生态文明视角下关中民居生产实践技术探究

张 璐 楷亚锐衡建筑设计咨询有限公司建筑设计师

任春晓 培特维建筑设计咨询(上海)有限公司建筑设计师

张 呢 中国建筑设计研究院建筑设计师

1 传统民居绿色技术视角

“人类世”（Anthropocene）一词最早于20 世纪80 年代由美国生物学家尤金·施特默（Eugene Stoermer）创造，之后经荷兰大气科学家保罗·克鲁岑（Paul Crutzen）于21世纪初进一步推广。这一词用来描述人类行为活动对全球性生物扰动和自然资源过度消耗的时代，而导致温室气体加速积累对全球气候和生物多样性产生负影响[1]。据联合国数据显示，全球自2000 年以来已发生7 000 多起极端天气事件。过去的2020 年，疫情蔓延、澳大利亚森林大火、西伯利亚气温创新高等事件，使气候危机显露出来。同时，伴随着城市边界扩展和人口剧增，高密度空间增加，“碳达峰”和“碳中和”概念被提出，人们迫切需要理解城市空间能够对气候环境作出怎样响应。有关数据表明，建筑行业温室气体排放量占全球39%[2]。城市作为一个充满活力的、动态的、开放的系统，内部时刻进行着复杂能量交换——人与建筑、建筑系统、建筑与环境、人与外部环境。面对我国大量存量建筑，探索其原有生态技术，并通过技术改良应用于旧建筑改造中，能够有效降低建筑新建过程产生的环境污染和建成后运行过程对环境的影响。

生态技术作为我国传统民居建筑文化的重要组成部分，在民居住宅长期发展过程中逐步形成一套自有特点。每个地区的乡土建筑在建造中考虑当地气候条件，建造者在其长期实践中充分利用该地区可用的营造技术和乡土材料，尝试将其与建筑空间和周边环境进行整合，从而形成每个地区独特的建筑风格[3]。传统民居的设计建造具有一定微气候环境调节作用。同时人体感知寒冷或温暖取决于周围直接环境的温度，比如受热量、湿度、风所影响的遮蔽处和空地上的温度[4]。因此，传统民居空间是调节建筑热环境和居住热适应的关键要素[5]。例如从传统民居选址布局、单体建造等方面解析自然通风技术在传统民居中的应用；通过探讨典型山体利用模式进行重庆传统山体民居热环境实测对比分析[6]；从常用围护结构材料入手，分析湿度对传统民居建筑构造的影响等[7]。基于上述内容，本文选取西安几处典型关中传统民居，聚焦其绿色建造技术，并通过空间样本的实地测量和文献查阅，以期对我国现代建筑建造提供绿色生态参考，将传统绿色技术与现代科学绿色建造体系相融合。

2 研究方法

本文通过实地调研走访多个西安传统民居，从中选取两处保存良好且可入户测量的院落进行深入研究。采用入户访谈、仪器测量（进深/温湿度等）和实地拍摄，结合文献资料对比整理，总结相应的、适宜于关中地区传统民居并当下可借鉴的生态技术经验。通过分析关中地区现代民居建造案例，来剖析当代民居建造的绿色技术应用。

3 研究对象

本文选择西安市内几处典型传统民居进行深度调研。第一个是高岳崧故居高家大院。该院落位于西安北院门144 号，建筑面积为1950 平方米，距今已有有400 多年的历史，先后经历了三次大规模修缮，最近一次大规模修葺在20 世纪60 年代进行[8]。高家大院现分为南跨院、北跨院及后花园，整个院落呈现出“目”字形，其布局紧凑，私密性强，为典型的三院四进式砖木结构四合院。房屋布局上，依据传统伦理的长幼有序、尊卑有别，左右厢房屋顶低于正房屋顶，而正房屋顶则低于宗祠屋顶。第二个是光明巷47 号（见图1、图2）。院落藏于西安市内深巷中，整体上保存状况较好，为两户人家自住宅。该院落现存两侧厢房以及一座砖雕门洞，共约100 m2。建筑布局整体呈现东低西高态势，其山墙上有松鸟砖雕，但屋檐部分瓦当已遗失，屋檐水平线由于时间久远已出现变形。院落大门由原先呼应“紫气东来”之意，东向开启转为向西设立。本文根据实测数据来探讨民居中可供当下借鉴的生态绿色技术（见表1）。

表1 高家大院正房及厢房不同墙体厚度差异 （数据来源：作者实测）

3.1 保温隔热

由于关中地区冬季寒冷且多西北风，并受到宅基地的影响，多为窄长内聚形平面布局。一方面，院落布局中，侧厢房有效避免寒风侵袭；另一方面，墙体材料的使用也是民居营造过程中智慧的体现。据实地调研显示，西安多处传统民居墙体内部填充大体都是生土材料，即通过简单机械加工的原状土，多为土坯或是夯土，如长安区大兆西街付士美故居。同时为了增强墙体韧性、强度及保温性能，一些就地取材的秸秆等类似植物废料会被加入墙体建造材料中，从而减少对环境产生的负荷。据资料表明，生土材料有突出的蓄热性能，能够保持室内冬暖夏凉，有效调节室内湿度；并且其加工过程耗能低，碳排量小，分别为粘土砖和混凝土的3%和9%；多次拆除后的生土材料也可反复利用甚至可用做农田肥料[9]。而秸秆、土坯等自然材料能一定程度上提升室内温度，如同等造价的600 mm 厚土坯墙与240 mm厚烧结砖墙相比，冬季室内气温平均提升近1摄氏度[10]。

除墙体材料，厚度也经过精心设计以求达到防御和保温隔热的效果。据测量结果，高家大院的墙体厚度为560 mm、320 mm 和220 mm 三种。外院墙体最厚，内院墙次之，室内隔墙最薄（见表1），有厚砖墙抹草泥和厚砖墙贴砖。这种建造方式好处在于，厚重的墙体有利于维持室内恒定温度，防止外部寒冷空气侵入房间内部，并且不同厚度墙体功能倾向性不同，内院墙重在保温，而室内隔墙主要目的在于划分不同空间。这样分层设置墙体厚度，避免了采用统一墙厚而引起建筑材料上不必要的浪费，同时又保证室内有效保温。

3.2 遮阳采光

关中地区夏季炎热且光照强，内向院落布局和庭院种植，有助于调节民居内微气候，控制院落环境的温度和湿度，并提供庇荫区域。民居单体建筑形式上也有所设计。传统民居结构中多用坡屋顶和挑檐，借此夏季拔风和降温。一来挑檐下方形成缓冲灰空间，可减少热辐射，可以避免在夏至日正午时刻太阳高度角最大时，阳光直射入室内而造成舒适度降低。同时在冬季太阳高度角降低时，挑檐角度便于阳光射入室内，一定程度上增加室内温度；二来出挑部分可避雨；同时檐廊丰富了院落空间层次。以光明巷47号为例，在夏季实际调研中，将测量仪器置于室内桌上和室外檐口部位，测量北厢房室内外温度数据（见表2）。结果表明出挑屋檐能够一定程度上降低室内热量。

表2 光明巷47号室内外檐口下温度差异变化

传统民居中屋檐随着出挑长度增大，遮阳效果会更好。数据显示，当屋檐出挑长度达到0.5 m 时，外窗平均综合遮阳系数不大于0.5；当出挑长度为1.5 m 而成为檐廊时,综合遮阳系数不大于0.35[11]。在屋檐出挑深度，光照强度相同下，进深小的房间采光效果自然也较好；相反的，开间小进深大的房间，加上房檐的部分遮挡，采光效果相对较差（见表3、表4）。巧妙的利用合适的窗墙比、窗地比，可以到达冬季最大程度采光夏季最大程度遮阳的效果。

表3 北院门144号高家大院各建筑单体开间与进深尺度关系

表4 北院门144号高家大院后楼建筑组成要素相关数值

3.3 屋面排水

我国北方民居中都普遍使用凹曲屋面，出檐深远，檐角上翘[12]。其中屋面多以排水为主，防水为辅助手段。根据古时《周礼·考工记》载: “上尊而宇卑，则吐水疾而溜远。”也就是说，屋脊处坡度大以加大水流速度，而檐口处坡度减缓以求将雨水远程抛出。以高家大院单侧厢房为例，其屋顶坡度约与水平方向夹角为23 °，屋面瓦片相互搭接形成瓦垅和瓦坑，以组织排水路线。在这里瓦片材料多为尺寸为17 cm X 21 cm，以“压七露三”排列方式，在瓦与椽之间也会设一层苇箔层和麦秸草泥灰，防水防潮同时兼具建筑构造中的保温隔热层[13]。关中地区气候多干燥，雨水收集显得更为重要。向院内倾斜的单坡屋顶便于将雨水收集到院内，在院内的地面上设有洞口来收集雨水，夏季通过水分蒸发保持院内微气候，稍高出地面的台阶，方便人们雨天在院内行走。

3.4 通风散热

坡屋顶的设置使得室内吊顶和屋顶之间形成一个空气夹层，可以利用热压通风带走夹层中的热量，以降低其内部温度。同样，关中地区内院狭窄，四侧房屋较高，从而形成类似于拔风烟囱的天井空间，在室内外形成温度差时产生压力差，能够有效形成自然通风。根据热力差原理，出挑的屋檐使得天井底部成为一个阴影低温区，而天井上部空间属于阳光可直射的高温区域，从而促进空气流动，热空气上升，冷空气下降，最终起到院落内部拔风效果。

4 项目案例分析

基于以上实地调研和资料整合，本文以西安建筑科技大学设计研究总院所设计的陕西关中地区现代民居— —咸阳·莪子村红砖房为例（见图3），探索根植于当地的现代民居建造方案中传统民居生态技术使用的可实施性。该项目宅基地南北长35.1 m，东西宽9 m，地形平坦；平面布局上，整体趋于坐北朝南，设计师将宅院门置于基地东南角[14]，沿袭了传统民居中院门“紫气东来”之意。鉴于基地东西宽度限制，并结合现代居住习惯，舍去侧厢房，只设一层门房、院落、两层正房和小后院。为提升居住舒适度和体现生态理念，被动式绿色技术设计上，项目设计团队进行了保温隔热、通风采光等一系列策略。

图3 内部宅院空间（南向角度） ©张晓明 (来源：有方空间）

该项目符合传统关中民居中的窄厅和南北通透的设计手法，有利于形成穿堂风（见图4）。因为热对流的传热速率大于热传导，这种通透设计能够有效改善室内进深过大而导致的通风不佳情况；同时窄厅和通高空间相组合，二层通高部分设有高位窄窗，有利于形成风压。这种对流一定程度能够通过通风冷却等方式耗散已经积累的热量，带走夏季室内的部分热量，从而实现被动降温效果。

正厅二层部分由坡屋顶构成，类似传统民居中的“闷顶”，可做储藏，也可供住户进行其他活动。所谓“闷顶”，是指建筑坡屋面与顶棚之间所构成的空间，并根据用途和空间结构不同分为住人闷顶和保温隔热闷顶。这其中主要区别在于该空间高度是否能够进人，以及墙体上开窗还是小型通风口。无论两种区别如何，从整体上讲，这种“闷顶”设计相当于一个空气介质，形成缓冲空间。而由于空气导热系数低，空气越趋于静态，越有利于夏季隔热和冬季保温，对一层日常起居起到调节作用。

5 结论

建筑物关联自然和社会环境的建造方式是典型的地域性实践过程。因此恰当地将本土化的、适应现代人居生活行为方式的技术应用到现代建造方式中，找到本土与时代的结合点。这种联结既可以是材料运用，也可以是新技术的融合。在中国传统民居的长期实践中，如何“顺应”与“利用”自然因素是重要的生态理念，体现了古人们在实践过程中充分运用比例尺度变化和材料融合，创造出宜居的生活环境，在适应气候方面有着丰富经验可供借鉴。这种和谐整体的认知结构反映了建筑与自然、建筑与人、建筑与社会环境的关系。然而传统民居中如坡屋顶檐口雨水影响行人通行；传统单纯采用瓦片铺设的坡屋顶阻碍房间整体保温性能得以有效提升等问题，需要融入现代技术手段进行合理改造。这样既传承传统建筑文化，又为当下低碳绿色节能建筑提供些许设计思路。