传统窑洞的当代生态化设计改造策略

孙 迪

(黑龙江工程学院 艺术与设计学院,黑龙江 哈尔滨 150050)

传统窑洞的当代生态化设计改造策略

孙 迪

(黑龙江工程学院 艺术与设计学院,黑龙江 哈尔滨 150050)

窑洞是中国传统居住形式之一，具有一定的生态优越性，但也存在诸多缺陷，无法更好地满足人们现代宜居生活的要求。文章主要针对现存传统窑洞的缺陷性, 讨论如何利用现代的建筑科技手段，提出相对应的建筑设计层面的改造策略,提出一些可行的处理措施, 使传统窑洞满足生态宜居需求，焕发出全新生命。

窑洞；生态；缺陷性；改造利用；宜居环境

窑洞是中国传统的乡土建筑类型之一，是黄土高原上出现的一种独特的建筑形式，代表着历史悠久的黄土地文化，也代表着黄土高原劳动人民的智慧和淳朴。窑洞主要采用土作为主要建筑材料，空间的墙体就是深厚的大地以及山体。窑洞在长期的发展过程中形成了多种结构、材料不同、种类各异、数量众多的在黄土层中挖掘出的减法空间额度窑洞建筑，也有加法空间的砖石拱顶覆土式窑洞(见图1)。从布局形式上主要有靠崖式窑洞(见图2)、天井式(见图3)窑洞。我国窑洞民居现在主要分布在陇东南、陇中、晋中南、豫西北、豫中等西北部地区，居住在窑洞中的总人口约有3 500～4 000万人口，从全国范围来看，窑洞居民占总人口数的比例不到5%，但按比例计算出的人口数相当于一个欧洲大国，因此，在全国性的居住建筑问题的讨论中应给予窑洞足够的重视。从目前来看，由于经济社会发展、农民对生活条件需求的提高、相关政府部门对窑洞保护意识淡薄、城市化进程推进等原因，窑洞的数量越来越少。目前，对窑洞建筑的研究很广泛，从覆土建筑角度以及地下建筑角度等多方面都在进行研讨。本文旨在探索窑洞建筑形式的缺陷，从建筑设计角度探究传统窑洞的可行性改良方案，设计一种适用于现代人民生活的窑洞居住空间，引导这种古老的居住方式向生态方向发展，使其更加满足现代化生活需求，重新焕发出勃勃生机。

图1 覆土式窑洞

图2 靠崖式窑洞

图3 天井式窑洞

1 传统窑洞的优越性分析

1)群体布局的生态性。窑洞是在黄土高原这个特殊的地势环境下形成的一种独特传统民居，它最大的特点就是就地取材，其主要材料为黏土。在过去的几十年甚至几百年，山西、陕西等地区的人民把窑洞视为重要的生活空间。可以说，窑洞不仅承载着黄土高原地区建筑的文脉体系，能被千百年地沿袭下来，更主要的原因在于这种居住形式的生态适应性特征。窑洞一直被视为是一种生态建筑，这要归根于窑洞的建造省工省料的同时对自然环境的破坏减少到最小，主体是利用山体、土地为主要结构进行建造。

2)就地取材的经济性。由于位于黄土高原的窑洞使用的建筑材料基本上都是黄土，生土材料不经过后天的人工加工，原生态特性被保留了下来，有利于资源再生和再利用，是最符合可持续发展理念的原生态建筑模板。而现代建筑，大量地运用钢筋混凝土等一些混合化学材料，过度生产和提炼这些材料对环境造成了相当大的污染，加速消耗自然原材料。自然原材料的开采不单单是对自然界的损耗，更是破坏了生态的平衡关系。

3)土质带来良好的热稳定性。窑洞的恒温特点是形成生态居住空间的关键。从表1中可以看到，土与其他建筑材料相比具有良好的热稳定性，在不同季节、不同时间段对室温进行有效调节。众所周知，人们在严寒酷暑的环境下已经习惯于利用暖气和空调来调节居住环境的温度，而无论是暖气还是空调在消耗大量能源的同时，也成为造成环境污染和温室效应的主要因素。

表1 常用建筑材料热工指标

注：数据来源《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016

2 传统窑洞的缺陷性分析及有效改良措施

特殊的山体环境和地质条件是窑洞形成的必要条件，成就了这种建筑形式的辉煌和文明。但是随着现代文明的加速发展以及城镇化的迅速扩张，这种特殊的地形条件恰恰也限制了窑洞建筑的传承和发展。即使窑洞有其优良性，但在窑洞作为居住空间而存在的大部分地区，只有老年人仍愿意选择居住在窑洞中，大多数年轻人却越来越不愿意居住在窑洞中，因为传统窑洞在许多方面存在着与现代生活不能适配的缺陷。在当代，建筑技术及生态保护措施等方面的发展为改良传统窑洞提供了条件。

2.1 结构安全性缺陷及改良措施

窑洞的结构安全性问题主要包括由土质问题引起的坍塌、水害引起的塌陷。

1)坍塌。窑洞是在黄土层中挖掘出来的减法空间，周围土体是建筑的主要结构，影响窑洞的结构安全性的主要因素就是土体的稳定性。解决土体结构稳定的主要技术措施是控制窑洞结构的合理尺寸和形式。首先，从结构尺寸方面主要指窑洞的跨度、高度、土体间壁的厚度、拱顶上部自然土层的厚度，在设计建造上要控制这些尺寸，不能盲目地追求大洞跨和洞内高度，同时也要考虑不同地区黄土的物理和化学性质的差异，具体设计数值可参考表2；从窑洞拱顶结构形式上，从力学角度分析，尖拱顶在抵消侧推力、增加拱顶承载及提高稳定性方面比圆顶更具有优越性。应结合土质条件(图4)，在土质力学粘结性不好的土层上开窑洞。应考虑开凿尖拱顶，在利用砖石砌筑后覆土的窑洞上也应尽量砌筑尖拱。

表2 黄土窑洞结构的推荐尺寸

图4 尖拱

2)水害引起的坍塌。一种水害坍塌是突发性作用。西北地区气象水文条件复杂，年均降水量虽然较少，但雨量较集中，经常出现局部的大雨或暴雨，存在洞口因水土流失造成的坍塌危险。另一种水害坍塌是经常性作用。地表积水或土中植物根系积水经过一定时间渗透，使土壤中水量增加，这些水分会破坏黄土颗粒间的内聚粘合力，导致窑洞结构被破坏。针对这两种破坏性作用，可以综合采用以下几种手段进行治理。

窑洞上部：首先应设置有效的防水层，防水层上方还可以种植植物，尤其是下沉式窑洞更应设置防水层(见图5)；其次应建立一个完善的排水系统，设置排水沟和截水沟来疏导地面径流；

窑脸部分：应采取防水加固措施，可采用砖贴面的施工建造技术。

图5 窑洞顶部防水层做法

2.2 环境缺陷及改良措施

2.2.1 内部空间采光不均，通风不畅

除了一些砖石砌筑的覆土窑能够有较好的采光和自然通风之外，大部分传统窑洞都存在通风和采光问题。由于使用空间周围都是壁体，从而使建筑只能单面采光，在窑洞深处的空间常年漆黑无光，虽然有土层的热稳定性作用，但是缺少光照仍然让窑洞内部无法达到使人体舒适的热感温度。在现代化窑洞设计上，有条件的应尽量采用传统覆土窑的建造形式，来获得充分的采光和通风。由于三面是厚实的壁体，所以导致自然风在吹来时无法形成窑洞背面的负压强，以至于窑洞内部无法进行空气流动，造成通风不畅。所以在受地形条件限制，只能建造靠崖式和天井式窑洞时，可采用以下措施进行通风和采光效果的改良：

1)适当扩大开间尺寸从而增大侧面窗户的面积，通常20 m2左右的窑洞，可以将洞口开至5.2 m2。

2)另外在空间内设计天井庭院或天窗，并设置反光设备，利用折射可以增加空间内的采光面积，同时也可以形成负压强面，形成风压，增强室内自然通风的效果。

3)在屋顶上方设置通向地面的通风井(如图6a)，如果是土层较厚的靠崖窑，可以在窑洞前端做排风井，连接窑洞内设置的通风吊顶(如图6b)。在个别地形条件适宜的地段可以建造天窑通风井，即将窑洞做成上下两层，上层的窑洞用来组织自然通风(如图6c)。

2.2.2 能源、供水、排污等基础生活设施不方便

主要改良措施：

1)以新能源取代传统能源。现在我国在农村大部分地区大力推广沼气，一个10立方米的沼气池就可以解决一个农村家庭的照明及烹饪需求。可以结合窑洞内部的排污系统综合利用。

图6 窑洞通风构造

2)建设水泵，水窖。由于黄土高原干旱少雨，水资源也是该地区缺乏的资源之一。通过建设水泵，可以收取地下水以满足家庭的饮水和使用需求。而水窖的建设，能够在雨天将雨水收集起来，用于灌溉等日常生产，以达到节约水资源的目的。

2.2.3 空间过于单一，功能布局混乱，居住模式无法满足现代生活需求

设计上，在满足室内空间的一般规律上，还要更多地考虑窑洞建筑的特殊环境条件。比如在适宜的地势条件下，为了节省材料资源及建造时间，可以适当建造半地下和地上相结合的空间组合方式，同时增强室内和室外的交流互动联系，淡化厚实壁体让空间产生的界限感，也可以适当引入廊下空间和天井空间，既丰富空间层次，又能解决采光和通风问题。

3 结束语

本文通过对传统窑洞的全面分析，探寻传统窑洞在功能结构等方面的缺陷，参考相关规范标准，有针对性地提出改良措施，力图创造出更加舒适宜居的窑洞环境。这些措施不但适用于新建窑洞，对于已有窑洞，在生态化改造设计时也同样具有实用意义。总的来说，在改良过程中可采用以下可行性措施：

1) 从结构安全性角度的改良措施：针对不同的灾害形式特点，按照窑洞不同的结构部位，采用设置防水层、加固窑脸等措施。

2)在环境适应性角度改良措施：通过空间尺寸的改进、天井和通风井的设置等措施改善窑洞的采光和通风；综合处理能源、供水、排污等基础生活设施。

历史发展到当代，虽然中国许多传统住宅面对当今的社会环境和居住需求的变化，显现出一些问题，但是这些传统乡土住宅都有其独特的优越性，是千百年来中国人智慧的体现。在住宅本着“遵循自然”“可持续发展”的理念的今天，我们应充分尊重并尽量保护这些传统建筑，结合现代化的建造技术，探索出当代的生态化住宅，最终建成人类与自然、建筑与环境和谐共存的生态居所，让窑洞这个传统的建筑形式焕发出新的生命力。

[1] 闫幼锋,赵占雄,赵世光.窑洞采光因素分析及改善研究[J].建筑科学,2011(8)：33-37.

[2] 保拉·萨西.可持续性建筑的策略[M].徐燊，译.北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] 周冰，孟培.低技术策略下的乡村生态建筑[J]，建筑工程技术与设计，2015(26)：1636.

[4] 童林旭.地下建筑学[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[5] 李珠，刘元珍，代学灵，等.“城市窑洞”式绿色建筑研究[J].工程力学.2010(12)： 88-95.

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

[责任编辑：路晓鸽]

TU241

A

1671-4679(2017)05-0062-04

2017-05-19

黑龙江省教育科学“十二五”规划课题(ZHA1214002)

孙 迪(1981-)，女，讲师，硕士，研究方向：建筑历史及理论.

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.05.013