基金项目:中国工程院战略研究与咨询项目(2022-XZ-38); 国家重点研发计划项目(2019YFD1100900); 陕西省教育厅重点项目(20JS080)
第一作者:何文芳(1984—),女,博士,副教授,主要研究绿色乡土建筑、建筑传热学.E-mail:hwfang@xauat.edu.cn
(1.西安建筑科技大学 建筑学院,陕西 西安 710054; 2.西部绿色建筑国家重点实验室,陕西 西安 710054)
(1.School of Architecture,Xi'an Univ. of Arch. &Tech.,Xi'an 710055,China; 2.State Key Laboratory of Green Building in Western China,Xi'an 710055,China)
vernacular building; archetype; climate adaptability; Turpan; arid climate
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2022.06.006
当今能源短缺、环境污染、气候变化已成为全球危机,寻求解决方法是许多研究领域的主题.乡土建筑作为“没有建筑师的建筑”,已经被证实能够在极少使用暖通空调设备的条件下,为人类提供可接受的热湿环境,展现出良好的气候适应性能与可持续发展潜力[1].
“凡是较优秀的个体建筑或者组群,一条街道或者一个广场,往往都以建筑物形象重复与变化的统—而取胜.说是千篇一律,却又千变万化”[2],同一地域的乡土建筑往往形态上千变万化、百花齐放,类型上则千篇一律、和谐统一.尽管千变万化的形态中积累了丰富多样的气候适应策略[3-7],然而当代社会生活需求、材料建造技术等带来建筑形态巨大变迁,原有策略对新建建筑的适用性备受制约,为此深入理解千篇一律的类型背后,乡土建筑应对气候的普遍规律,即气候适应原型,成为探寻当代建筑、人与气候和谐共生智慧的关键.
我国干旱气候(Arid climate zones with desert and cold arid)主要分布在新疆南部、甘肃、青海和内蒙古西北部等西北边缘地带[8],其中吐鲁番盆地是极端干旱气候代表地区[9],这里夏季过热问题突出,素有“火州”之称,当地乡土建筑蕴含着应对干旱气候的丰富经验.然而吐鲁番盆地在民用建筑热工设计分区中分属于寒冷气候B区[10],新建建筑设计侧重冬季保温防寒,长期忽视夏季防热问题,造成夏季建筑环境品质下降,制冷能耗攀升.为此本文以极端干旱气候为例,在归纳该地区乡土建筑原型基础上,从人体气候适应需求出发,探索乡土建筑运用空间与实体营建适宜环境的典型经验,提炼建筑气候适应原型,量化气候适应性能,为传统气候适应智慧继承与优化发展提供依据.
荣格心理学中“原型”是放之四海而皆准的典型人类经验,建筑原型是特定区域、特定人群建造的所有建筑的共同类型选择和表现特征[11].极端干旱气候条件下,乡土建筑原型是该地人群主动应对恶劣气候的类型化选择,是提炼气候适应原型的基石.
自公元1世纪,吐鲁番盆地历经西汉高昌壁、高昌郡、高昌国、唐代西州、高昌回鹘等历史时期,至1318年高昌故城在战火中被毁,又连续被察合台汗国、准噶尔汗国和中国清政府所统治.在汉文化、高昌回鹘文化、伊斯兰文化相继主导影响下,吐鲁番乡土建筑逐渐成熟完善,形成独具风貌的建筑原型.
吐鲁番盆地夏季酷热冬季寒冷,先民们为了抵御恶劣的气候,很早便确立的独立式、穿套式和内廊式三类空间原型[12].除了用于辅助用房的独立式,后两类空间原型均将房间分为“外室”和“内室”两个层次,其中外室通常作为辅助用房,兼具连接入口与内室的交通功能.内室为主要用房,基于伊斯兰文化对居住私密的重视,内室的空间属性独立封闭且功能复合多元,居民足不出室便可完成起居、餐饮、炊事、休憩和礼拜等日常活动[13-14].为此内室常同时设置火炕、炕桌和用于烹饪的火炉等设施,有时还保留一面不设门、窗、洞口的完整西墙,便于面向圣地麦加礼拜,见图1(a)~(c).
随着伊斯兰文化影响的深入,《古兰经》《福乐智慧》《突厥语大词典》等著作以及喀喇汗王朝、赛依德王朝等时期的法律条文,推动吐鲁番乡土建筑的空间原型成熟完善.一方面,节庆婚丧等礼仪要求细化了居住空间功能,产生了用于重要家庭活动的“正房”居住单元(维吾尔语译为“沙拉依”),与普通三间穿套式空间原型不同,其面宽增加至五间.中间一间为外室(代立兹); 左侧客室(米玛哈那)面宽两间,是迎宾待客的主要场所,装饰华丽考究; 右侧餐室(阿西哈那)主要用于节庆设宴时招待女宾客,也作为冬季举家日常起居的场所[15].另一方面,产生了中庭(阿以旺)、高架棚、檐廊(辟希阿以旺)、高台(苏帕)、种植庭院(哈以拉)等满足生活起居功能需要的半室外和室外空间[16],形成丰富多样的建筑空间类型,见图1(d).
吐鲁番盆地绿洲面积有限且建筑材料匮乏,乡土建筑用材以土为主、木材为辅.根据高昌回鹘时期高昌故城、交河故城,以及麻扎古村等遗址考察发现,该地乡土建筑很早便确立了“土拱窑洞”实体原型,出现地上窑洞、下沉窑洞和靠山窑洞等多种形式[17-18].窑洞采用厚重密实的土壤围护,具有很好的蓄热控温效果,是先民顺应极端干旱气候的实体选择,见图2(a).
此外,先民们还运用木材搭建木屋架,产生了木屋架与生土墙体共同承重的“土木平房”实体原型,不仅形成厚土墙、小格窗、平屋顶等地域建筑风貌特征,还被用于营建开敞的高架棚、阿以旺、辟希阿以旺等半室外空间,将生活空间由室内延伸至室外,见图2(b).
回应不同的资源条件、地形地貌和经济技术发展水平,在剖面上,乡土建筑以“土拱窑洞”和“土木平房”实体原型为基础,形成“下窑上屋”、“靠山退台”两种剖面组合形式.其中“下窑上屋”多为双层,首层采用半下沉的土拱窑洞结构,上层则采用土木结构; “靠山退台”仅在少量山地可见,呈现多层退台形式.
在平面上,乡土建筑以半室外中庭或高架棚为中心,三类建筑空间原型围绕其灵活组合,形成“一”形、“折”形、“凹”形、“对称”形四种平面组合形态,以此拓展对场地环境的适应性,见图3.
适者生存是生物界不变法则,建造建筑是人类适应气候的重要方式,因此建筑的气候适应性追本溯源,始于人的气候适应需求.古有春赏百花秋望月、夏沐凉风冬踏雪的生活意趣,气候环境四季更替,人的需求亦动态变化,建造多样空间类型满足不同时节环境需求,是我国传统建筑惯用手法.
吐鲁番居民采取动态聚居生活方式,使用“冬房”“夏房”和半室外三类核心空间,分别应对严寒、酷暑和过渡时节环境需求.“冬房”为冬季的核心生活场所,通常布置在某个或多个地上内室,远离建筑出入口,空间围合封闭保温,通常开启火炉、火炕采暖,采暖面积约占总面积的37.75%[19]; “夏房”是夏季白天气温较高时的核心生活场所,部分家庭将其与冬房合用,但条件允许的情况下,居民更倾向于使用地下窑洞,利用地下壁面低温营建舒适环境,有时开启电扇或空调降温,降温面积占比约为25.1%; 春、秋过渡季节和夏季早、晚气温较低时,高架棚、中庭、檐廊等半室外空间常作为核心生活场所,相对于封闭的室内,半室外空气流速区间1.0~2.0 m/s,人体对流和蒸发散热量较大,且便于利用夜间低温散热.
这些满足居民环境需求,且被长时间高频率使用的核心生活场所,称为“被调节空间”.而其他低频率使用的建筑空间,包括室外庭院、所有的建筑外室、以及低频使用时段的半室外空间,称为“热调节空间”,见图4.
“冬房”“夏房”“半室外”三类被调节空间拥有迥异的气候资源属性.前两者属性内向封闭,分别依赖采暖设施、地冷能源营造适宜热湿环境,厚重的生土围护结构和极小的窗洞设置将其与室外极端气候隔绝,室内空气流速极低,难以实现自然通风.依据国际标准ASHRAE55—2017[20],通过Climate Consultant软件气候分析,分别确定冬房、夏房中的人体舒适区间,即Adaptive Comfort模式下焓湿图中区间1(Comfort),舒适时长约1 045 h,占全年时间的11.9%.
图5区间7(Adaptive Comfort Ventilation)为人体在室内空间的适应性热舒适范围.根据吐鲁番地区调查分析结果,相比室内,人体在“半室外”具有更强的热适应能力,能接受更宽的热环境范围,其中期望风速达2.05 m/s,可接受温度范围扩大至19.7~34.7 ℃[21],因而舒适时长从1 288 h提升至2 650 h.可见,室内、外多样空间类型动态聚居,渗透着吐鲁番居民主动应对极端气候的毅力和智慧,见图5.
建筑是满足人类社会生活需要的物质空间环境,建筑的气候适应归根结底,是通过空间和实体应对气候,最大限度地降低矿物质能源依赖和实现满足人体需求的物理环境.吐鲁番居民的核心生活场所,包括作为“冬房”“夏房”的建筑内室和高架棚、檐廊等半室外空间,因此当地乡土建筑气候适应原型的核心,是营建满足需求的三类核心场所环境.
针对典型样本的实测结果显示,极端气候条件下,室外、半室外、外室等多样的热调节空间将被调节空间层层包裹,形成对极端气候的逐级衰减,为被调节空间营建舒适环境,见图6.
夏季极端高温向被调节空间“夏房”热传递的过程中,经历了“室外庭院→半室外→地上(外室+内室)→地下(外室+内室)”四层空间的逐级衰减,环境温度呈现显著的梯度下降特征见图6(a).其中,室外庭院承载蒸发降温和增湿策略,调节院落微气候; 半室外空间承载遮阳和通风策略,白天削弱太阳辐射影响以降低环境最高温度,夜间引入室外低温空气降低环境最低温度; 建筑外室承载围护结构蓄热策略,主要贡献于削峰填谷以减小温度波幅; 地下窑洞承载无限厚土壤的高质蓄热策略,提取地冷能源以降低平均温度.
冬季被调节空间“冬房”位于地下和地上的建筑内室A和B,为火炉、火炕取暖工况,极端气候向“冬房”渗透寒冷的过程中,经历了“室外+半室外→外室(地上+地下)→内室(地上)→内室(地下)”四层空间的逐级衰减,环境温度呈现显著的梯度提升特征见图6(b).
其中,建筑外室承载高热质蓄热策略和“门斗”保温策略,提升环境平均温度,减小温度波幅,兼顾减少冷风渗透; 建筑内室承载内部得热和高热质蓄热策略,提升环境平均温度,同时减少热能损失.
不难发现,吐鲁番乡土建筑空间成为气候适应策略的载体,从开敞通透的室外庭院,到顶部界面限定的半室外,到六面围合的外室,再到内向封闭的内室,空间序列层次分明、循序渐进,气候适应策略也随空间有序排布.
将“冬房”“夏房”“半室外”人体热舒适区间与气候适应策略绘制到焓湿图中,得到各类气候适应策略的环境调节范围见图7(b),与气候软件分析结果相比,吐鲁番乡土建筑对夏季强太阳辐射和干旱气候的适应性能更强,但对冬季寒冷气候的适应性能较弱,如图7所示.
(1)图7(a)显示了Climate Consultant软件所得各项气候适应策略的环境调节潜力,由于建筑核心场所多为室内空间,因而气候策略调节范围均在室内舒适区基础上拓展.其中窗户遮阳、高热质蓄热、自然通风、夜间通风、蒸发降温、增湿等气候适应策略,可有效缓解夏季干热环境,内部得热、被动式太阳能集热与蓄热策略可一定程度的调节冬季寒冷环境[22].但仍有7.1%的时间需要主动设备制冷,另有38.7%的时间需要主动设备采暖.
(2)“冬房”作为吐鲁番居民冬季的核心生活城所,承载着内部得热策略,由于炊事、照明及人体散热较大,沿用气候软件分析结果,有效时长近似1 259 h,占全年时长的14.4%.此外“冬房”常布置在地上的内室空间,厚墙、小窗的特点导致被动式太阳能采暖利用不足,因而冬季采暖时长达3 390 h,占比42.9%.
(3)“夏房”承载高质蓄热、风扇通风和遮阳策略.由于常布置在地下内室,生土围护结构和地下土壤蓄热性能好,半室外、外室等热调节空间将其层层包裹,遮阳良好,但室内通风不畅,难以实现夜间通风降温,且依赖风扇设施增加人体对流散热,因而遮阳策略的有效时长等同图7(a)中的区间2(1 286 h,14.7%),高质蓄热的有效时长等同图7(a)中的区间3(278 h,占比3.2%),风扇通风则等同图7(a)中的区间8(639 h,占比7.3%).
(4)自然通风、蒸发降温等策略不再由室内空间承载,而是布置在半室外和室外空间中,相应的气候调节范围在半室外舒适区基础上拓展.由上文可知,在自然通风工况下,人体室外舒适温度范围为19.7~34.7 ℃,因而自然通风策略调节范围即为半室外舒适区,有效时长2 650 h,占比26.8%; 又由于人体在室外空间中的环境需求,突破了在室内静风情况下的湿度限制,即最大水蒸气分压力14 mmHg和最大湿球温度21.9 ℃[23],因而通过合理种植果树、布局蓄水浇灌,蒸发降温策略的有效时长可提升至1 680 h.
如果说吐鲁番乡土建筑的空间是气候适应策略的载体,那么围合、分隔、限定空间的围护结构即为气候适应策略的实体形式.建筑的气候适应性能,最终取决于材料选择和构造方式.依据“内室→外室→半室外→室外”空间递进顺序,衰减极端气候的围护结构应包括封闭、半封闭、开敞三个层次,其位置与构造如图8所示.
图8 极端干旱气候乡土建筑的多层次围护结构
Fig.8 Multi-layered enclosure structure of vernacular buildings in extreme arid climates
封闭层即围合建筑内室的围护结构,内室可作为冬房、夏房等恶劣气候时长期停留的核心生活场所,是远离建筑入口的建筑用房,因此封闭层围护结构属性封闭,无直接对外的门窗,仅在顶部或背墙留有极小的洞口换气,最大程度阻隔了极端气候对核心生活空间的影响; 半封闭层是围合建筑外室的围护结构,外室是位于建筑入口处的辅助功能空间或交通空间,是连接主要功能用房和室外空间的“桥梁”,因此半封闭层围护结构属性半封闭半开敞,冬、夏极端气候条件下门窗关闭以削弱气候的影响,过渡时节则开启门窗将温和气候引入室内; 开敞层是围合高架棚、檐廊等半室外空间的实体与洞口,与地域气候直接相连,因而属性开敞通透.
依据文献可依次确定实体材料导热系数、比热容、密度等热工性能参数[24],以及门窗空气渗透量、换气量等气密性能参数[25],计算得到三层次围护结构的热工性能指标,透明围护结构传热系数4.7 W/(m2·K)[26],单位面积渗透量7.5~9.0 m3/(m2·h),非透明围护结构传热系数范围1.11~2.02 W/(m2·K),总热惯性指数2.74~7.17,如表1所示.相对而言,寒冷B区城市居住建筑围护结构热工设计要求、外窗传热系数1.5~1.8 W/(m2·K),单位面积渗透量3.0~4.5 m3/(m2·h),非透明围护结构传热系统0.30~0.35 W/(m2·K).实体围护热物理参数详见表1.
可见吐鲁番乡土建筑围护结构的蓄热性能较好,热惯性指数明显高于城市建筑,利于应对干旱气候较大的温度波动.然而受到建筑材料、建造技术与经济等条件的限制,其绝热性能远低于现行的城市居住建筑标准,为此采用封闭、半封闭、开敞三层次围护结构,可有效弥补单层围护结构热工性能不足,更好的阻隔极端气候侵扰.
吐鲁番盆地为代表的极端干旱地区太阳辐射强、冬季干冷、夏季干热,采用单一气候适应策略难以有效抵御极端气候侵扰,然而多样的气候策略对建筑空间与实体要求各异,有时甚至相左,兼顾不易.例如自然通风、夜间通风策略要求建筑增加开口面积,而高热质蓄热、内部得热策略则要求建筑封闭保温; 遮阳策略要求对建筑窗口、墙体、屋顶等构件尽可能少接收太阳辐射,而被动式太阳能采暖策略要求恰好相反.
该地区乡土建筑的气候适应建立在多类型空间和土、木实体的基础之上,首先从人体动态气候适应需求出发,划分出多样的被调节空间和热调节空间,从根本上提升人体气候适应能力; 其次以“冬房”“夏房”“半室外”三类核心场所的环境营建为目标,采用“室外→半室外→外室→内室”递进空间序列,分类承载气候策略以协调多样策略矛盾,形成对极端气候影响的逐级衰减,并扩大策略的气候调节范围; 最后运用封闭、半封闭、开敞三层次围护结构,弥补单层围护结构热工性能不足,保障建筑气候适应性能,实现建筑空间、实体设计与气候适应高度融合,见图9.
图9 极端干旱气候乡土建筑气候适应原型图示
Fig.9 Illustration of climate adaptation prototype of vernacular architecture in extreme arid climate
反观当代城市建筑,常常采用高性能集成围护结构或附加建筑构件、部品、主动设备等,调和策略矛盾以应对气候.例如智能控制遮阳百叶、LOW-E真空玻璃、断桥保温门窗、装配式集热蓄热墙、蒸发冷却空调、地源热泵等.由于仅以室内空间为核心场所,气候适应策略常以成品技术形式呈现,采用外围护结构为载体,但与功能空间关系疏离,这是造成传统认知将“建筑气候适应”简单等同于“建筑设计+技术策略”,设计与技术“两张皮”的重要原因.
值得注意的是,吐鲁番乡土建筑气候适应原型是在传统农牧文明约束下建立的,在低能源消耗的同时顺应了极端干旱气候,对当今建筑可持续发展具有借鉴意义,但其适用性亦有不足之处:
(1)该原型立足于小面积、少时段用能的节约型生活方式,要求建筑功能空间设计划分出边界清晰的核心使用空间,这与我国建筑常见的开敞、流通的空间设计迥异;
(2)该原型依赖多样的热调节空间组织气候适应策略,特别是室外和半室外空间对炎热气候的调节意义重大,这种方式较适用于空间成本较低的村镇地区,而在寸土寸金的发达城市区域较为受限;
(3)该原型对冬季严寒气候的适应性能较低,由于以土、木围护结构的绝热与密闭性能较差,尽管户均采暖面积不足40.69 m2,但用能强度达59.2 kgce[19],远高于北方城镇居住建筑用能水平.为此新建建筑不宜盲目追求地域风貌,在条件允许的情况下,合理应用现代建材与建造技术,提升围护结构热工性能.