史 津，齊思彤

(天津城建大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300384)

建筑與規(guī)劃

北方地區(qū)傳統(tǒng)民居被動(dòng)式建筑節(jié)能初探
——以天津楊柳青石家大院為例

史 津，齊思彤

(天津城建大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300384)

中國(guó)傳統(tǒng)民居形式各異，建筑師通過(guò)對(duì)建筑布局、空間形式以及材料選取等對(duì)建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減低由地域氣候、環(huán)境以及自然條件對(duì)居住者帶來(lái)的不適感，創(chuàng)造出較為宜居的居住環(huán)境．筆者以楊柳青石家大院為例，初步分析了中國(guó)傳統(tǒng)民居的被動(dòng)式節(jié)能理念．

石家大院；傳統(tǒng)民居；被動(dòng)式；節(jié)能

隨著科技的發(fā)展，多樣的智能化產(chǎn)品運(yùn)用在建筑中，在帶給居住者便利與舒適的同時(shí)，也產(chǎn)生一些負(fù)面的影響．例如，室內(nèi)采暖及制冷設(shè)備的普及在一定程度上即時(shí)的滿足了使用者對(duì)溫感的需求，利用一些非常規(guī)能源替代常規(guī)能源以達(dá)到節(jié)約的目的，但卻忽略了其本身排放大量的能源和對(duì)資源的消耗．人們逐漸開(kāi)始意識(shí)到建筑的排放“垃圾”對(duì)大自然乃至整個(gè)地球的破壞，“綠色”與“生態(tài)”必須參與到建筑設(shè)計(jì)中．設(shè)計(jì)師開(kāi)始著手利用更合理的建筑布局、形體組合方式，更契合的外部環(huán)境，巧妙的構(gòu)造設(shè)計(jì)以及優(yōu)化材料配置，并通過(guò)合理的運(yùn)行管理來(lái)達(dá)到滿足室內(nèi)舒適環(huán)境的目的．這種被動(dòng)式節(jié)能方式，甚至可以達(dá)到零排放與零消耗的節(jié)能目標(biāo)，這種被動(dòng)式節(jié)能方式在中國(guó)北方傳統(tǒng)民居建筑中一直被沿用至今．

1 被動(dòng)式節(jié)能在北方傳統(tǒng)民居中的應(yīng)用

在高能耗的“大機(jī)器”出現(xiàn)之前，設(shè)計(jì)者只能在建筑本身上做文章．古代設(shè)計(jì)者巧用被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，使得傳統(tǒng)民居在低產(chǎn)出的前提下，為居住者提供相對(duì)適宜的居住環(huán)境，與自然環(huán)境相融相生．也正是因?yàn)檫|源大地有著不同的氣候特征、自然條件以及人文歷史背景，伴隨著歷史、經(jīng)濟(jì)、文化等要素產(chǎn)生了不同地域特點(diǎn)的建筑面貌[1]．傳統(tǒng)民居中的被動(dòng)節(jié)能技術(shù)，是一種不增加額外能耗，通過(guò)自身的布局、材料、做法，充分利用自然環(huán)境和條件，達(dá)到舒適與節(jié)能的技術(shù)．被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)并不是把人群從自然中隔離，而是因地制宜，因勢(shì)利導(dǎo)，這些都為如今的現(xiàn)代居住建筑設(shè)計(jì)提供了莫大的啟示．

北方民居建筑受到氣候和地理?xiàng)l件的影響，使得形制、結(jié)構(gòu)和材料以及空間布局都體現(xiàn)了較為鮮明的特點(diǎn)[2]．由于寒冷干燥，民居形式主要以防寒保暖為首要條件，加厚墻體以保溫．在建筑密度的控制上，北方民居建筑間距略小，但傳承庭院式空間格局，一是為了減少陽(yáng)光入射角，獲取充足的陽(yáng)光；二是為家庭提供一個(gè)便于聚會(huì)的小型空間．屋內(nèi)則縮短近深和高矮，盡量減小面積，聚集熱氣．北方傳統(tǒng)民居在屋頂?shù)钠露仍O(shè)計(jì)上，較為平緩，使得熱量能散發(fā)到屋內(nèi)，同時(shí)可將糧食擺放在屋頂上晾曬．北方民居的設(shè)計(jì)不僅在構(gòu)件上有地域性的特色，外墻的顏色也同樣可以起到被動(dòng)式的保溫作用，且多選用吸熱的灰色．同樣，傳統(tǒng)民居設(shè)計(jì)師也會(huì)根據(jù)當(dāng)時(shí)的可用條件，打造火炕火墻等主動(dòng)采暖方式．

2 被動(dòng)式建筑節(jié)能案例分析：石家大院

2.1 氣候環(huán)境分析

素有“華北第一宅”之稱(chēng)的石家大院，地處華北平原東北部，坐落于天津市西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)，地勢(shì)較為平坦．石家大院身處地域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季悶熱伴有集中降雨，冬季較為寒冷[3]．由于北方特殊的氣候特點(diǎn)、地理環(huán)境和人文情況的影響，石家大院采用了天津獨(dú)有的四合套院庭院式設(shè)計(jì)．

2.2 民居選址

傳統(tǒng)民居的選址在當(dāng)時(shí)受到風(fēng)水影響頗大，中國(guó)人的“風(fēng)水學(xué)”并非憑空捏造，而是歷經(jīng)人類(lèi)長(zhǎng)期的實(shí)踐積累經(jīng)驗(yàn)，而后總結(jié)，加以文字修飾而獲得．風(fēng)水學(xué)實(shí)則遵循自然法則，反映了人類(lèi)與大自然和諧相生的規(guī)律．北方民居多背陰抱陽(yáng)(見(jiàn)圖1)，“背陰”是指：盡量保證南面不要有建筑物或障礙物，從而充分采納陽(yáng)光；通過(guò)北面的建筑物或障礙物抵御北方冬季的寒風(fēng)，起到保暖的作用．“抱陽(yáng)”是指南面臨水：一方面可提供古人飲水或生活使用；另一方面水域可使房屋迎風(fēng)納氣，調(diào)節(jié)環(huán)境的舒適度．

圖1 石家大院選址“背陰抱陽(yáng)”

2.3 院落布局

北方民居由于自然條件的影響，以抗寒、保暖、采光、爭(zhēng)取日照為主要目的．四合套院的形式較為集優(yōu)的體現(xiàn)了北方民居建筑的特點(diǎn)．石家大院以南北縱軸對(duì)稱(chēng)左右而生，軸線為主要建筑物，向外層層擴(kuò)散，南側(cè)為入口及生活用房，北側(cè)和西側(cè)為輔助型用房和仆人房，西側(cè)為功能娛樂(lè)區(qū)(見(jiàn)圖2)，為生活區(qū)帶來(lái)抗寒遮陽(yáng)的作用．偌大的花園安排在西南角，為穿梭在功能用房中的使用者帶來(lái)了美景，整個(gè)西側(cè)休閑娛樂(lè)區(qū)域增添了院落的生氣．四合套院的形式使每一個(gè)小院的主人都有相對(duì)獨(dú)立和私密的空間，正房與廂房違和的小院落也提供了相對(duì)私密的活動(dòng)空間，每個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小合院的使用者也可以在屬于自己的小院落內(nèi)種植一些花花草草，多在院落內(nèi)種植喬木，夏季遮擋陽(yáng)光，冬季落葉后又可以充分納陽(yáng)．

圖2 石家大院院落布局

2.4 建筑節(jié)能措施

2.4.1 墻體

在以防寒保暖為主要目的的北方，墻體的材質(zhì)與形式尤為重要，建筑的東、西、北三面外墻均使用土坯墻，南面為木裝修，即“三封一敞”式．民居通常加厚北墻，阻擋寒風(fēng)，加大南面的開(kāi)窗面積，吸納陽(yáng)光[4]．

由于古建筑多選用木材作為建筑構(gòu)件，墻身選用夯土墻，所以防雨成為保護(hù)建筑的重要技術(shù)問(wèn)題．在不同地域自然因素以及文化背景的影響下，建筑的外檐作為防雨構(gòu)件也多體現(xiàn)了地方特點(diǎn)．大部分北方傳統(tǒng)建筑多選用磚石為材料，形式多為封護(hù)檐式(見(jiàn)圖3)．石家大院在處理山墻防雨時(shí)，將夯土墻上釘草排，又稱(chēng)之為“蓑衣墻”．

影壁經(jīng)常出現(xiàn)在傳統(tǒng)民居大門(mén)之內(nèi)，在功能上，一方面起到了增強(qiáng)私密性的作用，遮擋院內(nèi)人與外人直接的視線對(duì)接，往來(lái)賓客并不能直接觀察到院內(nèi)的景象．同時(shí)雕琢精美的影壁[5](見(jiàn)圖4)，是外人進(jìn)入院內(nèi)的第一印象，提升住宅的氣勢(shì)；另一重要的功能是作為防風(fēng)的屏障(見(jiàn)圖5)，防止風(fēng)由開(kāi)敞的大門(mén)直接灌入院內(nèi)．

圖3 石家大院山墻

圖4 影壁

圖5 影壁防風(fēng)

2.4.2 窗

合院式民居，多不在最外圈建筑臨街的一側(cè)墻上開(kāi)窗，保障其私密性的完好，不會(huì)使街上喧鬧的聲音傳入私人的宅院內(nèi)．院內(nèi)的建筑盡量增大南面的開(kāi)窗面積，吸納白天的天然日光，減少北面和西面的開(kāi)窗面積，以避免熱量流失．窗戶的形式多為雙層支摘窗(見(jiàn)圖6)，冬季防風(fēng)保暖性能強(qiáng)，到了炎熱的夏天，可以將下窗扇取下，支起上窗扇，保持屋內(nèi)的通風(fēng)，降低溫度[6]．

2.4.3 保溫集暖

寒冷的北方民居都會(huì)采用火炕，作為冬日必備取暖設(shè)備，石家大院也不例外．火炕用磚或土坯建炕間墻，形成回旋煙道，在上面覆蓋石板，在加泥摸平后鋪炕席就可以使用．炕洞選用土坯材料，導(dǎo)熱性強(qiáng)，且熱氣不易消散．普通北方民居多數(shù)將火炕灶口與灶臺(tái)相連，在廚房燒柴做飯的同時(shí)將火炕點(diǎn)熱，節(jié)省能耗．而石家大院等大戶人家，將灶口獨(dú)立設(shè)置于前檐廊下(見(jiàn)圖7)，保證院內(nèi)每一間屋子的熱源穩(wěn)定與充足．至于屋內(nèi)的集暖問(wèn)題，設(shè)計(jì)者采用類(lèi)似如今地采暖的構(gòu)造方式加以解決，將方磚懸空架構(gòu)在梅花垛上，互相交錯(cuò)形成煙道，從西方的地爐灶燃燒木炭而來(lái)的熱氣穿過(guò)地下層煙道向上供暖，最后順沿東北面墻內(nèi)暗藏的煙道從屋頂排除．

圖6 雙層支摘窗

圖7 石家大院火炕燒火口

2.5 自然采光

石府戲樓是現(xiàn)今中國(guó)保存最為完整的一座民宅封閉式戲樓．整個(gè)單體建筑巧妙地運(yùn)用被動(dòng)式技術(shù)讓使用者在享受戲曲的同時(shí)，聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和觸覺(jué)都有較為舒適的體驗(yàn)．

戲樓由南至北，依次為后臺(tái)區(qū)、舞臺(tái)區(qū)和賓客區(qū)，地勢(shì)由低到高．戲臺(tái)朝北，賓客向南，可較好地利用自然光線，使得站在舞臺(tái)上的表演者在陰柔的陽(yáng)光下繪聲繪色地表演，并不會(huì)受強(qiáng)光滋擾，如圖8所示．回廊之上設(shè)置一圈高墻采光，但陽(yáng)光無(wú)法直射到樓內(nèi)任何一個(gè)座位，不會(huì)造成聽(tīng)?wèi)蛘叩囊暠J覺(jué)障礙．屋頂采用定式，采光效果極佳，通過(guò)屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)與太陽(yáng)高度角的變動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)光照與溫度，如圖9所示．

圖8 石家大院戲樓采光示意

圖9 石家大院戲樓節(jié)能示意

2.6 空氣流通

由于古代的設(shè)計(jì)者巧妙地運(yùn)用被動(dòng)式節(jié)能的技術(shù)手法，使北方的人們?cè)诤L(fēng)刺骨的冬日可以選擇在暖暖的戲樓中喝茶賞曲．相反炎炎夏日，戲樓的使用者也完全不用擔(dān)心悶熱的天氣會(huì)帶來(lái)不適的體感而影響賞戲的心情．地爐空氣流通，東西兩側(cè)偶有陣陣清風(fēng)拂過(guò)，高窗空氣對(duì)流，方磚青石也為聽(tīng)?wèi)蛘邘?lái)一絲涼意．

3 被動(dòng)式節(jié)能的設(shè)計(jì)手法總結(jié)

城市快速發(fā)展，但同時(shí)也帶來(lái)了全球氣候變暖、資源耗費(fèi)嚴(yán)重、環(huán)境污染加劇等負(fù)面效應(yīng)．人均耗能量的提升，給國(guó)家乃至全球都帶來(lái)了較為嚴(yán)重的負(fù)面影響．所以節(jié)能設(shè)計(jì)逐漸成為建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中較為重要的考慮因素．所謂被動(dòng)建筑設(shè)計(jì)并不是通過(guò)設(shè)備減少能量消耗或提高能量效率，而是通過(guò)建筑設(shè)計(jì)手段，適應(yīng)環(huán)境而改變建筑朝向、制約建筑體形、計(jì)算最佳的窗墻比以及引用因地適宜的節(jié)能技術(shù)、充分利用自然資源等達(dá)到最低消耗．

3.1 調(diào)整合理性建筑布局

在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)師首先要對(duì)項(xiàng)目所在地區(qū)環(huán)境要素進(jìn)行充分的調(diào)查和研究，在有效利用自然資源的同時(shí)，盡可能規(guī)避不利的影響因素．如今高新的技術(shù)可以勘測(cè)出當(dāng)?shù)靥?yáng)的照射強(qiáng)度與角度，通過(guò)季節(jié)和風(fēng)向的變化等本地的氣候和環(huán)境條件，可較為精確地計(jì)算出最優(yōu)的建筑朝向，同時(shí)給出較為合理的設(shè)計(jì)建議．例如，對(duì)建筑體量的控制，綠化率的控制等，可通過(guò)被動(dòng)式設(shè)計(jì)手法，調(diào)整出較為合理的建筑布局，達(dá)到冬暖夏涼的溫感．

3.2 營(yíng)造宜居性內(nèi)部空間

在研究石家大院內(nèi)部的空間設(shè)計(jì)后要求設(shè)計(jì)師對(duì)建筑內(nèi)部空間在功能和美觀性上作出調(diào)整，同時(shí)也要考慮當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境因素，最大限度地利用自然風(fēng)與自然光源，減少空調(diào)與采光等輔助設(shè)備的耗能．例如，由于氣候寒冷及要求充分采光，北方住宅多為板式，縮短近深，盡量使陽(yáng)光散落到每一個(gè)房間的角落．南方對(duì)于通風(fēng)的要求較高，在住宅的建筑立面內(nèi)凹形成陰影小氣候區(qū)，近而設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的凹凸空間形成陰影，從而造成溫差以解決通風(fēng)問(wèn)題．但由于外表皮面積過(guò)大會(huì)導(dǎo)致能耗的提升，所以平面凹凸不易過(guò)多，力求完整．

3.3 探索可持續(xù)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)

以石家大院為代表的北方傳統(tǒng)建筑多以控制外墻厚度、選用適合的建筑材料以及窗戶開(kāi)敞大小來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，達(dá)到夏季將熱量隔絕在外，冬季阻隔熱量散出的效果．現(xiàn)代建筑除了沿襲這些設(shè)計(jì)手法，還從科學(xué)上將圍護(hù)結(jié)構(gòu)得到發(fā)展，利用建筑表皮，這樣一個(gè)聯(lián)系建筑內(nèi)外的媒介來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度．例如設(shè)置雙層立面(見(jiàn)圖10-12)，在保溫、隔熱、隔聲、節(jié)能方面都由優(yōu)于傳統(tǒng)幕墻．雙層玻璃幕墻由內(nèi)外兩層玻璃幕墻組成，中間形成夾層，冬季關(guān)閉外層玻璃表皮，夏季開(kāi)啟，中間空氣層起到緩沖作用，以此通過(guò)開(kāi)啟或關(guān)閉某個(gè)立面層次以控制室內(nèi)的溫度[7]．

圖10 雙層玻璃幕墻

圖11 GSW總部大樓立面

圖12 DEBIS總部大樓立面

3.4 采用優(yōu)化性節(jié)能技術(shù)

設(shè)計(jì)師在建筑設(shè)計(jì)之余，還會(huì)因地制宜地采用輔助的設(shè)施給使用者帶來(lái)更為舒適的體感．由于我國(guó)北方冬季漫長(zhǎng)，寒風(fēng)刺骨，北方人民發(fā)明火炕作為取暖設(shè)施，通過(guò)較大的炕面將熱量排放到整個(gè)屋內(nèi)，不僅給坐在火炕上的人帶來(lái)直接的溫感提升，也能將暖意帶到屋內(nèi)每一個(gè)角落．由于當(dāng)時(shí)石家大院建造時(shí)，科技較為落后，火炕也造成了資源浪費(fèi)、環(huán)境污染、操作困難等問(wèn)題．現(xiàn)代設(shè)計(jì)師可以通過(guò)燃燒和傳熱的原理，對(duì)舊式火炕的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的改造，使其通風(fēng)性好、燃燒充分，起到了節(jié)能的作用．如今，這種新式火炕仍然運(yùn)用在經(jīng)濟(jì)條件較差的北方農(nóng)村，并且受到農(nóng)民的一致好評(píng)．太陽(yáng)能作為另一種環(huán)保新技術(shù)，在建筑領(lǐng)域得到廣泛推廣，設(shè)計(jì)師主張高效利用自然能源為建筑提供能量，太陽(yáng)能不僅在建筑上滿足傳統(tǒng)意義上調(diào)節(jié)冷熱和發(fā)電的要求，而且其技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)向更廣泛的方向延伸，例如提供熱水、吸收式制冷、通風(fēng)降溫、控制自然采光等．

3.5 融入地域性自然環(huán)境

高樓聳立的城市中，人們與大自然的距離越來(lái)越遠(yuǎn)．隨著使用者對(duì)生態(tài)要求的提高，設(shè)計(jì)師將綠化融入到建筑設(shè)計(jì)之中．在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)盡量保留地區(qū)原有植被，特別是一些已經(jīng)生長(zhǎng)成熟的大型樹(shù)木，可以起到遮陰納涼的作用，其樹(shù)蔭也給人們提供休閑的空間[8]．同時(shí)，可根據(jù)空間布局適當(dāng)?shù)匾敕袭?dāng)?shù)刈匀簧L(zhǎng)的人工植被，不僅讓使用者在視覺(jué)上有貼近自然的感覺(jué)，更重要的作用是能提升整個(gè)空間的空氣質(zhì)量，減少通風(fēng)壓力，同時(shí)也展現(xiàn)出地域性的建筑特點(diǎn)．

4 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)民居的被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)，在當(dāng)時(shí)只是為了提高生活的舒適性，順應(yīng)自然而采取的一些僅對(duì)建筑布局、空間、構(gòu)造優(yōu)化的設(shè)計(jì)手法．在如今的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的推動(dòng)下，人們對(duì)舒適度的要求也越來(lái)越高，單靠這些被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)手法已經(jīng)不能完全滿足當(dāng)下人們對(duì)舒適度的需求．但是，由于這些被動(dòng)式技術(shù)可以更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀粭l件，如何將這種技術(shù)與現(xiàn)代高智能設(shè)備結(jié)合使用，減少運(yùn)行時(shí)間，降低耗能，也將會(huì)對(duì)“綠色建筑”的發(fā)展提供有價(jià)值的參考．

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Energy Efficiency of Traditional Local-Style Dwelling Houses in Northern Passive Building：A Case Study of Courtyard of Shi Family Tianjin

SHI Jin，QI Sitong
(School of Architecture, TCU, Tianjin 300384, China)

There are Chinese traditional residence forms, architects use different designs such as the building layout, space form and material selection of architectural designs, to reduce the regional climate, environment and natural conditions of discomfort to the occupants and to create a more livable living environment. Based on Courtyard of Shi Family Tianjin as an example, this paper preliminary analyzes the passive energy efficiency concept of Chinese traditional local-style dwelling houses.

courtyard of Shi Family；traditional residence；passive；energy efficiency

TU241.5

A

2095-719X(2016)05-0315-05

2015-10-20；

2015-11-23

史 津（1966—），男，天津人，天津城建大學(xué)教授，博士．