基于地域特征的关中地区工业化低能耗村镇住宅参数化设计研究*

宋 戈 郭志鹏 薛 强 塞米·库尔班

(1.西北工业大学, 西安 710068; 2.西安建筑科技大学建筑设计研究院, 西安 710055)

0 研究背景

我国村镇住宅总面积约占全国建筑面积总量的38%[1],但传统村镇住宅存在抗震能力较差、结构整体性较弱、建造房屋资源消耗量大、建筑功能不完善等问题[2]。如今基于我国“双碳目标”的引导,在人口老龄化、劳动力成本上涨等社会问题的宏观背景下,工业化程度更高、能耗更低的村镇住宅建筑体系,包括轻钢龙骨房、钢框架房、预制混凝土墙体房、保温结构一体化房等都得到了一定的发展,房屋的安全性能、热工性能、使用功能都有了改善与提升。本文则围绕EPS(聚苯乙烯泡沫)模块低层现浇混凝土复合墙房屋体系(简称EPS模块房)展开研究。EPS模块房体系是将工厂加工的、带有插接企口的空腔聚苯模块进行拼装,空腔内植入钢筋再浇筑混凝土形成的保温与结构一体化的房屋。常见EPS模块房钢筋混凝土墙体厚度13 cm,两侧EPS保温层厚度总共12 cm(图1),使得EPS模块房兼具良好的抗震和保温性能,且以插接拼砌、浇筑为主的施工工艺对传统务工人员难度较低(图2)。

我国最早介绍EPS模块房的报道见于2006年[3],通过多年的发展,已推广至很多北方地区。从2018年起,EPS模块房被大规模引入关中地区,科研团队对此进行了跟踪研究。软件模拟测试表明,配合节能门窗使用,相较于传统砖房其能耗节约75%以上。其中有蓝田农户反映冬季能节约取暖费一半左右,而夏季需要打开空调的时段也大大减少。然而随着城镇化的快速发展,关中地区的村落空间越来越不具有地域特征及可识别性[4],新建房屋缺少体现农村现代生活又符合地域特色的相关研究[5]。关中地区是中华文明的发祥地之一,在工业化低能村镇住宅的推广过程中,若丰富的传统民居文化在大量的新建村镇住宅中得到传承,有着多方面的价值和意义[6],而这需要从关中村镇住宅的设计特征开始剖析。

图1 EPS模块示意Fig.1 The schematic diagram of EPS module

1 关中村镇住宅设计特征

1.1 传统村镇住宅(约2010年之前)设计特征

关中传统村镇住宅原型为完整的三合院、四合院,但以“窄院”(图3)为变体特征,有节约用地、遮阳御寒、防风防沙[7]等优点,产生了如“党家村”这样的名居瑰宝(图4)。随着农村社会经济条件的变化与发展,在20世纪末的建房高峰后,现存大部分关中地区的村镇自建住宅特征总结如下。

1)尺寸特征:原则上关中平原地区宅基地面宽一般为3间房,每间约3.3 m,总共面宽9.9 m,进深一半为面宽的2倍[8]。但由于地形、人口、习俗等原因,面宽实际一般在9～11 m间变化,其中不乏12～15 m宽的宅基地。而在一些人口众多、用地较为紧张的村落,面宽7 m左右的两间房宅基地则较多。

图3 传统“关中窄院”典型示意 mmFig.3 Typical plan of traditional Guanzhong narrow courtyard

图4 党家村航拍Fig.4 Aerial view of Dangjia Village

2)布局特征:现存关中地区村镇住宅整体规划的重要特征是联排式和行列式布局,虽然共用界墙的方式已经基本消失,但是相邻两户山墙的紧密连接利于降低能耗。同时各户之间门房位置基本保持平齐,而各家内院和正房在尺寸和高度上都不尽相同,造就了房屋主体多样但街道界面统一的和谐风貌。而传统的“关中窄院”由于厢房和内院采光不佳,且由于常住人口减少等原因,现存村镇住宅大多只留一侧厢房甚至不做厢房,内院留作活动场地或菜园(图5、6)。

3)建造特征:关中地区村镇住宅主要建造方式经历了木结构屋顶与土坯墙组合、木结构屋顶与砖墙组合、预制混凝土楼板与砖墙组合、现浇混凝土楼板与砖墙组合的演变历程。立面材料随着经济水平的发展则经历了土胚砖、清水砖、涂料粉刷、粉刷石、白色瓷砖、仿石瓷砖、真石漆涂料的演变历程,装饰主要以门楣瓷砖、门口狮子瓷砖等象征化的构件为主。不少农房缺少构造柱、保温和防水设计。漏水成为最常见的性能缺陷,导致近年来关中地区不少村镇流行起将内院甚至整个房屋用轻钢雨棚遮蔽从而减少漏水的做法(图7)。

图5 草堂村某农户内院Fig.5 The courtyard of a rural house of Caotang Village

图6 草堂村某农户平面 mmFig.6 Plan of a courtyard house of Caotang Village

图7 长安区草堂村航拍示意Fig.7 Aerial view of Caotang Village

1.2 新时期村镇住宅(约2010年之后)设计特征

大约在2010年后,随着经济的发展和原有村镇住宅质量的衰败,新一轮的建房热潮悄然兴起,各种工业化低能耗村镇住宅崭露头角。户型设计和建造也从相互模仿、参照图集演变到今天可以从各种网络平台选择户型及外观设计,并由专业施工队进行施工的方式。经过调研,户型特征总结如图8所示。

1)院落式布局向独立式布局转变,内院灰空间消失;现代社会家庭等级观念淡化,传统合院住宅通过内院建立起的宗法礼制不复存在;同时根据调研“窄院”有采光不佳、空间分散导致现代生活不便捷的问题。所以住户更偏向独立式住宅,院落从内向型向外向型转变,出现独立住宅前面一个开敞院子的情形(图8)。新式住宅在使用、采光、通风等性能方面更趋向于城市住宅,但独立式住宅的生活空间更为封闭,不利于乡村活力的激发[9]。且内院的生态价值被忽视,同时不少农户选择通透式围墙,也使得原本整齐划一的街道界面发生了巨大的变化。

图8 集中式、独立式农宅Fig.8 Independent and centralized rural houses

2)联排方式的减少:新型房屋大多采用“欧式”风格,屋顶造型较传统农房的硬山顶复杂,四周设檐口出挑,自然使得联排方式不能延续。加之图集和网络电商一般都提供标准化户型,使得房屋面宽与宅基地面宽一致的传统被破坏。

3)“欧式”风格大行其道:关中地区自建房住户偏向使用带有“欧式”风格的建筑构件,如宝瓶样式的栏杆和带有凹槽的简化罗马柱式。所谓“欧式”建筑装饰构件生产工艺简单,栏杆为混凝土预制构件,柱式也通过模具进行现场浇筑。而中式建筑构件造价较高、施工工艺复杂、施工周期长,很少被普通住户选择和使用。因此,“欧式”风格在关中农村新建房中盛行,可能并不是由于“崇洋媚外”,而是与工业化程度、造价息息相关。

2 基于地域特征的EPS模块房参数化设计

在外界因素(宏观经济、国家政策、价值取向)及内生需要(生产、生活方式,家庭结构等)的多重作用下,农民自建房的建造方式、平面布局及户型样式也会产生相应的调整及变化[10]。但关中地区从传统村镇住宅到新住宅的转变过程中,内院空间这一关中地区建筑最重要地域特征的消失不禁令人惋惜,加之联排布局、完整街道界面、传统装饰特征等农村文脉特征的式微,使得研究团队反思在农村建筑工业化过程中应当传承有价值的地域特征。

2.1 院落住宅设计

院落住宅是一种向心性空间[11],在我国有2000多年的历史,其不仅代表了传统“天人合一”观念里对宇宙时空关系的认识,同时起到微气候调解功能[12],还可以对生活起居空间进行拓展和延伸,有不可忽视的人文价值与生态价值。同时内向的院落空间也是生活起居空间的室外拓展与延伸,方便了各种家庭活动的开展。为了传承院落特征,并使其与现代生活相适应,研究团队采取了以下措施:

1)在村镇住宅更新过程中,保留宅基地上原有的门房,对其进行增加保温层和结构加固改造,内院中则可新盖农房,其不仅可以活化既有建筑,还可以延续街道肌理,在门房的作用下,内院空间夏季有遮挡,冬季可抵御寒冷空气,形成的灰空间也便利了日常起居(图9)。

2)研究团队研发了一种带有玻璃顶的内院户型,不仅解决了原有院落住宅功能分散问题,带玻璃顶内院的功能价值和生态价值也更为突出。玻璃顶在夏季可利用附加遮阳帘避免日晒,在晚间可以局部开启加强通风,冬天则关闭开启扇并取消遮阳从而使室内获取更多的太阳辐射热能(图10),使得院落和房屋整体舒适度得到提升。次卧室则可以通过内院和天窗间接采光,改善了原有窄院厢房采光不佳的缺陷。客厅由原来窄院住宅的最深位置改至入户位置,从而与现代生活相适应,方便邻里交往,主卧靠外墙布置,从而获得最佳采光。户型内部墙体对位关系明确,不仅有利于抗震,同时也便于接下来的参数化设计生成(图11、12)。

图9 门房改造后的新院落农宅Fig.9 A new courtyard house with renovated gate house

图10 带玻璃顶内院户型室内Fig.10 Interior of courtyard house with glass roof

图11 带玻璃顶棚的院落式农房 mmFig.11 Plan of courtyard house with glass roof

图12 带玻璃顶棚的院落式农房外观Fig.12 Appearance of courtyard house with glass roof

2.2 住宅参数化设计

在村镇建房领域,标准化户型有过度约束和可选择性较少的缺陷[13]。研究团队提出了以户型原型为基础,基于EPS模块房构件的模数化特征,通过算法进行衍生的设计方法从而提高户型适应性。在类似领域,Khalili-Araghi等利用基于尺寸参数的方法,通过Revit Architecture软件开展加拿大预制房屋大规模定制设计,重点研究了定制的灵活性与建筑几何形状的可变性和有效性之间的相关性[14]。Bianconi等利用参数化设计方法,通过Rhinoceros软件及其插件,开展了交叉层压木建筑的生成式设计,从而通过直观的界面允许客户探索不同的设计方案[15]。Popovic等指出工业化房屋需要多样的产品规格从而满足客户的特定需求,这种大规模定制的关键技术在于建筑产品平台信息模型和信息交付手册的有效整合[16]。而本文所呈现的是在设计方案确定阶段,基于户型原型开展参数化衍生,通过轻量化的操作形成直观的方案结果。从而方便客户选择并确定方案,减少设计师的方案修改工作和沟通成本。

2.2.1设定房间尺寸变化范围

图11、12所示户型由7个房间和带玻璃顶棚的内院构成,适用于关中农村常见三代家庭。基于起居方式调研、人体尺度和家具布置基本原则,每个房间都有一定的开间和进深取值范围。根据EPS模块的插接-浇筑相结合的建造特征,以300 mm为模数,起居室开间可从4 200 mm扩展到4 800 mm,进深可从5 700 mm扩展到6 300 mm;主卧室开间可从3 300 mm扩展到4 200 mm,进深可从4 200 mm扩展到6 300 mm。其他次卧室、卫生间、厨房、餐厅也都采取类似的扩展方式。房间的大小和长宽比例变化适应了宅基地尺寸、家庭常驻人口数量、建房预算等不同住户需求的变化。同时,房间的家具布置和窗户大小会随开间进深的变化而改变,以主卧室为例,开间在3 300,3 600 mm时,窗户宽度为2 100 mm,开间为3 900,4 200 mm时,窗户宽度为2 400 mm,从而保证适当的窗墙比;其进深大于5 100 mm时,则会设置套内卫生间。

2.2.2设定房间组合原则

图11所示户型面宽轴线尺寸最小7 500 mm,最大9 000 mm,适合不少关中近郊农村小面宽宅基地。户型在参数化衍生过程中遵循以下组合原则:两个开间上侧房间的开间尺寸在演变过程中保持一致,下侧房间的开间尺寸在演变过程中保持一致,主卧面宽不大于客厅面宽,主卧进深不大于客厅进深,两间次卧室及卫生间的进深合计等于内院进深。这样户型外轮廓保持规整,墙体保持对位关系,流线和房间位置关系亦保持不变,而房间的大小和比例则有多种选择,满足住户的个性需求。即改变了户型的形式表现,但空间关系保持不变(图13)。

a—面宽最大、进深最小; b—中等面宽与进深;c—面宽最小、进深最大。图13 参数化算法设计输出结果Fig.13 Generated results of parametric algorithm design

2.2.3基于Rhinoceros软件的参数化算法生成

将上述房间尺寸和组合原则在Rhinoceros软件所搭载的Grasshopper平台上进行转译,进行轴线、墙体、门窗等元素的定位以及家具、立面装饰构件的置入。最后输入一定的参数或参数组合,如占地面宽、进深、某个房间的面积等要求,即可自动生成立体模型,从而方便设计师和住户快速选择方案(图10)。该标准户型考虑每个房间尺寸的变化范围,共有7 776种组合结果,但是通过参数化设计,可以快速获得理想的建筑三维模型。从而在设计师与用户之间搭建高时效性、高识别性与高精度的设计交流平台。

该算法中户型三维模型生成逻辑主要由13个部分组成(图14部分展示):1)根据输入定位点生成户型外墙中线;2)根据外墙中线生成户型内墙中线;3)独立定位起居室墙中线;4)根据墙体位置定位门窗;5)建立院墙;6)生成底座;7)根据窗户位置点生成玻璃与窗框;8)根据墙体位置给每个房间布置家具;9)根据内院位置布置天窗;10)根据墙体中线生成地板,天花板与女儿墙;11)根据客厅位置布置门厅;12)根据门厅布置装饰柱子与围墙;13)最后给予各个部分相应的材质,通过布尔运算设置导出三维模型。

其中,对于三维模型中门窗洞口的生成,算法采用了:先根据墙线定位门窗洞口中点,再根据中点坐标与门窗洞口大小生成体块,最后利用布尔运算差集求解墙体与门窗体块的差集,获得带有门窗洞口的墙体三维模型,并通过带有门窗洞口的墙体三维模型的窗中点生成玻璃与窗框,故在墙体根据模数变化而改变时不会影响墙体内部开洞与窗户的位置和尺寸。

2.3 风格造型设计

房屋造型简洁,檐口和腰线长度亦随墙体宽度参数变化而实时变化。外墙真石漆涂料建议采用土黄色、赭石色、青灰、朱红等色,避免使用明度过高的色彩,并在整体比例划分上强调建筑基座,从而契合关中地区乡村厚重的建筑特征。另外可通过粘贴EPS构件方式形成适当的装饰线条,如回字纹、窗套、转角壁柱等。模型最终赋予材质后,建筑外观及内部布局基本呈现,从而方便客户确认户型设计结果,还可通过VR设备进行虚拟体验,当有尺寸调整需求时,设计师可以快速调整方案,最终帮助客户确定方案。

3 结 论

1)西部村镇住宅在更新与发展过程中存在建造质量低、功能不能满足生活需求、室内环境质量差、地域风貌传承度差、资源能源消耗高、经济有效性差等。EPS模块房在关中地区自建房市场得到发展和认可的重要原因是其经济有效性;同时农村劳动工人可熟练掌握EPS模块房建造过程中的模块插接、混凝土浇筑、振捣等技术。

2)受生活习惯转变和城市住宅文化等因素影响,关中农村内向的院落式住宅渐渐式微。但在解决了传统窄院住宅功能分散、厢房采光不佳等问题后,院落式住宅凭借其在传统文化传承、微气候缓冲、使用空间可扩展等方面的优势依然可以得到继承和发展。本文呈现的带有采光天窗的院落住宅为关中地区村镇住宅地域文化的延续和发展做出了行之有效的探索。

3)不同的工业化住房体系有其独特的设计特征,结合EPS模块房的工业化砌筑特征,基于参数化技术的标准化户型衍生方法提高了户型与宅基地的匹配性,同时方便住户进行选择比较并快速确定方案。

本文所示的参数化设计以形式生成逻辑为内涵,以数据驱动为特点,推动了标准化户型的个性化衍生。未来研究将深入户型组合规律和生成方法的研究,进一步满足农村经济水平不断提高背景下日益突出的住户个性化需求,使得参数化设计方法在新农村建设中发挥更大的作用,从而传承地域特征、避免千村一面。