王珂 塞尔江 哈力克 黄志铮 兰福林
我国建筑领域的能源消耗是全社会能源消耗的重要组成部分，其中建筑运行能耗约占全社会总用能耗的20%[1]。建筑行业的自身特点决定了其在助力我国“碳达峰、碳中和”目标的实现中将发挥关键作用。而乡村建筑作为我国建筑领域的主要部分，由于受到城市发展模式的影响，其低碳可持续发展的前景不容乐观[2]。研究表明，2018年农村住宅的商品能耗到达2.16亿tce，占当年建筑运行总商品能耗的23%，超越了城镇住宅的消耗量[3]。由此可见，乡村已经成为我国实现“双碳目标”的主要阵地，推动乡村绿色建筑发展，降低建筑能耗，成为我国节能减排以及能源变革工作的重点。
2021年**首届美丽乡村竞赛以“新时代、新民居”为题，旨在打造能够反映**地域文化、符合节能理念的新时代民居，以呼应国家乡村振兴战略和“双碳目标”，推动文化润疆工程与低碳社会发展①。本文以笔者团队的竞赛二等奖作品“绿脉、呼吸、生长”为例，探究通过技术创新与地域性文脉相融合，打造“可呼吸、重文脉、易生长”的新时代民居设计，科学合理地引导**农村建筑绿色、节能、可持续发展理念（图1）。
1.1 区域气候特征
项目选址于**吐鲁番夏乡卡拉苏村，其气候环境总体呈现夏热冬冷、日照充沛、干燥少雨、大风频繁的特点[4]。夏季最高温度可达50℃，冬季极端低温可达-30℃，太阳能资源丰富，年日照时数超过3 000h，夏季盛行西北风，冬季盛行东风。因此，在建筑设计中，需要考虑冬季保温和夏季遮阳的双重功效，以及充分利用太阳能资源、改善室内风环境等措施（图2）。
1.2 传统民居的环境适应性与生态智慧
吐鲁番民居多以生土作为主要建材，其良好的热惰性能使建筑无论在夏季隔热还是冬季保温方面都能灵活应对。在建筑技艺方面，高架棚、透空墙的设计可以帮助人们抵御夏季强烈的太阳辐射，增加空气流通。建筑空间向地下的延伸使用不仅解决了食物变质问题，而且由于其冬暖夏凉的优点也常常成为人们的临时居所。值得注意的是，当地居民往往会在屋顶等具有良好通风的地方设置一种四面透空空间，称作“晾房”，可满足当地主要农作物葡萄的晾晒需求，同时也丰富了民居整体的虚实变化，成为当地传统民居的典型地域性特征。历经地域文化、气候条件等多种因素相互影响而形成的传统民居类型，其所蕴含的生态智慧和人文特点，都为今天我们探讨新时代民居建筑文化传承与节能策略奠定了实践基础（图3）。
近年来，随着我国建筑建造模式的不断发展与转型，具备节能环保特征的装配式建筑以其优越的建造方式和独特的管理形式进入人们的视野。而模块化建筑作为预制装配率最高的一种建造模式，具有速度快、质量好、绿色环保等优点[5]，在国家大力发展装配式建筑和乡村振兴的背景下，成为未来农村建筑发展的理想路径。
2.1 模块化构思及尺度确定
目前吐鲁番传统民居仍然以土坯砖作为主要建材。然而传统生土砖在选材环节由于缺乏科学指导，土料质量不能得到保证，导致出模晾晒后易出现裂缝和变形的情况，且当地民居多以居民自建为主，缺乏设计标准和规范的约束，容易出现设计不合理行为。传统土坯营造技术体系下的生土民居耐久性、力学性能差，房屋质量参差不齐，严重限制了新时代背景下村民的居住新需求[6]。而模块化建筑各部分在工厂内预制完成，保证了建造质量，且在施工方式、材料循环利用方面比传统建造方式更加环保、高效，成为解决此种困境的有效措施。
方案充分考虑新技术与地域性特色的融合，首先优化传统土坯砖的尺寸和构造，在保证土料质量的同时，加入天然植物纤维，提高土坯砖的耐久性与强度，使其成为能够标准化建造的新型土坯砖。其次引入模数空间概念，将砖的尺度与居住功能的空间属性结合分析，以600mm作为基本模数，以2 400、3 600、4 800mm作为墙体模数，高度根据民居空间需求统一设定为3m，以此模数空间为基本单元进行设计，以达到通过较少的空间模块满足居住多功能需求的目的（图4）。
2.2 模块单元设计与组合逻辑
依据使用需求与设计定位将建筑分为功能独立的单元模块，模块体系应具备独立、通用、互换的特性[7]。居住单元的基本功能需求包括起居室、餐厅、厨房、卫生间、卧室以及交通等从属功能。一方面，空间单元依据不同功能需求呈现不同的属性与尺度。从空间属性来看，客厅、餐厅、卧室以及储藏空间受家具、设备影响较小，具有一定的通用性与灵活性，而厨房、卫生间易受到设备、管线布置限制，后期不易更改，需一次性整体配置。从空间尺度来看，客厅、餐厅、卧室、储藏、厨房、卫生间依据功能需求尺度依次减小。另一方面，同一功能单元的空间尺度会受到家庭人数的影响，不同的家庭结构所需要的空间容量亦不相同。研究发现，吐鲁番传统的家庭结构趋向于“小型家庭”模式，“主干户”和“核心户”的家庭结构占大多数，另有部分由于年轻人外出生活而导致的夫妻户家庭结构类型[8]。因此，通过对居住空间功能属性与当地家庭结构的分析，方案采用5种基本模块单元，依照不同家庭结构的空间需求将不同尺度的功能单元与模块相匹配，以提升空间适应性（图5）。
居住模块单元的组织是整个方案的基础，当地民居基本单元采用东西长轴的“一字形”平面以及衍生而来的“L形”和“U形”平面[9]，这种体形有利于在冬天获得足够的阳光，同时降低建筑表面的热量消耗。本方案针对3种家庭结构设计出不同尺度的建筑平面类型，皆以传统民居平面为基础，采用“一明两暗”的基本布局，保证功能流线的合理性，同时照顾卧室、客厅等主要使用空间的气候条件。不同平面类型通过置换客厅、餐厅等开放空间模块尺度和增添卧室、卫生间等功能模块进行调整，从而满足不同人群需求（图6,7）。
1 方案鸟瞰图
2 吐鲁番气候
3 吐鲁番民居特点
4 模块化构思
5 模块单元设计
6 模块组织逻辑
7 3种家庭结构平面图
8 呼吸表皮结构
9 呼吸表皮工作状态
3.1 设计灵感
特朗勃墙（Trombe wall）又称集热墙，是由朝南的重质墙体与相隔一定距离的玻璃盖板组成[10]。其原理是利用光能加热室内墙体与外围护结构间的夹层空气，利用热压作用使热空气流入室内，将太阳能转化为热能。但夏季容易出现过热问题，因此特朗勃墙在吐鲁番的应用并不广泛。GIGS光伏板是利用半导体界面的光生伏特效应将光能转化为电能的一种技术，其转换效率高、稳定性强且成本低，但是光伏板通常生硬地固定在屋顶上，使得建筑风貌遭到破坏。
本方案融合两种现代技术优点，从传统民居晾房肌理中得到灵感，设计一种具有地域特色的太阳能呼吸墙，可以灵活调节自身状态以适应外界气候变化，从而实现集保温、通风、遮阳及太阳能利用为一体的可调节墙体设计。该墙体包括内外两层表皮，内表皮为当地常见的夯土墙，墙上开设四个可启闭的气流阀门（上下各两个），外表皮则以钢构架为龙骨，由模数为600mm的生土面板和光伏板交错排布，与窗户对应的位置设置可开启嵌板，除此之外的其余嵌板均不可开启。墙体中间空腔部分用桁架固定，保证结构稳定性，空腔上方交替设置固定的双层Low-E玻璃与可开启GIGS光伏板（图8）。
3.2 呼吸表皮工作状态
太阳能呼吸表皮通过外层可移动嵌板及内表皮阀门的协同控制实现不同模式转换（图9）。夏季不通风时，开启空腔顶部和表皮底层的光伏板，关闭与窗户对应的可移动嵌板和内墙阀门，空腔通过地下风道引入低于常温的冷风，在热压作用下带走内部热空气，从而降低内墙表面空气温度，改善室内热环境，同时减少高温对光伏板的负面影响，提高发电效率。夏季通风时，开启外表皮所有可移动嵌板以及内墙下部阀门，关闭顶部光伏板，从地道引入的冷风通过内墙阀门进入室内，同时将热空气通过外表皮上部开口处排出，从而改善室内风环境，外表皮打开的嵌板能够起到遮阳作用，进一步降低热量侵入。冬季通风时，打开外表皮下部可移动嵌板和内墙上部阀门，将地下风道高于常温的热空气输入室内，实现室内外空气交互流通。冬季不通风时，关闭所有开口使内部形成密闭腔体，一方面通过太阳加热内部腔体空气，另一方面光伏板工作的同时提供热量，从而增加室内保温。太阳能呼吸表皮的应用既可以有效减少冬季室内热量散失与夏季室外热量入侵，又能让室内保持良好的通风条件（图10）。
4.1 “阿以旺”式拔风塔
“阿以旺”是塔里木盆地的典型民居形式，因**南部气候干燥炎热，常有沙尘天气，为了遮阳、防尘和提高室内舒适性，当地人民因地制宜地塑造了此类民居形式[11]。本方案在交通核部分采用凸出屋面的“阿以旺”式通风塔，上部采用吐鲁番民居晾房的镂空形式，内加可调节百叶，顶部设置可透光光伏板。通风塔底部设置蓄水池，与外墙呼吸表皮相互搭配，通过热压通风的方式加强室内自然通风效果，改善室内微气候。顶部透光光伏板在隔离一部分热量的同时间接引入阳光，结合拔风塔形成光井，改善室内光环境（图11,12）。
10 呼吸表皮效果
11 拔风塔分析
4.2 屋面隔热系统
吐鲁番降雨量小，屋顶普遍采用平屋顶形式。在屋顶没有晾房覆盖的区域采用两种策略。一方面，结合屋顶植物、藤架打造屋顶花园，宜选择适合吐鲁番当地夏热冬冷气候条件的植物种类，既能给居民创造舒适的室外休憩空间，又能降低屋面的直接辐射照射。另一方面，使用与呼吸表皮同样的肌理设置光伏通风屋面，通过气流在空腔内流动带走屋顶热量（图13）。
随着我国对生态环境的愈发重视，乡村建筑的可持续发展逐渐成为人们的共识。绿色建筑设计以往就建筑谈建筑，忽视对气候特征、地域特征、居住文化的考量[12]。本方案在充分考虑吐鲁番地域性气候特征和传统民居智慧的基础上，合理利用多种绿色技术与可再生能源策略，尝试总结出新时代干冷区域绿色民居设计策略和方法：结合当地民居的建构方式和家庭结构创新出适宜于当地乡村的模块化设计方法；
将民居晾房肌理和现代节能技术相融合，设计一种多功能太阳能呼吸表皮，同时结合地道通风、蓄水池、“阿以旺”式拔风塔等技术，共同致力于改善室内微气候；
屋顶平面采用晾房、植物藤架、光伏通风屋面增强屋顶隔热效果。在全社会致力于“双碳”目标的今天，探索适合西北地区气候环境和文化特点的新时代低碳乡村设计，对促进西部建筑行业节能减排、推动低碳社会发展有显著的意义，同时也为新时代模块化节能民居设计的地域性推广与干旱区域绿色建筑节能策略提供借鉴与参考。
12 拔风塔效果
13 民居建筑技术分析
注释
①参见**勘察设计官网http://www.xjkcsj.com
图片来源
1,3,10,12,13 作者自摄
2,4−9,11 作者自绘
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