美丽乡村绿色宜居建筑探索——SDC2018竞赛作品“斯陋宅”

李伟 孙旻杰 贾逸群 / LI Wei, SUN Minjie, JIA Yiqun

1 引言

2012 年底，党的“十八大”报告正式提出建设美丽中国的宏伟构想，2015年6月1日起由质检总局、国家标准委于2015年5月27日发布的《美丽乡村建设指南》国家标准正式实施。美丽中国的起点是美丽乡村，其建设目标为“规划科学布局美、村容整洁环境美、创业增收生活美、乡风文明素质美”。乡村建筑是美丽乡村建设的难点、重点，同时也是亮点所在。当前乡村建筑的建设存在以下主要问题：缺少专业建筑师参与，当前乡村建筑的建设主要是由工匠主导的自发性设计与建造；建筑性能低下，由于设计施工不当，乡村建筑的保温、防潮、隔热等性能严重不足；由于建筑地域性的缺失，当前乡村建筑对乡村文化与传统建筑特色传承不足。

“2018中国国际太阳能十项全能竞赛”是面向全球高校，要求设计与建造仅依靠太阳能供能的小型建筑，并着眼于高度市场化的重大国际赛事。该项赛事旨在推动建筑、能源以及新技术的结合，探索面向未来的零能耗太阳能建筑。北京建筑大学与香港大学联队的作品斯陋宅正是根植于我国美丽乡村建设的背景，探索新型绿色宜居乡村建筑的设计与建造的技术策略与市场推广，借此对美丽乡村建筑建设起到一定的指导作用。

2 太阳能十项全能竞赛

2.1 起源与发展

“太阳能十项全能竞赛”英文为“Solar Decathlon”（简称SD），是由美国能源部从2002年发起并主办的以全球高校为参赛单位的建筑与可再生能源科技竞赛。竞赛要求每所参赛大学设计并实际建造一栋太阳能零能耗住宅，并将其进行为期约一周的现场竞赛和公众展示（孙昊天，2010）。竞赛一般每两年举办一届，将太阳能零能耗住宅的推广与设计作为竞赛的重点，旨在为人们寻求一种更加节能与健康的人居环境。在美国政府的支持下，欧洲于2010年开始引入SD竞赛，2013年SD竞赛首次登陆中国。自开办以来，该项赛事影响了全球各国政府、企业及民众，共有6000余品牌企业赞助，100多个政府部门及专业机构鼎力支持，300万民众到场参观，媒体传播率达3亿受众（中国太阳能十项全能竞赛官网，2018）。

2.2 意义

在全球环境与能源危机日益加重的背景下，SD竞赛是对建筑领域可持续性研究成果的一次很好的技术检验和市场推广。竞赛本身的意义在于：首先，培养人才，学生作为参赛主体，在两年的时间内克服各种困难，进行设计、选材、建造和测试自给自足的、健康的太阳能房屋，通过参与竞赛探索新的太阳能住宅设计方法，培养新一代太阳能建筑设计人才；其次，提高公共意识，竞赛作品对世界公众开放，提高公众对可再生能源、最新节能技术和设施及其产品的认识，增强公众绿色消费理念和可持续发展的观念；最后，促进太阳能住宅市场化，竞赛作品有助于提高太阳能住宅的吸引力，通过工业化建造创新技术与太阳能利用新技术的有机整合，促进太阳能建筑设计一体化，加快了太阳能住宅市场推广的进程。

2.3 SDC2018竞赛要求

2018中国国际太阳能十项全能竞赛（以下简称“SDC2018”）由中国国家能源局和美国能源部联合主办，中国产业海外发展协会承办，共青团中央学校部为支持单位，举办城市为山东省德州市。大赛要求每支赛队以永久性使用为目标，在限定的空间范围内（图1），建造一栋完成面积为120～200m2的单层或双层太阳能住宅。房屋必须配备电视机、冰箱、烹饪厨具、洗碗机、洗衣机、电脑等日常家用电器及生活设施，并新增电动汽车及其充电设备。竞赛通过10个单项来评比最终成绩（表1）。 SDC2018共有来自全球10个国家和地区41所高校的22支赛队参与，最终有19件作品建成（表2）。

3 斯陋宅作品解析

3.1 方案设计

3.1.1 设计背景

随着美丽乡村建设的国家战略日益深化，乡村土地市场进一步开放，乡村居民追求美好生活的向往愈加迫切，现有老旧乡村住宅无论从居住条件还是环境都已不适应新时代乡村居民的需求。同时，城市居民对自然生活的向往和乡村旅游的兴起推动了乡村建筑的快速发展，乡村新型绿色宜居建筑的建设亟需设计引导。

图1 竞赛场地尺寸（来源：官方竞赛手册）

近几十年的中国建筑创新与研究大多集中在城市背景下的建筑设计，但更为广阔的乡村建筑一直得不到足够的重视。由北京建筑大学和香港大学组成的“鲁班柱&紫荆花”联队致力于中国广大乡村新型绿色宜居建筑的规划设计与研究创新，以期为美丽乡村建设提供绿色、可持续的设计理念与技术方法。

3.1.2 设计理念

斯陋宅即“Slow House”（图2），目标是通过技术整合，设计和建造一座低造价高性能的房子，它可以适应不同家庭的个性化需求以及同一家庭不同的生活需求，比如面向城市人在乡村度假的民宿，从城市回流到乡镇有一定经济基础的务工人员的自建房屋，在老家有地的城市居民的度假别墅等。同时考虑到中国地域广阔、民族众多且风俗习惯各异，新民居建设要遵从地域文化特点与民族生活特点，符合中国传统民居建设理念，符合中国传统家庭生活观念，符合中国传统审美理念。传统的往往是最美的、最迷人的，但是传统中也有鄙陋之处，乡村新民居要坚持扬弃有格，要在继承中发展，在传承中创新。乡村新民居要符合新时代新农民的工作生活需求、审美需求，农村新民居建设必然是舒适的、经济的、节能的、生态的和美观的。

表1 竞赛评比10项指标（来源：www.sdchina.org.cn）

表2 参赛队伍及作品特征

为了实现这一目标，团队制定了“五高五低”的设计策略：低浪费、高适应；低技术、高技法；低维护、高建造；低碳耗、高品位；低造价、高价值。建筑可持续实践的最终目标远远超过所谓的绿色设计和建筑，在不损害个体识别性的前提下，在消费和对自然、小区和未来的贡献之间的求得平衡，秉承有益且互惠的居住理念。

3.1.3 建筑设计

斯陋宅位于面积625m2的方形基地内（25m×25m），在竞赛园区内临近园区西侧主入口的01号地块（图3），建筑高4.8m，面积为176m2，两室两厅一卫的室内布局能够满足绝大多数家庭的需要。斯陋宅设计以庭院为中心，庭院北侧是客厅，层高较高且局部设置夹层，南侧是卧室，层高较低。南北两部分错落相对，主次分明，以廊道为纽带进行联系，秉承了“一户一庭一院落”的中国传统民居精髓。空间组织上，斯陋宅以庭院空间为核心，入口的灰空间（图4）、客厅的公共空间、厨房的辅助空间、卧室的私密空间呈风车状排布，这种组织方式使建筑各部分功能既紧密联系又相互独立、避免干扰，可以营造丰富、流动的空间体验（图5）。室内设计现代简约，以木制家具为主，同时融入可变式家居与智能控制的理念，力图让人们在传统民居建筑格局中体验现代化的智能生活方式。在展示流线设计上，通过道路铺装与木制小桥结合，有序引导游客到达入口灰空间，并以庭院为起点，根据流线标识依次展开浏览参观。

图2 斯陋宅建成效果

图3 场地位置（来源：竞赛组委会）

图4 入口灰空间

图5 平面

图6 门窗构造示意

图7 夏季自然通风模拟

3.2 绿色设计

3.2.1 高效的围护体系

围护结构的热工性能对整个建筑的节能效果具有举足轻重的作用，为了保持室内温度在相对恒定的范围，建筑物必须获得或者阻止热量的交换：冬季北方室内温度高于室外温度，要防止或者减少室内热量损失，并尽可能获取室外阳光辐射带来的热量以维持室内舒适温度；夏季北方室外温度高于室内温度，在不影响通风采光的情况下，要阻止或者减缓室外热量的传入，以保持室内的凉爽。外围护结构包括外墙、外门窗、屋面和楼地面4个部分，其保温隔热性能的好坏直接影响整体建筑全年运行能耗。斯陋宅采取整体式外围护结构保温隔热技术，其墙体由外墙面装饰板、空气流通层木搁条、具有选择性的防水防风隔潮特质卷材层、定向结构刨花板（Oriented Strand Board，OSB）、墙骨柱、墙骨柱间填充的玻璃棉、防火型双面纸面石膏板饰面、室内粉刷层共同形成一体式保温墙体，便于工业化安装，缩短工期，减少施工污染。门窗则采用被动式木包铝玻璃门窗，以隔热铝结构为主体，采用创新型铝合金断热保温材料以防止玻璃压板与主柱连接处冷桥出现，配置节能暖边间隔条，三玻两腔真空Low-E玻璃（图6），整窗传热系数为0.7W/m2·K，隔音和保温效果良好。

图8 全晴天自然采光采光系数模拟

图10 斯陋宅雨水庭院鸟瞰（来源：德州24小时新闻网）

3.2.2 通风系统

斯陋宅采用自然通风和新风机组结合的混合式通风技术，使通风调控更为便捷。当室外温度高于12℃且空气质量良好的时候，开启天窗加强自然通风；冬季寒冷和夏季潮湿的情况下，使用带热回收的新风机组进行通风换气；夏季夜晚根据室外温度开启门窗洞口实现自然通风降温。在木建筑外表皮和屋顶下设置有通风层，在夏季通风可带走阳光辐射热，降低室内温度，节省能耗。斯陋宅外立面全部采用木质墙体并设置可开启窗扇，建筑中央则设置庭院且与其相邻的房间朝向内庭院开门，以改善室内通风效果。

根据德州气象资料，设定夏季风速3m/s，风向东南风，建筑的门窗全部开启，对斯陋宅的通风性能进行模拟。结果显示，斯陋宅南北两侧的窗户开启形成了对流通风，室内风速在1.5m高度达到了1.5m/s，可满足室内舒适度的要求（图7）。但是考虑到卫生间气味的原因，因此卫生间适时采用主动或被动通风的方式进行通风。

图9 全年发电功率模拟

图11 地螺栓桩柱基础

3.2.3 太阳能利用

建筑自然采光是节约能源、提高舒适度的重要方式。人工照明需消耗大量的能源，使建筑的运营维护成本增加。因此从环保节能角度而言，充分利用自然采光的设计具有一定的必要性。斯陋宅设计采取多种采光口形式以应对不同功能区的采光要求，采用天窗、落地窗、高侧窗，以及不同大小的侧窗进行采光。对斯陋宅全晴天自然采光系数进行模拟（图8），结果显示斯陋宅采光系数为4%～28%，侧面采光最小采光系数为4%，最小值符合我国对住宅建筑室内自然采光的采光系数≥2%的规定。

太阳能作为最为常见的可再生能源，取之不尽、用之不竭，是未来能源结构的重要组成部分。国际太阳能十项全能竞赛是展示太阳能技术在居住建筑中应用的舞台。斯陋宅通过主动式太阳能技术（太阳能光电、光热利用）为建筑运行提供能量，釆用太阳能并网技术，以及选用节能的家电和照明灯具，节约生活用电消耗。太阳能光电系统原理是基于半导体的光生伏特效应，利用太阳电池将太阳能直接转换为直流电能。发电系统主要由太阳能电池组、太阳能控制器和蓄电池组成。斯陋宅的太阳能光电系统由天普新能源科技有限公司赞助，同时采用了由北京瓦得能科技有限公司赞助的太阳能光电光热一体化系统，通过将光热、光电系统与建筑系统有机结合，材料综合考虑浪费少、成本低；充分利用光照面积，光热、光电转换效率高。斯陋宅的屋面光伏板面积约为62m2，转换效率为16.5%，通过软件模拟屋面光伏板全年的发电量（图9），经过统计斯陋宅全年可产12 790.57kWh电量，发电总量能够满足其全年耗电量。

图12 木梁柱节点

图13 搭建过程

3.2.4 雨水花园

斯陋宅庭院设计也是其一大特色。庭院汲取了传统园林的平面布局理念，采用雨水花园技术措施，营造了一个生态美观且极具地方特色的住宅庭院（图10）。因为斯陋宅采用了钢架螺栓地桩作为基础，整个基地做到了零硬化地面，同时架高的基础与地面形成空气夹层。夏季，可强化基础与地面夹层冷空气的流通，有利于房屋的散热；冬季，基础与地面夹层的防风挡板被放下，形成保温空气间层，极大地提高了房屋的整体节能效果。

斯陋宅零硬化地面为雨水花园的实施提供了便利。雨水花园的设计采用绿植配合透水地面和雨水收集利用系统，形成海绵庭院微观水环境及小型生态系统，为建筑提供了良好的微气候。夏季雨水和冬季雪水，经过雨水管道与过滤系统后汇集到集水池，可用于浇灌植物、冲厕，防涝的同时营造良好的景观环境并节约水资源。

3.3 工业化与市场化

3.3.1 工业化建造体系

斯陋宅项目与建造行业密切配合，经过多次研究调整，确立了模数化的设计方法与工业化的建造策略。模数化设计方法有利于工业化建造，提高室内空间的灵活性和使用效率。工业化的建造策略方面，选取高度预制化的木结构体系，并结合建筑设备系统、家具和内部装饰进行整体化设计，大大缩短了现场建造时间。

斯陋宅基础采取新型钢架螺栓地桩技术——独立式地螺栓桩柱架空压型钢地梁形成建筑基础（图11），替代了传统钢筋混凝土基础。其优势在于：灵活，可适用于不同的建筑平面形式与基地形态；生态，不用混凝土，不用挖掘，不用回填，能够最大程度保留地面土地原有性状，整个基础能够拆卸迁移与循环使用；抗震，基础与地面采用钢架螺旋地桩柔性连接，地梁与螺旋地桩亦采用螺栓的柔性连接，能够吸收地震能量，承受较大的地震形变。

斯陋宅主体结构为胶合木梁柱结构，节点利用内嵌式钢板连接件螺栓连接（图12），主体结构构件均在工厂预制，现场组装完成。胶合木梁柱的加工是在木材构件的端部或中间，对木材构件采用损伤最小的线槽及螺栓孔以配合钢制连接件的连接。施工组装时只需要将木梁柱吊起拼装并用螺栓紧固，得到高强灵活结构的同时加快了装配速度（图13）。区别于传统木结构榫卯连接，这套胶合木结构不会对木材构件连接处造成较大的损伤，相比外包式钢板连接内嵌的构件连接也更为美观。同时，斯陋宅围护结构为木骨架的建造体系，能够对室内空间灵活划分，快速高效，最大化减少了现场施工的湿作业。

斯陋宅的建造体系创新地传承了中国传统木结构营造模式，富有弹性的框架组织在速度、成本与适应之间取得了良好的平衡。

3.3.2 市场化运用价值

图14 开放的预制木梁柱体系（来源：团队制作）

中国广大乡村对建筑有着多样化的需求。斯陋宅具有极强的可扩展性的工业化设计和建造，可作为原型，通过模数化在水平、垂直方向扩展，根据城市中心、郊区和乡村住宅的不同人口密度与功能需求，组合成不同规模与形态的生态宜居建筑。在成本方面，针对竞赛对建筑性能和发电量要求很高这一问题，斯陋宅着重探索低价高效的解决方案，在确保能耗平衡的前提下，采取适宜技术，减少高成本的建筑设备。此外，斯陋宅几乎没有运行能耗的支出，更是增强了其市场潜力。如在一些建筑密度低、供电网络难以到达或费用过高的乡村地区或偏远景区，建筑自身的太阳能发电系统成为建筑供能的一个解决方案，同时斯陋宅低技的自然通风体系，高效地改善了室内热环境及空气质量。最后，在技术策略上，斯陋宅是以技术的组合而非系统的整合回应多样的需求，倘若追求高技术的有机整合，将降低整个建筑系统的开放性，同时意味着其可变性、灵活性与适应性均随之弱化。斯陋宅高度开放的预制木结构梁柱建筑体系（图14），使其能够在开放的框架结构内，根据客户需求调整平面布局，定制不同的围护墙体、外墙饰面板、室内设施、家具和内装饰，从而满足不同目标人群的个性化需求。

斯陋宅空间的灵活性与适应性、建造的便捷性、低能耗性，可以作为美丽乡村生态宜居建筑的原型。在后续研究中，可进一步调整建筑体系以提高其灵活性，如采用更廉价的保温围护结构、丰富多样的技术体系组合，以满足美丽乡村建设的多样化需求。斯陋宅是为中国新时代城镇化及美丽乡村建设而探索的新型绿色宜居建筑，可以根据当地人文、自然环境进行设计与建造体系的定制。

4 结语

2018年8月17日，在经过激烈的竞赛周角逐之后，SDC2018大赛落下帷幕，所有赛队作品都将原址保留作为德州太阳能小镇的展品。斯陋宅获得了电动通勤第2名及最受公众欢迎奖。斯陋宅充分挖掘传统文化，基于生态气候设计策略集成适宜且高效的技术手段，探索建筑空间的适宜性、工业化建造的高效性、建筑环境的生态性。作为一个原型，其适宜于中国国情下的低成本主被动技术结合的绿色建筑，可应用于中国新型城镇化建设、美丽乡村建设等领域，具有广泛的市场适应性。