四川彭州山區(qū)農(nóng)村新建民居生態(tài)再生設(shè)計(jì)研究

高源，朱軼韻, 劉加平，虞志淳

(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院, 陜西 西安 710055；2.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710049；3.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

四川彭州山區(qū)通濟(jì)鎮(zhèn)大坪村位于東經(jīng)103°50′，北緯31°10′，海拔約1400 m。坐落在彭州市西北25 km，成都以北65 km處。該地區(qū)氣候溫和、雨量充沛、四季分明、無霜期長(zhǎng)、日照短，年平均氣溫為15.6 ℃，最高氣溫月為7月，平均氣溫約22.1 ℃；最低氣溫月為1月，平均氣溫約2.4 ℃。全年無霜期270多天，降雨主要集中在6～9月，年平均降雨量為960 mm左右。全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，年平均風(fēng)速為1.3 m/s，年瞬間最大風(fēng)速21 m/s。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料進(jìn)行分析(圖1)可以看出，該地區(qū)一年中僅4、5月份溫濕度較為適宜，如圖中深色區(qū)域部分；12月、1月、2月全部，3月、11月部分時(shí)間，氣溫均低于10 ℃，相對(duì)濕度為70%～90%，屬于比較濕冷時(shí)間段，室內(nèi)需要采暖；6～9月絕大部分時(shí)間處于舒適度區(qū)外較濕熱的區(qū)域，相對(duì)濕度多在70%～95%，氣溫約在28 ℃以上分布，較為濕熱，室內(nèi)需要降溫除濕。

通過上述分析可以知道，該地區(qū)生態(tài)民居建造需要考慮的主要問題：冬季氣候比較濕冷，民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取保溫構(gòu)造措施來減少屋內(nèi)熱量的散失；夏季氣候濕熱，民居建筑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮通過引導(dǎo)室內(nèi)外空氣自然流通來達(dá)到降溫除濕的效果。

1 四川彭州山區(qū)農(nóng)村民居現(xiàn)狀演變及存在問題

1.1 四川彭州山區(qū)農(nóng)村民居現(xiàn)狀演變

隨著我國(guó)改革開放及農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，四川山區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)得到較快的發(fā)展，其生產(chǎn)生活及居住模式也逐漸發(fā)生了改變。但農(nóng)村村落民居在建設(shè)中盲目套用城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展模式，原有的傳統(tǒng)民居建造方式盡管在營(yíng)建的過程中積累了許多適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻谋粍?dòng)式生態(tài)建造經(jīng)驗(yàn)，保留了地域傳統(tǒng)文化，但是由于其存在室內(nèi)居住環(huán)境較差、建筑空間不滿足現(xiàn)有使用功能、生活設(shè)施落后等諸多問題，正逐漸被丟棄。這體現(xiàn)在民居演變形式上，現(xiàn)代形式的磚混結(jié)構(gòu)的民居建筑面積逐年增長(zhǎng)，成為農(nóng)村民居建筑演變發(fā)展的主流。但是這種大量興建的磚混民居多建設(shè)規(guī)劃無序、缺乏地域特色、建筑形象雷同、能耗污染較大，不僅影響了農(nóng)村的村容村貌，而且也使農(nóng)村民居偏離了正常的演變軌道。

1.2 四川彭州山區(qū)農(nóng)村民居演變存在問題

當(dāng)前城市建筑高耗能等問題已引起社會(huì)的關(guān)注，但對(duì)農(nóng)村房屋建筑中的這種趨勢(shì)還沒有引起重視。農(nóng)村現(xiàn)有磚混民居由于設(shè)計(jì)及施工水平較低，普遍建造質(zhì)量低下，缺乏合理的節(jié)能措施，室內(nèi)熱環(huán)境惡劣，顯示出高能耗、高污染、高成本、低質(zhì)量等如下缺陷。

1) 建造質(zhì)量低

四川彭州山區(qū)山地村民自建磚混房屋，模式較為粗放，房屋施工質(zhì)量的好壞主要取決于施工人員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的豐富與否，但由于其沒有形成規(guī)范科學(xué)的房屋建造體系，房屋結(jié)構(gòu)多缺乏安全及抗震措施，房屋質(zhì)量受其主觀隨意性影響較大，房屋質(zhì)量難以把控。

2008年汶川地震后，該地區(qū)大坪村村落民居災(zāi)后損壞程度實(shí)地調(diào)查也證明了這一點(diǎn)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，如表1所示，受損最普遍、最嚴(yán)重的民居是那些1980年后建造的磚混住宅，而1970年以前甚至更早時(shí)期建造的傳統(tǒng)木框架支撐的土木、磚木民居建筑受損情況較小。

表1 民居受損情況調(diào)查表

2) 環(huán)境影響大

四川彭州山區(qū)山地農(nóng)村傳統(tǒng)民居建筑材料以取自于當(dāng)?shù)氐氖?、生土、木材為主要原料，這些傳統(tǒng)建材資源具有可再生、可重復(fù)利用的性能。使用后的木材和石料可以更新再利用，木材、夯土粉碎后還可撒入土中，進(jìn)入自然的循環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于環(huán)境影響小。

新建磚混民居大量使用粘土磚、鋼筋混凝土、面磚等建材，不僅在生產(chǎn)中破壞土地、污染環(huán)境，排放大量CO2，SO2等酸性氣體，對(duì)大氣環(huán)境造成污染，而且廢棄使用后，較難降解，會(huì)對(duì)自然環(huán)境帶來很多的負(fù)面影響。但由于粘土磚生產(chǎn)制造所使用的設(shè)備成本較低，原材料價(jià)格較低，廣大農(nóng)村還在使用。資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)房屋建筑材料中70%是墻體材料，其中粘土磚占據(jù)主導(dǎo)地位，生產(chǎn)粘土磚每年耗用粘土資源達(dá)10多億立方米，約相當(dāng)于毀田50萬(wàn)畝。我國(guó)每年產(chǎn)生各類工業(yè)固體廢物1億多噸，累計(jì)堆存量已達(dá)幾十億噸，不僅占用了大量土地，其中所含的有害物質(zhì)嚴(yán)重污染著周圍的土壤、水體和大氣環(huán)境。

3) 能源消耗多

該地區(qū)傳統(tǒng)民居除在建造施工過程中耗費(fèi)能源外，在其他環(huán)節(jié)基本不耗費(fèi)能源；且傳統(tǒng)民居歷經(jīng)時(shí)間的演變，積累了許多被動(dòng)式氣候適應(yīng)性生態(tài)建造經(jīng)驗(yàn)，在創(chuàng)造了相對(duì)較為舒適的室內(nèi)環(huán)境的同時(shí)，民居的日常生活耗能較少，基本保證了周圍自然環(huán)境的完好性。

現(xiàn)代粘土磚、鋼筋混凝土屬能源消耗型產(chǎn)品，在制造、運(yùn)輸、使用、拆除過程中均需耗費(fèi)大量能源。資料表明，我國(guó)每年生產(chǎn)粘土磚約消耗7000多萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。而且農(nóng)村磚混民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱的熱工性能較差，如果粘土磚、鋼筋混凝土需求繼續(xù)增長(zhǎng)，不僅增加墻體材料的生產(chǎn)能耗，而且導(dǎo)致新建建筑的采暖和空調(diào)能耗大幅度增加，將加劇能源供需矛盾。

4) 傳統(tǒng)地域風(fēng)貌遺失

四川彭州山區(qū)傳統(tǒng)民居在建筑風(fēng)格上沿襲傳統(tǒng)做法，不論是建筑平面還是外觀形態(tài)風(fēng)格均保持了一致性。各戶村民順應(yīng)多變的地勢(shì)，根據(jù)自家宅基情況靈活布局，形成了多樣統(tǒng)一的村落整體風(fēng)貌。

改革開放以來，隨著村落與外界的信息交流增多，新建民居建筑的平面布局、材料和外觀均發(fā)生了較大的變化。民居外立面上瓷磚貼面屢見不鮮。村落民居新與舊并存出現(xiàn)，傳統(tǒng)村落結(jié)構(gòu)的整體性受到破壞，漸漸失去原有的地域性特色。

面對(duì)上述問題，如何因地制宜、就地取材提高山地農(nóng)村居民的生活質(zhì)量、降低建筑能耗、保護(hù)生態(tài)環(huán)境是在生態(tài)民居再生設(shè)計(jì)中考慮的重點(diǎn)方面。

2 四川彭州山區(qū)農(nóng)村生態(tài)民居再生設(shè)計(jì)實(shí)踐

2.1 項(xiàng)目背景

汶川地震造成我國(guó)四川、陜西、甘肅三省部分地區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重，四川彭州通濟(jì)鎮(zhèn)大坪村為典型受災(zāi)村落，村內(nèi)單體民居房屋破壞嚴(yán)重，多數(shù)無法繼續(xù)居住。本項(xiàng)目通過大坪村43戶居民的整體原地易址新建，營(yíng)造具有綠色再生理念的生態(tài)示范民居。

2.2 設(shè)計(jì)理念

1) 生態(tài)可持續(xù)地域適應(yīng)性技術(shù)設(shè)計(jì)

由于大坪村交通不便，磚混建材運(yùn)輸成本高，而山區(qū)土、石、木、竹較豐富，新民居設(shè)計(jì)充分利用當(dāng)?shù)氐耐?、石、木、瓦材料，結(jié)合當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)建造方法與現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)手段，充分利用當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源，以簡(jiǎn)單易行的毗連陽(yáng)光房融入民居設(shè)計(jì)中。同時(shí)，集中解決冬季保溫的熱環(huán)境問題；提高室內(nèi)采光，通風(fēng)的衛(wèi)生要求；解決人，畜，廁以及庭院布局的關(guān)系問題，從而初步改善居住生活環(huán)境條件，形成適宜當(dāng)?shù)貧夂虻赜颦h(huán)境的新型民居。

2) 以人為本模塊化設(shè)計(jì)

新民居設(shè)計(jì)方案以基本生活空間模塊與多功能模塊為基本組合單元，基本生活空間(紅色)模塊有：主房(堂屋)、次房(廂房)；多功能輔助空間(藍(lán)色)模塊有：廚房(餐廳)、衛(wèi)生間(儲(chǔ)藏)、陽(yáng)光間(挑臺(tái))。村民可以根據(jù)各家的人口數(shù)量及生活方式，運(yùn)用這兩種類型模塊的組合，形成自己需要的民居建筑(圖2)。

圖2 平面模塊組合

3) 傳統(tǒng)民居風(fēng)格繼承創(chuàng)新

為了體現(xiàn)當(dāng)?shù)氐赜蛭幕?，新民居設(shè)計(jì)方案充分繼承了四川傳統(tǒng)穿斗民居的建造方式，依然采用土木結(jié)構(gòu)，圍護(hù)墻體為木板竹籬夾泥墻，為了改善傳統(tǒng)墻的冬季保溫性能，將墻體創(chuàng)新變?yōu)閺?fù)合墻體，內(nèi)部增加聚苯保溫板，以減少冬季的熱損失。陽(yáng)光間采用木方格柵構(gòu)筑，在繼承傳統(tǒng)的竹、木等綠色可再生建筑材料的風(fēng)格意蘊(yùn)的同時(shí)，用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手法反映了傳統(tǒng)民居的建筑風(fēng)格理念。

在民居造型設(shè)計(jì)上，民居主要用房與側(cè)面廂房高低錯(cuò)落，搭接有序，穿插自然，共同構(gòu)筑出傳統(tǒng)民居空間的風(fēng)韻；民居立面繼承穿斗民居的建構(gòu)方式，建筑木結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部外露，清雅俊秀，與周邊群山氛圍和諧統(tǒng)一(圖3)。

2.3 生態(tài)再生節(jié)能技術(shù)策略

1) 可再生材料的運(yùn)用

大坪村當(dāng)?shù)厥a(chǎn)竹材、木材，故當(dāng)?shù)孛窬硬捎弥瘛⒛据^多，但其墻體較薄，保溫隔聲效果較差。新民居設(shè)計(jì)方案考慮到結(jié)構(gòu)安全及抗震性能，整體仍采用木框架穿斗結(jié)構(gòu)，外圍護(hù)墻體考慮將土、木、竹結(jié)合起來使用，采用木板或竹編夾泥墻，內(nèi)部隔墻也如上處理，這不僅可有效提高房間內(nèi)部保溫隔聲效果，還避免了大量砌體的使用，降低了建造成本，減少了CO2的排放。

圖3 新建生態(tài)民居

2) 可再生能源的利用

新民居設(shè)計(jì)方案在主要居室設(shè)置了毗連陽(yáng)光間等被動(dòng)式太陽(yáng)能利用措施，可以有效地改善冬季居室內(nèi)的熱環(huán)境，減少冬季采暖對(duì)林木的砍伐；同時(shí)利用當(dāng)?shù)刂参锝斩挕⑸蠹S便作為沼氣池原料，為村民提供部分炊事用能。

3) 自然通風(fēng)措施的運(yùn)用

結(jié)合圖1氣象資料分析，大坪村夏季氣候濕熱，民居建筑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮通過引導(dǎo)室內(nèi)外空氣自然流通來達(dá)到降溫除濕的效果。在平面設(shè)計(jì)上前后墻體設(shè)置普通窗體和高窗，有利于室內(nèi)形成穿堂風(fēng)對(duì)流；廚房等開敞空間設(shè)置在樓梯間附近，部分房間墻體預(yù)留通風(fēng)口，有利于形成豎向熱壓通風(fēng)。

4) 夏季遮陽(yáng)措施的運(yùn)用

新民居設(shè)計(jì)方案汲取傳統(tǒng)民居房屋檐口出挑深遠(yuǎn)的經(jīng)驗(yàn)，入口墻面一側(cè)多設(shè)檐廊，不但防止降水侵蝕房屋墻體，還可避免夏季陽(yáng)光直射到民居墻體上面，造成墻體過多吸收太陽(yáng)輻射熱。

5) 保溫墻體的設(shè)置

結(jié)合圖1氣象資料分析結(jié)果，大坪村冬季氣候比較濕冷，民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取保溫構(gòu)造措施來減少屋內(nèi)熱量的散失。新民居設(shè)計(jì)方案為了改善圍護(hù)墻體的冬季保溫性能，將竹、木夾泥外墻墻體中間加設(shè)聚苯板保溫層，聚苯板質(zhì)地較輕，保溫效果和隔音效果均較好，且對(duì)于木(竹)墻體增加不了多少垂直荷載，有利于結(jié)構(gòu)安全，且運(yùn)輸便利，還可以回收重復(fù)利用。同時(shí)選用氣密性、做工質(zhì)量較好外木窗，以減少冬季民居的熱損失(如圖4所示)。

6) 加大自然采光措施的運(yùn)用

新民居設(shè)計(jì)方案為了改善傳統(tǒng)民居室內(nèi)光環(huán)境較差的情況，減小房屋的進(jìn)深，在后墻設(shè)置高窗，使室內(nèi)照度更為均勻。

圖4 新建民居保溫墻體

2.4 室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測(cè)結(jié)果

本項(xiàng)目分別選用新建生態(tài)民居和當(dāng)?shù)卮u混民居進(jìn)行冬夏兩季室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試比較。

當(dāng)?shù)卮u混民居，層數(shù)為1層。建筑結(jié)構(gòu)磚混結(jié)構(gòu)，屋頂做法為小青瓦屋面，外圍護(hù)墻體為240 mm粘土磚墻；門窗均為木制。

新建生態(tài)民居，層數(shù)為1層。建筑結(jié)構(gòu)為木構(gòu)架穿仿結(jié)構(gòu)。屋頂為檁條上鋪椽子，椽子上面鋪掛瓦條，掛瓦條上面直接掛青色機(jī)瓦的構(gòu)造形式；外圍護(hù)墻體為了防潮隔濕，1.5 m以下為240 mm粘土磚砌筑，1.5 m以上部分做夾心保溫竹木夾泥外墻，墻體為20 mm柳沙松木板+50 mmEPS保溫板+20 mm柳沙松木板；門窗均為木制。

1) 夏季測(cè)試結(jié)果。夏季測(cè)試時(shí)間為2009年7月22～25日，室外空氣溫度變化范圍19.1～28.2 ℃，平均溫度23.2 ℃，溫度波動(dòng)較大；新建民居室內(nèi)空氣溫度變化范圍19.8～25.3 ℃，平均氣溫為22.7 ℃；磚混民居室內(nèi)空氣溫度變化范圍19.8～24.0 ℃，平均氣溫21.9 ℃。兩者室內(nèi)溫度趨于一致，波動(dòng)值均小于室外，室內(nèi)溫度較為舒適。

2) 冬季測(cè)試結(jié)果。冬季測(cè)試時(shí)間2010年2月7～11日，室外空氣溫度變化范圍6.6-8.1 ℃；新建民居室內(nèi)空氣溫度變化范圍7.4～8.3 ℃，平均氣溫為7.8 ℃；磚混民居室內(nèi)空氣溫度變化范圍6.4～6.9 ℃，平均氣溫6.6 ℃。兩者相比，新民居平均溫度提高了1.2 ℃。據(jù)當(dāng)?shù)卮迕穹从?，可以通過增加衣物方式而不采取任何采暖方式過冬，節(jié)省了采暖能耗。

分析上述測(cè)試結(jié)果可以看出：測(cè)試期間夏季，由于大坪村室外溫度較為適宜，故兩民居室內(nèi)熱環(huán)境差別不大；測(cè)試期間冬季，新民居通過改進(jìn)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱措施，室內(nèi)平均溫度比原有磚混建筑有所提高。

2.5 圍護(hù)墻體熱工指標(biāo)及室內(nèi)環(huán)境計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果

通過對(duì)傳統(tǒng)穿斗民居、現(xiàn)代磚混民居、新建生態(tài)民居的圍護(hù)墻體熱工指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，可以看出新建生態(tài)民居圍護(hù)墻體熱工指標(biāo)較好，熱阻R0較大，傳熱系數(shù)K較小(表2)。

表2 農(nóng)村民居圍護(hù)墻體構(gòu)造熱工指標(biāo)

由于民居室內(nèi)環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)只體現(xiàn)了被測(cè)建筑在測(cè)量期間自然條件下的室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)劣狀況，易受到被測(cè)建筑本身建造質(zhì)量、位置及周邊自然環(huán)境、天氣因素的影響，造成測(cè)試結(jié)果的偏差。要判斷其全年的室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)劣狀況，還需要將被測(cè)建筑統(tǒng)一在基本相同的初始條件時(shí)間周期下進(jìn)行比較，以達(dá)到一個(gè)客觀準(zhǔn)確的分析結(jié)論，而這正是建筑環(huán)境模擬軟件的優(yōu)勢(shì)所在。

通過使用Ecotect Analysis 2011程序建立民居模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及構(gòu)造的設(shè)定均根據(jù)現(xiàn)代磚混民居、新建生態(tài)民居這兩類民居實(shí)際選材及厚度進(jìn)行設(shè)定，將被測(cè)建筑統(tǒng)一在基本相同的初始條件時(shí)間周期下進(jìn)行比較(圖5)。

圖5 民居計(jì)算機(jī)數(shù)字模型

通過計(jì)算機(jī)模擬該區(qū)域氣象資料全年最熱天，主臥室室內(nèi)溫度，如圖6所示，可以看出，由于該地區(qū)夏季室外溫度較為適宜，新建生態(tài)民居主臥全天室內(nèi)的溫度與磚混民居主臥室內(nèi)溫度相差不大，溫度波幅變化較為平緩，基本在28～29 ℃左右波動(dòng)，室內(nèi)熱環(huán)境相對(duì)較為適宜。

計(jì)算機(jī)模擬該區(qū)域氣象資料全年最冷天主臥室室內(nèi)溫度，如圖7所示，可以看出，生態(tài)民居主臥全天室內(nèi)溫度比磚混民居主臥室內(nèi)溫度要高1.0～1.5 ℃，溫度波幅變化較為平緩，基本在7.6～8.2 ℃波動(dòng)。兩者相比較，磚混民居室內(nèi)溫度隨室外溫度的改變波動(dòng)較大，熱穩(wěn)定性較差。

圖6 計(jì)算機(jī)模擬兩類民居最熱日室內(nèi)外溫度曲線圖

圖7 計(jì)算機(jī)模擬兩類民居最冷日室內(nèi)外溫度曲線圖

通過計(jì)算機(jī)模擬兩類民居如達(dá)到室內(nèi)舒適所需全年能耗，如圖8所示，可以看出，磚混民居能耗較多。新建生態(tài)民居全年總能耗約比磚混民居節(jié)省約16%。

圖8 計(jì)算機(jī)模擬兩類民居全年能耗曲線圖

新建民居設(shè)計(jì)為了改善室內(nèi)自然光照環(huán)境，減少房間進(jìn)深，增加后墻開窗，使室內(nèi)光照更加均勻。經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬最不利的全陰天工況下室內(nèi)自然光照度，可以看出，一層房間內(nèi)，室內(nèi)照度值基本在200～300 lx左右，取得了較好的采光環(huán)境(圖9)。

圖9 計(jì)算機(jī)模擬新建民居室內(nèi)照度

3 結(jié) 語(yǔ)

新建民居經(jīng)過居住使用，當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)于新建民居的整體滿意度達(dá)到95%，這也吸引周邊村莊村民自愿參觀、學(xué)習(xí)并模仿大坪村的民居樣式，該民居建造模式在此基礎(chǔ)上，又推廣建設(shè)多達(dá)200余戶左右，起到了良好的生態(tài)示范作用。

大坪村新民居的生態(tài)再生設(shè)計(jì)充分利用了當(dāng)?shù)氐耐?、竹、木等可循環(huán)利用再生材料，減少了能源及資源的消耗；墻體保溫、自然通風(fēng)、自然采光等諸多被動(dòng)式措施的利用，較為明顯的改善了室內(nèi)的光、熱環(huán)境，創(chuàng)建了低碳環(huán)保的四川山地民居建造形式，對(duì)于當(dāng)?shù)丶拔覈?guó)的山地鄉(xiāng)村民居建筑的節(jié)能減排、生態(tài)化建設(shè)有很強(qiáng)的指導(dǎo)借鑒作用。

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