏板的負(fù)面影響，提高發(fā)電效率。夏季通風(fēng)時(shí)，開(kāi)啟外表皮所有可移動(dòng)嵌板以及內(nèi)墻下部閥門(mén)，關(guān)閉頂部光伏板，從地道引入的冷風(fēng)通過(guò)內(nèi)墻閥門(mén)進(jìn)入室內(nèi)，同時(shí)將熱空氣通過(guò)外表皮上部開(kāi)口處排出，從而改善室內(nèi)風(fēng)環(huán)境，外表皮打開(kāi)的嵌板能夠起到遮陽(yáng)作用，進(jìn)一步降低熱量侵入。冬季通風(fēng)時(shí)，打開(kāi)外表皮下部可移動(dòng)嵌板和內(nèi)墻上部閥門(mén)，將地下風(fēng)道高于常溫的熱空氣輸入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣交互流通。冬季不通風(fēng)時(shí)，關(guān)閉所有開(kāi)口使內(nèi)部形成密閉腔體，一方面通過(guò)太陽(yáng)加熱內(nèi)部腔體空氣，另一方面光伏板工作的同時(shí)提供熱量，從而增加室內(nèi)保溫。太陽(yáng)能呼吸表皮的應(yīng)用既可以有效減少冬季室內(nèi)熱量散失與夏季室外熱量入侵，又能讓室內(nèi)保持良好的通風(fēng)條件（圖10）。

4 其他綠色技術(shù)

4.1 “阿以旺”式拔風(fēng)塔

“阿以旺”是塔里木盆地的典型民居形式，因新疆南部氣候干燥炎熱，常有沙塵天氣，為了遮陽(yáng)、防塵和提高室內(nèi)舒適性，當(dāng)?shù)厝嗣褚虻刂埔说厮茉炝舜祟?lèi)民居形式[11]。本方案在交通核部分采用凸出屋面的“阿以旺”式通風(fēng)塔，上部采用吐魯番民居晾房的鏤空形式，內(nèi)加可調(diào)節(jié)百葉，頂部設(shè)置可透光光伏板。通風(fēng)塔底部設(shè)置蓄水池，與外墻呼吸表皮相互搭配，通過(guò)熱壓通風(fēng)的方式加強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)效果，改善室內(nèi)微氣候。頂部透光光伏板在隔離一部分熱量的同時(shí)間接引入陽(yáng)光，結(jié)合拔風(fēng)塔形成光井，改善室內(nèi)光環(huán)境（圖11,12）。

10 呼吸表皮效果

11 拔風(fēng)塔分析

4.2 屋面隔熱系統(tǒng)

吐魯番降雨量小，屋頂普遍采用平屋頂形式。在屋頂沒(méi)有晾房覆蓋的區(qū)域采用兩種策略。一方面，結(jié)合屋頂植物、藤架打造屋頂花園，宜選擇適合吐魯番當(dāng)?shù)叵臒岫錃夂驐l件的植物種類(lèi)，既能給居民創(chuàng)造舒適的室外休憩空間，又能降低屋面的直接輻射照射。另一方面，使用與呼吸表皮同樣的肌理設(shè)置光伏通風(fēng)屋面，通過(guò)氣流在空腔內(nèi)流動(dòng)帶走屋頂熱量（圖13）。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境的愈發(fā)重視，鄉(xiāng)村建筑的可持續(xù)發(fā)展逐漸成為人們的共識(shí)。綠色建筑設(shè)計(jì)以往就建筑談建筑，忽視對(duì)氣候特征、地域特征、居住文化的考量[12]。本方案在充分考慮吐魯番地域性氣候特征和傳統(tǒng)民居智慧的基礎(chǔ)上，合理利用多種綠色技術(shù)與可再生能源策略，嘗試總結(jié)出新時(shí)代干冷區(qū)域綠色民居設(shè)計(jì)策略和方法：結(jié)合當(dāng)?shù)孛窬拥慕?gòu)方式和家庭結(jié)構(gòu)創(chuàng)新出適宜于當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村的模塊化設(shè)計(jì)方法；將民居晾房肌理和現(xiàn)代節(jié)能技術(shù)相融合，設(shè)計(jì)一種多功能太陽(yáng)能呼吸表皮，同時(shí)結(jié)合地道通風(fēng)、蓄水池、“阿以旺”式拔風(fēng)塔等技術(shù)，共同致力于改善室內(nèi)微氣候；屋頂平面采用晾房、植物藤架、光伏通風(fēng)屋面增強(qiáng)屋頂隔熱效果。在全社會(huì)致力于“雙碳”目標(biāo)的今天，探索適合西北地區(qū)氣候環(huán)境和文化特點(diǎn)的新時(shí)代低碳鄉(xiāng)村設(shè)計(jì)，對(duì)促進(jìn)西部建筑行業(yè)節(jié)能減排、推動(dòng)低碳社會(huì)發(fā)展有顯著的意義，同時(shí)也為新時(shí)代模塊化節(jié)能民居設(shè)計(jì)的地域性推廣與干旱區(qū)域綠色建筑節(jié)能策略提供借鑒與參考。

12 拔風(fēng)塔效果

13 民居建筑技術(shù)分析

注釋

①參見(jiàn)新疆勘察設(shè)計(jì)官網(wǎng)http://www.xjkcsj.com

圖片來(lái)源

1,3,10,12,13 作者自攝

2,4?9,11 作者自繪