可持续灾后应急建筑韧性体系的探索与实践——以BBBC项目为例

李珺杰，边文彦，张文*

自然灾害包括地震、传染病、洪水、虫灾、风暴等，其中以地震、洪水、风暴对人类居住环境威胁最大。从世界范围来看，中国是自然灾害危害最严重的国家之一，每年直接受灾人数占总人口的10%，导致每年有500多万人受自然灾害的影响而流离失所[1]。在全球环境不断恶化、气候问题突出的当下，可持续发展的人居环境也在全球范围内获得广泛重视[2]。为了响应全球可持续发展的号召，促进营造健康、安全舒适的生活家园，抵御自然灾害的侵袭，形成城市防灾救灾韧性体系,本研究聚焦可持续的应急救灾建筑体系和建造模式，构建可快速收放、能源自给、宜居舒适、循环重构、安全耐用的应急人居空间系统。

1 灾后应急建筑不只帐篷和板房

帐篷和移动房屋是目前使用最多的临时性建筑结构，一般的帐篷围护结构脆弱，作为短时野营尚可，但安全性和舒适性不足以形成 “居住”环境。移动房屋虽可以提供足够的保护，但是在复杂孤立的应用场景中，其建造的复杂度高且建造时间长。移动房车具有可移动、设备整合、功能齐备等特点，是我国灾后救援装备中的重要组成部分，但因经济成本较高，运行维护成本大，大量用于备灾使用存在一定的困难。

近年来国内研究重点主要集中在轻型装配式结构系统，是面向快速建造与市场应用的研究。朱竞翔等基于震后灾区校舍重建，开发以轻钢结构为核心的预制装配式轻型建筑系统，并在空间适应、复合围护、建筑高度、基础形式、可移动性等方面进行持续拓展[3]。张宏等致力于工业化装配住宅体系研究，开发数代以铝型材结构为核心、整合标准化工业部品的住宅产品体系，形成结构体、围护体、内分隔体与内装、内外设备体四大功能系统实现快速装配[4]（表1）。日本建筑师坂茂以纸作为建筑结构和围护材料，为灾后建筑轻质的建筑体系提供了新思路[5]。

表1 灾后安置建筑按使用特点分类，赵如月、刘媛卉、王毓乾绘制

2 量化自然灾害后的可持续性

2.1 国内外量化自然灾害后的可持续性标准及规范

自然灾害一直以来是威胁人类生存和发展的重大障碍。在全球环境不断恶化、气候问题突出的当下，可持续发展的人居环境也在全球范围内被广泛重视[6]。针对灾后临时安置建筑的设计，国内外政府和相关机构推行了一系列设计导则，用于衡量灾后安置建筑的可持续性。我国出台的《地震灾区过渡安置房建设技术导则》[7]和《地震后重建家园指导手册》[8]等，从规划布局、结构设计等方面对临时安置建筑进行了指导。英国建筑研究院信托基金（BRE Trust）研发的灾后可持续性自评工具QSAND（自然灾害后可持续性的量化），作为综合性建成环境工具，则提供了可持续性方面的评估方法[9]（表2）。

表2 国内外灾后安置建筑相关导则及标准，项目组整理

卫生应急和灾害风险管理框架（Health-EDRM）是对这一挑战的重大回应[10]。它强调预防、准备和就绪以及应对和恢复对拯救生命和保护健康至关重要。它显示了整个卫生系统如何能够而且必须在所有努力中发挥基础性作用。SPHERE环球计划给出了人道主义宪章与人道救援响应的最低标准，是国际红十字会与新月红十字会联合发起的产物，通过尽可能地采取措施，减轻灾害或冲突对人们造成的痛苦[11]。QSAND是专门针对灾后可持续性的自评价工具，包含了紧急救援72小时内的评价框架CAT以及72小时之后过度恢复阶段的评价框架PAT，从可持续的视角将评价分成了庇护所与社区、安置地、材料与废物、能源、饮水与卫生设施、自然环境、通讯与交叉问题8个大类，形成了基于可持续视角下量化灾后建筑的框架体系[9]（表3）。

表3 QSAND, SPHERE&HEALTH标准内容对比分析，项目组整理

2.2 BBBC：量化可持续应急人居空间的8个大类

BBBC可持续灾后应急建筑项目团队组依托2013年四川4·20雅安地震芦山灾区、2020年四川内江817洪峰灾区以及参加四川雅安“应急使命· 2021”抗震救灾演习等多次的现场调研及访谈，结合国际QSAND评价框架，设计建造完成了一座可持续灾后应急社区中心的示范建筑项目。项目建设于河北省张家口市，建筑面积约155m2，场地占地面积400m2，功能包含了医疗、儿童活动、公共厨房、公共卫生间、独立居室以及一个半室外的棚架空间（图1-3）。

图1 BBBC建筑项目鸟瞰

图2 人视点透视

图3 庇护所内部庭院

结合国内外的标准规范以及国际的量化方法，以QSAND为基础，BBBC的设计框架从量化可持续灾后人居空间的视角，建构体系分为8个大类：庇护所与社区，安置地，材料与废物，能源，饮水与卫生，自然环境，通讯与交叉问题。项目中每一项对应展开为若干子项，共计33项技术重点（图4）。

图4 BBBC：量化可持续应急人居空间的8个大类

3 BBBC：可持续应急人居空间的时序性体系

设计研究首先着眼于受灾后不同阶段的需求，展开不同的应对策略，提出一套BBBC（Bag+ Box + Building + Cloud）紧急救援庇护所的整体框架。BBBC的可持续应急人居空间的模式考虑到了从受灾后的第一时间到灾后救援的全周期进程（图5）。根据时间线提出了“备灾包（Bag）、备灾盒（Box）、备灾房（Building）、备灾云（Cloud）”的概念（图6）。

图5 时序演绎下的可持续灾后应急需求

图6 BBBC备灾救灾体系

（1）备灾包（Bag）针对前72小时紧急救援阶段。在交通、通信阻断，物资紧缺，没有大型的机械帮助的情况下，解决医疗队、救援队的快速救援需求。备灾包的设计中整合必要的物资、仪器（或工具）以及简单的支撑、遮蔽材料，并且提供轻量化背负、能源自给、医疗救灾、临时居住等多种复杂应急问题。备灾包包含3种类型，分别是医疗模盒、能源模盒、庇护模盒（图7）。

图7 72小时紧急救援的救灾包及背负系统

（2）救灾盒（Box）针对于72小时后重建阶段。为应对灾后复杂环境的运输和现场快速搭建的要求，选取轻型结构框架和快速装配围护体系。模块尺寸为1.2m（长）×2.4m（宽）×2.7m（高），利于在交通不便的情况下，最大幅度地压缩体积运输到现场，在使用时释放模块中折叠的空间，空间扩大至5倍（图8、9），满足紧急医疗救治、受灾群众的庇护和设备的空间需求，同时解决灾后的私密性、安全性和卫生性问题。太阳能电池板将为庇护所解决能源需求。

图8 备灾盒的空间扩展模式

（3）救灾房（Building）应对灾后恢复阶段。过渡性建筑依靠能源模块展开附属空间，通过模块化的拓展思路，形成多样的空间组合，进一步提升空间的舒适性和多功能性。组合形成更加完善的医疗卫生、居住休息、社区活动、共享交流的社区中心或者家庭居住空间。在更长的一段灾后恢复时间内，通过合理的社区规划和空间布局，逐步完善社区功能，在公众参与的模式下，带动村民共同搭建，完善社区生活功能需求，优化建筑品质，满足灾后更大规模的人群安置和管理善后等工作（图10）。

图9 空间扩展节点

图10 不同救灾模式下的模块拓展

（4）备灾云（Cloud）针对受灾前的备灾阶段。物料都由备灾云系统统一调配，存放在各个仓库中。受灾后，在智慧系统的调控下，以信息流、物质流、时间流的方式整合多种救灾策略成为智慧灾备系统，平战结合，贯穿备灾—救灾—安置—恢复全过程（图11）。

图11 BBBC：可持续应急人居空间的时序性体系

4 BBBC：韧性理论背景下的自然灾害庇护所

韧性也被称为弹性、恢复力等，其概念起源于工程机械领域，表示物体在外力作用下变形后恢复到原始状态的一种能力[12-13]。韧性理论引入灾害风险管理领域，为世界防灾减灾实践提供了新理念，并在国内外韧性城市社区建设中得到广泛应用，形成了“韧性城市”“韧性社区”等概念[14-15]。国家韧性与社区韧性问题已多次成为世界减灾大会上重要性全球性议题。美国联邦应急管理署（FEMA） 在《2018–2022 战略规划》中，提出要建设准备充分的、有韧性的国家，并以此为愿景制定了备灾文化等[16]。韧性理论是在社区空间以及居民自下而上的驱动力与组织能力的有效风险管理方式，相较于自上而下的风险管理模式，韧性理论的需求范围更广[17]。研究发现，韧性理论视角下的社区适灾能力的增加会缩短灾区恢复重建时间，并在后期发展恢复中发挥更明显的作用[18]。

依据可持续发展的理论，在应急人居空间中架构基于社会、环境和经济要素的空间构成模式，设计提出可持续灾后应急的备灾—救灾—过渡恢复的具体策略框架，设计重点探讨“空间韧性”“结构韧性”“能源韧性”3个方面，与之对应的是可持续应急空间的设计、建造和运行3个阶段。

4.1 空间韧性

4.1.1 灵活模组

BBBC 在空间布局上体现出使用模式上的韧性调节。建筑由14个模块组成，根据备灾仓库的尺寸，每一个模块在折叠状态下的尺寸都是1.2m×2.4m×2.7m，其中包含了4个医疗模块（候诊厅、清创、手术模块，图12）、2个儿童活动模块（图13）、1个零售模块、2个设备间模块、1个厕所模块、1个浴室模块、2个厨房模块以及1个展示模块等多种类型的空间形式。14个模块组成了155m2的建筑空间，作为一个灾后公共社区服务中心，为弱势群体提供救助。根据不同灾后需要，功能模块可以排列组合成多种空间功能配置，从而实现不同用途的空间模式拓展，例如灾后方舱医院、救助中心指挥部、临时学校或幼儿园、社区医疗中心、灾民居住安置点等（图14）。

图12 医疗模块室内

图13 儿童模块室内

图14 灵活模组的功能扩展

4.1.2 外向型空间模式

建筑组成了两种不同程度的庇护空间。一是利用脚手架快速搭建起来的棚膜下庇护空间。地震泥石流等自然灾害过后，往往伴随长时间的大雨，这对灾民的救护又进一步提升了难度，并且给物资堆放、物资发放也提出了挑战。BBBC的室外部分是一个大型的棚膜庇护，这种灰空间的营造也同时为一般受灾灾民提供了一个基础的户外活动场所。二是由模块组成的室内空间，则是对弱势群体更深度的保护，例如受伤的灾民，老年人、妇女及儿童。在室内空间通过良好的保温、隔热设计，提升了室内环境的舒适度，给灾后的弱势群体提供更好的居住条件。建筑模块所有的空间出入口都开向半室外的棚膜，利用棚下空间实现通行、等候等需求，这样可以大大压缩室内的空间面积，减少在灾后环境下建造的工程量（图15、16）。

图15 两层庇护：模块庇护与棚架庇护

图16 棚膜下的灾后庇护空间

4.2 结构韧性

4.2.1 全铝结构模块化建筑

作为常见的制造材料，铝型材是同等体积钢、铜或黄铜材料重量的1/3，其材性具有优良的机加工性能，可制造为多种工业化标准构件。此外，铝具有极高的回收性，再生铝的特性与原生铝几乎没有性能差别，是一种典型的可持续绿色建材。在大多数环境条件下，包括在空气、水（或盐水）、石油化学和很多化学体系中，铝显示出优良的抗腐蚀性。因此，铝材在可持续应急空间中，体现出了材料循环利用、工业化加工与建造、轻质耐久等优势。在BBBC策略中标准模块的尺度下（1.2m×2.4m×2.7m），将整体产品的结构重量控制在125kg，这个重量可采用叉车搬运或摩托车托运的交通方式，对灾后路面交通的要求较低，利于快速深入交通不便的受灾地区展开紧急救援和居民安置。基于铝框架和铝材围护的全铝建筑的建造方法以及节点优化设计，BBBC项目优化了设计构件与连接方式，在短期的时间内满足快速建造的要求（图17）。

图17 全铝结构建筑框架

模块化的设计实现了模块的快速拆装和重复利用，结构体系使模块梯次循环使用达到30次以上，从而大大降低了建筑单次使用的成本。板墙之间采用了利于快速搭建的门栓式重型锁扣，每个锁扣的最大夹持力达到3000kg，每个墙板上两个垂直边和一个水平边各3个锁扣，共9个锁扣以及底部一字板连接共同实现墙体承重的稳固结构（图18）。

图18 快速搭建的门栓式重型锁扣连接

4.2.2 快速搭建的半室外庇护空间

由脚手架搭建而成的半室外庇护空间，采用十字型腕扣的连接方式。脚手架本身是为建筑施工过程顺利进行而搭设的工作，平台脚手架采用标准的φ48mm圆钢管匹配十字腕扣，可以实现正交及斜角搭建的多种形式。脚手架搭建十分迅速，在现场仅用1天时间就全部完成，并且每根圆钢管的重量仅有十几公斤，在人工负重的范畴，完全不依赖于机械设备，实现灾后环境下的公众参与（图19）。

图19 十字型腕扣脚手架的半室外庇护空间

4.3 能源韧性

发灾后能源的供给是保障灾区通讯、炊事、取暖的重要保障，对灾后的社区安置极为重要。在供能形式上依据能源韧性理论，考虑到场景的不确定性，有源模块以光伏作为主要能源来源，采用水势能、化石能、生物能、风能、动能互补的弹性供能方式（图20）。BBBC的有源模块实现全直流建筑的构想，从而提升供电系统的用电效率并减少电压转化过程中的能量损耗。全直流建筑不仅能让能源消耗降低10%，在插座等用电末端还能将电压控制在人体安全电压内，实现用电安全、风险可控（图21）。

图20 多能互补

图21 直流建筑系统

建筑屋面上安装N型双面双玻光伏组件，双面主体的光伏电力系统采用光伏智慧能源解决方案，选择高效、高性能的N型双面双玻组件，正面效率大于22%，背面效率大于19%，且兼具无LID、低工作温度、低温度系数、优越的弱光响应等优势[18]（图22，表4）。

表4 BBBC光伏系统参数表，来源：项目组

图22 建筑屋面光伏

农制生计是灾后恢复阶段灾民公众参与策略、共同有序恢复经济收入以及心理纾解的手段。在农业景观用水的策略中，水循环系统整合了生活用水、雨水两部分，通过净水系统实现水循环利用，净水系统结合灰空间内部的景观种植以及建筑四周的种植，形成景观用水的补给（图23）。选用经济类作物作为绿化，雨水经过中庭自制净水装置过滤后，可直接浇灌植物。无水马桶可继续分解废料、处理成为肥料，重新运输至景观位置堆肥，实现资源的可持续发展，让村民通过灾后农制生计，得到一定的心灵纾解（图24-26）。

图23 水循环系统

图24 农制生计系统

5 结语

BBBC项目是一次基于可持续灾后应急建筑项目的尝试。在QSAND体系的影响下，按照灾难时间表，将设计应对的时间段分为：备灾阶段；72小时紧急救援阶段（对应QSAND-PAT阶段）；灾后过渡恢复阶段（对应QSAND-CAT阶段）。建筑依靠太阳能提供房屋所有的能源，发灾后能源的供给是保障灾区通讯、炊事、取暖的重要保障，对灾后的社区安置极为重要。对建造速度和使用者的健康关怀也有更高的要求，实现了“小”而“轻”等优势。

根据联合国报告《灾害的代价2000-2019》1），过去20年间，全球的洪水灾害数量从1389起上升到3254起，增加了两倍多，占灾害总数的40%，影响人数达165万人。其次是风暴灾害，发生数量从1457起上升到2034起，占到灾害总数的28%。此外，干旱、山火、极端气温，以及地震和海啸等自然灾害的发生次数均出现显著上升。可持续发展的核心理念是注重长远、科学规划和追求效率，而关爱和支援灾区的最高境界应是可持续的。寻求更好的灾后救援方案，才能让流离失所者在灾后快速拥有一个温暖、舒适的家。□（项目组成员：李珺杰、张文、黄宇轩、刘媛卉、吴炜、王毓乾、王鹏飞、赵如月、林睿、陈鑫、王浩骏、边文彦、吴玺君、李皓妍、郭子奕、郭昊龙、高炳旭、郭昕晨、姚冠琪、包亚茹、王卓飞、袁诗洁、朱云萍等）

图25 景观石笼

图26 中庭农业种植

注释

1） 联合国报告：气候灾害在过去20年间频度加剧 中国受灾数量居全球之首. 联合国新闻. 2020-10-12.https://news.un.org/zh/story/2020/10/1068912