王奕希

隨著能源危機(jī)全球化問題的加劇和可持續(xù)發(fā)展理念的踐行，生態(tài)循環(huán)與綠色設(shè)計的環(huán)保價值觀在現(xiàn)代建筑空間設(shè)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(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代高科技文明出現(xiàn)以前，人們建造房屋時對于通風(fēng)避暑、冬暖夏涼等功能需求的實(shí)現(xiàn)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(yīng)”結(jié)構(gòu)原理在建筑空間布局中的應(yīng)用。

1 “煙囪效應(yīng)”的工作原理

“煙囪效應(yīng)”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(nèi)空間導(dǎo)氣系統(tǒng)。因為整個導(dǎo)氣系統(tǒng)剖面呈現(xiàn)出近似“煙囪”的管道狀形態(tài)，所以被稱為“煙囪效應(yīng)”。建筑空間結(jié)構(gòu)主要利用了煙囪管道狀結(jié)構(gòu)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(fēng)或微風(fēng)狀態(tài)時，室內(nèi)與室外出現(xiàn)氣溫差異，此時導(dǎo)氣系統(tǒng)通道內(nèi)的熱空氣膨脹、變輕、上升，通過頂部a 點(diǎn)排出室外，造成空間內(nèi)部的氣壓變小。外部空氣從空間兩側(cè)的b 點(diǎn)和c 點(diǎn)涌入室內(nèi)，從而產(chǎn)生拔風(fēng)效應(yīng)，持續(xù)為室內(nèi)空間帶來新風(fēng)，并降低室內(nèi)的溫度和濕度，改變室內(nèi)空間的熱環(huán)境，實(shí)現(xiàn)建筑室內(nèi)空間空氣的自我循環(huán)與更新[1]。

圖1 “煙囪效應(yīng)”結(jié)構(gòu)工作原理示意圖（來源：作者自繪）

由于“煙囪效應(yīng)”結(jié)構(gòu)技術(shù)不需要額外設(shè)置機(jī)械設(shè)備便可用于室內(nèi)空間的通風(fēng)，具有投入成本少、效果明顯以及技術(shù)含量高等優(yōu)點(diǎn)，屬于低成本的生態(tài)技術(shù)，被廣泛運(yùn)用于建筑空間設(shè)計，應(yīng)用前景十分廣闊。“煙囪效應(yīng)”結(jié)構(gòu)技術(shù)適用于不同地域環(huán)境、不同建筑類型的建筑空間設(shè)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(yīng)對當(dāng)?shù)貧夂蚝偷孛蔡卣魃隙歼\(yùn)用了“煙囪效應(yīng)”結(jié)構(gòu)原理，從而達(dá)到室內(nèi)通風(fēng)和冬暖夏涼的建筑空間要求。

“煙囪效應(yīng)”結(jié)構(gòu)技術(shù)不僅是一種有效的建筑節(jié)能措施，也是鄉(xiāng)土建筑地域性創(chuàng)作的特殊表達(dá)方式，能夠根據(jù)不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、氣候和文化等具體特點(diǎn)演變出各種形式特征，具備良好的可塑性、適應(yīng)性和再創(chuàng)性，對建筑外部形態(tài)和建筑內(nèi)外空間設(shè)計都有著直接的影響。

2 新疆阿以旺民居的空間結(jié)構(gòu)與功能布局

阿以旺民居是新疆和田地區(qū)一種常見的土木結(jié)構(gòu)住宅，主要以阿以旺為基本構(gòu)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(nèi)活動空間相結(jié)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(cè)窗進(jìn)行圍攔。這種建筑形式既滿足了住宅空間設(shè)計中對采光通風(fēng)的基本需求，又起到了防風(fēng)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(qū)為起居室、附屬房間和副業(yè)生產(chǎn)加工區(qū)域。整體空間布局是典型的“內(nèi)向型”院落布局，建筑室內(nèi)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(nèi)外活動區(qū)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(yǎng)牲畜的畜圈和居民廁所因空間性質(zhì)被設(shè)置在民居空間的兩側(cè)。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(jìn)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(xí)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(jié)構(gòu)和層次各不相同的建筑群。在具體的營造法式中，復(fù)雜多變的建筑空間結(jié)構(gòu)、縱深化的內(nèi)部趨向、多層次的圍廊以及立體化的柱式體系都是其在鄉(xiāng)土建筑中的獨(dú)特表達(dá)方式。該民居最顯著的特點(diǎn)是具有一個空間寬敞的復(fù)合式套間結(jié)構(gòu)，其通光透氣的優(yōu)點(diǎn)在沒有建筑天窗結(jié)構(gòu)條件的時代顯得十分突出[3]。

無論是外部結(jié)構(gòu)還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(xiàn)出不同以往任何建筑的藝術(shù)造型特點(diǎn)及空間處理思維。我國傳統(tǒng)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(nèi)進(jìn)行功能布局，強(qiáng)調(diào)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(tǒng)民居建筑大多強(qiáng)調(diào)建筑空間在立體縱深化的空間營造，其中柱式發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。深入分析新疆阿以旺民居的建筑形式可以發(fā)現(xiàn)，其建筑外部使用了高大厚實(shí)的墻體，而建筑內(nèi)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(shí)用型建筑樣式。

3 新疆阿以旺民居建筑空間設(shè)計中“煙囪效應(yīng)”的應(yīng)用

新疆阿以旺民居的自然通風(fēng)效應(yīng)以風(fēng)壓通風(fēng)為輔、熱壓通風(fēng)為主的組合形式來實(shí)現(xiàn)。風(fēng)壓通風(fēng)效果的產(chǎn)生源自建筑物對風(fēng)沙的阻擋使得室外四周氣流壓力的分布產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)）

迎風(fēng)面的空氣流動受到建筑物的阻擋，導(dǎo)致動態(tài)壓力降低，靜態(tài)壓力增高，其側(cè)面和背風(fēng)面因此產(chǎn)生局部渦流，從而造成側(cè)面和背風(fēng)面的靜態(tài)壓力降低[4]。與建筑物遠(yuǎn)處未受到干擾的氣流相比，這種靜態(tài)壓力的升高或降低被統(tǒng)稱為風(fēng)壓的波動。

熱壓通風(fēng)是利用建筑物內(nèi)部空間因空氣密度的不同（熱空氣趨于上升狀態(tài)，冷空氣趨于下降狀態(tài)）來促進(jìn)室內(nèi)空間達(dá)到自然通風(fēng)的效果。建筑室內(nèi)空間在熱壓作用下，所設(shè)置的室內(nèi)進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)風(fēng)口的高度差異越大，形成的溫度差異越大，熱壓通風(fēng)的效果也越明顯[5]。我國新疆民居所采用的熱壓通風(fēng)系統(tǒng)，大部分都是應(yīng)用了“煙囪效應(yīng)”原理，即建筑的中庭空間以近似煙囪的形態(tài)來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)通風(fēng)。

和田地區(qū)阿以旺民居的建筑墻體相當(dāng)厚實(shí)，且墻體所采用的建筑材料是蓄熱和隔熱性能優(yōu)秀的生土材質(zhì)，因此即使處于炎熱的夏季，建筑空間內(nèi)部的溫度也遠(yuǎn)低于室外。阿以旺民居建筑的內(nèi)部空間相對較為封閉，室內(nèi)空氣密度相較于室外也更高。建筑室內(nèi)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(jìn)室內(nèi)通風(fēng)的“煙囪口”。建筑外的空氣從空間下方的門洞進(jìn)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(fēng)換氣。

這樣的建筑空間結(jié)構(gòu)有效加速了阿以旺民居內(nèi)部的空氣流通，降低了當(dāng)?shù)氐慕ㄖ覂?nèi)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(qū)當(dāng)?shù)貧夂驐l件的節(jié)能型自然通風(fēng)系統(tǒng)。

新疆阿以旺民居建筑在整體朝向上主導(dǎo)迎合風(fēng)向，以便于建筑空間內(nèi)部的空氣流動通暢。由于風(fēng)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(shí)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(jìn)行環(huán)繞式布置，以便盡可能減小各部分與外界環(huán)境的接觸面積，從而最大限度減少太陽輻射對建筑內(nèi)部造成的熱輻射和熱交換，使得阿以旺民居的內(nèi)部空間維持在一個相對恒定的溫度范圍內(nèi)。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(wǎng)絡(luò)）

4 可持續(xù)發(fā)展理念下的現(xiàn)代建筑空間設(shè)計

和諧共生的人居環(huán)境與可持續(xù)性的建筑致力于研究建筑內(nèi)部空間和外部環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性，關(guān)注建筑與自然環(huán)境、社會環(huán)境之間的融合共生關(guān)系，如土地資源利用的最大化、建筑與環(huán)境綠化系統(tǒng)的合理布置、生物的多樣性保護(hù)、歷史文化建筑的維護(hù)與保存等。其中，阿以旺民居是特色鄉(xiāng)土建筑的典型代表，對其進(jìn)行研究分析具有重要意義[7]。

阿以旺民居的設(shè)計建設(shè)與當(dāng)?shù)氐淖匀粴夂?、地理風(fēng)貌密切結(jié)合在一起，在新疆傳統(tǒng)地域文化中占據(jù)重要的地位。在研究剖析其特點(diǎn)和具體的建筑空間布置手法后發(fā)現(xiàn)，這類傳統(tǒng)民居獨(dú)具特色的營造手法集中體現(xiàn)的正是當(dāng)?shù)厝藗兊膶徝纼A向、造型觀念以及如何通過技術(shù)性手段適應(yīng)氣候環(huán)境等多方面的認(rèn)知和共識。

從客觀上分析，新疆阿以旺民居的建筑外形結(jié)構(gòu)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(fēng)的作用，在高度干燥炎熱的氣候條件下為當(dāng)?shù)鼐幼≌咛峁┣鍥龅氖覂?nèi)環(huán)境，形成了帶有地域特色的建筑形制，這對于現(xiàn)代建筑空間設(shè)計提出的“鄉(xiāng)土智慧”“綠色住宅”“生態(tài)建筑”“建筑活力”等概念的研究和落實(shí)具有一定參考意義和學(xué)習(xí)價值。

總結(jié)前人智慧，在現(xiàn)代建筑空間設(shè)計中運(yùn)用“煙囪效應(yīng)”結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。施工技術(shù)的高速發(fā)展使得現(xiàn)代建筑的建造過程更加高效，而“煙囪效應(yīng)”結(jié)構(gòu)原理在現(xiàn)代建筑空間設(shè)計中的應(yīng)用，不僅有效解決了建筑所在地區(qū)的通風(fēng)問題，而且通過內(nèi)部空間各個部分的相互配合，提升了建筑室內(nèi)空間的環(huán)境質(zhì)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(yùn)用建造技術(shù)和建筑材料，力求實(shí)現(xiàn)資源和能源利用的最大化，這是當(dāng)代設(shè)計師從新疆阿以旺民居建筑中得到的啟發(fā)，也是當(dāng)前建筑設(shè)計與鄉(xiāng)土建筑研究的側(cè)重點(diǎn)與出發(fā)點(diǎn)。

在建造手法上合理運(yùn)用“煙囪效應(yīng)”的結(jié)構(gòu)原理，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源（如太陽能、風(fēng)能、沼氣、地?zé)岬惹鍧嵞茉矗┑霓D(zhuǎn)化再利用以及水資源（如中水循環(huán)利用系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等）的有效利用[8]。

在理論層面，可持續(xù)發(fā)展理念的建筑設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)自然環(huán)境與能源的效益最大化，進(jìn)而提高社會空間與經(jīng)濟(jì)空間的效率，最終達(dá)成居住環(huán)境與建筑空間系統(tǒng)的全面生態(tài)化。在技術(shù)方面，還應(yīng)倡導(dǎo)在建造過程中充分利用地方條件，通過合適的技術(shù)有效解決問題。

5 結(jié)語

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

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

新疆阿以旺民居建筑體現(xiàn)出了當(dāng)?shù)厝藗儤O大的建造智慧和實(shí)用思維。當(dāng)下，在新時期的建筑設(shè)計中，設(shè)計師們應(yīng)研究學(xué)習(xí)新疆阿以旺民居的空間設(shè)計理念，從適宜建筑物本土環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的角度進(jìn)行建筑形態(tài)的設(shè)計建造，從而推動現(xiàn)代建筑更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。