■ 王 旭 Wang Xu 宋德萱 Song Dexuan

傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系“能量操作”模式研究

■ 王 旭 Wang Xu 宋德萱 Song Dexuan

傳統(tǒng)民居作為當(dāng)代人居環(huán)境中的“活體”，其生態(tài)經(jīng)驗對目前的生態(tài)可持續(xù)設(shè)計有重要的借鑒意義。傳統(tǒng)民居的室內(nèi)環(huán)境，一方面受到外部環(huán)境的直接影響；另一方面也通過圍護(hù)體系的調(diào)節(jié)作用間接地受其影響。通過分析傳統(tǒng)民居應(yīng)對外部環(huán)境的不同應(yīng)對措施，研究圍護(hù)體系對能量不同的操作方式，推導(dǎo)出傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系的4種生態(tài)原型。這些傳統(tǒng)民居的“生態(tài)原型”可以適應(yīng)我國大多數(shù)氣候條件，并且具備較好生態(tài)性能。這是傳統(tǒng)民居應(yīng)對環(huán)境系統(tǒng)的負(fù)反饋機制，也是傳統(tǒng)民居形成地域性特征的重要表現(xiàn)。

傳統(tǒng)民居；能量；圍護(hù)系統(tǒng)；原型

“在我國眾多的建筑類型中，傳統(tǒng)民居是伴隨著人類的出現(xiàn)而產(chǎn)生的最早的建筑類型”[1]。長久以來，作為“設(shè)計者”、“營造者”及“使用者”，我國各族人民根據(jù)自己的生活習(xí)俗、生產(chǎn)需要等條件，結(jié)合本地的自然環(huán)境與資源，因地制宜、因材致用地營建住所，形成了不同地域特色的傳統(tǒng)民居。傳統(tǒng)民居在經(jīng)歷較大尺度的歷史跨度后，仍然作為“建筑活體”而存在，并且在我國很多地區(qū)以“低能耗”的狀態(tài)被使用著。

普遍意義上，傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系的基本功能即是滿足建筑的結(jié)構(gòu)、防護(hù)等要求。作為“過濾器”或“掩護(hù)體”的圍護(hù)體系，是民居建筑空間的“殼”，是空間得以界定的物質(zhì)基礎(chǔ)。從能量角度分析，傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系也是地球圈中能量和物質(zhì)材料流動的一個環(huán)節(jié)。圍護(hù)體系與環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)、能量和信息的交換（圖1），不斷發(fā)生著諸如太陽熱能的傳遞、空氣的流動、雨水的循環(huán)等能量的輸入和輸出現(xiàn)象?？梢姡瑐鹘y(tǒng)民居的生態(tài)性能，對外部環(huán)境資源的充分而合理的利用，必然表現(xiàn)在圍護(hù)體系的形態(tài)、材料等方面。

1 應(yīng)對“能量”的基本方式

世界由物質(zhì)、能量以及信息組成。傳統(tǒng)民居也無例外地存在于物質(zhì)與能量系統(tǒng)組成的“能量場”中。傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系的能量屬性可以理解為外部環(huán)境系統(tǒng)能量資源的“功用性”在“有限的”圍護(hù)體系上的反映。傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系對于外界能量的利用程度及內(nèi)部環(huán)境品質(zhì)的保證具有重要意義?！皣o(hù)系統(tǒng)”的效能性越高，則意味著傳統(tǒng)民居通過圍護(hù)體系所獲得的可利用的外部資源越合理，也越能顯示出傳統(tǒng)民居的地域性特征。美國建筑史學(xué)家瑞納·班納姆（Reyner Banham）在其著作《溫控環(huán)境的建筑》中認(rèn)為：建筑及其構(gòu)件是應(yīng)對環(huán)境進(jìn)行能量操控的調(diào)節(jié)裝置。對于環(huán)境的控制可以歸結(jié)到古代人類針對外界不利氣候環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整的兩種不同的方式[2]。

圖1 傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系與能量的關(guān)系

1.1 建造的方式

圍護(hù)體系內(nèi)空間的溫度、濕度等環(huán)境品質(zhì)，取決于圍護(hù)物的材料以及圍護(hù)物形式。這表明對環(huán)境的控制表現(xiàn)在建筑材料、建筑體形、建造方式等幾個方面（圖2，帳篷的環(huán)境性“行為”：①帳篷將風(fēng)和雨排出在外；②反射大部分太陽輻射，保持室內(nèi)熱量，排除太陽熱能，確保隱私）。這種空間被木材或磚石等堅實的物質(zhì)所限定，羅杰埃在他的著作中把它視為建筑的“雛形”。例如，先人開掘山洞、建造樹居，以擺脫外界不利氣候條件的侵襲。由于這種方式的微觀環(huán)境調(diào)控，其可選擇性相對有限，因此，應(yīng)對外部環(huán)境需要更多地考慮合理地利用形態(tài)、材料，形成適宜性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系。

圖2 建造的解決方式

1.2 能源的方式

古人在冬天點燃篝火獲得溫暖（圖3，篝火的環(huán)境性“行為”：①熱能和光能的輻射范圍；②熱空氣和煙霧彌漫在下風(fēng)向）。篝火提供的熱量和光線以火焰中心為圓心向外輻射并逐漸減少。相對前一種原型，這種方式彌補了在個體環(huán)境調(diào)節(jié)方面的不足，提供給個人以更多的可選擇性。

以上兩種調(diào)節(jié)的方式，在人類早期的自然經(jīng)驗中廣泛、平等地存在。因為圍護(hù)體系的重點在于解決環(huán)境控制的問題，所以建造方式也就可以將其視為研究傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系形成的最本原的因素。

圖3 能量的解決方式

2 圍護(hù)體系能量傳導(dǎo)規(guī)律

我們以“能量流”的原型為基準(zhǔn)來分析傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系?？紤]外部環(huán)境能量及物質(zhì)對傳統(tǒng)民居建筑的輸入與輸出現(xiàn)象，正如楊經(jīng)文指出的：“建筑設(shè)計是能量和物質(zhì)管理的一種形式，其中地球的能量和物質(zhì)資源在使用時被設(shè)計者組裝成一個臨時的形式，使用完畢后消失，那些物質(zhì)材料或者再循環(huán)到建成環(huán)境中，或是被大自然所吸收”[3]。因此，傳統(tǒng)民居的建造和使用實質(zhì)上是對能量使用循環(huán)模式的一種營造，它能保持生態(tài)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定，對生態(tài)系統(tǒng)空間的壓力最少，使來自建造過程和居住活動的能耗及廢棄物最小化。

2.1 能量平衡

從能量與圍護(hù)體系的關(guān)系分析，傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系與周圍環(huán)境和建筑內(nèi)部之間都存在熱傳遞現(xiàn)象。為了形成適宜的室內(nèi)熱環(huán)境，需要對建筑得熱和失熱進(jìn)行動態(tài)平衡。建筑室內(nèi)外的熱交換主要包括九個方面：①通過墻和屋頂?shù)奶栞椛涞脽?；②通過窗的太陽輻射得熱；③居住者的人體散熱；④室內(nèi)發(fā)熱點散熱；⑤壁面散熱；⑥通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱、對流與輻射向室外散熱；⑦空氣滲透和通風(fēng)帶走熱量；⑧地面?zhèn)鳠?；⑨室?nèi)水分蒸發(fā)，水蒸氣排出室外所帶走的熱量（潛熱）（圖4）。為讓室內(nèi)處于穩(wěn)定的適宜溫度，上面各項得熱的總合等于失熱的總合。由此建立熱平衡公式，即1~5項之和應(yīng)等于6~9項之和。

圖4 傳統(tǒng)民居中圍護(hù)體系能量傳遞機理

2.2 能量“熵”減

根據(jù)熱力學(xué)第二定律的描述，當(dāng)能量從一個封閉系統(tǒng)通過時，該系統(tǒng)用于做功的能量會減少，也就是系統(tǒng)中“熵”會增加。一方面，純粹孤立系統(tǒng)的能耗過程總是使得系統(tǒng)的無序度即熵增加，如太陽輻射導(dǎo)致傳統(tǒng)民居內(nèi)部環(huán)境系統(tǒng)溫度持續(xù)升高；另一方面，通常開放系統(tǒng)具有基本的熱力學(xué)特點，即能夠產(chǎn)生并維持具備有“內(nèi)部秩序”的“低熵”狀態(tài)。圍護(hù)體系在能量流動過程中體現(xiàn)出一定效率的同時，自身也能獲得有序的時空結(jié)構(gòu)。這說明對于能量的有效控制，可通過適宜性圍護(hù)體系形態(tài)層面的優(yōu)化，對能量進(jìn)行輸入輸出，從而可使能效發(fā)揮最大的作用（圖5），能量在壁面的傳熱過程。

圍護(hù)體系的熱熵值變化可分為兩部分：首先，系統(tǒng)本身能量衰減的不可逆過程必然導(dǎo)致熵加（dis），此部分值永遠(yuǎn)為正；另一部分是系統(tǒng)本身與進(jìn)行外界物質(zhì)和能量交換引起的熵減（des），這個分項可以為負(fù)值。整個系統(tǒng)的熵變化計算式為：

ds（系統(tǒng)總熵變化）=dis(熵加)+des（熵減）公式（1）

孤立系統(tǒng)中，無內(nèi)外交換能量引起的熵流變化，des=0，則ds=dis，說明孤立系統(tǒng)對于環(huán)境能量有序度基本無關(guān)。而在開放系統(tǒng)中，對于圍護(hù)體系自身功能有序化有利的熵流des可小于零：

/des/ >dis, 則 ds<0 …………………………公式（2）

圖5 傳統(tǒng)民居壁面?zhèn)鳠徇^程

上式表明，傳統(tǒng)民居系統(tǒng)就能量的熵變化可以小于零，系統(tǒng)總熵的減少，能使民居系統(tǒng)保持低熵狀態(tài)。與環(huán)境持續(xù)保持能量開放交流的被動方式即為這樣的耗散結(jié)構(gòu)。例如，濕熱氣候區(qū)域的傳統(tǒng)民居采用特有的開放式建筑形式——干闌式建筑的架空處理，這使得建筑過量的得熱及潮濕所擁有的“焓”能量大部分通過自然通風(fēng)方式得以交換釋放，并維持內(nèi)部空間一定的舒適度區(qū)域。

3 圍護(hù)體系的能量操作模式

《應(yīng)變建筑》（呂愛民，2009）一文中指出，圍護(hù)體系根據(jù)其功能的差別，可以定義為“盲界面”和“活界面”。并指出盲界面是對空間相對隔離的圍護(hù)結(jié)構(gòu)界面，即墻體、樓板或者屋面等。而對應(yīng)的活界面則是能夠?qū)ν饨绛h(huán)境因子選擇性過濾的圍護(hù)結(jié)構(gòu)界面?？梢?，“外界氣候資源分布的共時性與歷時性差異，要求傳統(tǒng)民居對圍護(hù)體系資源的利用過程中，特別強調(diào)因地制宜和因時制宜”[4]。

3.1 圍護(hù)體系的調(diào)節(jié)

根據(jù)上述的分析，傳統(tǒng)民居如何合理有效地通過圍護(hù)體系對能量進(jìn)行操控，以獲得適宜的室內(nèi)熱環(huán)境，是本文研究的目的。我們可以將傳統(tǒng)民居建筑圍護(hù)體系的基本調(diào)節(jié)功能概括為：被動性調(diào)節(jié)與能動性調(diào)節(jié)兩種方式。

3.1.1 被動性調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系的被動性調(diào)節(jié)功能主要體現(xiàn)在對外界不利氣候因素（包括過量的日曬、日照、室外過冷或過熱空氣）的隔離。提高圍護(hù)體系保溫和隔熱能力，保障室內(nèi)熱環(huán)境相對穩(wěn)定的需求，這是圍護(hù)體系基本功能性目的。構(gòu)成圍護(hù)的物質(zhì)因子應(yīng)具有良好熱阻性能，同時也為保持室內(nèi)熱環(huán)境起到穩(wěn)定性作用。而且，圍護(hù)體系的隔熱能力也是雙向的，冬季防止室內(nèi)熱源熱量流出，夏季防止室外熱量過度地傳入。

3.1.2 能動性調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)民居圍護(hù)體系的能動性調(diào)節(jié)功能體現(xiàn)為對外界能量因素（包括陽光及空氣流動）的開放與交換。當(dāng)外部氣候環(huán)境動態(tài)變化相對劇烈時，圍護(hù)體系既需要滿足夏季的隔熱防熱及對外通風(fēng)，同時又要滿足冬季白天引入太陽輻射熱、晚上蓄熱保溫等隨時間的變化要求。如南方傳統(tǒng)民居中的支摘窗，在外部條件合適時，打開支摘窗可以接受外部環(huán)境資源；當(dāng)不利的外部條件出現(xiàn)，如過多的日曬或者暴雨時，可以關(guān)閉支摘窗，以保護(hù)內(nèi)部環(huán)境系統(tǒng)免受或少受外界不利因素的侵?jǐn)_（圖6）。

3.2 圍護(hù)體系的能量操作原型

由于圍護(hù)體系是將外部資源能量向傳統(tǒng)民居內(nèi)部空間導(dǎo)入的介質(zhì)，這決定了圍護(hù)體系對于傳統(tǒng)民居的“資源的功用性”。同時，傳統(tǒng)民居在滿足基本居住需求的同時都應(yīng)該盡可能縮減圍護(hù)體系的量。因為在傳統(tǒng)民居建造完畢后，圍護(hù)體系的量相對穩(wěn)定。此時的圍護(hù)體系也就具備了“資源的有限性”[5]。因此，傳統(tǒng)民居可以根據(jù)圍護(hù)體系對能量的操作模式抽象成某些原型，這些原型必定是應(yīng)對一定的地域性外部環(huán)境。其機理表現(xiàn)出將外界能量資源向內(nèi)部傳統(tǒng)民居空間轉(zhuǎn)移或者隔絕的效用，即能量傳遞的功能性，以實現(xiàn)對外部環(huán)境資源有效和高效地利用?；谏鲜霰粍有耘c能動性調(diào)節(jié)方式的分析與歸納，參照我國不同地域的氣候區(qū)劃，我們可以得到以下4種應(yīng)對外部環(huán)境的能量操作原型。

3.2.1 原型一：能量的阻隔

傳統(tǒng)民居對于相對固定的圍護(hù)體系部分，通過加大圍護(hù)構(gòu)熱阻，提高自身保溫隔熱性能，這種模式主要分布于嚴(yán)寒地區(qū)。例如，西藏碉房位于青藏高原。由于海拔高，太陽輻射強，雨量稀少，氣候干燥，冬季寒冷。氣候環(huán)境變化驟烈，日較差及日夜溫差大。當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)民居多依山而建，以平屋頂?shù)奈菝嫘问骄佣?。建筑形態(tài)呈現(xiàn)封閉式天井或院落，具有較小的體形系數(shù)。加之當(dāng)?shù)刂脖欢倘?，主要建筑材料采用石塊。內(nèi)為密梁木樓層，其外部圍護(hù)體系表現(xiàn)為石墻材質(zhì)的樓房。民居外部比較嚴(yán)實，墻厚窗小，窗墻比常不到20%。這些圍護(hù)系統(tǒng)的特征均傾向于防風(fēng)、保溫和減弱日曬的作用機理（圖7（1））。

圖6 傳統(tǒng)民居支摘窗

3.2.2 原型二：能量的保持

通過使用熱工性能良好的材料，以獲得能量的保持，這種模式主要存在于寒冷地區(qū)。以窯洞為例，分布于陜北黃土高原，地形溝壑縱橫交錯。其氣候環(huán)境特征表現(xiàn)為干旱少雨、陽光充足。當(dāng)?shù)馗缓临Y源，但木材資源缺乏。陜北的沿崖窯洞利用山地地形，采用土層保溫蓄熱，改善室內(nèi)熱環(huán)境。土壤具有較高的熱惰性指標(biāo)，厚重的土層起到一定的絕熱作用。同時，因為其熱惰性較大，外界的溫度波動對民居的圍護(hù)體系僅僅在一定范圍內(nèi)影響，在此范圍外則溫度較為穩(wěn)定。因此，高熱容的外圍護(hù)體系使得民居的能量得以保持，形成一個良好的天然“冷”、“熱”藏庫，呈現(xiàn)冬暖夏涼的生態(tài)性能（圖7（2））。

3.2.3 原型三：能量的交換

通過圍護(hù)體系的通透性，強調(diào)與外界能量交換，通過交換削弱不利的能量因素（濕熱的空氣與熱量），這種模式分布于溫和地區(qū)。云南西雙版納“干闌”式民居地處亞熱帶氣候帶，年降雨量大，常年氣溫較高，濕度很大。其主要的建筑形態(tài)為底層架空的干闌式建筑。這種圍護(hù)體系適應(yīng)當(dāng)?shù)爻睗穸嘤甑臍夂驐l件，其主要材料為就地取材的竹、木。架空層幾排柱子支承上部建筑的重量，木或竹的樓面留縫，使較涼的空氣從底層透入，改善微氣候。上兩層為居住空間，向外開窗，內(nèi)側(cè)為廊，連通各間。屋頂坡度較大，多采用“歇山式”以利屋頂通風(fēng)。飄檐較遠(yuǎn)，重檐的形式有利于遮陽、防雨[6]。干闌式民居中央部分終日處于陰影區(qū)內(nèi)，較為陰涼，為公共性活動用的區(qū)域。這種圍護(hù)體系是通過能量的交換將民居中的焓濕降低，進(jìn)而形成相對適宜的室內(nèi)熱環(huán)境（圖7（3））。

圖7 4種能量操作的原型圖

3.2.4 原型四：能量的通過

對應(yīng)的可變圍護(hù)體系部分，通過圍護(hù)體系界面“應(yīng)變”等方式，滿足在外部氣候條件變化較大時，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系具備一定的可變性，這種模式主要分布于夏熱冬冷地區(qū)。例如，浙江民居位于江南地區(qū)，全年氣候濕潤、雨量充沛。太陽過量的輻射集中在夏季的 7、8 月份。此地區(qū)濕度較大，常年平均相對濕度在 80%左右，具有明顯的梅雨季節(jié)。針對冬季濕冷、夏季悶熱的氣候條件，當(dāng)?shù)孛窬邮紫冉鉀Q建筑的防熱問題，同時兼顧冬季保溫措施。當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)民居形態(tài)多為狹小內(nèi)天井型的合院建筑。夏季，高深的院墻阻擋直射陽光的入射量，遮陽作用顯著，天井處于陰影之中。廳堂檐墻多可拆卸，與開放的天井組合，空間縱向貫通。這種圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系具有很好的導(dǎo)風(fēng)作用，這種能量通過的模式可以在夏季帶走庭院和室內(nèi)的濕氣，并給民居帶來舒適性的微風(fēng)（圖7（4））。

綜合以上的分析與歸納，我們可以看出，不同地域環(huán)境中的傳統(tǒng)民居，圍護(hù)體系在負(fù)反饋機制下，呈現(xiàn)出不同的能量操控方式。其實質(zhì)是對外部資源最合理化的使用。通過ECOTECT軟件生成的數(shù)據(jù)，對不同地域傳統(tǒng)民居進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)整理對比得以驗證出：在被動模式下，不同地域特色的傳統(tǒng)民居應(yīng)對外部環(huán)境表現(xiàn)出不同的效能（圖8）。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)民居在當(dāng)代仍然具有積極的現(xiàn)實意義。但當(dāng)前許多對傳統(tǒng)建筑的繼承過于注重形式層面的繼承，而忽略對傳統(tǒng)民居“原型”及其本源的把握。以至于僅僅將傳統(tǒng)民居當(dāng)作“模型”去仿制，而忽視傳統(tǒng)民居生態(tài)性的“內(nèi)涵”。我們應(yīng)該從更深層次上認(rèn)識到人們最基本的需求與建筑存在的意義。從傳統(tǒng)建筑的生成和演變過程中，發(fā)掘其合理應(yīng)對能量的內(nèi)在“生態(tài)”內(nèi)涵。建立“人、建筑、自然”三者動態(tài)平衡的認(rèn)識觀。這是傳統(tǒng)建筑所蘊涵的長久生命力與精神所在，也是我們進(jìn)行建筑可持續(xù)設(shè)計的根本原點與最終目標(biāo)。

圖8 不同氣候區(qū)劃傳統(tǒng)民居的被動措施（根據(jù)ECOTECT軟件數(shù)據(jù)整理）

[1]張濤.國內(nèi)典型傳統(tǒng)民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣候適應(yīng)性研究[M].西安:西安建筑科技大學(xué),2012.

[2]黃舟.生態(tài)建筑類型學(xué)研究初探[D]. [碩士論文].武漢:華中科技大學(xué),2005.

[3]李保峰,李鋼.歷史的轉(zhuǎn)折點[J].城市建筑,2006(7):7.

[4]呂愛民.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的資源屬性[J],華中建筑,2003(6):27.

[5]呂愛民.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的資源屬性[J].華中建筑,2003(6):28.

[6]謝浩.我國傳統(tǒng)民居氣候設(shè)計的啟示[J].住宅科技,2007(6):51.

Study on the "Energy Operation" Mode of the Enclosing System of Traditional Dwellings

The ecological experience of traditional dwellings, as "living body" of contemporary living environment, can be used for important reference for nowadays ecology sustainable design. In respect of the indoor environment of traditional dwellings, on one hand it is directly inf uenced by external environment, on the other hand it is indirectly in f uenced by the enclosing system through its function of adjusting. By analyzing various measures of traditional dwellings for dealing with external environment and studying various energy operation modes of the enclosing system, it deduced 4 varieties of ecological prototypes of enclosing system of traditional dwellings. These "ecological prototypes" of traditional dwellings can adapt to the most of climate conditions of China and have favorable ecological performances. This is both the negative feedback mechanism of traditional dwellings to environmental systems and important manifestation of regional features formed by traditional dwellings.

traditional dwellings, energy, enclosing system, prototype

2016-01-10）

國家“十一五”科技支撐計劃項目資金支持，課題編號：2008BAJ08B04-5。

王旭，同濟(jì)大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院博士研究生、講師，國家一級注冊建筑師；宋德萱，同濟(jì)大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，中國建筑學(xué)會建筑技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員，中國綠色建筑專業(yè)委員會委員，國家一級注冊建筑師。