陳 潔

楊 柳

羅智星

傳統(tǒng)民居豐富的空間模式蘊含了不同地域所代表的氣候與文化特征，是當?shù)亟ㄖ牧?、建造方法與技藝的體現(xiàn)，反映出建筑巧妙順應(yīng)氣候與季節(jié)變化的生存智慧，然而隨著現(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)的發(fā)展，大量照搬城鎮(zhèn)經(jīng)驗建造所謂“現(xiàn)代民居”，越來越多的建筑空間趨于一致，在逐漸喪失地域文化的同時帶來了巨大的能源消耗問題，隨著城鎮(zhèn)化的逐步推進，2017年農(nóng)村住宅的商品能耗為2.43億tce，占建筑總能耗的25%[1]。面對以上問題，許多學者提出了民居建筑環(huán)境適應(yīng)的理論方法，針對民居建設(shè)的建筑實踐也越來越多[2-5]，然而針對新建農(nóng)宅建造方式過于簡單、缺乏建筑地域氣候分析、民居空間適用性的根本機制探討等問題仍有待系統(tǒng)研究。

吐魯番處于塔里木沙漠邊緣，屬于暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，以火洲著稱[6-7]。夏季極端高溫達到46.8℃，年日照時數(shù)在3000小時以上。晝夜溫差懸殊，夏季雨量極少，炎熱時間長，空調(diào)度日數(shù)CDD26達到579（℃·d）[8]，制冷能耗需求除海島地區(qū)以外為我國內(nèi)陸第一，因此民用建筑熱工規(guī)范要求該地區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)同時兼具保溫與隔熱的性能，然而圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的高要求代表建筑經(jīng)濟成本的相應(yīng)提高，這對于經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的農(nóng)村居住建筑來說仍然是難以快速解決的難題。本文擬對吐魯番傳統(tǒng)民居的空間模式進行解構(gòu)與分析，通過空間環(huán)境的形成機理探求其環(huán)境適用性的本質(zhì)，以被動式設(shè)計方法提升民居熱環(huán)境為出發(fā)點，探討極端氣候下以過渡空間為研究對象的多種空間模式在居住者使用方式主動調(diào)控下的熱環(huán)境差異，并根據(jù)建筑近地面鋪裝材質(zhì)，對庭院微環(huán)境調(diào)節(jié)效果的差異，探討具有實際可操作性的民居優(yōu)化策略，通過多次對比模擬實驗研究，得到建筑空間設(shè)計與熱舒適相對應(yīng)的變化規(guī)律，所得數(shù)據(jù)可供實際工程參考，為極端氣候區(qū)民居建設(shè)發(fā)展提供借鑒。

1 傳統(tǒng)民居的環(huán)境適應(yīng)性

1.1 吐魯番民居空間特征

吐魯番傳統(tǒng)民居的空間營建受到極端氣候的制約，體現(xiàn)在既最大程度地提高建筑構(gòu)件的保溫隔熱性能，又充分利用功能對于空間形式的靈活性，發(fā)展出以院落式為主體的居住形式，在其平面布局方式上呈現(xiàn)出室外空間、過渡空間和室內(nèi)空間三個空間層次，形成以棚蓋、高架棚為主的獨特的過渡空間特征。相對于室內(nèi)采用保溫蓄熱性能較好的生土材料圍合而成的封閉空間，過渡空間則是采用實體結(jié)構(gòu)圍合并且半開敞于室外環(huán)境的半室外空間，以庭院布置圍合方式程度不同，可分為全圍合，半圍合和單面圍合（圖1）。過渡空間的熱環(huán)境營建，一方面受到圍合構(gòu)件熱性能的影響，如棚蓋、門廊和下墊面材質(zhì)與建構(gòu)空間差異等；另一方面半室外空間直接受到太陽輻射、夜空輻射和通風降雨等室外氣候影響，相對于室內(nèi)熱環(huán)境對圍護結(jié)構(gòu)的絕對依賴，微氣候環(huán)境在綜合了室外氣溫、太陽直接輻射、地面與周圍建筑環(huán)境的反射輻射和長波輻射，以及周邊環(huán)境中植物、水體的蒸發(fā)潛熱等復雜的作用環(huán)境，因此在研究吐魯番民居空間系統(tǒng)的形成機理時，有必要以熱環(huán)境狀況為參考指標，評價多層次空間使用模式的合理性和有效范圍，對過渡空間在民居環(huán)境適用性中所起的調(diào)節(jié)作用展開分析。

1.2 居住空間使用模式調(diào)研

新疆民居受到多種民族文化影響，自古以來就有室外生活的習慣[9]，在過渡空間的使用模式上具有以下特征：①采用庭院空間作為休憩、用餐、節(jié)日慶典等多種功能的綜合利用場所；②將屋頂空間與部分外廊作為第二庭院，進行葡萄晾曬、柴草儲存、炊事等手工作業(yè)，同時在極端炎熱的夏季時段，利用室外溫差及長波輻射降溫選用屋頂空間作為夜晚休息場所；③具體功能的空間使用時間非固定，隨著季節(jié)變化，過渡空間在不同時段交替使用。為了探究各類空間的使用規(guī)律，通過現(xiàn)場問卷方式，調(diào)研了英買里村32戶居民的過渡空間使用頻率及使用時間，獲得了30份有效問卷，對吐魯番地區(qū)當?shù)鼐用窠ㄖ膶嶋H使用規(guī)律進行分析（圖2～3）。

如圖2所示，在冬季和過渡季節(jié)中過渡空間的使用頻率分別為25%和31.25%，夏季使用頻率明顯增加，達到43.75%，也就是說在夏季當?shù)鼐用窠话氲臅r間是在半室外空間度過的，綜合考慮當?shù)叵募緡揽岬氖彝鈿夂颦h(huán)境，說明過渡空間具有一定的氣候調(diào)節(jié)能力。從全天使用時間頻率來看（圖3），過渡空間的使用模式具有明顯的時間節(jié)點，8：00—12：00使用頻率最高，達到50%以上，當下午受太陽輻射影響庭院溫度增加時使用頻率逐漸降低，直至傍晚18：00使用頻率恢復高值，通過與當?shù)鼐用竦脑L談了解到，過渡空間的使用時間節(jié)點規(guī)律與功能無關(guān)，很大程度上是因為隨著室外晝夜溫度改變造成在上午和傍晚時段室內(nèi)環(huán)境較差，甚至遠低于半室外空間造成的。綜上所述，過渡空間具有氣候緩沖作用，使得空間舒適性在夏季極端炎熱狀況下仍然能夠達到居民生活使用要求；另一方面，單一的室內(nèi)空間不足以實現(xiàn)居民的基本熱舒適要求，體現(xiàn)出吐魯番民居建筑中，綜合利用多種空間的主動式使用模式，以響應(yīng)極端氣候變化的顯著特征。

圖1 傳統(tǒng)民居過渡空間類型

圖2 不同季節(jié)過渡空間使用頻率

圖3 不同季節(jié)過渡空間使用逐時頻率

圖4 物理環(huán)境實測建筑

圖5 夏季典型日室內(nèi)外溫度逐時值

圖6 吐魯番英買里村自建房

圖7 英買里村安居富民示范項目

圖8 過渡空間層次分析

圖9 數(shù)值模擬計算物理模型

1.3 夏季熱環(huán)境分析

為揭示使用模式與熱環(huán)境變化的相關(guān)性，選取夏季最熱時段對吐魯番典型傳統(tǒng)民居進行物理環(huán)境實測，對比了夏季典型室內(nèi)、半室外空間空氣溫度逐時值（圖4～5）。

如圖5所示，室內(nèi)空氣溫度波動幅度較小，平均空氣溫度為33.7℃，最高溫度為36℃，最低溫度為31℃，庭院與檐廊溫度接近，平均溫度分別為32.3℃、32.5℃，最高溫度分別為37.1℃、36.8℃，最低溫度為27.1℃和27.7℃，半室外空間溫度波幅明顯大于室內(nèi)空間，在16：00至21：00時間段室內(nèi)溫度低于半室外3℃左右，在絕大部分時間中室內(nèi)溫度較高，并且與半室外溫度出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，證明了建筑圍護結(jié)構(gòu)對室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)所具有的局限性與半室外空間良好的調(diào)節(jié)性能，通過主動調(diào)控，合理規(guī)劃不同空間的使用時間，可以有效避開室內(nèi)過熱時段，從而提高居住總舒適度時長。

2 新民居調(diào)節(jié)模式應(yīng)用與實踐

2.1 組合空間調(diào)節(jié)模式

建筑作為人體應(yīng)對氣候變化的緩沖區(qū)域，以全空間、全時間進行調(diào)節(jié)往往意味著較高的能耗與經(jīng)濟代價，通過以上分析可以看出傳統(tǒng)民居中“化整為零”的環(huán)境適應(yīng)建造智慧。因此，將民居建筑空間拆解為核心空間與附屬空間的組合模式，在核心空間局部有效保溫隔熱的前提下，過渡空間可以提供適應(yīng)室外氣候變化的多種附屬空間，作為核心空間熱環(huán)境調(diào)控失效時段的補充，通過被動式技術(shù)手段對半室外微環(huán)境進一步提升，提供了一種有效提高建筑整體舒適度、減少建筑能耗，同時豐富建筑空間的設(shè)計方法。

2.2 安居富民示范建筑

西安建筑科技大學綠色建筑研究中心開展了民居環(huán)境適應(yīng)性研究，針對當?shù)刈越窬涌臻g品質(zhì)與與室內(nèi)熱環(huán)境較差的問題（圖6），提出過渡空間調(diào)控方法設(shè)計建造了吐魯番英買里村安居富民示范建筑（圖7）。建筑過渡空間建筑比例占到總建筑面積的42%（圖8），采用庭院高架棚、屋頂?shù)诙ピ号c室內(nèi)核心空間共用的方式最大化實現(xiàn)了維吾爾民族文化生活的傳承，在整體框架結(jié)構(gòu)改善建筑安全性能的基礎(chǔ)上采用生土夯筑的傳統(tǒng)建造方法對圍護結(jié)構(gòu)進行填充，在不增加建設(shè)成本的前提下實現(xiàn)傳統(tǒng)空間使用，通過對建成后建筑實際性能的長期監(jiān)測[10]，證明了該調(diào)控方法在提升居住舒適性能方面的有效性。

3 過渡空間優(yōu)化策略分析

為進一步探究室外微環(huán)境優(yōu)化作用機理，以擴大可接受熱環(huán)境區(qū)間范圍，采用IES模擬軟件對庭院地表鋪裝影響人體舒適性進行比較研究，以瀝青、磚塊、草體與水體為下墊面材質(zhì)分別進行模擬[11]，依據(jù)示范房主體結(jié)構(gòu)進行物理模型建模（圖9），為研究建筑自然狀態(tài)基礎(chǔ)室溫未設(shè)置主動制冷設(shè)備，對四種工況下夏季典型日室內(nèi)不滿意率[12-13]進行計算，模型設(shè)置參看表1，實驗結(jié)果參看表2。

通過表2可見，自然通風工況下室內(nèi)不滿意率變化范圍在82.40%～86.23%區(qū)間，隨著地面反射率的降低，室內(nèi)熱環(huán)境逐漸改善，當選取瀝青為下墊面鋪裝材質(zhì)時，不滿意率相比于草體與水體分別下降1.48%、2.44%，與鋪設(shè)紅磚工況差異最大，滿意率下降3.82%，室內(nèi)平均溫度相差1.01℃。證明了對于民居被動式設(shè)計方法而言，過渡空間優(yōu)化策略的可行性。值得注意的是，通過地面反射作用于建筑受熱的過程中，建筑高度在一定程度上會對受熱程度產(chǎn)生影響[15]，對于吐魯番地區(qū)多層建筑而言，下墊面材質(zhì)熱工性能對微環(huán)境的影響是顯著的，當微環(huán)境調(diào)節(jié)措施的目標對象為多層小體量建筑，并且建筑環(huán)境與模擬工況一致時，計算結(jié)果具有相應(yīng)的工程參考性，吐魯番地區(qū)民居庭院優(yōu)先選取低反射率材質(zhì)更有利于建筑熱環(huán)境營建。

結(jié)語

傳統(tǒng)民居是傳承千年的智慧累積與經(jīng)驗總結(jié)，通過分析新疆吐魯番傳統(tǒng)民居應(yīng)對極端氣候條件的熱環(huán)境調(diào)節(jié)機理，實地調(diào)研出居住者為提高居住質(zhì)量而發(fā)展出的交替使用不同空間的居住習慣特性，在室內(nèi)外熱環(huán)境測試的基礎(chǔ)上分析主動調(diào)節(jié)模式下各類空間的夏季熱環(huán)境狀況，證明在極端氣候條件下，單一封閉空間溫度調(diào)節(jié)的局限性，提出建筑主體局部保溫隔熱附加過渡空間的調(diào)節(jié)模式，并且通過數(shù)值模擬實驗對室外空間優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)小體量建筑近地面鋪裝對建筑熱環(huán)境影響顯著，吐魯番地區(qū)應(yīng)降低下墊面表面材質(zhì)反射率的微環(huán)境優(yōu)化策略。通過民居環(huán)境適應(yīng)本質(zhì)進行分析與實踐，發(fā)揮人對氣候的主動適應(yīng)力，發(fā)展適宜的優(yōu)化技術(shù)措施，探求適用于極端氣候地區(qū)具有可操作性的民居建筑模式，使其對當?shù)亟ㄖO(shè)計方法與單體建構(gòu)提供指導，讓地域建筑設(shè)計在民居升級改造的道路上得到更合理的發(fā)展。

表1 圍護結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

表2 下墊面參數(shù)設(shè)置[14]及模擬結(jié)果

資料來源：

文中圖表均為作者自繪自攝。