基于地域特征的關(guān)中地區(qū)工業(yè)化低能耗村鎮(zhèn)住宅參數(shù)化設(shè)計研究*

宋 戈 郭志鵬 薛 強 塞米·庫爾班

(1.西北工業(yè)大學(xué), 西安 710068; 2.西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)計研究院, 西安 710055)

0 研究背景

我國村鎮(zhèn)住宅總面積約占全國建筑面積總量的38%[1],但傳統(tǒng)村鎮(zhèn)住宅存在抗震能力較差、結(jié)構(gòu)整體性較弱、建造房屋資源消耗量大、建筑功能不完善等問題[2]。如今基于我國“雙碳目標(biāo)”的引導(dǎo),在人口老齡化、勞動力成本上漲等社會問題的宏觀背景下,工業(yè)化程度更高、能耗更低的村鎮(zhèn)住宅建筑體系,包括輕鋼龍骨房、鋼框架房、預(yù)制混凝土墻體房、保溫結(jié)構(gòu)一體化房等都得到了一定的發(fā)展,房屋的安全性能、熱工性能、使用功能都有了改善與提升。本文則圍繞EPS(聚苯乙烯泡沫)模塊低層現(xiàn)澆混凝土復(fù)合墻房屋體系(簡稱EPS模塊房)展開研究。EPS模塊房體系是將工廠加工的、帶有插接企口的空腔聚苯模塊進(jìn)行拼裝,空腔內(nèi)植入鋼筋再澆筑混凝土形成的保溫與結(jié)構(gòu)一體化的房屋。常見EPS模塊房鋼筋混凝土墻體厚度13 cm,兩側(cè)EPS保溫層厚度總共12 cm(圖1),使得EPS模塊房兼具良好的抗震和保溫性能,且以插接拼砌、澆筑為主的施工工藝對傳統(tǒng)務(wù)工人員難度較低(圖2)。

我國最早介紹EPS模塊房的報道見于2006年[3],通過多年的發(fā)展,已推廣至很多北方地區(qū)。從2018年起,EPS模塊房被大規(guī)模引入關(guān)中地區(qū),科研團隊對此進(jìn)行了跟蹤研究。軟件模擬測試表明,配合節(jié)能門窗使用,相較于傳統(tǒng)磚房其能耗節(jié)約75%以上。其中有藍(lán)田農(nóng)戶反映冬季能節(jié)約取暖費一半左右,而夏季需要打開空調(diào)的時段也大大減少。然而隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,關(guān)中地區(qū)的村落空間越來越不具有地域特征及可識別性[4],新建房屋缺少體現(xiàn)農(nóng)村現(xiàn)代生活又符合地域特色的相關(guān)研究[5]。關(guān)中地區(qū)是中華文明的發(fā)祥地之一,在工業(yè)化低能村鎮(zhèn)住宅的推廣過程中,若豐富的傳統(tǒng)民居文化在大量的新建村鎮(zhèn)住宅中得到傳承,有著多方面的價值和意義[6],而這需要從關(guān)中村鎮(zhèn)住宅的設(shè)計特征開始剖析。

圖1 EPS模塊示意Fig.1 The schematic diagram of EPS module

1 關(guān)中村鎮(zhèn)住宅設(shè)計特征

1.1 傳統(tǒng)村鎮(zhèn)住宅(約2010年之前)設(shè)計特征

關(guān)中傳統(tǒng)村鎮(zhèn)住宅原型為完整的三合院、四合院,但以“窄院”(圖3)為變體特征,有節(jié)約用地、遮陽御寒、防風(fēng)防沙[7]等優(yōu)點,產(chǎn)生了如“黨家村”這樣的名居瑰寶(圖4)。隨著農(nóng)村社會經(jīng)濟條件的變化與發(fā)展,在20世紀(jì)末的建房高峰后,現(xiàn)存大部分關(guān)中地區(qū)的村鎮(zhèn)自建住宅特征總結(jié)如下。

1)尺寸特征:原則上關(guān)中平原地區(qū)宅基地面寬一般為3間房,每間約3.3 m,總共面寬9.9 m,進(jìn)深一半為面寬的2倍[8]。但由于地形、人口、習(xí)俗等原因,面寬實際一般在9～11 m間變化,其中不乏12～15 m寬的宅基地。而在一些人口眾多、用地較為緊張的村落,面寬7 m左右的兩間房宅基地則較多。

圖3 傳統(tǒng)“關(guān)中窄院”典型示意 mmFig.3 Typical plan of traditional Guanzhong narrow courtyard

圖4 黨家村航拍Fig.4 Aerial view of Dangjia Village

2)布局特征:現(xiàn)存關(guān)中地區(qū)村鎮(zhèn)住宅整體規(guī)劃的重要特征是聯(lián)排式和行列式布局,雖然共用界墻的方式已經(jīng)基本消失,但是相鄰兩戶山墻的緊密連接利于降低能耗。同時各戶之間門房位置基本保持平齊,而各家內(nèi)院和正房在尺寸和高度上都不盡相同,造就了房屋主體多樣但街道界面統(tǒng)一的和諧風(fēng)貌。而傳統(tǒng)的“關(guān)中窄院”由于廂房和內(nèi)院采光不佳,且由于常住人口減少等原因,現(xiàn)存村鎮(zhèn)住宅大多只留一側(cè)廂房甚至不做廂房,內(nèi)院留作活動場地或菜園(圖5、6)。

3)建造特征:關(guān)中地區(qū)村鎮(zhèn)住宅主要建造方式經(jīng)歷了木結(jié)構(gòu)屋頂與土坯墻組合、木結(jié)構(gòu)屋頂與磚墻組合、預(yù)制混凝土樓板與磚墻組合、現(xiàn)澆混凝土樓板與磚墻組合的演變歷程。立面材料隨著經(jīng)濟水平的發(fā)展則經(jīng)歷了土胚磚、清水磚、涂料粉刷、粉刷石、白色瓷磚、仿石瓷磚、真石漆涂料的演變歷程,裝飾主要以門楣瓷磚、門口獅子瓷磚等象征化的構(gòu)件為主。不少農(nóng)房缺少構(gòu)造柱、保溫和防水設(shè)計。漏水成為最常見的性能缺陷,導(dǎo)致近年來關(guān)中地區(qū)不少村鎮(zhèn)流行起將內(nèi)院甚至整個房屋用輕鋼雨棚遮蔽從而減少漏水的做法(圖7)。

圖5 草堂村某農(nóng)戶內(nèi)院Fig.5 The courtyard of a rural house of Caotang Village

圖6 草堂村某農(nóng)戶平面 mmFig.6 Plan of a courtyard house of Caotang Village

圖7 長安區(qū)草堂村航拍示意Fig.7 Aerial view of Caotang Village

1.2 新時期村鎮(zhèn)住宅(約2010年之后)設(shè)計特征

大約在2010年后,隨著經(jīng)濟的發(fā)展和原有村鎮(zhèn)住宅質(zhì)量的衰敗,新一輪的建房熱潮悄然興起,各種工業(yè)化低能耗村鎮(zhèn)住宅嶄露頭角。戶型設(shè)計和建造也從相互模仿、參照圖集演變到今天可以從各種網(wǎng)絡(luò)平臺選擇戶型及外觀設(shè)計,并由專業(yè)施工隊進(jìn)行施工的方式。經(jīng)過調(diào)研,戶型特征總結(jié)如圖8所示。

1)院落式布局向獨立式布局轉(zhuǎn)變,內(nèi)院灰空間消失;現(xiàn)代社會家庭等級觀念淡化,傳統(tǒng)合院住宅通過內(nèi)院建立起的宗法禮制不復(fù)存在;同時根據(jù)調(diào)研“窄院”有采光不佳、空間分散導(dǎo)致現(xiàn)代生活不便捷的問題。所以住戶更偏向獨立式住宅,院落從內(nèi)向型向外向型轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)獨立住宅前面一個開敞院子的情形(圖8)。新式住宅在使用、采光、通風(fēng)等性能方面更趨向于城市住宅,但獨立式住宅的生活空間更為封閉,不利于鄉(xiāng)村活力的激發(fā)[9]。且內(nèi)院的生態(tài)價值被忽視,同時不少農(nóng)戶選擇通透式圍墻,也使得原本整齊劃一的街道界面發(fā)生了巨大的變化。

圖8 集中式、獨立式農(nóng)宅F(xiàn)ig.8 Independent and centralized rural houses

2)聯(lián)排方式的減少:新型房屋大多采用“歐式”風(fēng)格,屋頂造型較傳統(tǒng)農(nóng)房的硬山頂復(fù)雜,四周設(shè)檐口出挑,自然使得聯(lián)排方式不能延續(xù)。加之圖集和網(wǎng)絡(luò)電商一般都提供標(biāo)準(zhǔn)化戶型,使得房屋面寬與宅基地面寬一致的傳統(tǒng)被破壞。

3)“歐式”風(fēng)格大行其道:關(guān)中地區(qū)自建房住戶偏向使用帶有“歐式”風(fēng)格的建筑構(gòu)件,如寶瓶樣式的欄桿和帶有凹槽的簡化羅馬柱式。所謂“歐式”建筑裝飾構(gòu)件生產(chǎn)工藝簡單,欄桿為混凝土預(yù)制構(gòu)件,柱式也通過模具進(jìn)行現(xiàn)場澆筑。而中式建筑構(gòu)件造價較高、施工工藝復(fù)雜、施工周期長,很少被普通住戶選擇和使用。因此,“歐式”風(fēng)格在關(guān)中農(nóng)村新建房中盛行,可能并不是由于“崇洋媚外”,而是與工業(yè)化程度、造價息息相關(guān)。

2 基于地域特征的EPS模塊房參數(shù)化設(shè)計

在外界因素(宏觀經(jīng)濟、國家政策、價值取向)及內(nèi)生需要(生產(chǎn)、生活方式,家庭結(jié)構(gòu)等)的多重作用下,農(nóng)民自建房的建造方式、平面布局及戶型樣式也會產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整及變化[10]。但關(guān)中地區(qū)從傳統(tǒng)村鎮(zhèn)住宅到新住宅的轉(zhuǎn)變過程中,內(nèi)院空間這一關(guān)中地區(qū)建筑最重要地域特征的消失不禁令人惋惜,加之聯(lián)排布局、完整街道界面、傳統(tǒng)裝飾特征等農(nóng)村文脈特征的式微,使得研究團隊反思在農(nóng)村建筑工業(yè)化過程中應(yīng)當(dāng)傳承有價值的地域特征。

2.1 院落住宅設(shè)計

院落住宅是一種向心性空間[11],在我國有2000多年的歷史,其不僅代表了傳統(tǒng)“天人合一”觀念里對宇宙時空關(guān)系的認(rèn)識,同時起到微氣候調(diào)解功能[12],還可以對生活起居空間進(jìn)行拓展和延伸,有不可忽視的人文價值與生態(tài)價值。同時內(nèi)向的院落空間也是生活起居空間的室外拓展與延伸,方便了各種家庭活動的開展。為了傳承院落特征,并使其與現(xiàn)代生活相適應(yīng),研究團隊采取了以下措施:

1)在村鎮(zhèn)住宅更新過程中,保留宅基地上原有的門房,對其進(jìn)行增加保溫層和結(jié)構(gòu)加固改造,內(nèi)院中則可新蓋農(nóng)房,其不僅可以活化既有建筑,還可以延續(xù)街道肌理,在門房的作用下,內(nèi)院空間夏季有遮擋,冬季可抵御寒冷空氣,形成的灰空間也便利了日常起居(圖9)。

2)研究團隊研發(fā)了一種帶有玻璃頂?shù)膬?nèi)院戶型,不僅解決了原有院落住宅功能分散問題,帶玻璃頂內(nèi)院的功能價值和生態(tài)價值也更為突出。玻璃頂在夏季可利用附加遮陽簾避免日曬,在晚間可以局部開啟加強通風(fēng),冬天則關(guān)閉開啟扇并取消遮陽從而使室內(nèi)獲取更多的太陽輻射熱能(圖10),使得院落和房屋整體舒適度得到提升。次臥室則可以通過內(nèi)院和天窗間接采光,改善了原有窄院廂房采光不佳的缺陷?？蛷d由原來窄院住宅的最深位置改至入戶位置,從而與現(xiàn)代生活相適應(yīng),方便鄰里交往,主臥靠外墻布置,從而獲得最佳采光。戶型內(nèi)部墻體對位關(guān)系明確,不僅有利于抗震,同時也便于接下來的參數(shù)化設(shè)計生成(圖11、12)。

圖9 門房改造后的新院落農(nóng)宅F(xiàn)ig.9 A new courtyard house with renovated gate house

圖10 帶玻璃頂內(nèi)院戶型室內(nèi)Fig.10 Interior of courtyard house with glass roof

圖11 帶玻璃頂棚的院落式農(nóng)房 mmFig.11 Plan of courtyard house with glass roof

圖12 帶玻璃頂棚的院落式農(nóng)房外觀Fig.12 Appearance of courtyard house with glass roof

2.2 住宅參數(shù)化設(shè)計

在村鎮(zhèn)建房領(lǐng)域,標(biāo)準(zhǔn)化戶型有過度約束和可選擇性較少的缺陷[13]。研究團隊提出了以戶型原型為基礎(chǔ),基于EPS模塊房構(gòu)件的模數(shù)化特征,通過算法進(jìn)行衍生的設(shè)計方法從而提高戶型適應(yīng)性。在類似領(lǐng)域,Khalili-Araghi等利用基于尺寸參數(shù)的方法,通過Revit Architecture軟件開展加拿大預(yù)制房屋大規(guī)模定制設(shè)計,重點研究了定制的靈活性與建筑幾何形狀的可變性和有效性之間的相關(guān)性[14]。Bianconi等利用參數(shù)化設(shè)計方法,通過Rhinoceros軟件及其插件,開展了交叉層壓木建筑的生成式設(shè)計,從而通過直觀的界面允許客戶探索不同的設(shè)計方案[15]。Popovic等指出工業(yè)化房屋需要多樣的產(chǎn)品規(guī)格從而滿足客戶的特定需求,這種大規(guī)模定制的關(guān)鍵技術(shù)在于建筑產(chǎn)品平臺信息模型和信息交付手冊的有效整合[16]。而本文所呈現(xiàn)的是在設(shè)計方案確定階段,基于戶型原型開展參數(shù)化衍生,通過輕量化的操作形成直觀的方案結(jié)果。從而方便客戶選擇并確定方案,減少設(shè)計師的方案修改工作和溝通成本。

2.2.1設(shè)定房間尺寸變化范圍

圖11、12所示戶型由7個房間和帶玻璃頂棚的內(nèi)院構(gòu)成,適用于關(guān)中農(nóng)村常見三代家庭?；谄鹁臃绞秸{(diào)研、人體尺度和家具布置基本原則,每個房間都有一定的開間和進(jìn)深取值范圍。根據(jù)EPS模塊的插接-澆筑相結(jié)合的建造特征,以300 mm為模數(shù),起居室開間可從4 200 mm擴展到4 800 mm,進(jìn)深可從5 700 mm擴展到6 300 mm;主臥室開間可從3 300 mm擴展到4 200 mm,進(jìn)深可從4 200 mm擴展到6 300 mm。其他次臥室、衛(wèi)生間、廚房、餐廳也都采取類似的擴展方式。房間的大小和長寬比例變化適應(yīng)了宅基地尺寸、家庭常駐人口數(shù)量、建房預(yù)算等不同住戶需求的變化。同時,房間的家具布置和窗戶大小會隨開間進(jìn)深的變化而改變,以主臥室為例,開間在3 300,3 600 mm時,窗戶寬度為2 100 mm,開間為3 900,4 200 mm時,窗戶寬度為2 400 mm,從而保證適當(dāng)?shù)拇皦Ρ?其進(jìn)深大于5 100 mm時,則會設(shè)置套內(nèi)衛(wèi)生間。

2.2.2設(shè)定房間組合原則

圖11所示戶型面寬軸線尺寸最小7 500 mm,最大9 000 mm,適合不少關(guān)中近郊農(nóng)村小面寬宅基地。戶型在參數(shù)化衍生過程中遵循以下組合原則:兩個開間上側(cè)房間的開間尺寸在演變過程中保持一致,下側(cè)房間的開間尺寸在演變過程中保持一致,主臥面寬不大于客廳面寬,主臥進(jìn)深不大于客廳進(jìn)深,兩間次臥室及衛(wèi)生間的進(jìn)深合計等于內(nèi)院進(jìn)深。這樣戶型外輪廓保持規(guī)整,墻體保持對位關(guān)系,流線和房間位置關(guān)系亦保持不變,而房間的大小和比例則有多種選擇,滿足住戶的個性需求。即改變了戶型的形式表現(xiàn),但空間關(guān)系保持不變(圖13)。

a—面寬最大、進(jìn)深最小; b—中等面寬與進(jìn)深;c—面寬最小、進(jìn)深最大。圖13 參數(shù)化算法設(shè)計輸出結(jié)果Fig.13 Generated results of parametric algorithm design

2.2.3基于Rhinoceros軟件的參數(shù)化算法生成

將上述房間尺寸和組合原則在Rhinoceros軟件所搭載的Grasshopper平臺上進(jìn)行轉(zhuǎn)譯,進(jìn)行軸線、墻體、門窗等元素的定位以及家具、立面裝飾構(gòu)件的置入。最后輸入一定的參數(shù)或參數(shù)組合,如占地面寬、進(jìn)深、某個房間的面積等要求,即可自動生成立體模型,從而方便設(shè)計師和住戶快速選擇方案(圖10)。該標(biāo)準(zhǔn)戶型考慮每個房間尺寸的變化范圍,共有7 776種組合結(jié)果,但是通過參數(shù)化設(shè)計,可以快速獲得理想的建筑三維模型。從而在設(shè)計師與用戶之間搭建高時效性、高識別性與高精度的設(shè)計交流平臺。

該算法中戶型三維模型生成邏輯主要由13個部分組成(圖14部分展示):1)根據(jù)輸入定位點生成戶型外墻中線;2)根據(jù)外墻中線生成戶型內(nèi)墻中線;3)獨立定位起居室墻中線;4)根據(jù)墻體位置定位門窗;5)建立院墻;6)生成底座;7)根據(jù)窗戶位置點生成玻璃與窗框;8)根據(jù)墻體位置給每個房間布置家具;9)根據(jù)內(nèi)院位置布置天窗;10)根據(jù)墻體中線生成地板,天花板與女兒墻;11)根據(jù)客廳位置布置門廳;12)根據(jù)門廳布置裝飾柱子與圍墻;13)最后給予各個部分相應(yīng)的材質(zhì),通過布爾運算設(shè)置導(dǎo)出三維模型。

其中,對于三維模型中門窗洞口的生成,算法采用了:先根據(jù)墻線定位門窗洞口中點,再根據(jù)中點坐標(biāo)與門窗洞口大小生成體塊,最后利用布爾運算差集求解墻體與門窗體塊的差集,獲得帶有門窗洞口的墻體三維模型,并通過帶有門窗洞口的墻體三維模型的窗中點生成玻璃與窗框,故在墻體根據(jù)模數(shù)變化而改變時不會影響墻體內(nèi)部開洞與窗戶的位置和尺寸。

2.3 風(fēng)格造型設(shè)計

房屋造型簡潔,檐口和腰線長度亦隨墻體寬度參數(shù)變化而實時變化。外墻真石漆涂料建議采用土黃色、赭石色、青灰、朱紅等色,避免使用明度過高的色彩,并在整體比例劃分上強調(diào)建筑基座,從而契合關(guān)中地區(qū)鄉(xiāng)村厚重的建筑特征。另外可通過粘貼EPS構(gòu)件方式形成適當(dāng)?shù)难b飾線條,如回字紋、窗套、轉(zhuǎn)角壁柱等。模型最終賦予材質(zhì)后,建筑外觀及內(nèi)部布局基本呈現(xiàn),從而方便客戶確認(rèn)戶型設(shè)計結(jié)果,還可通過VR設(shè)備進(jìn)行虛擬體驗,當(dāng)有尺寸調(diào)整需求時,設(shè)計師可以快速調(diào)整方案,最終幫助客戶確定方案。

3 結(jié) 論

1)西部村鎮(zhèn)住宅在更新與發(fā)展過程中存在建造質(zhì)量低、功能不能滿足生活需求、室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量差、地域風(fēng)貌傳承度差、資源能源消耗高、經(jīng)濟有效性差等。EPS模塊房在關(guān)中地區(qū)自建房市場得到發(fā)展和認(rèn)可的重要原因是其經(jīng)濟有效性;同時農(nóng)村勞動工人可熟練掌握EPS模塊房建造過程中的模塊插接、混凝土澆筑、振搗等技術(shù)。

2)受生活習(xí)慣轉(zhuǎn)變和城市住宅文化等因素影響,關(guān)中農(nóng)村內(nèi)向的院落式住宅漸漸式微。但在解決了傳統(tǒng)窄院住宅功能分散、廂房采光不佳等問題后,院落式住宅憑借其在傳統(tǒng)文化傳承、微氣候緩沖、使用空間可擴展等方面的優(yōu)勢依然可以得到繼承和發(fā)展。本文呈現(xiàn)的帶有采光天窗的院落住宅為關(guān)中地區(qū)村鎮(zhèn)住宅地域文化的延續(xù)和發(fā)展做出了行之有效的探索。

3)不同的工業(yè)化住房體系有其獨特的設(shè)計特征,結(jié)合EPS模塊房的工業(yè)化砌筑特征,基于參數(shù)化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化戶型衍生方法提高了戶型與宅基地的匹配性,同時方便住戶進(jìn)行選擇比較并快速確定方案。

本文所示的參數(shù)化設(shè)計以形式生成邏輯為內(nèi)涵,以數(shù)據(jù)驅(qū)動為特點,推動了標(biāo)準(zhǔn)化戶型的個性化衍生。未來研究將深入戶型組合規(guī)律和生成方法的研究,進(jìn)一步滿足農(nóng)村經(jīng)濟水平不斷提高背景下日益突出的住戶個性化需求,使得參數(shù)化設(shè)計方法在新農(nóng)村建設(shè)中發(fā)揮更大的作用,從而傳承地域特征、避免千村一面。