陜北特色民居窯洞淺析

張 珂，劉雅君

(1．西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055;2．延安大學 建筑工程學院，陜西 延安 716000)

從古到今，人類為了遮風擋雨，躲避野獸，先民選擇的穴居習俗，不知從哪年哪月起在陜北落下深根，產(chǎn)生了新型的人造穴居——窯洞。陜北位于黃土高原，溝壑縱橫，是天下黃土最深厚的地區(qū)，建造的窯洞也是黃土高原上最古老、最簡陋、最易建、最經(jīng)濟、最常見的居所。有挖土成洞、入地鑿洞、箍洞成窯等做法。有一首歌謠:“山上掏一個洞洞，里面黑黑的，沒有燈泡，點的小油燈”，說的就是最古老的靠山挖鑿的土窯洞。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的改善，陜北的窯洞除了土窯洞外，還產(chǎn)生了接口窯、廈窯、在平地上箍的磚窯、石窯和鋼筋混凝土薄殼窯等。歷史上窯洞除了供住宿外，還有窯洞廟宇、窯洞機關、窯洞客店、窯洞學校、窯洞商店、窯洞倉庫等，連同結(jié)婚“入洞房”一說，也是因為男女結(jié)婚的新房布置在窯洞里。毛澤東從1935年10月19日到吳起鎮(zhèn)，直到他1947年3月18日撤離延安，13年間大多都是住在窯洞里。如今，“土里土氣”的窯洞成了延安的一大景觀，也成了中國革命的見證和教材，本文就窯洞的受力特點和陜北的土窯、磚窯等作一些分析。

1 窯拱結(jié)構(gòu)的受力特點

說到窯洞的結(jié)構(gòu)，其形狀都是頂部呈拱型，下部呈方型，主要的受力構(gòu)件是拱圈(對窯來講，拱圈實為拱筒，筒長就是窯的進深)，幫墻、背墻和窯腿子(呈方型的下部結(jié)構(gòu))主要起支承作用。就拱圈來講，外形軸線一般為拋物線和半圓，如圖(1)和圖(2)所示。圖(1)為受豎向分布荷載的拋物線拱，圖(2)為半圓拱。因材料不同，分別有土拱，石拱和磚拱等。拱是一種平面結(jié)構(gòu)，在平行切出的拱圈上相應位置各點的應力狀態(tài)都是相同的。再者拱結(jié)構(gòu)最大的特點是:在豎向荷載作用下能產(chǎn)生水平反力，該反力也就是對拱腳基礎產(chǎn)生的水平推力，故拱結(jié)構(gòu)也稱推力結(jié)構(gòu)。恰是這個水平推力能起到抵消豎向荷載引起的向下彎曲作用，從而減小了拱身截面的內(nèi)力彎矩，因由建筑力學［1］可知，三鉸拱［2］受豎向荷載(集中力或分布力)作用，拱身任意k截面的彎矩、軸力和剪力分別為:

上式中的θk為截面k處拱軸切線的傾角，H為拱腳的水平推力，與分別為相應簡支梁截面的彎矩和剪力［3］。由上三式可以看出，拱身任意截面的彎矩和剪力皆因水平推力H的存在，彎矩和剪力都比相同荷載作用下相同跨度簡支梁的小，拱身截面內(nèi)存在較大的軸力，且根據(jù)荷載的情況合理選擇拱軸線形狀，可使彎矩減得較小，可使拱體內(nèi)各截面的內(nèi)力以受壓為主，如圖(1)所示。對于半圓拱，設拱受圍壓P作用，內(nèi)外半徑分別為a和b，作近似計算可得，壁內(nèi)任一點的徑向和環(huán)向正應力為［4］

圖1

由上二式可知，σr和σθ二者也都為壓應力，說明半圓拱拱壁各點都是受壓的，如圖(2)所示。正因為如此，拱結(jié)構(gòu)一般都采用抗壓強度高的磚、石、混凝土等建筑材料來建造。另外，拱結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生水平推力，跨度大時水平推力也相當大，其支座(拱腳)應能可靠地承受水平推力，才能保證拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。實際工程中有多種做法，陜北家戶的箍窯，往往是一線三孔、五孔、六窯一院，窯連窯，就是利用兩側(cè)的邊跨窯結(jié)構(gòu)承受水平推力的例證，最邊上的窯端部需打較厚的夯土也稱幫墻(厚度都在2米以上)，或砌較厚的磚幫，以承受邊窯拱的水平推力，如后面的圖(6)所示。

圖2

2 最古老、最原始的民居—土窯

土窯洞的歷史久遠，至少可追溯到四千年前，遠在周先祖時期，土窯洞就遍布山塬谷地，陜西、山西、甘肅等多有分布，如今的陜北農(nóng)村大多人還住在土窯洞里，延安城里仍有不少人居住。土窯挖掘容易，省工省料，人們在能打窯的地方，使用一把老镢頭，挖上一個寬高為3 m左右，深8－12 m頂部呈半圓形大洞，用土坯封住洞口，一般開一門二窗，窯洞就修成了。這種窯洞，花上很少的錢，一般人舍得花力氣就能修得起。有靠山坡修的，在崖畔上修的叫崖穴窯，在平整的地上挖一個四方形深坑，然后在四面垂壁上挖數(shù)孔窯洞，形成的地坑四合院，叫下沉式或地穴窯洞，靠一條斜坡通道與外界連接，窯頂和煙囪在平地上，山西、甘肅和陜西的關中一帶多見。洛川黃陵一帶的塬上人，過去都住在溝畔上，說的就是居住的崖穴窯，平整偌大的院子是靠劈山削坡開出來的。而川道人居住的土窯，都修在山根下。為了安全考慮，在山根下挖窯洞前，一般先要將山坡斬成大階梯形(俗稱斬窯面)，然后向縱深挖掘。如圖(3)示是崖窯，圖(4)是地穴窯，圖(5)所示是崖根窯。土窯的共同特點是窯頂上覆土層厚，百姓講凍不透，曬不著，冬暖夏涼，四季皆宜，其內(nèi)蘊藏著神奇的節(jié)能理念，還防火防噪音。接口窯和廈子窯其實質(zhì)仍是土窯，只是在窯口和外觀上有了一些變化，即在土窯接土拱處，加砌一兩米進深的磚或石料做面即為接口窯，在窯口用木椽搭起廈棚以遮陽擋雨則為廈子窯，主要顯示了人們對精神生活的一種追求。

圖3

圖4

圖5

對于崖穴窯和地穴窯，往往是在形成年代不是很長(山體上部)的土層上挖鑿，加上開鑿過程對土的擾動，時間長了，或遭遇自然災害，土拱(窯頂)容易產(chǎn)生裂縫，導致變形乃至坍塌，為了保證安全，家戶常用木梁木柱搞支撐進行加固。修在山根下的土窯是在老土層上挖鑿，土的強度(抗剪)大，窯結(jié)實耐久性較好。然而，如遇大暴雨和大地震，造成洪災和山體滑坡，災難往往是毀滅性的。窯本身坍塌廢棄，窯前院落的其它建筑壓塌被埋，造成人員牲畜傷亡。如上世紀七十年代，黃陵縣南邊遭遇大暴雨，靠洛河邊的一個四合院家庭，主房是靠山根挖鑿的8米深的土窯，院落三側(cè)是后來加蓋的土木瓦結(jié)構(gòu)的廈房，由于山體大面積跨塌，泥土瞬間掩埋了整個院落，廈房中的人員全部遇難，刨開后發(fā)現(xiàn)，原來的土窯只剩下了半截。其次，土窯墻壁難以粉刷，易堿化，窯面容易風化剝落，窯內(nèi)也難以實現(xiàn)良好的采光和通風，這也是一批批土窯被廢棄的原因之一。

3 石窯和磚窯

新中國成立后的五六十年代，隨著人民生活水平的提高，以土、木、石、磚混合結(jié)構(gòu)的房屋逐漸增多，但這個時期，百姓從附近的山上鑿石，在平地上箍的石窯洞居多。改革開放以來，有了黨的富民政策，富裕起來的農(nóng)村人，陸續(xù)地離開了祖?zhèn)鞯耐粮G，從溝畔或山根挪到平地平川，代之而起的是一家三孔或六孔一院的磚箍窯。從20世紀90年代開始，機關和部分居民也告別了窯洞，走進了新瓦房、新樓房，學校全部搬進了新建的樓房式學校。與土窯比較，磚石窯造價較高，施工也復雜一些，磚石窯做法相同，需打夯土背墻，挖地基，做基礎(窯腿子)，挖頂部為拱形似窯洞形狀的土坯子(也稱做窯楦)，后插磚石(稱飽穴)，灌泥漿(或水泥砂漿)，出窯楦，打夯土幫墻，夯墊窯頂?shù)取４u石窯洞既秉承了土窯洞的優(yōu)點，但磚窯(包括用磚掛面)看起來更漂亮，門和窗戶更大，大多前后開窗，并且窗戶裝上了玻璃，有些窯洞背墻后還設采光井，使窯內(nèi)光線更充足，更明亮，空氣流通更好。再者磚石拱的抗壓強度更大，實際中又是窯連窯建造，可互相支承。如果背墻和端部幫墻施工質(zhì)量好，窯頂排水及防護措施到位，且無大災，一般使用年限都在30年以上，如今的農(nóng)村還能看到曾經(jīng)住過幾代人的磚石窯就是如此。若遇暴雨或大地震，背墻和邊上的幫墻更易損壞，幫墻一旦坍塌，窯拱失去了支撐，窯洞變形，兩側(cè)拱腳外傾，產(chǎn)生坍塌，邊窯更易損毀。圖(6)和圖(7)就是2008年的大地震造成的黃陵縣高原地帶磚窯破壞的例子。

圖6

圖7

總之，世事變遷、新舊更迭，陜北一茬又一茬的窯洞以其廢興記錄了陜北人生存發(fā)展的歷史，窯洞不僅將原始人類的生存方式保留和延續(xù)下來，更將陜北孕育的特有文化滲透在這無言的物證之中。在這樣“土里土氣”的窯洞里，毛澤東主席等中國共產(chǎn)黨的領導人，一住就是13年，陜北的窯洞見證了中國革命從勝利走向勝利，催生出了不朽的毛澤東思想，醞釀出偉大的延安精神，都是后人享不盡、用不竭的精神財富。

［1］孫俊等 .建筑力學［M］.重慶:重慶大學出版社，2005.92－96.

［2］葉獻國.建筑結(jié)構(gòu)選型概論［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2003.12.170－176.

［3］范欽珊 .材料力學［M］.北京:清華大學出版社，2004.70－74.

［4］劉雅君，薛琳娜.由壓力引起的破裂問題研究［J］.大學物理，2011，30(4).19 －21.