東北高寒地區(qū)居住建筑構造形式分析與探討

郭建 郭婺 張道明 王丹丹

摘 要：根據(jù)東北高寒地區(qū)地理位置與氣候條件特點，基于現(xiàn)代的建筑設計理論，分析、研究該地區(qū)居住建筑的建筑形態(tài)及居住模式。通過對居住建筑平面設計、形體處理、構造設計等方面的研究，在居住建筑設計中，應注意整體結(jié)構的布局合理，考慮細部的優(yōu)化設計，改善東北高寒地區(qū)的居住條件，提升生活質(zhì)量，營造居住宜人的建筑環(huán)境。

關鍵詞：東北高寒地區(qū);居住建筑;建筑構造

中圖分類號：TU201.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009 — 2234（2019）06 — 0085 — 03

新時代的發(fā)展進步給人們生活帶來很多的便捷，同時在建筑方面也發(fā)生著巨大的變化，在東北地區(qū)，通過新時代的建筑創(chuàng)造力， 應用新觀念、新技術、新方法和新材料建造的節(jié)能環(huán)保、生態(tài)的居住建筑，不僅促進東北高寒地區(qū)綠色節(jié)能的居住建筑形式，結(jié)構類型轉(zhuǎn)型升級，同時也推動了城鎮(zhèn)居住建筑、結(jié)構、節(jié)能一體化設計技術升級與普及推廣。具有東北特色宜人的居住建筑布局形式，滿足安全可靠、經(jīng)濟合理的結(jié)構類型，綠色節(jié)能環(huán)保，技術可行的居住建筑，將營造出良好的宜居建筑環(huán)境，實現(xiàn)東北高寒地區(qū)人居環(huán)境和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

一、東北高寒地區(qū)居住建筑形態(tài)

東北高寒地區(qū)冬季漫長寒冷，持續(xù)時間占全年的1/3以上，凍土期長、凍土深、多風雪;夏季短促且不炎熱。冬季一般時間可持續(xù)為當年11月份開始至第二年3月結(jié)束，這期間盛行偏北風，早晨和夜晚多煙霧、粉塵等且降雪較多、寒風刺骨。冰凍期可長達4個月，越偏向北方越寒冷，冬季持續(xù)時間也越長。在非降雪期，以晴天居多，寒冷且干躁。春、秋兩季氣候特點相似，春季一般是3月末或4月初至5月、9～10月為秋季。春季氣溫升高較快但不很穩(wěn)定，晝夜溫度起伏大，可謂是乍暖還寒。由于此時的溫度波動大、復雜多變且冷暖交替頻繁，常有“倒春寒”“春寒料峭”之說，另一個顯著的氣候特征是多沙塵、大風。春、秋兩季的氣候特征類似，但氣候走向相反。秋季氣溫下降快，降水逐漸減少，降雨即為降溫，俗語有“一場秋雨一場寒”的說法。秋季降水減少、晴天增、常形容為秋高氣爽。但受低壓和寒潮的影響，會出現(xiàn)大風且風速較快。夏季為6～8月，主要氣候特點包括：日照強、天氣炎熱、干燥，多雨時期，暖濕氣流活躍，悶熱潮濕，有時會出現(xiàn)短時的暴雨、雷雨天氣。盛夏多集中在7、8月，全年三分之二的降水量多集中在夏季。根據(jù)東北高寒地區(qū)的氣候特點，建筑物必須保證良好的冬季防寒、保溫、防凍性能，至于夏季隔熱可不作為重點因素考慮。

東北高寒地區(qū)的居住建筑造型較為簡單，結(jié)構形式單一，多以質(zhì)樸、敦厚為主要的建筑特點，由于東北建筑多受厚重實體、構架性能、采暖設施三點的牽制，再加上地形平整、地面寬松等因素，為爭取日照，使得東北民居的建筑單體大多為長方形的規(guī)則平面坐落。住宅的基本型多呈“兩明兩暗”方式，平面的變化基本上受開間的調(diào)整，所以在進深方向幾乎沒有凹進凸出。在居住要求上人們都希望所居住的房屋能夠達到“冬暖夏涼”的室內(nèi)環(huán)境，而且由于北方冬季比較寒冷，所以北方居民較為重視房屋的保溫性能、房屋采光通風是否良好和采暖系統(tǒng)是否完善。并且屋內(nèi)大多選擇暖色系或選擇一些中間色，根據(jù)季節(jié)的不同搭配不同色調(diào)的配飾，以達到視覺上的冷暖感受?！?〕

二、東北高寒地區(qū)居住建筑平面設計

東北高寒地區(qū)建筑物的外墻面積通常占圍護面積的百分之八十左右，在相同建筑面積下，外墻長度的增加，導致外墻面積也相應的增加，也就導致供熱能源的消耗的增加。故在對高寒地區(qū)建筑設計時，首先應通過計算，選擇適當?shù)目缍纫郧笤谕瑯拥慕ㄖ娣e下最小的外墻長度，盡量使建筑物外形簡單，減少曲折，以減少外圍長度。

在高寒地區(qū)，更應充分利用日照，建筑物的朝向應盡量選擇朝南，因冬季的主導風向為西北風，所以建筑物也應選擇南側(cè)開門，生產(chǎn)類建筑在考慮東西側(cè)開門時，首選東側(cè)，同時南側(cè)設窗，走廊設置在北側(cè)。同時也要考慮建筑物之間的間距問題，過大的間距不利于土地節(jié)約，過小的間距則會影響日照，所以在高寒地區(qū)間距也尤為重要。在建筑總平面布置和設計中，應充利用冬季日照，建筑物朝向盡量選擇能夠接觸日光最多的方向，一般采用接近南北方向的朝向，充分利用太陽能，從節(jié)能角度考慮，太陽能是一種潔凈的、可再生的資源，有利于節(jié)約常規(guī)能源，保護自然生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā);從衛(wèi)生角度考慮，太陽輻射中的短波成分有強烈的殺菌防腐效果，室內(nèi)有充足的日照對人體健康十分有利。多結(jié)合相關的太陽能利用技術，為在建筑設計中綜合開發(fā)與利用太陽能創(chuàng)造必要條件?！?〕

在建筑空間布局上，將主要使用空間設置在南向，輔助使用空間、交通空間設置在北向，例如，在住宅中，應將臥室（尤其是主臥）、客廳等，使用頻繁且逗留時間長的房間設置在南向，光照較為充足，北向常放置廚房、衛(wèi)生間、樓梯間、儲藏間等次要房間，合理的安排空間布局，亦能提升居住者的舒適度。

高寒地區(qū)居住建筑主要應考慮冬季保溫設計，建筑物的保溫技術旨在阻止或者減少建筑物溫度的消耗，通過一定的外圍護結(jié)構和室內(nèi)圍護構件來減少熱量的散失。在具體的設計過程中，必須要注意各類有利因素的運用和不利因素的防范。防止冷風的不利影響，通過門窗縫隙進入室內(nèi)，形成冷風滲透，作用在圍護結(jié)構外表面，使其對流換熱系數(shù)增大，加大了外表面的散熱量。選擇有利的建筑體型與合適的平面，相比較而言，建筑物表面積越大，熱損失則越多，建筑物應該盡量避免不規(guī)則結(jié)構，處理好平面與體型的關系，否則只會引起資源的浪費。房間應該考慮其保溫與散熱，房間的圍護結(jié)構具有足夠的保溫性能，控制房間的熱損失。建筑物具有舒適、高效的供熱系統(tǒng)，供熱的間歇時間不宜太長，以免夜間的室溫達不到基本的熱舒適標準。〔3〕

以我國齊齊哈爾市的住宅戶型為例，由于地處我國北方嚴寒地區(qū)，主要考慮冬季保溫，其熱源主要依靠人工采暖，少量依靠日照采光獲取一些熱量。對于新建建筑與既有建筑，建筑墻體比較厚，多采取外墻外保溫的方式，大多要加設保溫板，例如聚苯板、玻璃棉板和巖棉板都具有比較好的保溫效果，并且占用面積小，施工比較方便，所以使用比較普遍，并且戶型大多以正南正北居多，比較重視房屋的采光效果，并要求門窗密封性較好，整體保溫性能較好。

屋頂是每個建筑中的重要組成部分，它不僅關系到內(nèi)部的使用功能，并且對整個建筑的外觀也有很大的影響，屋頂一般分為平屋頂和坡屋頂，在設計過程中通常將各種設計形式相互結(jié)合，尤其在屋頂設計問題上十分復雜，既要考慮排水和防水問題，同時保溫問題也尤為重要，而且越是復雜的屋頂設計其可能引發(fā)的問題越多。同時，屋頂不僅是建筑冬季的失熱構件，而且是夏季受太陽輻射影響大的構件。屋頂作為蓄熱體對室內(nèi)溫度波動起穩(wěn)定作用，所以，住宅屋頂?shù)谋匦阅芎脡模粌H直接影響住宅的能耗情況，而且直接影響居民的熱舒適性能。屋面保溫層不宜選用密度較大、導熱系數(shù)較高的保溫材料，以免屋面重量、厚度過大;屋面保溫層不宜選用吸水率較大的保溫材料，以防屋面濕作業(yè)時因保溫層大量吸水而降低保溫效果。

三、東北高寒地區(qū)居住建筑形體處理

在建筑設計中，形體相互之間應和諧統(tǒng)一，不管是建筑本身，還是各個要素與整體之間，都要保證比例的協(xié)調(diào)。比例是研究建筑各個要素之間的問題，尺度就是研究建筑各個要素之間度量問題的。建筑基本的比例就是人們常見的長、寬、高，不同的尺寸會給人不一樣的感覺。在住宅設計中，應處理好墻面、門窗，陽臺等外立面可見構配件之間的關系。

建筑的外輪廓線能夠反映出建筑物的整體線條及其細部的處理，應采用分明的輪廓線給建筑增添層次感。虛實與凹凸的處理對于建筑物的外觀有著較大的影響，像門窗、陽臺屬虛的部分，視線可以穿過看到其內(nèi)部，墻、柱則屬實的部分，在設計時，應注意虛實的變換。在高寒地區(qū)，居住建筑立面常常表現(xiàn)為實大于虛的視覺效果，給人以心理上的厚重、堅實之感。

在建筑設計中，我們經(jīng)常將所使用的顏色分為冷色與暖色兩類。在我國東北高寒地區(qū)，北向的房間可大多選用暖色調(diào)，南向的房間可選用冷色調(diào)，改變居住者心理與視覺上對溫度的感知。建筑與其周邊的外部環(huán)境之間也存在著一定的熱輻射作用，如：建筑物與建筑物之間，建筑物與周邊環(huán)境之間，只是這種作用相對較小，是次要因素。不管房間的保溫隔熱措施做得如何好，如果打開門窗，外墻的內(nèi)表面溫度和室內(nèi)空氣溫度立刻發(fā)生變化，其原因主要是由室外太陽輻射和室內(nèi)外空氣溫度差造成的，因此改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境的另一種最有效、最合理的方法是改善建筑物的外部環(huán)境。在設計時，不僅要觀察整體布置是否合理，也需要考慮整體和局部的設計是否合理，是否協(xié)調(diào)統(tǒng)一。對于既有建筑可適當考慮調(diào)節(jié)外圍護結(jié)構的外表面溫度。現(xiàn)代居住建筑對于細節(jié)部分構造處理措施仍有待完善。

四、東北高寒地區(qū)居住建筑構造設計

由于東北高寒地區(qū)地理環(huán)境和氣候條件比較特殊，易出現(xiàn)結(jié)霜，返霜等問題，而且能耗量比較大，在居住環(huán)境適宜性等問題上給居住建筑構造設計帶來諸多問題。因此，在東北高寒地區(qū)居住建筑構造設計方面應考慮以下方面。

（一）減少建筑平面布局對結(jié)構的不合理限制

在有規(guī)律的建筑結(jié)構中，因為它的受力局限比較少，并且價格較低。因為不一樣類型的建筑對于使用方面有很多不同的需求，所以對于建筑的設計和布置必須是豐富多彩的，不可以因為之前所規(guī)定的就提出不合理的需求，但是能夠在滿足要求的情況下，對其進行適當?shù)恼{(diào)整。

（二）提高建筑舒適度

應從居住建筑的各個方面來考慮，主要包括裝飾裝修、給排水、暖通、空調(diào)、燃氣、電氣安裝等，從建筑各個角度來考慮，建筑構造設計應該盡可能地滿足建筑平面的使用要求并符合外觀美的需求，建筑在建好并投入使用后，用戶在居住和使用中覺得很舒服方便，這就是建筑構造優(yōu)化設計的要點。所以，構造優(yōu)化設計應該包括結(jié)構的良好選擇，滿足其合理性等，應當盡量提升其使用的舒適度，并把其當作建筑設計、結(jié)構設計的重要組成部分。

（三）建筑結(jié)構整體安全度

可以從兩個角度來切入。一方面主要的影響包括其體型特征、柱網(wǎng)尺寸、層高以及抗側(cè)力構件的位置等，另一個方面主要包括結(jié)構的布置、構件的截面、混凝土和鋼筋強度等級及配筋等。結(jié)構優(yōu)化設計應當思量到建筑各個部分，尤其是比較細小的部分，也不能忽略，令其中的每個部分都安全可靠并合理，保證每個結(jié)構體系的安全性，達到所規(guī)定的目標。所以，結(jié)構設計應滿足整體的協(xié)調(diào)統(tǒng)一并以安全為主的原則?！?〕

另外互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)達并越來越普遍的使用，計算機仿真技術在工程結(jié)構設計中的廣泛應用，也為結(jié)構的安全性的提升保駕護航。由于計算機的高效率工作特點，可以充分利用計算機的優(yōu)勢，設計并建立出模型，提前進行可靠度的分析，完成結(jié)構安全規(guī)定的目標，達到預期效果。

（四）不同構件采用不同的安全系數(shù)

現(xiàn)在中國所使用的結(jié)構計算軟件不能夠精確地表現(xiàn)出現(xiàn)澆樓板的束縛作用，所以，從力學計算方面進行結(jié)構優(yōu)化設計，對于它來說，它的安全指數(shù)就提高了不少。從另外一個方向來說，在對發(fā)生塌陷事件進行調(diào)查的時候發(fā)現(xiàn)，因為樓蓋梁引發(fā)結(jié)構破壞的事件很少的，除非其所計算的原本就是錯誤的;從很多發(fā)生震害的事件中能夠發(fā)現(xiàn)，因地震而發(fā)生的塌陷問題，很多都是因為墻、柱等率先受到破壞所導致的，而這些都是豎向構件，由此可以得出，豎向構件是導致塌陷的主要因素之一。研究發(fā)現(xiàn)，那樣只會使建筑結(jié)構在許多地方出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象。所以，在結(jié)構設計的時候，對于獨立構件、靜定結(jié)構和豎向構件應該選取大的數(shù)值，相反，則可相應的減小，既能減少預算，又能夠保證結(jié)構更加安全可靠。

五、結(jié)語

宜人的居住建筑需要有功能合理的布局和美觀性，同時也必須要有堅實的結(jié)構作保證。因此，為保證建筑美觀并且結(jié)構合理，就要滿足內(nèi)外環(huán)境、建筑空間與建筑功能的相互結(jié)合;也要選擇合理的結(jié)構形式和合適的結(jié)構材料，以保證結(jié)構的剛度、強度和穩(wěn)定性。由于東北高寒地區(qū)獨特的氣候特征和地理位置，冬季氣溫偏低，需要房屋有足夠的保溫性，并且門窗應足夠密實，采暖系統(tǒng)也應十分完善，同時也要有好的采光系統(tǒng)，足夠的日照可以滿足采暖系統(tǒng)所帶來的部分不足，才能保證人們對居住條件的基本要求，雖然高寒地區(qū)夏季短促，但也要保證房屋有良好的通風。尤其高寒地區(qū)居住建筑首要滿足保溫，防止建筑物發(fā)生凍害。對于高寒地區(qū)居住建筑設計和結(jié)構設計問題還應不斷的深入研究和不斷優(yōu)化，以提高舒適度和安全度為準則。

〔參 考 文 獻〕

〔1〕謝丁壽.寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計研究〔J〕.中國化工貿(mào)易，2015，（35）.

〔2〕張劍華.對住宅建筑節(jié)能優(yōu)化設計的探析〔J〕.河南建材，2014，（03）.

〔3〕萬瑤敏.建筑節(jié)能優(yōu)化設計策略研究〔J〕.江西建材，2014，（03）.

〔4〕劉剛.凍害對建筑物造成破壞的原因分析及防控措施〔J〕.科技致富向?qū)В?014，（06）.

〔責任編輯：孫玉婷〕