基于模塊化理念的鄉(xiāng)村綠色建筑設計探究

王珂 塞爾江 哈力克 黃志錚 蘭福林

我國建筑領域的能源消耗是全社會能源消耗的重要組成部分，其中建筑運行能耗約占全社會總用能耗的20%[1]。建筑行業(yè)的自身特點決定了其在助力我國“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)中將發(fā)揮關鍵作用。而鄉(xiāng)村建筑作為我國建筑領域的主要部分，由于受到城市發(fā)展模式的影響，其低碳可持續(xù)發(fā)展的前景不容樂觀[2]。研究表明，2018年農(nóng)村住宅的商品能耗到達2.16億tce，占當年建筑運行總商品能耗的23%，超越了城鎮(zhèn)住宅的消耗量[3]。由此可見，鄉(xiāng)村已經(jīng)成為我國實現(xiàn)“雙碳目標”的主要陣地，推動鄉(xiāng)村綠色建筑發(fā)展，降低建筑能耗，成為我國節(jié)能減排以及能源變革工作的重點。

2021年新疆首屆美麗鄉(xiāng)村競賽以“新時代、新民居”為題，旨在打造能夠反映新疆地域文化、符合節(jié)能理念的新時代民居，以呼應國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和“雙碳目標”，推動文化潤疆工程與低碳社會發(fā)展①。本文以筆者團隊的競賽二等獎作品“綠脈、呼吸、生長”為例，探究通過技術創(chuàng)新與地域性文脈相融合，打造“可呼吸、重文脈、易生長”的新時代民居設計，科學合理地引導新疆農(nóng)村建筑綠色、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展理念（圖1）。

1 項目背景與概況

1.1 區(qū)域氣候特征

項目選址于新疆吐魯番夏鄉(xiāng)卡拉蘇村，其氣候環(huán)境總體呈現(xiàn)夏熱冬冷、日照充沛、干燥少雨、大風頻繁的特點[4]。夏季最高溫度可達50℃，冬季極端低溫可達-30℃，太陽能資源豐富，年日照時數(shù)超過3 000h，夏季盛行西北風，冬季盛行東風。因此，在建筑設計中，需要考慮冬季保溫和夏季遮陽的雙重功效，以及充分利用太陽能資源、改善室內(nèi)風環(huán)境等措施（圖2）。

1.2 傳統(tǒng)民居的環(huán)境適應性與生態(tài)智慧

吐魯番民居多以生土作為主要建材，其良好的熱惰性能使建筑無論在夏季隔熱還是冬季保溫方面都能靈活應對。在建筑技藝方面，高架棚、透空墻的設計可以幫助人們抵御夏季強烈的太陽輻射，增加空氣流通。建筑空間向地下的延伸使用不僅解決了食物變質(zhì)問題，而且由于其冬暖夏涼的優(yōu)點也常常成為人們的臨時居所。值得注意的是，當?shù)鼐用裢鶗谖蓓數(shù)染哂辛己猛L的地方設置一種四面透空空間，稱作“晾房”，可滿足當?shù)刂饕r(nóng)作物葡萄的晾曬需求，同時也豐富了民居整體的虛實變化，成為當?shù)貍鹘y(tǒng)民居的典型地域性特征。歷經(jīng)地域文化、氣候條件等多種因素相互影響而形成的傳統(tǒng)民居類型，其所蘊含的生態(tài)智慧和人文特點，都為今天我們探討新時代民居建筑文化傳承與節(jié)能策略奠定了實踐基礎（圖3）。

2 建筑單元模塊化設計理念

近年來，隨著我國建筑建造模式的不斷發(fā)展與轉(zhuǎn)型，具備節(jié)能環(huán)保特征的裝配式建筑以其優(yōu)越的建造方式和獨特的管理形式進入人們的視野。而模塊化建筑作為預制裝配率最高的一種建造模式，具有速度快、質(zhì)量好、綠色環(huán)保等優(yōu)點[5]，在國家大力發(fā)展裝配式建筑和鄉(xiāng)村振興的背景下，成為未來農(nóng)村建筑發(fā)展的理想路徑。

2.1 模塊化構思及尺度確定

目前吐魯番傳統(tǒng)民居仍然以土坯磚作為主要建材。然而傳統(tǒng)生土磚在選材環(huán)節(jié)由于缺乏科學指導，土料質(zhì)量不能得到保證，導致出模晾曬后易出現(xiàn)裂縫和變形的情況，且當?shù)孛窬佣嘁跃用褡越橹?，缺乏設計標準和規(guī)范的約束，容易出現(xiàn)設計不合理行為。傳統(tǒng)土坯營造技術體系下的生土民居耐久性、力學性能差，房屋質(zhì)量參差不齊，嚴重限制了新時代背景下村民的居住新需求[6]。而模塊化建筑各部分在工廠內(nèi)預制完成，保證了建造質(zhì)量，且在施工方式、材料循環(huán)利用方面比傳統(tǒng)建造方式更加環(huán)保、高效，成為解決此種困境的有效措施。

方案充分考慮新技術與地域性特色的融合，首先優(yōu)化傳統(tǒng)土坯磚的尺寸和構造，在保證土料質(zhì)量的同時，加入天然植物纖維，提高土坯磚的耐久性與強度，使其成為能夠標準化建造的新型土坯磚。其次引入模數(shù)空間概念，將磚的尺度與居住功能的空間屬性結合分析，以600mm作為基本模數(shù)，以2 400、3 600、4 800mm作為墻體模數(shù)，高度根據(jù)民居空間需求統(tǒng)一設定為3m，以此模數(shù)空間為基本單元進行設計，以達到通過較少的空間模塊滿足居住多功能需求的目的（圖4）。

2.2 模塊單元設計與組合邏輯

依據(jù)使用需求與設計定位將建筑分為功能獨立的單元模塊，模塊體系應具備獨立、通用、互換的特性[7]。居住單元的基本功能需求包括起居室、餐廳、廚房、衛(wèi)生間、臥室以及交通等從屬功能。一方面，空間單元依據(jù)不同功能需求呈現(xiàn)不同的屬性與尺度。從空間屬性來看，客廳、餐廳、臥室以及儲藏空間受家具、設備影響較小，具有一定的通用性與靈活性，而廚房、衛(wèi)生間易受到設備、管線布置限制，后期不易更改，需一次性整體配置。從空間尺度來看，客廳、餐廳、臥室、儲藏、廚房、衛(wèi)生間依據(jù)功能需求尺度依次減小。另一方面，同一功能單元的空間尺度會受到家庭人數(shù)的影響，不同的家庭結構所需要的空間容量亦不相同。研究發(fā)現(xiàn)，吐魯番傳統(tǒng)的家庭結構趨向于“小型家庭”模式，“主干戶”和“核心戶”的家庭結構占大多數(shù)，另有部分由于年輕人外出生活而導致的夫妻戶家庭結構類型[8]。因此，通過對居住空間功能屬性與當?shù)丶彝ソY構的分析，方案采用5種基本模塊單元，依照不同家庭結構的空間需求將不同尺度的功能單元與模塊相匹配，以提升空間適應性（圖5）。

居住模塊單元的組織是整個方案的基礎，當?shù)孛窬踊締卧捎脰|西長軸的“一字形”平面以及衍生而來的“L形”和“U形”平面[9]，這種體形有利于在冬天獲得足夠的陽光，同時降低建筑表面的熱量消耗。本方案針對3種家庭結構設計出不同尺度的建筑平面類型，皆以傳統(tǒng)民居平面為基礎，采用“一明兩暗”的基本布局，保證功能流線的合理性，同時照顧臥室、客廳等主要使用空間的氣候條件。不同平面類型通過置換客廳、餐廳等開放空間模塊尺度和增添臥室、衛(wèi)生間等功能模塊進行調(diào)整，從而滿足不同人群需求（圖6,7）。

1 方案鳥瞰圖

2 吐魯番氣候

3 吐魯番民居特點

4 模塊化構思

5 模塊單元設計

6 模塊組織邏輯

7 3種家庭結構平面圖

8 呼吸表皮結構

9 呼吸表皮工作狀態(tài)

3 太陽能呼吸表皮

3.1 設計靈感

特朗勃墻（Trombe wall）又稱集熱墻，是由朝南的重質(zhì)墻體與相隔一定距離的玻璃蓋板組成[10]。其原理是利用光能加熱室內(nèi)墻體與外圍護結構間的夾層空氣，利用熱壓作用使熱空氣流入室內(nèi)，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。但夏季容易出現(xiàn)過熱問題，因此特朗勃墻在吐魯番的應用并不廣泛。GIGS光伏板是利用半導體界面的光生伏特效應將光能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術，其轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性強且成本低，但是光伏板通常生硬地固定在屋頂上，使得建筑風貌遭到破壞。

本方案融合兩種現(xiàn)代技術優(yōu)點，從傳統(tǒng)民居晾房肌理中得到靈感，設計一種具有地域特色的太陽能呼吸墻，可以靈活調(diào)節(jié)自身狀態(tài)以適應外界氣候變化，從而實現(xiàn)集保溫、通風、遮陽及太陽能利用為一體的可調(diào)節(jié)墻體設計。該墻體包括內(nèi)外兩層表皮，內(nèi)表皮為當?shù)爻Ｒ姷暮煌翂?，墻上開設四個可啟閉的氣流閥門（上下各兩個），外表皮則以鋼構架為龍骨，由模數(shù)為600mm的生土面板和光伏板交錯排布，與窗戶對應的位置設置可開啟嵌板，除此之外的其余嵌板均不可開啟。墻體中間空腔部分用桁架固定，保證結構穩(wěn)定性，空腔上方交替設置固定的雙層Low-E玻璃與可開啟GIGS光伏板（圖8）。

3.2 呼吸表皮工作狀態(tài)

太陽能呼吸表皮通過外層可移動嵌板及內(nèi)表皮閥門的協(xié)同控制實現(xiàn)不同模式轉(zhuǎn)換（圖9）。夏季不通風時，開啟空腔頂部和表皮底層的光伏板，關閉與窗戶對應的可移動嵌板和內(nèi)墻閥門，空腔通過地下風道引入低于常溫的冷風，在熱壓作用下帶走內(nèi)部熱空氣，從而降低內(nèi)墻表面空氣溫度，改善室內(nèi)熱環(huán)境，同時減少高溫對光伏板的負面影響，提高發(fā)電效率。夏季通風時，開啟外表皮所有可移動嵌板以及內(nèi)墻下部閥門，關閉頂部光伏板，從地道引入的冷風通過內(nèi)墻閥門進入室內(nèi)，同時將熱空氣通過外表皮上部開口處排出，從而改善室內(nèi)風環(huán)境，外表皮打開的嵌板能夠起到遮陽作用，進一步降低熱量侵入。冬季通風時，打開外表皮下部可移動嵌板和內(nèi)墻上部閥門，將地下風道高于常溫的熱空氣輸入室內(nèi)，實現(xiàn)室內(nèi)外空氣交互流通。冬季不通風時，關閉所有開口使內(nèi)部形成密閉腔體，一方面通過太陽加熱內(nèi)部腔體空氣，另一方面光伏板工作的同時提供熱量，從而增加室內(nèi)保溫。太陽能呼吸表皮的應用既可以有效減少冬季室內(nèi)熱量散失與夏季室外熱量入侵，又能讓室內(nèi)保持良好的通風條件（圖10）。

4 其他綠色技術

4.1 “阿以旺”式拔風塔

“阿以旺”是塔里木盆地的典型民居形式，因新疆南部氣候干燥炎熱，常有沙塵天氣，為了遮陽、防塵和提高室內(nèi)舒適性，當?shù)厝嗣褚虻刂埔说厮茉炝舜祟惷窬有问絒11]。本方案在交通核部分采用凸出屋面的“阿以旺”式通風塔，上部采用吐魯番民居晾房的鏤空形式，內(nèi)加可調(diào)節(jié)百葉，頂部設置可透光光伏板。通風塔底部設置蓄水池，與外墻呼吸表皮相互搭配，通過熱壓通風的方式加強室內(nèi)自然通風效果，改善室內(nèi)微氣候。頂部透光光伏板在隔離一部分熱量的同時間接引入陽光，結合拔風塔形成光井，改善室內(nèi)光環(huán)境（圖11,12）。

10 呼吸表皮效果

11 拔風塔分析

4.2 屋面隔熱系統(tǒng)

吐魯番降雨量小，屋頂普遍采用平屋頂形式。在屋頂沒有晾房覆蓋的區(qū)域采用兩種策略。一方面，結合屋頂植物、藤架打造屋頂花園，宜選擇適合吐魯番當?shù)叵臒岫錃夂驐l件的植物種類，既能給居民創(chuàng)造舒適的室外休憩空間，又能降低屋面的直接輻射照射。另一方面，使用與呼吸表皮同樣的肌理設置光伏通風屋面，通過氣流在空腔內(nèi)流動帶走屋頂熱量（圖13）。

5 結語

隨著我國對生態(tài)環(huán)境的愈發(fā)重視，鄉(xiāng)村建筑的可持續(xù)發(fā)展逐漸成為人們的共識。綠色建筑設計以往就建筑談建筑，忽視對氣候特征、地域特征、居住文化的考量[12]。本方案在充分考慮吐魯番地域性氣候特征和傳統(tǒng)民居智慧的基礎上，合理利用多種綠色技術與可再生能源策略，嘗試總結出新時代干冷區(qū)域綠色民居設計策略和方法：結合當?shù)孛窬拥慕嫹绞胶图彝ソY構創(chuàng)新出適宜于當?shù)剜l(xiāng)村的模塊化設計方法；將民居晾房肌理和現(xiàn)代節(jié)能技術相融合，設計一種多功能太陽能呼吸表皮，同時結合地道通風、蓄水池、“阿以旺”式拔風塔等技術，共同致力于改善室內(nèi)微氣候；屋頂平面采用晾房、植物藤架、光伏通風屋面增強屋頂隔熱效果。在全社會致力于“雙碳”目標的今天，探索適合西北地區(qū)氣候環(huán)境和文化特點的新時代低碳鄉(xiāng)村設計，對促進西部建筑行業(yè)節(jié)能減排、推動低碳社會發(fā)展有顯著的意義，同時也為新時代模塊化節(jié)能民居設計的地域性推廣與干旱區(qū)域綠色建筑節(jié)能策略提供借鑒與參考。

12 拔風塔效果

13 民居建筑技術分析

注釋

①參見新疆勘察設計官網(wǎng)http://www.xjkcsj.com

圖片來源

1,3,10,12,13 作者自攝

2,4?9,11 作者自繪