陜西關中輕鋼民居的綠色建構(gòu)＊

虞志淳 侯藝

虞志淳 西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院教授。

侯藝 西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院碩士研究生。

1 研究背景

近年來彩鋼板及輕鋼材料在農(nóng)村廣泛使用，廉價的工業(yè)化外觀使村莊喪失了傳統(tǒng)風貌。為了改善農(nóng)村建筑風貌、傳承地域特色，2018 年國務院辦公廳印發(fā)《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動方案》，提出要消除公共和庭院空間中臨時私搭亂建和隨意堆放的生活雜物，彩鋼板成為拆除整治的對象。但是，輕鋼結(jié)構(gòu)具有標準化生產(chǎn)、快速施工、節(jié)約成本等優(yōu)點（表1），因而如何推動并形成符合農(nóng)村長遠發(fā)展趨勢的鋼結(jié)構(gòu)住宅，成為亟待解決的課題。

2 輕鋼民居

鋼結(jié)構(gòu)依據(jù)結(jié)構(gòu)自重和承載能力劃分為輕鋼與重鋼結(jié)構(gòu)。茩前常見的輕鋼結(jié)構(gòu)為冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)（輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系）、輕型鋼框架結(jié)構(gòu)（應用于工業(yè)廠房等較大使用空間的建筑類型，民居較少使用）、謝英俊輕鋼結(jié)構(gòu)和新芽系統(tǒng)等（表2）。陜西關中農(nóng)村民居主要使用鍍鋅鋼管及強度較好的冷彎薄壁C型鋼。輕鋼結(jié)構(gòu)是低層建筑首選的綠色形式，代表了裝配式、工業(yè)化新技術(shù)方向無論在新建還是傳統(tǒng)民居改造中均具有推廣意義。在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，輕鋼民居已經(jīng)獲得一定應用，并在災后重建中顯示出應用優(yōu)勢。

表1 鋼結(jié)構(gòu)住宅特點

表2 輕鋼結(jié)構(gòu)體系比較

將工業(yè)化與傳統(tǒng)建造相結(jié)合，形成半工業(yè)化輕鋼結(jié)構(gòu)體系，具有推廣應用價值。冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高，是新型的輕鋼結(jié)構(gòu)，性能好但建設成本與難度均較高。而新芽系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)強度、熱工性能、工業(yè)化等方面較優(yōu)，價格適中。在幾種輕鋼結(jié)構(gòu)中，臺灣建筑師謝英俊的輕鋼民居探索最具代表性，該體系采用C型冷彎薄壁型鋼材，從傳統(tǒng)穿斗式木結(jié)構(gòu)中尋找靈感，優(yōu)化歐美的輕鋼龍骨體系，結(jié)合地方傳統(tǒng)材料，減少用鋼量和構(gòu)造節(jié)點，用螺栓快速連接輕鋼構(gòu)件，成本低、建造速度快（圖1）。

3 綠色建構(gòu)

陜西關中民居是三秦大地最具代表性的合院民居形式，最大特點是單坡屋頂，院墻高大封閉、厚重質(zhì)樸，戶戶毗連、渾然一體。主要建筑材料是傳統(tǒng)的青磚、灰瓦和生土（土坯磚與夯土），具有樸素的原始生態(tài)性。但是，傳統(tǒng)關中民居已經(jīng)不再具有生命力，在材料、技術(shù)與思想觀念等方面都面臨變革。

當前，關中農(nóng)村將彩鋼板及相關輕鋼材料多作為零配件用于主房屋頂、院落頂棚、儲藏間、陽光房、圍護墻體、衛(wèi)生間、檐口等位置，尚未形成系統(tǒng)的輕鋼民居建筑體系。彩鋼板作為屋頂材料雖然輕質(zhì)高強、防雨，但是相較于傳統(tǒng)民居與磚混民居其熱工性能差（圖2），外觀美觀度不高，需要進行相應的材料構(gòu)造設計，改善保溫隔熱性能，完善空間形態(tài)與材料肌理。本研究以謝英俊輕鋼體系為基礎，結(jié)合其他結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點進行輕鋼民居設計，將傳統(tǒng)建筑元素、材料同現(xiàn)代工業(yè)化建筑結(jié)合，探索綠色建構(gòu)策略。

3.1 平面設計

在平面設計中結(jié)合輕鋼圍護結(jié)構(gòu)靈活布置的特點，提出模塊化空間設計下的基本生活功能空間，以及空間的可變性、生長性原則，實現(xiàn)建筑的可持續(xù)性。

關中民居的核心功能空間為主臥室、廚房、餐廳、衛(wèi)生間；次要空間為次臥室（易空置）、儲藏空間。客廳較為特殊,既是戶主人會客交友的重要空間，又有一定的可變性和混合性。隨著生活水平的提高還可能出現(xiàn)書房、健身房、棋牌室、茶室等附加空間。此外，關中農(nóng)村房屋空置現(xiàn)象普遍，為了減少不必要的房間，需根據(jù)實際生活生產(chǎn)需求有選擇地建設。

空間功能組合原則如下：

（1）以客廳空間為樞紐，主要使用空間位于東西兩側(cè)，預留南北兩側(cè)作為可變生長空間。

（2）餐廳結(jié)合客廳布置，儲藏室、樓梯間結(jié)合北向院落布置，室內(nèi)相對次要空間結(jié)合室外過渡空間形成可變生長空間。

（3）易閑置的臥室及其附屬功能作為村民后期加建的生長性空間布置于民居二層，契合村民建房習慣。

模塊化空間設計，既符合輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的特性又能與墻體板材相匹配。我國頒布的《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》（JGJ 2019-2010）、《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50018-2002）等多項輕鋼結(jié)構(gòu)標準中都說明模數(shù)網(wǎng)格線應為基本設計模數(shù)的倍數(shù)，推薦采用600mm 的模數(shù)，結(jié)合關中民居需求得出如表3 所示的適配數(shù)據(jù)。

3.2 造型設計

民居建筑多為1～3 層的低層建筑，造型設計的重點在于屋頂。方式一：橫向（南北向）分解建筑體量，以雙破屋頂為原型，將其看作是兩個單坡屋頂?shù)慕M合，再將單坡屋頂前后、上下拉開一定距離使建筑體塊分解，形成雙坡、單坡屋頂共存的效果。該類屋頂可增加屋頂采光，利于南向太陽能板的布置（圖3）。方式二：豎向（東西向）分解建筑體量，直接使用傳統(tǒng)關中民居單坡屋頂造型（圖4）。

雙坡屋面坡度約為35°，單坡屋面坡度接近30°。根據(jù)坡屋頂挑檐南外窗上的陰影高度計算公式，按照西安夏至12點太陽高度角75°、窗臺高度0.9m、層高3.2m計算，屋檐挑出0.5m，此時南外窗即可形成1.5m的陰影，從而解決夏季遮陽問題。

表3 新輕鋼民居功能房間尺寸適配表

1 謝英俊輕鋼結(jié)構(gòu)體系

2 白水縣堯頭村民居冬季室內(nèi)溫度變化圖

3 ,4多樣化造型設計

3.3 材料肌理

屋面選取彩鋼瓦楞板等類似的金屬板材，傳統(tǒng)關中民居多為青瓦仰鋪，顏色為灰黑色?？赏ㄟ^類似的顏色肌理來實現(xiàn)現(xiàn)代材料的地域性表達，選取間隔205mm、210mm，厚35mm、38mm 規(guī)格的梯形或者V 形彩鋼瓦楞板，顏色為灰色系、棕黑色系。墻體可選取草泥、木材、青磚、紅磚等傳統(tǒng)材料，或貼仿青磚紋理瓷磚、真石漆等體現(xiàn)地域性。同時，輪廓基地突出墻體約120mm，即一磚寬的距離，區(qū)分裝飾填充區(qū)域（圖5-7）。院墻是民居的重要組成部分，也是村民區(qū)分內(nèi)外的主要手段。院墻設計選擇鏤空砌筑墻體，能帶來更好的鄰里交往與空間趣味性（圖8）。

3.4 圍護結(jié)構(gòu)

根據(jù)輕鋼結(jié)構(gòu)的特點，圍護結(jié)構(gòu)基本作為填充系統(tǒng)，可以靈活使用相應的材料滿足不同空間的功能要求。關中地區(qū)屬于寒冷氣候分區(qū)，屋面、墻體應兼顧冬季保溫、夏季防熱的作用。輕鋼結(jié)構(gòu)屋面主要有兩種形式，其一是在屋頂檁條或者椽條上進行屋面構(gòu)造，這種屋面與傳統(tǒng)屋面建構(gòu)形式相似；其二是用木板將鋼結(jié)構(gòu)屋頂斜梁整個包裹，與檁條或者椽條上的構(gòu)件合為一體，避免屋頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)暴露在室外，防止產(chǎn)生冷熱橋。同時也可選用秸稈保溫板、草土泥等環(huán)保材料，用于屋頂保溫（圖9）。

輕鋼民居外墻圍護結(jié)構(gòu)靈活可變。一層外墻使用添加水泥、草筋等生土材料，結(jié)合保溫材料、混凝土空心磚等形成復合保溫墻體；二層及可變空間外墻使用易拆裝的復合保溫輕質(zhì)板材，這種上輕下重的組合方式有利于加強輕鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（圖10）。保溫材料主要選擇防火性能較好的玻璃棉板。一層外墻緊貼輕鋼結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)壁進行砌筑，生土材料結(jié)合鋼筋網(wǎng)加木龍骨進行建造,鋼筋網(wǎng)片的使用可防止墻體開裂。墻體基礎可選擇水泥、青磚、紅磚等材料砌筑，在靠近室內(nèi)地坪以下的垂直外墻面增設保溫層，墻角包磚應緊貼主體墻體進行砌筑，改善輕鋼結(jié)構(gòu)冷熱橋問題（圖11）。

由民居冬季剖面（圖12）可知，北向院落封閉后形成北向氣候緩沖空間，坡屋頂下氣候緩沖空間、陽光間、取暖空間三處過渡性空間對主體建筑進行保溫，加上室內(nèi)北向儲藏室、廚房衛(wèi)生間對主要臥室形成二次保溫。夏季剖面（圖13）主要展示建筑通風效果，將客廳天窗和陽光間用黑紗網(wǎng)遮蓋，北向窗戶小于且高于南向窗戶，加上天窗、坡屋頂?shù)妮o助作用，使熱空氣上升從而加強通風效果。

3.5 支撐結(jié)構(gòu)

根據(jù)規(guī)范和謝英俊輕鋼結(jié)構(gòu)實踐案例，輕鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)以600mm 為基礎，主要模數(shù)有1 200mm 和1 800mm 兩種。材料應符合《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》（JGJ 209-2010）和《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》（JGJ 227-2011）的相關要求。梁柱式輕鋼結(jié)構(gòu)通過柱、梁的相互穿插，搭接成一榀榀屋架結(jié)構(gòu)，再通過橫梁連成一體（圖14）。

4 性能分析

使用模擬軟件DeST—h進行分析，驗證輕鋼民居的保溫隔熱性能。通過文獻整理主要使用材料熱工參數(shù)（表4），選取DeST—h中的合適材料新建組合，模擬模型中外墻、內(nèi)墻、屋頂?shù)任恢盟褂玫慕ㄖ?gòu)件，具體參數(shù)如表5所示。

表4 主要使用材料熱工參數(shù)

表5 主要圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

5 對裝飾填充區(qū)域改變的立面形式

6 豎向劃分的立面形式

7 橫向劃分的立面形式

8 鏤空墻面砌筑示意圖

9 屋頂構(gòu)造形式

10 墻體保溫構(gòu)造

在模擬中將房間設置為空房間來減少人為因素干擾，氣象數(shù)據(jù)選取軟件中西安地區(qū)的數(shù)據(jù)。

經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，輕鋼民居全年熱負荷為6 581.17kW·h，根據(jù)1kW·h 約0.172kg 標準煤計算，采暖面積耗標準煤約8.98kg/m，接近建筑節(jié)能的65%（標準煤8.75kg）。輕鋼民居冬季保溫性能較好，冬夏舒適度較高，夏季還可以通過增加植物遮擋、陽光間、天窗等遮陽措施提升隔熱性能（圖15）。

此外，參照《陜西省農(nóng)村特色民居設計圖集》中陜南19 號民居輕鋼民居方案造價分析，關中輕鋼民居造價約1 200 元/m，價格適中。由于輕鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)本身與墻體占空間小，比磚混結(jié)構(gòu)每100m多出約7m使用面積，因而更加經(jīng)濟適用。輕鋼民居還具有可回收再利用的優(yōu)勢，是性價比高、綠色生態(tài)的建筑體系。

5 結(jié)語

輕鋼民居的綠色建構(gòu)以輕鋼結(jié)構(gòu)和鋼材的合理使用為出發(fā)點，針對關中農(nóng)村現(xiàn)狀特點，采用現(xiàn)代與傳統(tǒng)材料相結(jié)合的方法，提出功能平面模塊化、空間可變性、生長性、保溫節(jié)能、建筑風貌地域化等建構(gòu)設計策略，實現(xiàn)輕鋼民居的空間塑造及圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能功效，探索新材料、新技術(shù)的地域性綠色建構(gòu)方法，尋求性能化綠色技術(shù)與地域文化結(jié)合的輕鋼民居建筑設計方法。

11 墻體基礎及轉(zhuǎn)角包磚做法示意圖

12 民居冬季剖面

13 民居夏季剖面

14 支撐結(jié)構(gòu)

15 冬（左）夏（右）模擬室內(nèi)溫度曲線圖

圖表來源

1 來源于鄉(xiāng)村建筑工作室—常民建筑微博

2-15 作者自繪

表1-5 作者自繪