气候适应性营建策略

　　为指导乡村的生态宜居建设，该文期望从中国传统民居气候适应性营建策略中汲取智慧，并以武汉市罗家岗村为例，探索地处夏热冬冷、潮湿多雨地区的“木兰石砌”民居为创造良好人居环境而在建筑选址、建筑组合和建筑单体方面采取的营建策略，通过Ecotect、Phoenics软件模拟分析其气候适应性，并指出乡村生态宜居建设的可持续性在于“低成本”、“低技术”下的“在地建构”与“自然融合”，启发未来乡村民居采用因地制宜的传统气候适应性营建策略，建设更具地域特色的乡村人居环境。

　　关键词：鄂东北;木兰石砌;传统民居;气候适应;营建策略

　　1背景介绍

　　随着社会经济发展和生活质量的日益提升，人们对于建筑环境舒适度的要求也越来越高。在当代科技水平和职业建筑体系下，对于气候的关注逐渐从建筑设计本身剥离，转而由建筑设备解决[1]。但太过依赖于机械手段来进行环境控制也带来了诸多弊端：如造价增加、机械定期维护、对环境造成负面影响等[2]。并且在我国广袤的乡村地区中，受经济、技术条件限制，并不能大面积推广应用建筑设备解决当地气候环境导致的人居环境问题。基于此，建筑与规划学界开始将目光投向利用被动式手段应对气候因素对建筑人居环境影响的民居建筑。作为最朴素的建筑类型，传统民居在顺应环境地理、合理利用本土自然资源，以及适应气候条件等方面的经验值得吸取和借鉴[3]。在我国传统村落中，人们秉承着“道法自然”、“天人合一”等朴素的生态文明理念，在科技力量极不发达的情况下，利用巧妙的营建策略在气候条件不利的地区建造出宜居宜人的乡村民居。这些营建策略最大程度地利用了自然能量，让自然为聚落做功，同时也让人工的能量发挥出巨大的功效[4]。通过对中国传统聚落生态实践经验的图1研究框架总结，以“令人敬佩的把建筑融入自然环境中的才能”、“接受气候的反复无常与地形的挑战”[5]的态度，将其思想和策略应用到现代乡村民居实践中，对于创造美好乡村人居环境具有十分重要的现实意义。在我国众多种类的传统民居中，位于鄂东北地区的“木兰石砌”民居极具特色。“木兰石砌”是指以石为材、运用石块之间的嵌挤力(干砌)或通过砂浆粘合(湿砌)搭建建筑和构筑物的一种工艺，是湖北木兰山一带特有的石砌建造技艺，具有重要的艺术价值和文化价值①。这些以“木兰石砌”工艺建造的民居坐落在我国典型的夏热冬冷且潮湿多雨的地区，但定居其中的村民却因地制宜，通过富有特色的民居营建策略，充分利用当地地质资源和山水环境，克服了对人居不利的气候环境，创造了宜居宜业宜人的美好家园，体现了人与自然和谐共生共建的生态智慧。本文以湖北省武汉市有600余年历史的罗家岗村为例，通过现场测量和Ecotect、Phoenics软件模拟等方法，从民居选址、民居组合和民居单体三个层面探索“木兰石砌”民居的气候适应性营建策略，以期为乡村生态宜居建设提供一些经验和启示(图1)。

　　2罗家岗村自然环境特征及人居条件分析

　　2.1罗家岗村自然环境特征

　　(1)气候环境特征①夏热冬冷。罗家岗村地处鄂东北地区，在气候区划分上属于长江中下游夏热冬冷ⅢB地区，亚热带大陆性季风气候，夏季湿热，冬季寒冷，四季分明[6]。夏季受海陆气温差异影响，吹东南风，冬季受来自西伯利亚的寒风影响，吹西北风。一年中，以1月气温最低，月平均气温2.4~3.2℃;7月最高，日平均气温28.4℃。②潮湿多雨。罗家岗村地区雨水较为丰沛，年均降水量在1000~1200mm之间，雨量大、空气湿度常年达到70%以上，较为潮湿。(2)地质资源特征①多山多石，石质特殊。罗家岗村所在的木兰山地区在新远古时期处于板块张裂的海槽环境，不断经受强烈的火山喷发和板块碰撞，于是岩层发生特殊的变质作用形成了变质岩，最后形成蕴量丰富的片麻石、花岗岩等岩石，石质片片层层[7](图2a)，易于采集和加工，不易风蚀，且有一定的保温隔热性能。②砂质土壤，树木纤细。罗家岗村位于玉屏山和木兰山之间，这两座山脉均属于风化砂壤，养分较低，保水性差，只生长松树、榆树、刺槐等树干较为纤细的树木(图2b)。但砂壤土有一定的粘结性，干时可成块，湿时可感觉粘性，适于制作土坯砖。

　　2.2罗家岗村人居建设条件分析

　　(1)优势：石材资源充裕，且开采方便，建造材料有保障罗家岗村村民的祖先是在1368年—1398年(明洪武年间)跟着移民浪潮从赣北迁徙而来，随之而带来的还有赣北地区砖石结构和木结构相结合的民居建造技艺。木兰山地区石材蕴藏丰富，且片层式的结构使其采集和加工均十分方便，使得罗家岗村村民可以传承、改良祖先建造技艺，在此安居乐业，村落也得以延续600余年发展至今。(2)劣势：夏热冬冷、空气潮湿，如何营造舒适的人居环境是需要重点解决的问题据研究，25℃的环境最适合人类居住、生活，在这个温度下，人体没有冷热感，身体内的毛细血管舒张平衡，感觉非常舒适。除了温度，湿度对于人类生活也很重要，最适宜人类生活的湿度是45%~65%。当湿度大于95%，人体感觉非常闷热，体表排汗受阻，散热不佳，甚至会引起呼吸困难、心情烦闷等情况。但罗家岗村刚好位于夏热冬冷、空气潮湿的地区，如何在这里营造宜人宜居的村落环境实属一个难题。

　　3罗家岗村民居的气候适应性营建策略

　　3.1民居选址中的气候适应性营建策略

　　(1)借用山体阻挡寒风鄂东北地区处于季风气候区，夏季从东南方向吹来太平洋暖湿的气流，冬季从西北方向吹来西伯利亚干冷的气流。所以古人大多把村落、民居建设在北侧有山、南侧开阔的地带，这样冬天可以阻挡寒冷的西北风，夏天可以在炎热的天气中迎来温润的东南风。罗家岗村也不例外，村落西北侧有起伏的罗岗小丘和巍峨的玉屏山脉，形成了罗家岗村的北部屏障，将冬季的寒风抵御在外;南部是山区中难得的开阔平坦地带，引导夏季季风进入村落，在民居周围形成了较为稳定的风环境(图3a)。图2罗家岗村地质资源特征图4凉巷的捕风作用图5槽门、弯水结构的(2)修建水塘引风降温水是人们生存的基础，同时也是调节地区微气候的重要元素。鄂东北地区分布着大量的水系，但罗家岗村的水源于玉屏山脉，距离村落较远，对于村落的温度、湿度调节作用甚少。因此，罗家岗村的村民们在村落南部建造了若干个大小不一的水塘，称为“七星塘”(图3b)。由于水比热容较大，人工水塘可以形成局部水陆风、吸收周边热量，降温除湿，调节村落微气候，让“木兰石砌”民居处于更加舒适宜居的风环境、热环境之中。

　　3.2民居组合中的气候适应性营建策略

　　(1)密集建造，凉巷捕风凉巷在许多南方传统村落中都可以见到，主要通过两种方式营造，一种是通过建筑的排列组合围合出的一条较窄的巷道;另一种则是在民居空间内某一侧留出的一条廊道[8]，在罗家岗村中营造方式是前者，同一个家族的住宅建在一个围墙内共用一个大门，但住宅与住宅之间又相互分离形成狭窄的凉巷(图4a)。这种紧密式的民居组合方式是一种独特的集群化密集建造策略，在充分利用土地空间资源的同时，可以有效地调节民居周围的微气候，改善人居环境的舒适度和安全性，主要表现为以下三点。①凉巷旁的民居山墙距离较近，白天阴影交替遮挡巷道，甚至有的凉巷上面还设置了瓦片顶棚进行遮挡，使得巷道内不会得到过多的太阳直射，温度不会升得过高，因此凉巷会处于一个较为稳定舒适的热环境中。②罗家岗村民居建设大多为南北向，使得民居间的巷道方向与其夏季季风方向基本平行，这让季风可以沿着巷道深入村落。而狭窄的凉巷较普通的巷道更能引导季风进入户间宅院：其一，通过在现场调研实测可以看出(图4b)，在一天中的任何时间，民居外部环境中凉巷内的风速都是最大的;其二，通过Phoneics软件对不同宽度的巷道进行模拟分析可以看出(图4c)，在相同风向、风速的自然风穿过相同方向但宽窄不同的巷道时，较窄的巷道会形成较长的负风压区，导致较窄的巷道的入口风速高于较宽的巷道。由此可见，密集型的民居排布和较窄的凉巷形式可以增强空气流动性，带走湿气，并有效降低巷道内的体感温度。③凉巷又叫做“火巷”，之所以叫这个看似与前面描述的功能相悖的名字，是因为“火巷”的存在使得户与户之间相连又分隔，便于防火防盗[9]。一旦有民居失火，其可以有效地阻隔建筑之间火势的蔓延，提高村落的安全性。(2)槽门弯水，引风入室罗家岗村等鄂东北地区“木兰石砌”民居入口都会进行一定的退让形成一个可以纳凉避雨的休憩空间，这种形式称为“槽门”;同时出于对风水中“藏风聚气”的考虑，其正门不正对门前街巷，这种形式称为“弯水”，如此形成了极具地域特色的建筑入口空间(图5a)。与巷道相通的槽门、弯水结构不仅美化了民居的入口空间，还具有一定的捕风效应，可以将通过巷道的风引入室内，起到降低室内温度，排出室内潮气的作用。具体作用特征表现为以下两点：其一，从现场实测可以看出(图5b)，民居正门的风速大部分时间仅次于凉巷，且较为稳定;其二，通过Phoneics软件对有无槽门和弯水结构的建筑入口进行模拟可以看出(图5c)，在相同的自然风穿过相同的巷道时，有槽门、弯水结构的民居入口处会形成一片负风压区，这会引导自然风减速并转向，往室内流动;而没有槽门、弯水结构的民居形成的巷道内，自然风风速不减，径直流过。由此可见，槽门、弯水形式的入口会引导流经巷道的自然风进入室内，有利于民居的降温防潮。

　　3.3单体民宅的气候适应性营建策略

　　(1)冬暖夏凉的“小天井”建筑形制湖北大部分地区民居的组成单元仍满足中国传统民居的基本格局，中轴对称、纵深布局、厅堂为主、两厢围合、户内庭院，庭有前后“落”、“进”，院分左右“跨”、“别”[10]。罗家岗村“木兰石砌”民居的天井式建筑形制与赣北地区民居相似，天井小而精致，沿建筑进深可布置多个天井(图6a)。通过Ecotect软件模拟室内热舒适度可以看出(图6b)，以夏季温度最高的一天为例，在井深与井径之比大于1.5的小天井民居室内天井附近温度明显低于无天井民居，说明天井形制有利于室内散热;而虽然井深与井径之比小于1的大天井民居散热效果较小天井更好，但夏热冬冷地区的建筑应保证夏季防热同时兼顾冬季防寒[11]，显然其冬季保暖能力也更差。由此可见，采用小天井的形式既可以满足夏天凉爽的需求，又保障了冬季保暖的需要，节能而又舒适。此外，小天井形制在室内通风方面也起到十分重要的作用(图6c)，其原理与普通天井相似，均是白天受到太阳辐射，而使屋内顶部空气受热上升，通过天井形成热压，使得室内空气在热压差的作用下通过天井排出，达到促进室内空气流动的作用。而罗家岗村等“木兰石砌”特色村落民居的通风不同之处在于其室内还存在风压通风，有槽门和弯水的民居入口会形成一个负风压区，从入口流入的自然风则通过天井口排出。热压通风和风压通风相辅相成、相互促进，使得室内湿气得以有效排除。(2)就地取材的建筑材料与兼具保暖隔热功效的墙体砌筑基于资源特点进行合理的建筑选材是各民族早期人居建造技艺的普遍共识[12]。由于木兰山地区山势巍峨、道阻且长，建筑材料的运输十分困难，且空气潮湿，材料易腐化。因此，罗家岗村村民在民居营建的过程中，基于对周边土壤、树木和石头特性的了解，选择了最适宜、最经济的建筑材料。罗家岗村民居外墙并不是主要承重结构，承重的功能主要由木结构框架承担。外墙的作用主要是防潮、防盗、防风雨侵蚀和保温隔热。囿于木兰山地区空气潮湿、木材易腐烂，罗家岗村村民放弃传统的木质外墙营建策略，就地取材，采用石头、砖等当地易获取的材料建造墙体。相较于木材，当地的片麻石和青砖具有更好的保温隔热和防潮防盗性能，村民们根据家庭经济实力，主要采用三种材料通过不同的搭配及工艺建造民居墙体(表1)。为验证罗家岗村村民选择的墙体材料是否具有气候适应性，运用Ecotect软件对年温度最高日时相同形制、相同面积、相同墙体厚度但不同材料墙体的民居室内热舒适度进行模拟分析(图8)，可以看出墙体全部使用片麻石建造的民居和片麻石加空斗墙结合墙体的民居的室内热环境较为舒适，而墙体全部使用青砖砌成的民居室内温度明显比前两者高，最高甚至接近34℃，不适宜村民居住。此外，在实践砌造中，片麻石和青砖空斗墙的墙体会比其他墙体厚1/4左右。由此可见，村民采用的片麻石加青砖空斗墙式墙体很好地解决了民居内夏热冬冷、空气潮湿的问题。(3)顺应气候与灵便实用的建筑构造“木兰石砌”建筑的细节也十分讲究，建筑构造美观精巧且实用，使民居通风、排水、防火等方面均得到提升，充满了生态智慧。①不对称型坡屋顶减少排水设施工程量。罗家岗村内及其周边的“木兰石砌”民居多采用坡屋顶的形式，坡度约为25°，但前后不对称，前坡较短，后坡较长。当相同的降水量落在相同进深但屋顶形式不同的建筑上时，单位时间内对称型屋顶两边承接雨水量相同，因此房屋两侧均需设置排水沟;而不对称型屋顶中，较长屋顶承接的雨水量更大，较短屋顶一侧并无太多雨水滑落，因此排水沟只需设置在长屋顶的一侧(图9a)。这样很好地减少了排水沟建设的工程量，节约了建造资源，并且有利于村民集中收集雨水和村落理水。②小马头墙防火防晒。“木兰石砌”民居的马头墙与安徽和江西民居的马头墙较为不同，其尺度较小，风格独特。马头墙的作用之一便是防火，其突出于民居山墙面，将一栋栋民居分隔开来，以隔绝火势的蔓延，将火势控制在一定区域(图9b1);其作用之二便是防晒，通过Ecotect软件模拟屋顶接受的太阳辐射可以看出(图9b2)，伸出屋顶的马头墙能遮挡一定的太阳对民居屋顶面的热辐射，因此在夏季长且高温照射时间长的鄂东北地区，马头墙有利于降低民居室内温度。③格子门和气窗促进室内空气流动。“木兰石砌”民居采用石质外墙和穿斗式构架营造了稳定的室内环境，因此其室内房间的分隔可以更为灵活多变。民居的门板上多有格子窗、气窗或镂空的雕花，在空间上达到“隔而不断”，使得室内空气可以流通顺畅。甚至有的门板还可以拆卸(图9c)，在夏天卸下方便通风防潮，在冬天再装上以便室内保温。

　　4结论与启示

　　4.1结论

　　本文通过深度调研发现，在夏热冬冷、空气潮湿的不利气候环境下，罗家岗村村民充分利用当地的地理资源特点和石材资源丰富的优势，衍生出独特的、因地制宜的气候适应性民居营建策略。在利用现代软件技术对“木兰石砌”民居的选址落位、空间组合和单体建造三个方面营建策略进行分析后，阐释出其背后的生态与气候响应智慧。这些气候适应性营建策略是在长期的生产生活实践中人与自然和材料适用家庭特性砌造手法优点缺点土坯砖(图7a)经济条件较差成本低，可承重不耐风雨侵蚀可用作内墙或将青砖贴于外侧进行保护片麻石(图7b)经济条件一般成本较低，承重性好，耐风雨侵蚀，保温隔热，易于采集、加工，当地储备丰富耐火性较差无砂浆，通过石块之间的嵌挤力砌造墙体青砖+片麻石(图7c)经济条件较好砌出墙体平整美观，坚固抗压，耐侵蚀，保温隔热，防潮性好成本高片麻石为基底，上部用青砖砌成空斗墙形式，内部填充泥土、砂石表1罗家岗村民居应用的墙体材料及特性谐共生的地域化生态选择，从中折射出前人朴素但富有创造性的基础智慧，对未来乡村生态宜居建设仍具有长远的指导意义。

　　4.2启示

　　如今乡村生态宜居建设正开展得如火如荼，关于乡村建筑节能减排策略的研究亦备受关注。由于城乡之间的差异，以及乡村之所以成为乡村的文化、景观、生态的特殊性，一些城市建筑的节能减排策略并不完全适用于乡村地区，找出气候环境与人居环境的平衡点是乡村民居的生态性所在。在探究“木兰石砌”民居气候适应性营建策略后，本文对未来乡村生态宜居建设进行了一些思考。(1)乡村生态宜居建设的可持续性在于“低成本”、“低技术”下的“在地建构”与“自然融合”生态智慧是基于“强可持续性”观点提出的思维模式和实践准则，即一定区域的经济和社会可持续性最终取决于该地区的环境可持续性[13]。在“木兰石砌”村落的民居建筑中有着前人丰富的生态实践，其传承六百余年至今的关键就在于其营建策略的“低成本”和“低技术”下的“在地建构”与“自然融合”策略。“低成本”指的是低建造成本和低维护成本，村民们就地取材营建村落，利用当地丰富的石材资源节约了建造成本;利用石材、青砖的耐侵蚀性减少了房屋的维护成本。充分发挥了当地各种材料的特性。“低技术”是指的是“木兰石砌”工艺简单易学，鼎盛时期时几乎每家每户都有一个会石匠手艺的人，一家建房大家来帮，邻里和睦，村落因此而得以长久发展。而“在地建构”与“自然融合”则是对于本土环境的形态把握、要素选择、结构安排与资源利用的有效实践，是一种根植于中华传统天人观念、社会伦理、自然价值与技术水平下的整体聚落安排和民宅建造原则在木兰山地区的具体呈现。“低成本”和“低技术”保障了低人力物力条件下乡村生态民居千百年的循环更新，“在地建构”与“自然融合”则以适用、健康的实践内涵支撑了其社会化聚落延绵不绝的良好可持续性。(2)气候适应性营建策略让乡村更具地域风貌特色我国当前对乡村生态环境的修复和保护大多是借鉴于西方发达国家的模式，而前人几千年来秉承着朴素生态观在乡土社会中所创造的众多令人惊叹的生态智慧实践一直在被忽视。传统的技术措施是在长期的生产生活中不断摸索总结修正而形成，具有较强的经验性与环境适宜性[14]。乡村不同于城市，没有足够的人力、财力进行大规模的、高科技的生态基础设施建设。事实上我国乡村最需要的是适应性好、成本低、可持续性高的生态建设手段，而不是高投入、高能耗、绩效模糊的大工程做法[15]。当前需要从传统生态智慧中汲取营养、寻找思路，发挥本地的生态资源特点，因地制宜，针对不同的生态问题提出不同的解决办法。这样不但可以在不破坏自然资源和生态环境的综合体的情况下，发展人类物质财富②的集合体，实现“绿水青山”到“金山银山”的价值转变，也可以充分探索与体现生态与气候差异推动下的人居风貌内涵，改善当前“千村一面”的状况，建设更有地域特色的乡村。当然，这有赖于更加细致深入的建筑、规划设计研究态度与慢工细活的工匠精神的支撑，急功近利的政绩意识与运动模式恐怕与此背道而驰。

　　作者：耿虹 赵东昊 朱霞

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