環(huán)境生態(tài)學(xué)視角下的地坑院窯洞營造及優(yōu)化分析

劉富余，王宇，田煒令，沈小玥

（山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東濟南 250101）

0 引言

隨著鋼筋混凝土的建筑逐漸蔓延到廣大農(nóng)村地區(qū)，人類的建筑活動已經(jīng)與自然環(huán)境相背而行，綠色建筑理念的提出依然難以產(chǎn)生與自然環(huán)境同等效力的生態(tài)恢復(fù)作用，尋求適宜的生態(tài)建造與新時代綠色建筑的結(jié)合因而顯得尤為重要。起源于黃土高原的地坑院窯洞作為“原始的生態(tài)建筑”，在當(dāng)下遭到了被遺棄的境遇，但其因地制宜的構(gòu)建措施、資源節(jié)約的生態(tài)理念以及遵從自然的和諧關(guān)系，為應(yīng)對環(huán)境危機、能源消耗以及人與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供了更多的可能性。針對窯洞建筑空間環(huán)境、功能組織、能源供應(yīng)、安全防護等方面進行適宜的現(xiàn)代化改造，不僅對生土建筑文化的保護與傳承有著重要的借鑒作用，而且對提升窯洞民居生活宜居性、加快鄉(xiāng)村現(xiàn)代化進程也有著重要的現(xiàn)實意義。

1 環(huán)境生態(tài)學(xué)與原生態(tài)建筑相關(guān)理論

1.1 環(huán)境生態(tài)學(xué)理論

環(huán)境生態(tài)學(xué)是生態(tài)學(xué)發(fā)展歷程中的重要分支，是介于環(huán)境學(xué)與生態(tài)學(xué)之間的一門交叉學(xué)科，研究在人為參與和干擾效應(yīng)下，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在的變化機理、內(nèi)在規(guī)律和系統(tǒng)內(nèi)不同組分之間的相互作用及對人類的反效應(yīng)，并且尋求受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、重建和保護對策的學(xué)科，即運用生態(tài)學(xué)理論，闡明人與環(huán)境間的相互作用及解決環(huán)境問題的生態(tài)途徑[1]。因此，環(huán)境生態(tài)學(xué)與生態(tài)學(xué)、污染生態(tài)學(xué)、社會生態(tài)學(xué)等均有所不同，它關(guān)照的是環(huán)境質(zhì)量治理和生態(tài)環(huán)境修復(fù)這兩類物理環(huán)境問題。

1.2 原生態(tài)建筑

原生態(tài)建筑（Primary Ecological Architecture），是指經(jīng)過漫長的人類歷史演變，依然傳承了建筑最原始的雛形，并且采用具有地域特色的地方材料，以生態(tài)的建造方式建造的傳統(tǒng)民居建筑。地坑院窯洞建筑因其鮮明的地域特征和文化特色，無論在聚落格局、建筑形態(tài)、還是營造手段上都充滿了原生態(tài)的建筑精神，蘊含著古人“原生態(tài)”的自然生態(tài)環(huán)境觀[2]。

2 地坑院窯洞民居的營造特點

2.1 選址

地坑院窯洞一般位于較平坦的黃土高原和丘陵地帶，這些地區(qū)一般地勢較為平坦，沒有可供挖掘的崖壁，所以就以下沉式窯洞為主。在建造窯洞之前，先請風(fēng)水師選地、定方位、方向等，確定主次窯洞的位置。講究陰陽平衡，體現(xiàn)了中國古老的風(fēng)水學(xué)對民間建筑的影響，其選址因地制宜，適應(yīng)環(huán)境（圖1）。

圖1 入口在東南方的五行與窯院布局關(guān)系

2.2 構(gòu)建

地坑院窯洞通過向縱深方向挖掘土方，采用“減法”的方式開發(fā)地下空間，向下挖出深6～8m、長12～15m的長方形或者正方形土坑作為院落，再根據(jù)八卦方位在墻的四壁挖出若干個窯洞，作為不同功能的窯洞分區(qū)，其工序可以概括為：挖坑→剔壁（四壁垂直土崖面）→挖窯→剔窯→泥窯（抹墻）→砌筑前墻（土或磚墻）→安裝門窗→鋪貼地面。

2.3 布局

地坑院窯洞原始于穴居，經(jīng)過歷史演變，依然保留了穴居居住形態(tài)，即“建筑原始雛形”的布局形式。窯院采用沉于地下的合院形制，包括院落、主窯、客窯、牲畜窯、廁所等，這種對自然環(huán)境和地理條件的回應(yīng)形式，充分融合到原始的地貌環(huán)境中，有著“見樹不見村，見村不見房，聞聲不見人”的特點[3]（圖2）。

圖2 地坑院布局

3 地坑院窯洞建筑營造中的環(huán)境生態(tài)觀

3.1 因地制宜的環(huán)境適應(yīng)性

黃土高原的自然地理氣候很大程度決定了建筑的形式，降雨少、氣候干燥、土質(zhì)深層的雜質(zhì)較少，建筑在縱深方向具有較好的發(fā)展?jié)摿?，穴居生存因此得來。窯院民居“負陰抱陽、背山面水、隨坡就勢”的選址原則就符合因地制宜的環(huán)境適應(yīng)性[4]。沉于地下的地坑院窯洞是適應(yīng)黃土高原地形地貌的完美形式之一，走進村里，只見郁郁蔥蔥的樹木從窯院里伸出來，地坑院似乎從這個環(huán)境中生長出來，與自然環(huán)境融為一體，形成建筑與環(huán)境的和諧對話，反映出了窯院建筑形制遵從環(huán)境改造自然的營造方式，實現(xiàn)了自然環(huán)境的生態(tài)性[5]。

3.2 就地取材的資源利用

地坑院窯洞依靠黃土高原，所以使用的建筑材料是原生態(tài)的黃土，極少使用其他材料。挖掘出來的土經(jīng)過其他工序的加工，可以做成土胚，用來砌筑院墻、土炕、煙囪等。這種生土材料取材方便、施工簡單，還可以再使用，不會造成材料的浪費或者環(huán)境的污染。除了黃土外，還有燒制磚、白灰、麥秸草青瓦等本地綠色建材[6]，符合生態(tài)建筑和可持續(xù)發(fā)展的原則，是理想的生土建筑研究原型。

3.3 冬暖夏涼的低碳節(jié)能性

地坑院窯洞采用原生態(tài)的黃土作為建造材料，而黃土具有良好的蓄熱性能，可以通過儲熱能力調(diào)節(jié)窯洞內(nèi)的小氣候。與普通房屋相比，地坑院窯洞的上部和后面均有黃土層覆蓋，土層白天吸熱，夜間向室內(nèi)散熱，冬季窯洞內(nèi)的溫度比普通平房高5℃左右，夏天室內(nèi)溫度比室外溫度低3℃～5℃[7]。此外，下沉式的合院空間布局也會影響室內(nèi)外的氣候條件，所以無論在冬季還是夏天，在沒有空調(diào)等設(shè)備的情況下，窯洞都可以利用建筑材料的特性使室內(nèi)溫度處于舒適狀態(tài)，保持冬暖夏涼的特點。節(jié)約能源，是生土建筑的典型優(yōu)勢。

3.4 便捷簡易的營建性

地坑院窯洞在建筑營造中采用減法原則，通過向下撅土創(chuàng)造空間，形成低于地平的合院形制。在人工挖掘建造過程中，不需要大量的人員和器械設(shè)備，一家一戶就可以完成窯洞的挖掘工作。窯洞挖掘之后，將室內(nèi)的墻面用秸稈和黏土抹平整，室內(nèi)地面用水泥或者石灰整平，這種營造方式施工時間短、造價低廉，并且通過適當(dāng)?shù)木S修窯洞就可以使用很長時間，對于經(jīng)濟條件并不富裕的黃土高原農(nóng)村地區(qū)而言，既經(jīng)濟又適用。

3.5 綠色健康的生態(tài)性

地坑院窯洞因其原生態(tài)的建造方式，以及采用環(huán)?？裳h(huán)的黃土材料，其本身不具有任何有害性。黃土密實度較高，窯洞上方的覆土層深厚，不僅可以阻止外界輻射進入室內(nèi)，而且具有良好的隔音效果。再加上窯洞內(nèi)冬暖夏涼的溫度穩(wěn)定性，使得外界對人們的生活影響降到最小，形成了一個“健康、舒適、無害”的室內(nèi)空間。因其生態(tài)健康的適宜性，長期居住于窯洞中的人比居住于普通平房中的人平均增壽6歲，且患皮膚病、氣喘病、風(fēng)濕病等疾病的人明顯較少[7]。

4 基于環(huán)境生態(tài)學(xué)的地坑院窯洞建筑改良策略

有著“地下住所，地上良田”之稱的地坑院窯洞，體現(xiàn)出了原生態(tài)的營造理念，但也有著明顯的缺陷和不足，包括潮濕陰暗、通風(fēng)不暢等，在人們追求高質(zhì)量居住環(huán)境的今天，改善窯內(nèi)環(huán)境已然是“剛需”，基于環(huán)境生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)提出改良措施，可為窯洞建筑的發(fā)展和延續(xù)提供更多的可能性。

4.1 增加采光，改善室內(nèi)亮度

地坑院窯洞由于在地面以下建造，并且只有一個立面采光，造成室內(nèi)照度的嚴重不足，通過研究總結(jié)，改善地坑院窯洞建筑室內(nèi)采光的措施有：（1）增加立面開窗面積，前立面選擇門頭窗或者玻璃門簾，可以有效增加采光系數(shù)，達到1/8的采光比，改善自然采光的同時，還可以提高室內(nèi)溫度；（2）采用增加陽光間的形式，陽光間附建在房屋南側(cè)，其圍護結(jié)構(gòu)全部或部分由玻璃等透光材料構(gòu)成，與房間之間的公共墻上開有門、窗等孔洞，使得冬季的采暖更加有效，節(jié)省能源（圖3）；（3）窯洞室內(nèi)抹墻采用白色涂料，增加陽光在窯內(nèi)的反射次數(shù)，可以明顯改善室內(nèi)的光線亮度；（4）傳統(tǒng)窯洞內(nèi)的布局方式一般為前廳后臥，通常用矮墻或者帷簾隔開，導(dǎo)致窯內(nèi)后半部采光較差，可將隔斷換作大面積的窗或者全玻璃隔斷，使后臥得到間接采光；（5）在窯洞的后壁增設(shè)“采光井”，并將采光井從窯洞頂部伸出，獲得采光，還可兼顧通風(fēng)問題[8]（圖4）。

圖3 陽光間改善采暖

圖4 采光井增加采光

4.2 改善通風(fēng)，提高空氣質(zhì)量

地坑院窯洞由于只有一面開窗，不能形成穿堂風(fēng)，室內(nèi)空氣未能充分交換。另外，因為居民在室內(nèi)進行吃、住等多項活動，沒有明確的分區(qū)，容易造成空氣異味，所以改善室內(nèi)通風(fēng)應(yīng)從兩方面入手：（1）采用機械排風(fēng)，加強室內(nèi)外空氣交換，或者利用煙囪效應(yīng)使用橫向、豎向通道連接到室外，形成空氣對流（圖5）；（2）使用隔斷劃分合理的室內(nèi)功能空間分區(qū)，保證動靜、潔污、干濕分區(qū)的分離。通過兩種方式的結(jié)合，較好地改善了室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境[8]。

圖5 橫向、豎向通道改善通風(fēng)

4.3 除濕防潮，改變潮濕環(huán)境

地坑院窯洞的潮濕和滲透狀況在夏季尤為明顯，由于降雨較多，水分滲入土層到窯洞，造成雨水滲透。室外濕度較高的空氣進入室內(nèi)降溫后，室內(nèi)的水蒸氣不能及時散發(fā)出去，導(dǎo)致室內(nèi)潮濕嚴重。針對防滲防潮可以通過以下方式解決：（1）窯洞內(nèi)墻壁抹面的草泥中可以添加白灰增加墻壁的密實度，再用素混凝土抹面或瓷磚貼面等，可以防止雨水滲透；（2）窯洞內(nèi)地面可以用地板鋪裝，還可以通過做防潮防滲卷材等方式，減少地面土壤水分滲透；（3）傳統(tǒng)窯洞頂部只做了夯實處理，在此基礎(chǔ)上可以加設(shè)防水層或防水卷材，還可以通過在窯洞頂部找坡，水泥砂漿抹面（圖6），另一種有效的方法是在窯洞頂部設(shè)置檐口和落水管，實現(xiàn)有組織排水，以及種植植物起到防滲防潮的作用[9]（圖7）；（4）窯洞的立面墻上可以采用飾磚貼面，減少雨水沖刷；（5）室內(nèi)還可以通過采用機械排風(fēng)，使得室內(nèi)空氣流通，避免室內(nèi)墻壁結(jié)露；（6）使用吸濕劑除濕防潮。

圖6 窯洞種植植物示意圖

圖7 窯頂種植屋面示意圖

4.4 防止塌陷，預(yù)防自然災(zāi)害

因為黃土土質(zhì)疏松，加上暴雨沖擊，造成水分下滲到窯洞墻體形成裂縫，有可能造成窯洞建筑的坍塌，所以預(yù)防窯洞坍塌的方法就要從加固做起，主要方式有：（1）采用鋼筋混凝土與傳統(tǒng)土窯拱形結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式，既能保留窯洞特色，又可以加強窯洞的穩(wěn)定性（圖8）；（2）窯洞內(nèi)部拱頂用磚石砌筑，形成堅固的拱券結(jié)構(gòu)[9]；（3）相比其他窯洞，地坑院窯洞的使用年限較少，所以要經(jīng)常修修補補，預(yù)防坍塌。

圖8 窯洞結(jié)構(gòu)加固示意圖

4.5 除舊迎新，新型能源的利用

窯洞內(nèi)的“炕”與灶臺都需要燃燒秸稈、樹枝等傳統(tǒng)燃料，不僅需求量大，還會造成植被破壞。窯洞地區(qū)可采用的新能源有：（1）沼氣池，建造在廁所和牲圈旁邊，用糞便和農(nóng)作物的秸稈為原材料，不僅干凈衛(wèi)生，還有利于生態(tài)環(huán)保；（2）太陽能，安裝太陽能熱水器，采用陽光間、窯頂太陽能光伏板等形式的太陽能利用方式（圖9），可以調(diào)節(jié)窯洞建筑的耗能結(jié)構(gòu)，達到新舊結(jié)合[10]。

圖9 窯頂太陽能光伏板設(shè)置示意圖

5 結(jié)語

地坑院窯洞建筑是我國生土建筑營造的經(jīng)典案例，是獨具地域特色的建筑形式，其營造過程從選址、建造及裝飾手法上體現(xiàn)出環(huán)境生態(tài)學(xué)的理念。挖掘和探究這些獨特民居的生態(tài)文化觀，與當(dāng)下生態(tài)建筑技術(shù)和理念相結(jié)合，對于窯洞這種特殊生土建筑的傳承和保護有著至關(guān)重要的作用，并且對于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

圖片來源：

圖1、圖2：作者改繪；

圖3—圖9：作者自繪。