豫西山地装配式民居建筑设计

2021-09-28李成翰陈伟莹麻永建

中国名城 2021年9期

毕昕，李成翰，曹笛，陈伟莹，冯昭，麻永建

（1.郑州大学建筑学院，郑州 450001；2.郑州大学土木工程学院，郑州 450001；3.河南省城乡规划设计股份有限公司，郑州 450001）

引言

河南是人口大省、农业大省，据统计2019年河南城镇化率达到53.21%，但仍然有4 000多万人口生活在农村[1]。而民居建筑存在的诸多问题也严重影响农村居住环境，制约农村发展。改善农村人居环境一直被作为各级政府的重点工作。党的十九大报告中提出乡村振兴战略，明确指出要大力发展乡村。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二O三五年远景目标的建议》中指出要优先发展农业农村，全面推进乡村振兴，明确指出要提升农房建设质量[2]。2019年2月住房和城乡建设部下发了《关于开展农村住房建设试点工作的通知》，提出开展农村住房建设试点，推广应用农房装配式建筑现代化建造方式，建设绿色环保的宜居型示范农房，改善农民居住条件和居住环境，提升乡村风貌[3]。

组成建筑的部品部件由工厂生产，然后在施工现场装配而成的建筑，称为装配式建筑。将较为先进的装配式建筑体系与地域传统民居相结合，构建出具有地域特征、适合工业化生产、成本低廉、坚固耐用的建筑，称为装配式民居建筑[4]，这成为解决我国农村民居建筑的有效途径。

装配式建筑因其耐久性强、成本低、施工简单、工期短和可回收等优势，得到了建筑行业的认可与推广[5-6]。国务院办公厅印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》中指出发展装配式建筑是建造方式的重大变革，我国应大力发展装配式建筑，不断提高其在新建建筑中的比例，促进建筑产业转型升级[7]。近年来，浙江省杭州市，广西壮族自治区梧州市、岑溪市、南宁市，安徽省合肥市的众多乡村地区都开展了装配式民居建筑的相关实践：通过调研农房建设现状，了解农民安居需求，依据当地气候变化、地域风貌、民俗风情、文化传承、功能需求，研究提炼地域传统建筑文化元素和空间结构，进而将传统建筑的特殊性融入装配全过程中。

豫西山地是中原河洛文化发源地，也是河南农村人口较为集中的地区。山地地形所导致的交通不便、民居建筑分散、基础设施无法到达等问题都导致该地区大量居民生活水平低下，居住环境恶劣。该地区部分乡村正逐步通过集中建设安置点的方式改善村民的人居环境。本研究通过提取豫西山地传统民居建筑特征，结合装配式技术，提出具有地域性特征的豫西山地装配式民居建筑设计策略，用以加快该地区农村人居环境改善。

1 豫西山地传统民居建筑特征提取

豫西地区地域性传统民居主要包括：窑洞民居（靠崖窑、地坑院、窑院民居）和院落式民居（宅院民居、合院民居）。其中院落式民居是最常见、最具有代表性的民居类型。

1.1 空间特征

豫西山地传统民居建筑大多为1—2层，总体外观呈现一字型、L型、U型3种，一字型、U型民居室内空间大多遵循一明两暗三开间的布局形式，室内用隔板或者矮隔墙进行空间划分。L型民居在主屋一侧修建一层侧厢房，侧厢房多为辅助功能，与主屋室内不连通，空间联系均通过院落中转（表1）。

表1 豫西传统民居基本平面形式图解

豫西传统民居一层用于生活起居，二层大多用于储藏，功能空间上符合典型的中原地区民居特点：堂屋明间居中，是主要的公共空间，承担起居、会客、交流、用餐等功能；两侧次间一般作为卧室、厨房、卫生间等，满足基本生活需要。

1.2 形式特征

豫西地区民居建筑以单层和两层建筑为主，单层层高约为3.5 m，多为双坡硬山屋顶，檐口到正脊垂直高度大约2.1 m。正房的开间多为2.9—3.6 m，进深多为4.2—5.2 m；一般厢房的开间多为2.7—3.1 m，进深多为3.5—4.5 m[8]。建筑形体在一字型、L型、U型3种平面基础上进行了体块上的加减，根据当地居民长期的生活习惯，得以保留图1所示几种不同的空间格局，以满足不同家庭结构的需要。

图1 豫西地区民居建筑形体

1.3 结构与构造特征

豫西传统民居除窑洞外均为木构形态建筑，木构形态建筑由柱、梁、檩、椽子等构件组成，个别构件缺失或损坏，可以随时替换而不影响整个体系，门窗、屋面瓦件更可随时更换，体现出可持续发展的优越性[8]。木构架体系以抬梁式和抬梁穿斗混合式为主，承重体系以木框架承重、木与墙体共同承重最为常见。

豫西地区屋顶形式有硬山屋顶、悬山屋顶、单坡屋顶、平屋顶4种，且硬山屋顶居多，主要用于住宅主屋；单坡屋顶主要用于辅助用房，且向内院排水；平屋顶主要用于屋顶晒台，供晾晒粮食和休闲活动。木梁柱、檩条、椽子承托起屋架，上敷设由苫背垫层、苫背层、粘合泥层、瓦面层构成的屋面，以达到保温隔热、防水排水的作用。外围护结构主要有砖墙、生土墙、石墙、砖坯混合墙、砖石混合墙5种形式，“里生外熟”“砖包边，坯填心”的墙体做法比较常见。

2 地域性装配式民居建筑设计

2.1 豫西山地地区装配式民居建筑空间模数化设计

随着现代社会发展，人民生活水平提高，对居住功能的需求日益增加，住宅空间功能更加丰富，分类被细化[9]。如客厅功能从原来的厅堂中相对独立出来，储物空间减少，同时增加了一些新的功能空间，如餐厅、棋牌室、书房等[10]。而且不同的家庭结构所需的房间功能和数量不尽相同，这就要求住宅设计更具灵活性、可变性。装配式民居建筑则可以很好地满足空间的灵活划分以及灵活变动，满足不同家庭结构的实际需要。

为了协调空间尺寸，本文在结合豫西传统农村住宅尺寸参数的调研与平面基本模数的基础上，归纳了功能房间的建议尺寸范围，并选取了低层住宅最常使用的功能空间尺寸，将本体系主体模块尺寸的基本模数M定为 600 mm，继而形成1 200、1 800、2 400、3 000、3 600、4 200、4 800、5 400、6 000 mm 的基础尺寸[11]。最终将最合适的模块尺寸定为：3 000×5 400、3 000×2 400、3 000×1 800、1 200×1 800、3 600×1 800、3 600×3 600、3 600×3000（单位：mm）。

设计中包括客厅、餐厅、卧室、厨房、卫浴、储藏、楼梯、书房、玄关、阳光房、阳台几种功能模块[12]，并充分利用二楼空间，赋予其使用功能。在宅基地面积一定的前提下，根据农村不同的家庭结构和实际需求进行功能空间的组合，以满足不同家庭的需要。空间组织遵循传统的一明两暗三开间布局形式，上下由楼梯联系。建筑形式以双层和双坡硬山顶为主。

表2列举的只是5种组合模式，在实际应用中，村民可在模数化的控制下自行组合，更加凸显了装配式住宅模数化设计与可变性在农村地区的优势。对以上几种农房类型进行结构分析，其结构体系较为简单，屋面形式对整体结构受力影响不大，各个民居类型的结构荷载反应相差较小。因此，可以根据建筑的使用功能等自由选择合适的民居建筑类型进行推广。

表2 豫西山地装配式民居建筑类型

2.2 地域性元素在豫西山地装配式民居建筑的应用研究

豫西地区民居建筑的地域性表达除体现在空间组织形式外，还体现在以下几个方面。

（1）屋面地域性：当地传统民居屋顶以双坡屋顶形式和青瓦为主。屋脊、墀头、檐口装饰纹样以兽、鱼、鸟等动物及名贵花木为主[13]。檐下有砖雕，梁上、门窗有木雕，纹样以鱼、仙鹤、寿桃、鹿等为主。

（2）色彩地域性：当地传统民居墙体外部大多使用青砖，屋面使用青瓦。雕刻及彩绘多样，柱子多为红漆，内部装饰以实木为主。灰色的砖瓦与白色的外墙形成黑白灰对比关系，再加以局部红色、木色点缀，层次分明[13]。

（3）细部地域性：当地传统民居建筑细部装饰承载着独具特色的豫西文化。地面式院落外观装饰朴素，一般以建筑构件自身作为装饰，屋内有精美雕刻的天花、门窗和屏风，柱础的式样也大不相同。建筑入口处的坐鼓石、门楣，室内的门窗、梁、隔板、柱础等都有非常精美的雕刻[14]。门通常采用实木门，窗户通常采用深红或褐色格子栅，上部为半弧形，下部为方形，开窗较小[13]。

在进行装配式应用的过程中，可以对传统民居建筑元素进行简化，减少建筑构件数量并简化其形态，将原有的木榫卯结构替换成装配式的预制金属铆固件或螺栓等。色彩地域性通过设计过程中的色彩提取，在工厂化预制过程中就可以实现传承。细部装饰可以运用现代3D打印等技术保留原有精美雕刻，或将其原有装饰简化成具有地域特征的符号元素加以应用[15]。门窗在应用的过程中继续保留其虚实结合的构件特征，但门窗尺寸应根据现代生活习惯加以变化，在传承地域性的同时满足现代生活需求。

2.3 豫西山地装配式民居建筑设计可行性分析

装配式钢结构具有工业化程度高、绿色环保、运输及安装方便、建筑使用面积大等优点[16]。基于传统民居结构的可持续发展理念和农村现状，结合目前装配式技术的发展，选择装配式钢结构体系用于豫西山地民居建筑建设。

根据现场调研可知，豫西山地传统民居多就地取材，材料以木、砖、瓦、石料和土坯为主，建设质量参差不齐，现存问题包括：墙体厚重、屋面构造复杂，采光通风差、保温隔热效果欠佳、漏风漏水等。装配式材料、工厂预制构件可以保障材料质量，且轻质易安装，是传统材料的良好替代品。

目前装配式建筑低、多层钢结构体系包括集成房屋体系、模块化结构体系、冷弯薄壁型钢结构体系以及轻型钢框架体系[17]。对于低层（1—3层）装配式钢结构建筑大多采用轻钢龙骨或者轻型截面钢框架，选材情况如下。

结构框架：轻型钢框架体系住宅大多选用200—300 mm高的H型钢（强轴方向受力强度及经济优势明显）做主体框架选材[18]。

楼、墙、屋面板：楼板选用钢筋桁架混凝土叠合板[19]，其优势在于施工阶段无需模板，板底不加支撑，更适应快速施工；墙体可以选用常见的轻质保温复合墙体和ALC板；屋面采用钢檩条、OSB板（定向刨花板）、沥青瓦组成的坡屋面形式[20-21]。

受经济因素制约，建设成本是农村民居建筑建设需要着重考虑的因素。由于全国各主要产地的装配式预制构件价格存在差异，研究团队对河南及其他主要产地省份装配式预制构件的价格进行调研比较，结合运输成本得出以下结论：轻质保温复合墙体、ALC板、钢檩条、沥青瓦适宜选择河南本省厂家，OSB板适宜就近选择价格更低的山东省、河北省厂家，钢筋桁架混凝土叠合板适宜选择山东省厂家。总体而言，河南本省的预制构件较为完备且价格相对较低，因此在控制材料和运输成本方面具有优势（图2）。

图2 各产地预制构件价格比较

2.4 典型设计方案展示

以豫西山地地区农村最常见的两代之家（隔代）为例，采用集成化+轻钢框架体系+模数化的装配式构想，设计了1客厅+1餐厅+3卧室+1厨房+2卫生间+1储藏+1书房+1楼梯的模块组合方式。建筑空间呈L型，主体两层，屋顶采用双坡形式；整体结构框架采用H型钢钢结构框架，外墙体采用轻质保温复合墙体，其上安装铝合金门窗，内隔墙采用蒸压轻质混凝土板（ALC板），楼板采用钢筋桁架混凝土叠合板，屋面采用钢檩条、定向刨花板（OSB板）、沥青瓦（图3—4、表3）。

表3 结构体系构件信息

图3 两代之家方案标准化结构构件示意图

图4 两代之家方案承重结构设计图

在施工过程中，可以多模块同时施工，每个模块按设计尺寸独立组装，组装完成后再逐一吊装到钢结构框架中，这样可以减少大量工时。每个功能模块均可置换且施工方便，极大地满足了农村地区不同家庭结构的不同需求（图5）。在实践的过程中，亦可根据村民实际需求进行局部重建、加建，以及建筑构件的替换，这更能充分发挥装配式建筑的优势，灵活解决民居建设问题。

图5 两代之家方案平面模块

经计算得出结构体系荷载信息（表4），住宅基本风压为0.3 kN/m2，地面粗糙程度B类；地震设防烈度为6度（0.05 g），设计地震分组为第1组，场地类别为I0类，建筑抗震设防类别为丙类。楼面采用实木地板楼板（楼301），卫生间采用陶瓷锦砖地面（地202）。

表4 结构体系荷载信息

2.5 农村装配式民居建筑综合效益评价

通过研究发现，装配式民居建筑在农村地区的发展有很多优势，同时也面临局限性，表5从经济、环境、社会3个方面[22]分析了装配式民居建筑在农村地区发展的综合效益。

表5 农村装配式民居建筑综合效益评价

装配式建筑对于农村经济效益、环境效益、社会效益都有显著改善，但现阶段相应问题也暴露无遗。装配式建筑在农村地区还未全面推广，应提升其在建筑市场的比重，加大在农村地区的投入力度，建立预制工厂，从而有效降低建造成本。在环境保护方面，机械设备的使用噪声以及废水的排放还应通过更加合理的施工管理手段解决。在社会效益方面，还应在农村地区加以普及，打破村民传统观念的限制，加之国家对农村发展的政策支持，从而推进农村工业化进程。