豫西山地裝配式民居建筑設(shè)計(jì)

畢 昕，李成翰，曹 笛，陳偉瑩，馮 昭，麻永建

（1.鄭州大學(xué)建筑學(xué)院，鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001；3.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)股份有限公司，鄭州 450001）

引言

河南是人口大省、農(nóng)業(yè)大省，據(jù)統(tǒng)計(jì)2019年河南城鎮(zhèn)化率達(dá)到53.21%，但仍然有4 000多萬人口生活在農(nóng)村[1]。而民居建筑存在的諸多問題也嚴(yán)重影響農(nóng)村居住環(huán)境，制約農(nóng)村發(fā)展。改善農(nóng)村人居環(huán)境一直被作為各級(jí)政府的重點(diǎn)工作。黨的十九大報(bào)告中提出鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，明確指出要大力發(fā)展鄉(xiāng)村。《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二O三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中指出要優(yōu)先發(fā)展農(nóng)業(yè)農(nóng)村，全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，明確指出要提升農(nóng)房建設(shè)質(zhì)量[2]。2019年2月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)了《關(guān)于開展農(nóng)村住房建設(shè)試點(diǎn)工作的通知》，提出開展農(nóng)村住房建設(shè)試點(diǎn)，推廣應(yīng)用農(nóng)房裝配式建筑現(xiàn)代化建造方式，建設(shè)綠色環(huán)保的宜居型示范農(nóng)房，改善農(nóng)民居住條件和居住環(huán)境，提升鄉(xiāng)村風(fēng)貌[3]。

組成建筑的部品部件由工廠生產(chǎn)，然后在施工現(xiàn)場裝配而成的建筑，稱為裝配式建筑。將較為先進(jìn)的裝配式建筑體系與地域傳統(tǒng)民居相結(jié)合，構(gòu)建出具有地域特征、適合工業(yè)化生產(chǎn)、成本低廉、堅(jiān)固耐用的建筑，稱為裝配式民居建筑[4]，這成為解決我國農(nóng)村民居建筑的有效途徑。

裝配式建筑因其耐久性強(qiáng)、成本低、施工簡單、工期短和可回收等優(yōu)勢，得到了建筑行業(yè)的認(rèn)可與推廣[5-6]。國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》中指出發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，我國應(yīng)大力發(fā)展裝配式建筑，不斷提高其在新建建筑中的比例，促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)[7]。近年來，浙江省杭州市，廣西壯族自治區(qū)梧州市、岑溪市、南寧市，安徽省合肥市的眾多鄉(xiāng)村地區(qū)都開展了裝配式民居建筑的相關(guān)實(shí)踐：通過調(diào)研農(nóng)房建設(shè)現(xiàn)狀，了解農(nóng)民安居需求，依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蜃兓?、地域風(fēng)貌、民俗風(fēng)情、文化傳承、功能需求，研究提煉地域傳統(tǒng)建筑文化元素和空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將傳統(tǒng)建筑的特殊性融入裝配全過程中。

豫西山地是中原河洛文化發(fā)源地，也是河南農(nóng)村人口較為集中的地區(qū)。山地地形所導(dǎo)致的交通不便、民居建筑分散、基礎(chǔ)設(shè)施無法到達(dá)等問題都導(dǎo)致該地區(qū)大量居民生活水平低下，居住環(huán)境惡劣。該地區(qū)部分鄉(xiāng)村正逐步通過集中建設(shè)安置點(diǎn)的方式改善村民的人居環(huán)境。本研究通過提取豫西山地傳統(tǒng)民居建筑特征，結(jié)合裝配式技術(shù)，提出具有地域性特征的豫西山地裝配式民居建筑設(shè)計(jì)策略，用以加快該地區(qū)農(nóng)村人居環(huán)境改善。

1 豫西山地傳統(tǒng)民居建筑特征提取

豫西地區(qū)地域性傳統(tǒng)民居主要包括：窯洞民居（靠崖窯、地坑院、窯院民居）和院落式民居（宅院民居、合院民居）。其中院落式民居是最常見、最具有代表性的民居類型。

1.1 空間特征

豫西山地傳統(tǒng)民居建筑大多為1—2層，總體外觀呈現(xiàn)一字型、L型、U型3種，一字型、U型民居室內(nèi)空間大多遵循一明兩暗三開間的布局形式，室內(nèi)用隔板或者矮隔墻進(jìn)行空間劃分。L型民居在主屋一側(cè)修建一層側(cè)廂房，側(cè)廂房多為輔助功能，與主屋室內(nèi)不連通，空間聯(lián)系均通過院落中轉(zhuǎn)（表1）。

表1 豫西傳統(tǒng)民居基本平面形式圖解

豫西傳統(tǒng)民居一層用于生活起居，二層大多用于儲(chǔ)藏，功能空間上符合典型的中原地區(qū)民居特點(diǎn)：堂屋明間居中，是主要的公共空間，承擔(dān)起居、會(huì)客、交流、用餐等功能；兩側(cè)次間一般作為臥室、廚房、衛(wèi)生間等，滿足基本生活需要。

1.2 形式特征

豫西地區(qū)民居建筑以單層和兩層建筑為主，單層層高約為3.5 m，多為雙坡硬山屋頂，檐口到正脊垂直高度大約2.1 m。正房的開間多為2.9—3.6 m，進(jìn)深多為4.2—5.2 m；一般廂房的開間多為2.7—3.1 m，進(jìn)深多為3.5—4.5 m[8]。建筑形體在一字型、L型、U型3種平面基礎(chǔ)上進(jìn)行了體塊上的加減，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用耖L期的生活習(xí)慣，得以保留圖1所示幾種不同的空間格局，以滿足不同家庭結(jié)構(gòu)的需要。

圖1 豫西地區(qū)民居建筑形體

1.3 結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征

豫西傳統(tǒng)民居除窯洞外均為木構(gòu)形態(tài)建筑，木構(gòu)形態(tài)建筑由柱、梁、檁、椽子等構(gòu)件組成，個(gè)別構(gòu)件缺失或損壞，可以隨時(shí)替換而不影響整個(gè)體系，門窗、屋面瓦件更可隨時(shí)更換，體現(xiàn)出可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)越性[8]。木構(gòu)架體系以抬梁式和抬梁穿斗混合式為主，承重體系以木框架承重、木與墻體共同承重最為常見。

豫西地區(qū)屋頂形式有硬山屋頂、懸山屋頂、單坡屋頂、平屋頂4種，且硬山屋頂居多，主要用于住宅主屋；單坡屋頂主要用于輔助用房，且向內(nèi)院排水；平屋頂主要用于屋頂曬臺(tái)，供晾曬糧食和休閑活動(dòng)。木梁柱、檁條、椽子承托起屋架，上敷設(shè)由苫背墊層、苫背層、粘合泥層、瓦面層構(gòu)成的屋面，以達(dá)到保溫隔熱、防水排水的作用。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要有磚墻、生土墻、石墻、磚坯混合墻、磚石混合墻5種形式，“里生外熟”“磚包邊，坯填心”的墻體做法比較常見。

2 地域性裝配式民居建筑設(shè)計(jì)

2.1 豫西山地地區(qū)裝配式民居建筑空間模數(shù)化設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展，人民生活水平提高，對居住功能的需求日益增加，住宅空間功能更加豐富，分類被細(xì)化[9]。如客廳功能從原來的廳堂中相對獨(dú)立出來，儲(chǔ)物空間減少，同時(shí)增加了一些新的功能空間，如餐廳、棋牌室、書房等[10]。而且不同的家庭結(jié)構(gòu)所需的房間功能和數(shù)量不盡相同，這就要求住宅設(shè)計(jì)更具靈活性、可變性。裝配式民居建筑則可以很好地滿足空間的靈活劃分以及靈活變動(dòng)，滿足不同家庭結(jié)構(gòu)的實(shí)際需要。

為了協(xié)調(diào)空間尺寸，本文在結(jié)合豫西傳統(tǒng)農(nóng)村住宅尺寸參數(shù)的調(diào)研與平面基本模數(shù)的基礎(chǔ)上，歸納了功能房間的建議尺寸范圍，并選取了低層住宅最常使用的功能空間尺寸，將本體系主體模塊尺寸的基本模數(shù)M定為 600 mm，繼而形成1 200、1 800、2 400、3 000、3 600、4 200、4 800、5 400、6 000 mm 的基礎(chǔ)尺寸[11]。最終將最合適的模塊尺寸定為：3 000×5 400、3 000×2 400、3 000×1 800、1 200×1 800、3 600×1 800、3 600×3 600、3 600×3000（單位：mm）。

設(shè)計(jì)中包括客廳、餐廳、臥室、廚房、衛(wèi)浴、儲(chǔ)藏、樓梯、書房、玄關(guān)、陽光房、陽臺(tái)幾種功能模塊[12]，并充分利用二樓空間，賦予其使用功能。在宅基地面積一定的前提下，根據(jù)農(nóng)村不同的家庭結(jié)構(gòu)和實(shí)際需求進(jìn)行功能空間的組合，以滿足不同家庭的需要?？臻g組織遵循傳統(tǒng)的一明兩暗三開間布局形式，上下由樓梯聯(lián)系。建筑形式以雙層和雙坡硬山頂為主。

表2列舉的只是5種組合模式，在實(shí)際應(yīng)用中，村民可在模數(shù)化的控制下自行組合，更加凸顯了裝配式住宅模數(shù)化設(shè)計(jì)與可變性在農(nóng)村地區(qū)的優(yōu)勢。對以上幾種農(nóng)房類型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其結(jié)構(gòu)體系較為簡單，屋面形式對整體結(jié)構(gòu)受力影響不大，各個(gè)民居類型的結(jié)構(gòu)荷載反應(yīng)相差較小。因此，可以根據(jù)建筑的使用功能等自由選擇合適的民居建筑類型進(jìn)行推廣。

表2 豫西山地裝配式民居建筑類型

2.2 地域性元素在豫西山地裝配式民居建筑的應(yīng)用研究

豫西地區(qū)民居建筑的地域性表達(dá)除體現(xiàn)在空間組織形式外，還體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）屋面地域性：當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居屋頂以雙坡屋頂形式和青瓦為主。屋脊、墀頭、檐口裝飾紋樣以獸、魚、鳥等動(dòng)物及名貴花木為主[13]。檐下有磚雕，梁上、門窗有木雕，紋樣以魚、仙鶴、壽桃、鹿等為主。

（2）色彩地域性：當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居墻體外部大多使用青磚，屋面使用青瓦。雕刻及彩繪多樣，柱子多為紅漆，內(nèi)部裝飾以實(shí)木為主?；疑拇u瓦與白色的外墻形成黑白灰對比關(guān)系，再加以局部紅色、木色點(diǎn)綴，層次分明[13]。

（3）細(xì)部地域性：當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居建筑細(xì)部裝飾承載著獨(dú)具特色的豫西文化。地面式院落外觀裝飾樸素，一般以建筑構(gòu)件自身作為裝飾，屋內(nèi)有精美雕刻的天花、門窗和屏風(fēng)，柱礎(chǔ)的式樣也大不相同。建筑入口處的坐鼓石、門楣，室內(nèi)的門窗、梁、隔板、柱礎(chǔ)等都有非常精美的雕刻[14]。門通常采用實(shí)木門，窗戶通常采用深紅或褐色格子?xùn)牛喜繛榘牖⌒?，下部為方形，開窗較小[13]。

在進(jìn)行裝配式應(yīng)用的過程中，可以對傳統(tǒng)民居建筑元素進(jìn)行簡化，減少建筑構(gòu)件數(shù)量并簡化其形態(tài)，將原有的木榫卯結(jié)構(gòu)替換成裝配式的預(yù)制金屬鉚固件或螺栓等。色彩地域性通過設(shè)計(jì)過程中的色彩提取，在工廠化預(yù)制過程中就可以實(shí)現(xiàn)傳承。細(xì)部裝飾可以運(yùn)用現(xiàn)代3D打印等技術(shù)保留原有精美雕刻，或?qū)⑵湓醒b飾簡化成具有地域特征的符號(hào)元素加以應(yīng)用[15]。門窗在應(yīng)用的過程中繼續(xù)保留其虛實(shí)結(jié)合的構(gòu)件特征，但門窗尺寸應(yīng)根據(jù)現(xiàn)代生活習(xí)慣加以變化，在傳承地域性的同時(shí)滿足現(xiàn)代生活需求。

2.3 豫西山地裝配式民居建筑設(shè)計(jì)可行性分析

裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有工業(yè)化程度高、綠色環(huán)保、運(yùn)輸及安裝方便、建筑使用面積大等優(yōu)點(diǎn)[16]?；趥鹘y(tǒng)民居結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展理念和農(nóng)村現(xiàn)狀，結(jié)合目前裝配式技術(shù)的發(fā)展，選擇裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系用于豫西山地民居建筑建設(shè)。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研可知，豫西山地傳統(tǒng)民居多就地取材，材料以木、磚、瓦、石料和土坯為主，建設(shè)質(zhì)量參差不齊，現(xiàn)存問題包括：墻體厚重、屋面構(gòu)造復(fù)雜，采光通風(fēng)差、保溫隔熱效果欠佳、漏風(fēng)漏水等。裝配式材料、工廠預(yù)制構(gòu)件可以保障材料質(zhì)量，且輕質(zhì)易安裝，是傳統(tǒng)材料的良好替代品。

目前裝配式建筑低、多層鋼結(jié)構(gòu)體系包括集成房屋體系、模塊化結(jié)構(gòu)體系、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系以及輕型鋼框架體系[17]。對于低層（1—3層）裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑大多采用輕鋼龍骨或者輕型截面鋼框架，選材情況如下。

結(jié)構(gòu)框架：輕型鋼框架體系住宅大多選用200—300 mm高的H型鋼（強(qiáng)軸方向受力強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯）做主體框架選材[18]。

樓、墻、屋面板：樓板選用鋼筋桁架混凝土疊合板[19]，其優(yōu)勢在于施工階段無需模板，板底不加支撐，更適應(yīng)快速施工；墻體可以選用常見的輕質(zhì)保溫復(fù)合墻體和ALC板；屋面采用鋼檁條、OSB板（定向刨花板）、瀝青瓦組成的坡屋面形式[20-21]。

受經(jīng)濟(jì)因素制約，建設(shè)成本是農(nóng)村民居建筑建設(shè)需要著重考慮的因素。由于全國各主要產(chǎn)地的裝配式預(yù)制構(gòu)件價(jià)格存在差異，研究團(tuán)隊(duì)對河南及其他主要產(chǎn)地省份裝配式預(yù)制構(gòu)件的價(jià)格進(jìn)行調(diào)研比較，結(jié)合運(yùn)輸成本得出以下結(jié)論：輕質(zhì)保溫復(fù)合墻體、ALC板、鋼檁條、瀝青瓦適宜選擇河南本省廠家，OSB板適宜就近選擇價(jià)格更低的山東省、河北省廠家，鋼筋桁架混凝土疊合板適宜選擇山東省廠家。總體而言，河南本省的預(yù)制構(gòu)件較為完備且價(jià)格相對較低，因此在控制材料和運(yùn)輸成本方面具有優(yōu)勢（圖2）。

圖2 各產(chǎn)地預(yù)制構(gòu)件價(jià)格比較

2.4 典型設(shè)計(jì)方案展示

以豫西山地地區(qū)農(nóng)村最常見的兩代之家（隔代）為例，采用集成化+輕鋼框架體系+模數(shù)化的裝配式構(gòu)想，設(shè)計(jì)了1客廳+1餐廳+3臥室+1廚房+2衛(wèi)生間+1儲(chǔ)藏+1書房+1樓梯的模塊組合方式。建筑空間呈L型，主體兩層，屋頂采用雙坡形式；整體結(jié)構(gòu)框架采用H型鋼鋼結(jié)構(gòu)框架，外墻體采用輕質(zhì)保溫復(fù)合墻體，其上安裝鋁合金門窗，內(nèi)隔墻采用蒸壓輕質(zhì)混凝土板（ALC板），樓板采用鋼筋桁架混凝土疊合板，屋面采用鋼檁條、定向刨花板（OSB板）、瀝青瓦（圖3—4、表3）。

表3 結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件信息

圖3 兩代之家方案標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件示意圖

圖4 兩代之家方案承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

在施工過程中，可以多模塊同時(shí)施工，每個(gè)模塊按設(shè)計(jì)尺寸獨(dú)立組裝，組裝完成后再逐一吊裝到鋼結(jié)構(gòu)框架中，這樣可以減少大量工時(shí)。每個(gè)功能模塊均可置換且施工方便，極大地滿足了農(nóng)村地區(qū)不同家庭結(jié)構(gòu)的不同需求（圖5）。在實(shí)踐的過程中，亦可根據(jù)村民實(shí)際需求進(jìn)行局部重建、加建，以及建筑構(gòu)件的替換，這更能充分發(fā)揮裝配式建筑的優(yōu)勢，靈活解決民居建設(shè)問題。

圖5 兩代之家方案平面模塊

經(jīng)計(jì)算得出結(jié)構(gòu)體系荷載信息（表4），住宅基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，地面粗糙程度B類；地震設(shè)防烈度為6度（0.05 g），設(shè)計(jì)地震分組為第1組，場地類別為I0類，建筑抗震設(shè)防類別為丙類。樓面采用實(shí)木地板樓板（樓301），衛(wèi)生間采用陶瓷錦磚地面（地202）。

表4 結(jié)構(gòu)體系荷載信息

2.5 農(nóng)村裝配式民居建筑綜合效益評(píng)價(jià)

通過研究發(fā)現(xiàn)，裝配式民居建筑在農(nóng)村地區(qū)的發(fā)展有很多優(yōu)勢，同時(shí)也面臨局限性，表5從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)3個(gè)方面[22]分析了裝配式民居建筑在農(nóng)村地區(qū)發(fā)展的綜合效益。

表5 農(nóng)村裝配式民居建筑綜合效益評(píng)價(jià)

裝配式建筑對于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益都有顯著改善，但現(xiàn)階段相應(yīng)問題也暴露無遺。裝配式建筑在農(nóng)村地區(qū)還未全面推廣，應(yīng)提升其在建筑市場的比重，加大在農(nóng)村地區(qū)的投入力度，建立預(yù)制工廠，從而有效降低建造成本。在環(huán)境保護(hù)方面，機(jī)械設(shè)備的使用噪聲以及廢水的排放還應(yīng)通過更加合理的施工管理手段解決。在社會(huì)效益方面，還應(yīng)在農(nóng)村地區(qū)加以普及，打破村民傳統(tǒng)觀念的限制，加之國家對農(nóng)村發(fā)展的政策支持，從而推進(jìn)農(nóng)村工業(yè)化進(jìn)程。

3 結(jié)語

（1）豫西山地傳統(tǒng)民居建筑（非窯洞類）具有鮮明的地域特征：大多為1—2層，總體外觀呈現(xiàn)一字型、L型、U型3種，空間組織形式以一明兩暗三開間形式為主。

（2）裝配式建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、建造成本低、便于施工和運(yùn)輸、物理性能良好，適宜在我國民居建筑建設(shè)中推廣。

（3）以豫西山地民居建筑為例研究證明：通過針對性設(shè)計(jì)，裝配式民居建筑在兼顧其自身優(yōu)勢的同時(shí)，也能充分體現(xiàn)地域特點(diǎn)，與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)民居風(fēng)貌相統(tǒng)一。

（4）在實(shí)踐過程中，還應(yīng)將傳統(tǒng)民居的文化符號(hào)融入設(shè)計(jì)，汲取傳統(tǒng)立面裝飾精華，通過基礎(chǔ)模數(shù)的設(shè)定來設(shè)計(jì)傳統(tǒng)立面元素的模數(shù)，如門窗模數(shù)、窗花模數(shù)、屋檐模數(shù)等，盡量保持與傳統(tǒng)風(fēng)貌的一致性，避免簡單雷同。