陜西關(guān)中輕鋼民居的綠色建構(gòu)＊

2022-03-21 08:39虞志淳侯藝

建筑技藝 2022年1期

虞志淳侯藝

虞志淳西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院教授。

侯藝西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院碩士研究生。

1 研究背景

近年來(lái)彩鋼板及輕鋼材料在農(nóng)村廣泛使用，廉價(jià)的工業(yè)化外觀使村莊喪失了傳統(tǒng)風(fēng)貌。為了改善農(nóng)村建筑風(fēng)貌、傳承地域特色，2018 年國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動(dòng)方案》，提出要消除公共和庭院空間中臨時(shí)私搭亂建和隨意堆放的生活雜物，彩鋼板成為拆除整治的對(duì)象。但是，輕鋼結(jié)構(gòu)具有標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、快速施工、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)（表1），因而如何推動(dòng)并形成符合農(nóng)村長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)的鋼結(jié)構(gòu)住宅，成為亟待解決的課題。

2 輕鋼民居

鋼結(jié)構(gòu)依據(jù)結(jié)構(gòu)自重和承載能力劃分為輕鋼與重鋼結(jié)構(gòu)。茩前常見(jiàn)的輕鋼結(jié)構(gòu)為冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)（輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系）、輕型鋼框架結(jié)構(gòu)（應(yīng)用于工業(yè)廠房等較大使用空間的建筑類型，民居較少使用）、謝英俊輕鋼結(jié)構(gòu)和新芽系統(tǒng)等（表2）。陜西關(guān)中農(nóng)村民居主要使用鍍鋅鋼管及強(qiáng)度較好的冷彎薄壁C型鋼。輕鋼結(jié)構(gòu)是低層建筑首選的綠色形式，代表了裝配式、工業(yè)化新技術(shù)方向無(wú)論在新建還是傳統(tǒng)民居改造中均具有推廣意義。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，輕鋼民居已經(jīng)獲得一定應(yīng)用，并在災(zāi)后重建中顯示出應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

表1 鋼結(jié)構(gòu)住宅特點(diǎn)

表2 輕鋼結(jié)構(gòu)體系比較

將工業(yè)化與傳統(tǒng)建造相結(jié)合，形成半工業(yè)化輕鋼結(jié)構(gòu)體系，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。冷彎薄壁型輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高，是新型的輕鋼結(jié)構(gòu)，性能好但建設(shè)成本與難度均較高。而新芽系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、熱工性能、工業(yè)化等方面較優(yōu)，價(jià)格適中。在幾種輕鋼結(jié)構(gòu)中，臺(tái)灣建筑師謝英俊的輕鋼民居探索最具代表性，該體系采用C型冷彎薄壁型鋼材，從傳統(tǒng)穿斗式木結(jié)構(gòu)中尋找靈感，優(yōu)化歐美的輕鋼龍骨體系，結(jié)合地方傳統(tǒng)材料，減少用鋼量和構(gòu)造節(jié)點(diǎn)，用螺栓快速連接輕鋼構(gòu)件，成本低、建造速度快（圖1）。

3 綠色建構(gòu)

陜西關(guān)中民居是三秦大地最具代表性的合院民居形式，最大特點(diǎn)是單坡屋頂，院墻高大封閉、厚重質(zhì)樸，戶戶毗連、渾然一體。主要建筑材料是傳統(tǒng)的青磚、灰瓦和生土（土坯磚與夯土），具有樸素的原始生態(tài)性。但是，傳統(tǒng)關(guān)中民居已經(jīng)不再具有生命力，在材料、技術(shù)與思想觀念等方面都面臨變革。

當(dāng)前，關(guān)中農(nóng)村將彩鋼板及相關(guān)輕鋼材料多作為零配件用于主房屋頂、院落頂棚、儲(chǔ)藏間、陽(yáng)光房、圍護(hù)墻體、衛(wèi)生間、檐口等位置，尚未形成系統(tǒng)的輕鋼民居建筑體系。彩鋼板作為屋頂材料雖然輕質(zhì)高強(qiáng)、防雨，但是相較于傳統(tǒng)民居與磚混民居其熱工性能差（圖2），外觀美觀度不高，需要進(jìn)行相應(yīng)的材料構(gòu)造設(shè)計(jì)，改善保溫隔熱性能，完善空間形態(tài)與材料肌理。本研究以謝英俊輕鋼體系為基礎(chǔ)，結(jié)合其他結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行輕鋼民居設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)建筑元素、材料同現(xiàn)代工業(yè)化建筑結(jié)合，探索綠色建構(gòu)策略。

3.1 平面設(shè)計(jì)

在平面設(shè)計(jì)中結(jié)合輕鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)靈活布置的特點(diǎn)，提出模塊化空間設(shè)計(jì)下的基本生活功能空間，以及空間的可變性、生長(zhǎng)性原則，實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)性。

關(guān)中民居的核心功能空間為主臥室、廚房、餐廳、衛(wèi)生間；次要空間為次臥室（易空置）、儲(chǔ)藏空間?？蛷d較為特殊,既是戶主人會(huì)客交友的重要空間，又有一定的可變性和混合性。隨著生活水平的提高還可能出現(xiàn)書房、健身房、棋牌室、茶室等附加空間。此外，關(guān)中農(nóng)村房屋空置現(xiàn)象普遍，為了減少不必要的房間，需根據(jù)實(shí)際生活生產(chǎn)需求有選擇地建設(shè)。

空間功能組合原則如下：

（1）以客廳空間為樞紐，主要使用空間位于東西兩側(cè)，預(yù)留南北兩側(cè)作為可變生長(zhǎng)空間。

（2）餐廳結(jié)合客廳布置，儲(chǔ)藏室、樓梯間結(jié)合北向院落布置，室內(nèi)相對(duì)次要空間結(jié)合室外過(guò)渡空間形成可變生長(zhǎng)空間。

（3）易閑置的臥室及其附屬功能作為村民后期加建的生長(zhǎng)性空間布置于民居二層，契合村民建房習(xí)慣。

模塊化空間設(shè)計(jì)，既符合輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的特性又能與墻體板材相匹配。我國(guó)頒布的《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》（JGJ 2019-2010）、《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50018-2002）等多項(xiàng)輕鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中都說(shuō)明模數(shù)網(wǎng)格線應(yīng)為基本設(shè)計(jì)模數(shù)的倍數(shù)，推薦采用600mm 的模數(shù)，結(jié)合關(guān)中民居需求得出如表3 所示的適配數(shù)據(jù)。

3.2 造型設(shè)計(jì)

民居建筑多為1～3 層的低層建筑，造型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于屋頂。方式一：橫向（南北向）分解建筑體量，以雙破屋頂為原型，將其看作是兩個(gè)單坡屋頂?shù)慕M合，再將單坡屋頂前后、上下拉開(kāi)一定距離使建筑體塊分解，形成雙坡、單坡屋頂共存的效果。該類屋頂可增加屋頂采光，利于南向太陽(yáng)能板的布置（圖3）。方式二：豎向（東西向）分解建筑體量，直接使用傳統(tǒng)關(guān)中民居單坡屋頂造型（圖4）。

雙坡屋面坡度約為35°，單坡屋面坡度接近30°。根據(jù)坡屋頂挑檐南外窗上的陰影高度計(jì)算公式，按照西安夏至12點(diǎn)太陽(yáng)高度角75°、窗臺(tái)高度0.9m、層高3.2m計(jì)算，屋檐挑出0.5m，此時(shí)南外窗即可形成1.5m的陰影，從而解決夏季遮陽(yáng)問(wèn)題。

表3 新輕鋼民居功能房間尺寸適配表

1 謝英俊輕鋼結(jié)構(gòu)體系

2 白水縣堯頭村民居冬季室內(nèi)溫度變化圖

3 ,4多樣化造型設(shè)計(jì)

3.3 材料肌理

屋面選取彩鋼瓦楞板等類似的金屬板材，傳統(tǒng)關(guān)中民居多為青瓦仰鋪，顏色為灰黑色?？赏ㄟ^(guò)類似的顏色肌理來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代材料的地域性表達(dá)，選取間隔205mm、210mm，厚35mm、38mm 規(guī)格的梯形或者V 形彩鋼瓦楞板，顏色為灰色系、棕黑色系。墻體可選取草泥、木材、青磚、紅磚等傳統(tǒng)材料，或貼仿青磚紋理瓷磚、真石漆等體現(xiàn)地域性。同時(shí)，輪廓基地突出墻體約120mm，即一磚寬的距離，區(qū)分裝飾填充區(qū)域（圖5-7）。院墻是民居的重要組成部分，也是村民區(qū)分內(nèi)外的主要手段。院墻設(shè)計(jì)選擇鏤空砌筑墻體，能帶來(lái)更好的鄰里交往與空間趣味性（圖8）。

3.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)輕鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本作為填充系統(tǒng)，可以靈活使用相應(yīng)的材料滿足不同空間的功能要求。關(guān)中地區(qū)屬于寒冷氣候分區(qū)，屋面、墻體應(yīng)兼顧冬季保溫、夏季防熱的作用。輕鋼結(jié)構(gòu)屋面主要有兩種形式，其一是在屋頂檁條或者椽條上進(jìn)行屋面構(gòu)造，這種屋面與傳統(tǒng)屋面建構(gòu)形式相似；其二是用木板將鋼結(jié)構(gòu)屋頂斜梁整個(gè)包裹，與檁條或者椽條上的構(gòu)件合為一體，避免屋頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)暴露在室外，防止產(chǎn)生冷熱橋。同時(shí)也可選用秸稈保溫板、草土泥等環(huán)保材料，用于屋頂保溫（圖9）。

輕鋼民居外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)靈活可變。一層外墻使用添加水泥、草筋等生土材料，結(jié)合保溫材料、混凝土空心磚等形成復(fù)合保溫墻體；二層及可變空間外墻使用易拆裝的復(fù)合保溫輕質(zhì)板材，這種上輕下重的組合方式有利于加強(qiáng)輕鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（圖10）。保溫材料主要選擇防火性能較好的玻璃棉板。一層外墻緊貼輕鋼結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)壁進(jìn)行砌筑，生土材料結(jié)合鋼筋網(wǎng)加木龍骨進(jìn)行建造,鋼筋網(wǎng)片的使用可防止墻體開(kāi)裂。墻體基礎(chǔ)可選擇水泥、青磚、紅磚等材料砌筑，在靠近室內(nèi)地坪以下的垂直外墻面增設(shè)保溫層，墻角包磚應(yīng)緊貼主體墻體進(jìn)行砌筑，改善輕鋼結(jié)構(gòu)冷熱橋問(wèn)題（圖11）。

由民居冬季剖面（圖12）可知，北向院落封閉后形成北向氣候緩沖空間，坡屋頂下氣候緩沖空間、陽(yáng)光間、取暖空間三處過(guò)渡性空間對(duì)主體建筑進(jìn)行保溫，加上室內(nèi)北向儲(chǔ)藏室、廚房衛(wèi)生間對(duì)主要臥室形成二次保溫。夏季剖面（圖13）主要展示建筑通風(fēng)效果，將客廳天窗和陽(yáng)光間用黑紗網(wǎng)遮蓋，北向窗戶小于且高于南向窗戶，加上天窗、坡屋頂?shù)妮o助作用，使熱空氣上升從而加強(qiáng)通風(fēng)效果。

3.5 支撐結(jié)構(gòu)

根據(jù)規(guī)范和謝英俊輕鋼結(jié)構(gòu)實(shí)踐案例，輕鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)以600mm 為基礎(chǔ)，主要模數(shù)有1 200mm 和1 800mm 兩種。材料應(yīng)符合《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》（JGJ 209-2010）和《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》（JGJ 227-2011）的相關(guān)要求。梁柱式輕鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)柱、梁的相互穿插，搭接成一榀榀屋架結(jié)構(gòu)，再通過(guò)橫梁連成一體（圖14）。

4 性能分析

使用模擬軟件DeST—h進(jìn)行分析，驗(yàn)證輕鋼民居的保溫隔熱性能。通過(guò)文獻(xiàn)整理主要使用材料熱工參數(shù)（表4），選取DeST—h中的合適材料新建組合，模擬模型中外墻、內(nèi)墻、屋頂?shù)任恢盟褂玫慕ㄖ?gòu)件，具體參數(shù)如表5所示。

表4 主要使用材料熱工參數(shù)

表5 主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

5 對(duì)裝飾填充區(qū)域改變的立面形式

6 豎向劃分的立面形式

7 橫向劃分的立面形式

8 鏤空墻面砌筑示意圖

9 屋頂構(gòu)造形式

10 墻體保溫構(gòu)造

在模擬中將房間設(shè)置為空房間來(lái)減少人為因素干擾，氣象數(shù)據(jù)選取軟件中西安地區(qū)的數(shù)據(jù)。

經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，輕鋼民居全年熱負(fù)荷為6 581.17kW·h，根據(jù)1kW·h 約0.172kg 標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，采暖面積耗標(biāo)準(zhǔn)煤約8.98kg/m，接近建筑節(jié)能的65%（標(biāo)準(zhǔn)煤8.75kg）。輕鋼民居冬季保溫性能較好，冬夏舒適度較高，夏季還可以通過(guò)增加植物遮擋、陽(yáng)光間、天窗等遮陽(yáng)措施提升隔熱性能（圖15）。

此外，參照《陜西省農(nóng)村特色民居設(shè)計(jì)圖集》中陜南19 號(hào)民居輕鋼民居方案造價(jià)分析，關(guān)中輕鋼民居造價(jià)約1 200 元/m，價(jià)格適中。由于輕鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)本身與墻體占空間小，比磚混結(jié)構(gòu)每100m多出約7m使用面積，因而更加經(jīng)濟(jì)適用。輕鋼民居還具有可回收再利用的優(yōu)勢(shì)，是性價(jià)比高、綠色生態(tài)的建筑體系。

5 結(jié)語(yǔ)

輕鋼民居的綠色建構(gòu)以輕鋼結(jié)構(gòu)和鋼材的合理使用為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)關(guān)中農(nóng)村現(xiàn)狀特點(diǎn)，采用現(xiàn)代與傳統(tǒng)材料相結(jié)合的方法，提出功能平面模塊化、空間可變性、生長(zhǎng)性、保溫節(jié)能、建筑風(fēng)貌地域化等建構(gòu)設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)輕鋼民居的空間塑造及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能功效，探索新材料、新技術(shù)的地域性綠色建構(gòu)方法，尋求性能化綠色技術(shù)與地域文化結(jié)合的輕鋼民居建筑設(shè)計(jì)方法。