傳統(tǒng)窯洞的當(dāng)代生態(tài)化設(shè)計(jì)改造策略

孫 迪

(黑龍江工程學(xué)院 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

傳統(tǒng)窯洞的當(dāng)代生態(tài)化設(shè)計(jì)改造策略

孫 迪

(黑龍江工程學(xué)院 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

窯洞是中國傳統(tǒng)居住形式之一，具有一定的生態(tài)優(yōu)越性，但也存在諸多缺陷，無法更好地滿足人們現(xiàn)代宜居生活的要求。文章主要針對現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)窯洞的缺陷性, 討論如何利用現(xiàn)代的建筑科技手段，提出相對應(yīng)的建筑設(shè)計(jì)層面的改造策略,提出一些可行的處理措施, 使傳統(tǒng)窯洞滿足生態(tài)宜居需求，煥發(fā)出全新生命。

窯洞；生態(tài)；缺陷性；改造利用；宜居環(huán)境

窯洞是中國傳統(tǒng)的鄉(xiāng)土建筑類型之一，是黃土高原上出現(xiàn)的一種獨(dú)特的建筑形式，代表著歷史悠久的黃土地文化，也代表著黃土高原勞動人民的智慧和淳樸。窯洞主要采用土作為主要建筑材料，空間的墻體就是深厚的大地以及山體。窯洞在長期的發(fā)展過程中形成了多種結(jié)構(gòu)、材料不同、種類各異、數(shù)量眾多的在黃土層中挖掘出的減法空間額度窯洞建筑，也有加法空間的磚石拱頂覆土式窯洞(見圖1)。從布局形式上主要有靠崖式窯洞(見圖2)、天井式(見圖3)窯洞。我國窯洞民居現(xiàn)在主要分布在隴東南、隴中、晉中南、豫西北、豫中等西北部地區(qū)，居住在窯洞中的總?cè)丝诩s有3 500～4 000萬人口，從全國范圍來看，窯洞居民占總?cè)丝跀?shù)的比例不到5%，但按比例計(jì)算出的人口數(shù)相當(dāng)于一個歐洲大國，因此，在全國性的居住建筑問題的討論中應(yīng)給予窯洞足夠的重視。從目前來看，由于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、農(nóng)民對生活條件需求的提高、相關(guān)政府部門對窯洞保護(hù)意識淡薄、城市化進(jìn)程推進(jìn)等原因，窯洞的數(shù)量越來越少。目前，對窯洞建筑的研究很廣泛，從覆土建筑角度以及地下建筑角度等多方面都在進(jìn)行研討。本文旨在探索窯洞建筑形式的缺陷，從建筑設(shè)計(jì)角度探究傳統(tǒng)窯洞的可行性改良方案，設(shè)計(jì)一種適用于現(xiàn)代人民生活的窯洞居住空間，引導(dǎo)這種古老的居住方式向生態(tài)方向發(fā)展，使其更加滿足現(xiàn)代化生活需求，重新煥發(fā)出勃勃生機(jī)。

圖1 覆土式窯洞

圖2 靠崖式窯洞

圖3 天井式窯洞

1 傳統(tǒng)窯洞的優(yōu)越性分析

1)群體布局的生態(tài)性。窯洞是在黃土高原這個特殊的地勢環(huán)境下形成的一種獨(dú)特傳統(tǒng)民居，它最大的特點(diǎn)就是就地取材，其主要材料為黏土。在過去的幾十年甚至幾百年，山西、陜西等地區(qū)的人民把窯洞視為重要的生活空間。可以說，窯洞不僅承載著黃土高原地區(qū)建筑的文脈體系，能被千百年地沿襲下來，更主要的原因在于這種居住形式的生態(tài)適應(yīng)性特征。窯洞一直被視為是一種生態(tài)建筑，這要?dú)w根于窯洞的建造省工省料的同時對自然環(huán)境的破壞減少到最小，主體是利用山體、土地為主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行建造。

2)就地取材的經(jīng)濟(jì)性。由于位于黃土高原的窯洞使用的建筑材料基本上都是黃土，生土材料不經(jīng)過后天的人工加工，原生態(tài)特性被保留了下來，有利于資源再生和再利用，是最符合可持續(xù)發(fā)展理念的原生態(tài)建筑模板。而現(xiàn)代建筑，大量地運(yùn)用鋼筋混凝土等一些混合化學(xué)材料，過度生產(chǎn)和提煉這些材料對環(huán)境造成了相當(dāng)大的污染，加速消耗自然原材料。自然原材料的開采不單單是對自然界的損耗，更是破壞了生態(tài)的平衡關(guān)系。

3)土質(zhì)帶來良好的熱穩(wěn)定性。窯洞的恒溫特點(diǎn)是形成生態(tài)居住空間的關(guān)鍵。從表1中可以看到，土與其他建筑材料相比具有良好的熱穩(wěn)定性，在不同季節(jié)、不同時間段對室溫進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。眾所周知，人們在嚴(yán)寒酷暑的環(huán)境下已經(jīng)習(xí)慣于利用暖氣和空調(diào)來調(diào)節(jié)居住環(huán)境的溫度，而無論是暖氣還是空調(diào)在消耗大量能源的同時，也成為造成環(huán)境污染和溫室效應(yīng)的主要因素。

表1 常用建筑材料熱工指標(biāo)

注：數(shù)據(jù)來源《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-2016

2 傳統(tǒng)窯洞的缺陷性分析及有效改良措施

特殊的山體環(huán)境和地質(zhì)條件是窯洞形成的必要條件，成就了這種建筑形式的輝煌和文明。但是隨著現(xiàn)代文明的加速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化的迅速擴(kuò)張，這種特殊的地形條件恰恰也限制了窯洞建筑的傳承和發(fā)展。即使窯洞有其優(yōu)良性，但在窯洞作為居住空間而存在的大部分地區(qū)，只有老年人仍愿意選擇居住在窯洞中，大多數(shù)年輕人卻越來越不愿意居住在窯洞中，因?yàn)閭鹘y(tǒng)窯洞在許多方面存在著與現(xiàn)代生活不能適配的缺陷。在當(dāng)代，建筑技術(shù)及生態(tài)保護(hù)措施等方面的發(fā)展為改良傳統(tǒng)窯洞提供了條件。

2.1 結(jié)構(gòu)安全性缺陷及改良措施

窯洞的結(jié)構(gòu)安全性問題主要包括由土質(zhì)問題引起的坍塌、水害引起的塌陷。

1)坍塌。窯洞是在黃土層中挖掘出來的減法空間，周圍土體是建筑的主要結(jié)構(gòu)，影響窯洞的結(jié)構(gòu)安全性的主要因素就是土體的穩(wěn)定性。解決土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要技術(shù)措施是控制窯洞結(jié)構(gòu)的合理尺寸和形式。首先，從結(jié)構(gòu)尺寸方面主要指窯洞的跨度、高度、土體間壁的厚度、拱頂上部自然土層的厚度，在設(shè)計(jì)建造上要控制這些尺寸，不能盲目地追求大洞跨和洞內(nèi)高度，同時也要考慮不同地區(qū)黃土的物理和化學(xué)性質(zhì)的差異，具體設(shè)計(jì)數(shù)值可參考表2；從窯洞拱頂結(jié)構(gòu)形式上，從力學(xué)角度分析，尖拱頂在抵消側(cè)推力、增加拱頂承載及提高穩(wěn)定性方面比圓頂更具有優(yōu)越性。應(yīng)結(jié)合土質(zhì)條件(圖4)，在土質(zhì)力學(xué)粘結(jié)性不好的土層上開窯洞。應(yīng)考慮開鑿尖拱頂，在利用磚石砌筑后覆土的窯洞上也應(yīng)盡量砌筑尖拱。

表2 黃土窯洞結(jié)構(gòu)的推薦尺寸

圖4 尖拱

2)水害引起的坍塌。一種水害坍塌是突發(fā)性作用。西北地區(qū)氣象水文條件復(fù)雜，年均降水量雖然較少，但雨量較集中，經(jīng)常出現(xiàn)局部的大雨或暴雨，存在洞口因水土流失造成的坍塌危險。另一種水害坍塌是經(jīng)常性作用。地表積水或土中植物根系積水經(jīng)過一定時間滲透，使土壤中水量增加，這些水分會破壞黃土顆粒間的內(nèi)聚粘合力，導(dǎo)致窯洞結(jié)構(gòu)被破壞。針對這兩種破壞性作用，可以綜合采用以下幾種手段進(jìn)行治理。

窯洞上部：首先應(yīng)設(shè)置有效的防水層，防水層上方還可以種植植物，尤其是下沉式窯洞更應(yīng)設(shè)置防水層(見圖5)；其次應(yīng)建立一個完善的排水系統(tǒng)，設(shè)置排水溝和截水溝來疏導(dǎo)地面徑流；

窯臉部分：應(yīng)采取防水加固措施，可采用磚貼面的施工建造技術(shù)。

圖5 窯洞頂部防水層做法

2.2 環(huán)境缺陷及改良措施

2.2.1 內(nèi)部空間采光不均，通風(fēng)不暢

除了一些磚石砌筑的覆土窯能夠有較好的采光和自然通風(fēng)之外，大部分傳統(tǒng)窯洞都存在通風(fēng)和采光問題。由于使用空間周圍都是壁體，從而使建筑只能單面采光，在窯洞深處的空間常年漆黑無光，雖然有土層的熱穩(wěn)定性作用，但是缺少光照仍然讓窯洞內(nèi)部無法達(dá)到使人體舒適的熱感溫度。在現(xiàn)代化窯洞設(shè)計(jì)上，有條件的應(yīng)盡量采用傳統(tǒng)覆土窯的建造形式，來獲得充分的采光和通風(fēng)。由于三面是厚實(shí)的壁體，所以導(dǎo)致自然風(fēng)在吹來時無法形成窯洞背面的負(fù)壓強(qiáng)，以至于窯洞內(nèi)部無法進(jìn)行空氣流動，造成通風(fēng)不暢。所以在受地形條件限制，只能建造靠崖式和天井式窯洞時，可采用以下措施進(jìn)行通風(fēng)和采光效果的改良：

1)適當(dāng)擴(kuò)大開間尺寸從而增大側(cè)面窗戶的面積，通常20 m2左右的窯洞，可以將洞口開至5.2 m2。

2)另外在空間內(nèi)設(shè)計(jì)天井庭院或天窗，并設(shè)置反光設(shè)備，利用折射可以增加空間內(nèi)的采光面積，同時也可以形成負(fù)壓強(qiáng)面，形成風(fēng)壓，增強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)的效果。

3)在屋頂上方設(shè)置通向地面的通風(fēng)井(如圖6a)，如果是土層較厚的靠崖窯，可以在窯洞前端做排風(fēng)井，連接窯洞內(nèi)設(shè)置的通風(fēng)吊頂(如圖6b)。在個別地形條件適宜的地段可以建造天窯通風(fēng)井，即將窯洞做成上下兩層，上層的窯洞用來組織自然通風(fēng)(如圖6c)。

2.2.2 能源、供水、排污等基礎(chǔ)生活設(shè)施不方便

主要改良措施：

1)以新能源取代傳統(tǒng)能源?，F(xiàn)在我國在農(nóng)村大部分地區(qū)大力推廣沼氣，一個10立方米的沼氣池就可以解決一個農(nóng)村家庭的照明及烹飪需求。可以結(jié)合窯洞內(nèi)部的排污系統(tǒng)綜合利用。

圖6 窯洞通風(fēng)構(gòu)造

2)建設(shè)水泵，水窖。由于黃土高原干旱少雨，水資源也是該地區(qū)缺乏的資源之一。通過建設(shè)水泵，可以收取地下水以滿足家庭的飲水和使用需求。而水窖的建設(shè)，能夠在雨天將雨水收集起來，用于灌溉等日常生產(chǎn)，以達(dá)到節(jié)約水資源的目的。

2.2.3 空間過于單一，功能布局混亂，居住模式無法滿足現(xiàn)代生活需求

設(shè)計(jì)上，在滿足室內(nèi)空間的一般規(guī)律上，還要更多地考慮窯洞建筑的特殊環(huán)境條件。比如在適宜的地勢條件下，為了節(jié)省材料資源及建造時間，可以適當(dāng)建造半地下和地上相結(jié)合的空間組合方式，同時增強(qiáng)室內(nèi)和室外的交流互動聯(lián)系，淡化厚實(shí)壁體讓空間產(chǎn)生的界限感，也可以適當(dāng)引入廊下空間和天井空間，既豐富空間層次，又能解決采光和通風(fēng)問題。

3 結(jié)束語

本文通過對傳統(tǒng)窯洞的全面分析，探尋傳統(tǒng)窯洞在功能結(jié)構(gòu)等方面的缺陷，參考相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，有針對性地提出改良措施，力圖創(chuàng)造出更加舒適宜居的窯洞環(huán)境。這些措施不但適用于新建窯洞，對于已有窯洞，在生態(tài)化改造設(shè)計(jì)時也同樣具有實(shí)用意義?？偟膩碚f，在改良過程中可采用以下可行性措施：

1) 從結(jié)構(gòu)安全性角度的改良措施：針對不同的災(zāi)害形式特點(diǎn)，按照窯洞不同的結(jié)構(gòu)部位，采用設(shè)置防水層、加固窯臉等措施。

2)在環(huán)境適應(yīng)性角度改良措施：通過空間尺寸的改進(jìn)、天井和通風(fēng)井的設(shè)置等措施改善窯洞的采光和通風(fēng)；綜合處理能源、供水、排污等基礎(chǔ)生活設(shè)施。

歷史發(fā)展到當(dāng)代，雖然中國許多傳統(tǒng)住宅面對當(dāng)今的社會環(huán)境和居住需求的變化，顯現(xiàn)出一些問題，但是這些傳統(tǒng)鄉(xiāng)土住宅都有其獨(dú)特的優(yōu)越性，是千百年來中國人智慧的體現(xiàn)。在住宅本著“遵循自然”“可持續(xù)發(fā)展”的理念的今天，我們應(yīng)充分尊重并盡量保護(hù)這些傳統(tǒng)建筑，結(jié)合現(xiàn)代化的建造技術(shù)，探索出當(dāng)代的生態(tài)化住宅，最終建成人類與自然、建筑與環(huán)境和諧共存的生態(tài)居所，讓窯洞這個傳統(tǒng)的建筑形式煥發(fā)出新的生命力。

[1] 閆幼鋒,趙占雄,趙世光.窯洞采光因素分析及改善研究[J].建筑科學(xué),2011(8)：33-37.

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Contemporary ecological design and transformation strategies on traditional cave

SUN Di

(College of Art and Design Heilongjiang Institute of Engineering,Harbin 150051，China)

Cave is one of Chinese traditional residence form, which has a certain ecological advantages, but there are also many defective problems. To meet the requirements of modern livable life, this paper, in view of the existing defects of traditional cave dwelling, discusses how to use modern means of science and technology, puts forward the corresponding reform strategy of architectural design level and some feasible measures, in order to make traditional cave dwelling adapt to the ecological,livable, new life.

cave; ecology; defect; transformation and utilization; livable environment

[責(zé)任編輯：路曉鴿]

TU241

A

1671-4679(2017)05-0062-04

2017-05-19

黑龍江省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(ZHA1214002)

孫 迪(1981-)，女，講師，碩士，研究方向：建筑歷史及理論.

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.05.013