汶川震后农宅的可持续设计与建造研究以什邡市银池村钢结构试点农宅为例.pdf

119 ARCHITECTURAL JOURNAL 2010.9 建筑学报 1 背景 1.1 “512”灾后当地农房损毁严重， 重建挑战大 “512”大地震中 “四川省有 347.6 万户农房受损，其中 126.3 万户需重 建，221.3 万户需维修加固 ； 城镇住房 有 31.4 万套需重建， 141.8 万套需维修 加固。 ”1什邡地区为此次地震的极重 灾区，山区和沿山区各镇城乡居民住房 大量损毁，红白镇、蓥华镇、八角镇等 城镇和大量村庄几乎被夷为平地。灾民 住房损失达 257.2 亿元。全市民房受损 2592 万 m2， 其 中 ：农 房 2187 万 m2， 居民房 405m2。平均住房损毁率达到 83%。 ”2 1.1.1 抗震层面的挑战 我国现阶段农村住宅多以木结构、 砖砌体、砖混以及框架砖混的混合式 结构为主 , 不同的建筑结构所具有的抗 震性能有着显著差别。通过调研表明， 当地农村自建房中大量使用简易的砖 石、砖木、土木等结构形式，由于没有 必要的构造措施，砌筑墙体的粘结材料 本身的强度也较差，也没有进行专门的 抗震设计，在此次地震重灾区震害十分 严重，倒塌普遍。 1.1.2 生态层面的挑战 “汶川地震灾区位于中国东南与西 北季风交汇区，垂直地带变化明显，气 候类型多样，为生物物种多样性和生态 系统多样性创造了良好条件，其生态功 能及地位非常重要”3，但该区生态环 境脆弱、自然灾害频繁，此次地震更加 加剧了这一矛盾。 通过调研发现，什邡当地的现状农 宅存在使用国家已经明令禁止的实心粘 “512”汶川震后农宅的可持续设计与建造研究 以什邡市银池村钢结构试点农宅为例 黄峥 1 张悦1 倪锋2 郝石盟1 ABSTRACT/ Taking the experiment unit for reconstruction of rural house in Yinchi village of Shifang as example, this paper makes a study on the sustainable design and construction for experimental rural house in four aspects of shock resistance, ecology, economy and cultural context. KEY WORDS/ rural house, sustainable design, Sichuan, earthquake, post-disaster reconstruction 土砖 ( 红砖 ) 现象。另外基础设施状况 较差，供水设施老化、存在饮用水安全 问题 ； 污水与垃圾的处理方式在一定程 度上破坏了当地的生态环境。当地现状 农宅的热工性能也不令人满意。当地冬 季湿度大，多数农宅没有保温措施，室 内大多又没有采暖设备，感觉非常阴冷 难受。农宅墙体厚度多为 240mm 砖墙， 门窗单薄且不密实，屋顶采用“砌上露 明造” ，木椽子和木檩条上直接铺小青 瓦或树皮瓦，没有望板或苫背的阻挡， 冬季室内热空气上升，造成屋顶内外温 差大，加剧了热量的损失 ( 图 1)。近年 来，许多农户为了解决冬季室内阴冷的 问题，采用了小暖炉或电取暖器，平均 日采暖时间为 6 8h，采暖能耗逐年 加大。 1.1.3 经济层面的挑战 什邡灾后重建总体实施规划中 对于农村住宅的重建有如下描述 ： “到 2009 年底共计建设农村居民住房 10.1 万套，建筑面积 1063.49 万 m2，预计 总投资 79.7 亿元，其中申请中央、省 财政性资金 63.76 亿元，解决 11.7 万 户农户住房问题。 ”4这也就意味着重 建农宅的平均造价要控制在 750 元 /m2。 而且这部分资金的绝大比例 ( 约 80%) 均要由中央财政进行支持，表明了当地 重建资金的不足。 通过调研发现，当地传统住宅的使 用寿命较低，使用过程中能耗和维护费 用都较高，这些都影响了其全生命周期 的经济性能。另外重建过程中因为建设 模式从以往的农户与施工队“点对点” 的模式转换成涉及农户、施工队、建筑 师、政府甚至开发人或捐助人等“多方 作者单位：1 清华大学建筑学院(北京，100084) 2 四川省什邡市人民政府(什邡，618400) 收稿日期：2010-07-29 摘要 / 以位于什邡市银池村的农宅重建试点 为例，从抗震、生态、经济、文脉 4 个层面 分别进行试点农宅可持续设计与建造的策略 研究。 关键词 / 农村住宅 可持续设计 四川 地 震 灾后重建 2010.9 ARCHITECTURAL JOURNAL建筑学报 120 设计研究 RESEARCHES IN DESIGN 参与”的模式，在平均建设时间上也比 原有住宅要增加了许多，从而增加了建 造成本。 1.1.4 文脉层面的挑战 四川民居因为地形、气候、民族、 宗教、经济、文化等自然条件和历史条 件的千差万别，形成了多种多样的民居 形式，具有很高的历史与文化价值。什 邡当地的民居也具有四川民居的共性， 如“外封闭，内开敞”的林盘布局模式， 大出檐，外露结构的穿斗木构架以及龙 门等特色构造。 然而在什邡当地的现状农宅中，存 在诸多文脉上的问题。比如“西洋楼” 风格和城市“混凝土方盒子”的出现。 重建农宅也大多是标准化的“砖混加圈 梁”模式，没有仔细考虑当地特有的景 观格局，住宅样式完全统一，缺乏传统 民居中的灵活性与丰富性。另外，重建 农宅对地域性的阐释要么被局限在建筑 形式的表面 ( 比如一些重建农宅为了刻 意模拟川西民居风格，在建筑立面上用 涂料粉刷出传统民居穿斗山墙的样式， 而房屋本身却是砖混结构 ) ； 要么过于 前卫而显得与环境格格不入。 1.2 试点农宅的项目背景 试点农宅隶属清华大学“可持续乡 村重建”示范园项目，园区位于什邡市 银池村，由 4 栋单体农宅组成，分别为 轻钢结构、钢结构、木结构和砌体结构。 其中钢结构与轻钢结构已经建成，另外 两栋预计于 2010 年年底建成 ( 图 2)。 整个示范园的场地面积为 2550m2， 建筑面积 600m2，每栋单体农宅的面积 从 130m2到 170m2不 等。 该 示 范 园 建 成后除向村民示范相关农宅技术外，还 兼做村委会使用。 2 试点农宅的可持续策略 2.1 抗震可持续策略 2.1.1 钢结构体系选型与模拟 钢结构具有优越的抗震性能，由于 钢材基本上属于各向同性材料，抗拉、 抗压、抗剪强度均很高，同时钢构架中 的钢柱和桩基采用刚弹性连接 , 整个钢 骨架也可通过刚弹性连接构成整体，因 此其稳定性好、延展性佳。 “钢结构还 可以看作比较理想的弹塑性结构，可以 通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输 入能量，从而具有较高的抵抗强烈地震 的能力。 ”6 试点农宅梁柱结点间采用螺栓铰接 和焊接相结合的方式，充分发挥钢结构 自身强度和刚度大的特点。并与结构工 程师配合，在设计阶段通过 PKPM 力学 分析软件，引用地震计算的相关技术参 数，荷载取值，模拟地震作用下的弯矩 和位移，使得最大位移满足弹性层间位 移角限值。以此判断结构体系的抗震合 理性能。通过模拟的手段，可以在设计 阶段更加科学合理地进行结构构件的截 面优化设计和柱网分布的设计。可以在 满足抗震需求的前提下尽可能的节省材 料，减少造价 ( 图 3)。 2.1.2 围护体系的抗震设计 除了结构体系外，房屋围护体系抗 震性能的加强也是试点农宅关注的问题 之一。这次地震人员伤亡惨重的一个重 要原因，是墙体的整体垮塌导致人员被 掩埋。为此，在试点农宅的围护体系的 设计中，在墙体中设置垂直方向的通长 钢筋； 另外，在墙体砌筑中以每 4 层 ( 立 面上的一个重复单元 ) 为单位设置水平 拉结筋 ( 图 4) ； 这样，整个外墙就像是 砌筑在了一个由钢筋组成的“蜘蛛网” 1 什邡当地农宅屋顶“砌上露明造” 2 示范园效果 3 试点农宅钢结构 X 方向总位移总弯矩分析图 4 试点农宅围护结构内部钢筋5 示范园院落绿化布置 121 ARCHITECTURAL JOURNAL 2010.9 建筑学报 中，在地震的作用下，钢筋与钢柱间的 拉结强度可以保证外墙不会产生整体性 的垮塌。 不仅在结构体系和围护体系上考虑 了抗震因素，而且抗震的思想贯穿于整 个设计之中。比如平面设计尽量简洁对 称，避免了因复杂的形体造成的各向受 力不均匀。立面开窗的尺寸和位置都比 较均匀 ；各个窗户之间间距大于 1m， 门窗和洞口上下均对齐 ； 2 层楼板没有 吹拔或悬挑等不利于抗震的空间设计 ； 在施工过程中严格按照标准构造要求进 行施工等。同时，施工过程中建筑师也 参与进来，向当地村民宣传钢结构抗震 知识。 应该注意的是，各种结构体系都有 相应的加强抗震的办法，钢结构并不是 唯一的抗震途径，这也是试点农宅所在 的示范园采用 4 种不同结构体系的初 衷即为了展示各种结构如何进行抗 震可持续设计。 2.2 生态可持续策略 2.2.1 基于整体环境效益的可持续策略 试点农宅项目基于生态层面的可持 续性，采取了从整体环境到住宅单体的 可持续设计策略。整体层面上，整个示 范园区从规划布局、院落营造、材料选 择以及与周边环境的能量循环等方面入 手，力图达到整个园区的建成环境对周 边自然环境影响程度最小，对内部环境 达到最适宜的效果。 庭院中的绿化对于组团小气候有很 好的调节作用。示范园在园区外部，尤 其是冬季主导风向上设计种植了高大的 常绿乔木，如橡树、桉树，来阻挡冬季 的大风。另外紧贴示范园区设计种植了 竹林，不仅提供私密性，呼应当地林盘 的特色，还能有效挡风。在庭院内部设 计种植了冠幅较大的小叶榕，在夏季可 以提供绿荫遮挡阳光，提供停留的场所 ( 图 5)。 另外，在总平面设计阶段，利用 PHOENICS 风环境模拟软件比较多种 不同的单体布局组织模型，保证 4 个单 体在通风组织上互相不干扰的同时，使 得单体南北或东西两侧空间风压差值最 大，有利于夏季通风。 除此之外，在试点农宅项目中，还 根据当地原有物质结构和生产生活方 式，设计了包括水资源、食物在内的能 量循环结构模式，通过生活方式的引导， 使得上一环节所产生的副产品或能耗都 能成为下一环节所需要的，从而取得大 环境的平衡 ( 图 6)。 2.2.2 基于住宅单体的可持续策略 住宅单体的生态可持续设计主要关 注于住宅的节能和居住舒适度，包括 3 个方面，一是从住宅单体的整体性能出 发，使住宅本身更利于节能 ； 二是改善 住宅单体围护结构的热湿环境，如提高 墙体和屋顶的保温隔热性能，窗户的热 工性能等 ； 三是生态材料的利用，使用 可再生和循环材料，减少对自然的破坏。 从单体的整体性能方面来说，试点 农宅综合考虑了朝向、体形系数、窗墙 比等因素，力求满足四川省居住建筑 节能设计标准的相关规定，并在平面 设计中融入了平面缓冲层的理念。将楼 梯间、过道、厕所等辅助房间安排在卧 室、客厅等主要房间的北侧作为缓冲空 间，来抵挡冬季的寒冷 ； 而主要房间在 南侧能够获得更多阳光 ； 另外，首层的 卧室与厨房相邻，也可以利用炊事余热 来保暖。 在单体的热湿环境改善方面，试点 农宅首先在墙体和屋顶的做法上设计添 加了保温层。墙体采用混凝土空心砌块， 由于砌块中间空气层的存在使得其热工 性能比一般砖墙更优秀 ；屋面保温采 用 40mm 厚玻璃丝棉保温层，整体传热 系数达到了 1.035W/m2K，相比一般 农宅中的屋顶保温性能有了明显的提高 ( 图 7)。 在试点农宅建成后，采用温度自计 仪，在 2010 年 3 月 6 日实地测量试点 农宅室内外 24 小时的温度变化，可以 看出，在非空调状态下，相对温度比较 稳定，温差比室外平均减少 2，保证 了室内的舒适度 ( 图 8)。 在生态材料的应用方面，建筑主体 结构中的钢材是一种很好的生态材料。 因为钢材是最易于再循环的建筑材料之 一。 “一般用于主要特性是强度的钢产 品可能含有几乎为 100% 的回收钢，其 中 75% 的回收钢可能是使用后的。 ”5150 除了钢结构，用于围护结构的混凝土空 心砌块也是一种生态材料。这种砌块是 由什邡当地一家北京援建的厂家北 京格林雷斯环保科技有限公司生产的环 6 示范园生态循环分析 2010.9 ARCHITECTURAL JOURNAL建筑学报 122 设计研究 RESEARCHES IN DESIGN 7 试点农宅墙身结构详图 8 试点农宅室内外温度实测图9 试点农宅室内功能变化分析 保型混凝土空心砌块砌筑的。其原材料 有各种垃圾、矿渣、粉煤灰等工业废料， 制造流程采用专业机器压制，不需要使 用煤烧，可以有效减少碳排放 ( 表 1)。 基于单位建筑面积的建材耗材在生 产过程中的 CO2排放量 P(t/m2) 以及相 应的计算公式，同时考虑到钢材使用后 回收所减少的 CO2排放量，计算得出的 试点农宅的 CO2排放量为 14.28t。通 过与同样面积的砖混住宅相比较可以得 出，在生产过程中可以相对减少 69.82t 的碳排放。资源和能源消耗量会相应减 少 12% 和 15.8%。 其中 ： Xi 第 i 种建材生产过程中单位重 量 CO2排放指标 (t/t) Bi 单体建筑用第 i 中建材的总重 量 (t) S 单体建筑的建筑面积 (m2) 单体建筑所用第 i 种建材的回 收系数 Xri 单体建筑所用第i 种建筑材料 的回收再利用过程中的 CO2排放指标 (t / t) 2.3 经济可持续策略 2.3.1 灵活性与生长性 试点农宅在设计中运用了灵活的布 局模式。平面尽量方正，内部仅有 1 层 的中心有柱，2 层室内为完全无柱空间。 室内隔墙可以任意布置。由于这栋农宅 本身就会在建造完成向当地村民展览后 变更为村支部的办公室 ( 承担接待，图 书室和办公等功能 )，为此，平面布局 上也相应按两种完全不同的功能进行分 隔设计 ( 图 9)。 同时，在农宅阳台一侧多出的一跨 与结构无关的柱梁桁架体系也暗示了生 长性。这种生长性并不局限在垂直方向 上，模数化的平面尺寸以及预留的扩建 余地也为这种生长性提供了最大程度的 满足。可以满足住宅在外墙和结构都不 进行大的变化的前提下，随着住户人口 数量和家畜数量的变化而变化，从而降 低了未来改建时的成本 ( 图 10)。 2.3.2 就地取材，现场设计 “用地方的资源生产来满足地方需 要，是最合理的经济方式。 ”7试点农 宅围护结构的墙体生产厂家所在地距离 施工现场不足 1km，所以节省了大量的 运输费用。用于临时安置的活动板房拆 卸后的彩钢板也被使用在试点农宅中。 这种彩钢板因为其良好的承重性和整体 性而被用作屋面板和楼板。另外，灾民 临时安置阶段政府发放的防风用的聚乙 烯塑料薄膜也尝试用在地面上做基础防 潮层。这些废弃材料的再利用不仅节约 了成本，避免了对环境的破坏，而且还 带来了居住环境的改善。 所谓的“现场”设计，就是设计随 着实际建造逐步深入，设计根据“现场” 的实际情况进行修改，设计与施工部分 交叠。这种设计不是建筑师坐在屋里凭 空伏案进行创作构想，而是在与“现场” 进行互动中结合“现场”的实际情况， 使设计更具合理性、可行性。 图书阅览 办公 卧室 卧室 卧室 卫生间 卧室 起居室 厨房 卫生间 卫生间卫生间 123 ARCHITECTURAL JOURNAL 2010.9 建筑学报 以试点农宅为例，在土建地勘、放 线、开挖地基的时候，建筑师与结构工 程师进行结构合理性的计算沟通，减少 截面以节约材料 ； 同时与设备工程师沟 通确定预埋管线的位置以便土建工程进 行基础部分的施工 ； 当进行墙体砌筑的 时候，建筑师在现场根据砖的颜色差异 设计住宅清水砖墙的立面效果，并根据 工地误差现场修改砌筑方式。例如，为 了在山墙屋顶处找齐美观，增加了普通 灰砖压顶的做法 ( 图 11)。当砌筑和浇 筑楼面的时候，在施工现场与工匠沟通 确立楼梯和栏杆的细部做法、屋脊和檐 口的细部做法、窗台的做法等，完善细 部构造设计，弥补设计之前没有考虑到 的问题或纠正一些设计中被忽视的不当 之处。 这种“现场”设计充分利用施工工 序的先后顺序安排设计流程，在最大程 度缩短时间提高效率的同时保证了建筑 设计的完善和深化，同时“现场”设计 还能够最大限度避免设计阶段因掌握资 料不全和考虑不周引起的设计变更对施 工造成的影响，最大限度避免因返工或 拆除造成的附加成本。 2.3.3 预制造 现代社会进入工业化以来，建筑制 造发生了翻天覆地的变化，工厂加工的 建筑构件取代了传统的手工艺，大大提 高了效率和精度，缩减了成本。西方发 达国家的城市和乡村住宅早已进入了预 制造阶段。一栋乡村住宅甚至完全可以 在工厂生产，施工现场需要做的工作就 是组装而已。虽然我国也进入了工业化 时代，但我国农村的经济水平还远没有 达到实现工业化和预制造的标准，传统 的小作坊式的建造模式依然在大量地进 行着。 试点农宅尝试了半工业化半手 工化的建造模式，通过工厂预制造解决 农房建设的关键部分钢框架结构， 同时留下诸如空间分割以及墙面材料选 择的弹性。可根据各户经济状况、使用 需求和形式喜好发展必要的形式多样性 特征。这种模式也可以算作一种“中间 技术” ，是在适应当地经济条件的基础 上的优化与提升。 2.4 文脉可持续策略 2.4.1 设计基于乡野调查 “没有调查，就没有发言权” 。做为 未来的直接使用者，农宅的设计应该满 足农民的需求。建筑师所应该承担的角 色，是利用专业知识帮助农民将需求转 化为建筑空间的解决方案。因此，设计 在选址阶段就开始了广泛的乡野调查， 为了在设计阶段能够更有针对性的解决 问题， “建筑师应当积极的介入到地方社 区中，为当地每一个个体的具体问题寻 求适用于当地的解决办法。 ”8 乡野调查的工作包括当地气候，传 统民居，现场环境的调研，当地建造技 术和地方材料的调研，以及通过调查问 卷和个体访谈的形式询问当地居民的需 求等。 2.4.2 基于传统的“温和”解读 为了避免对传统的不管不顾或是简 单的形式模仿，试点农宅设计试图通过 提取传统民居中依然有现实意义的特 点，用新的方式来诠释和传承这些蕴含 了社会文化与生活的精华。 一是农宅布局上的解读。传统民居 中的林盘模式在这里通过空间结构的重 构得到保留。传统林盘由外到内的水平 空间结构是田 ( 空 )林 ( 虚 )宅 ( 实 )，在试点农宅的园区整体布局规划 中，由外到内的水平空间结构依次是停 车场地与篮球场 ( 空 )竹栅围栏和 园区围绕的植被 ( 虚 )4 个农宅单体 组成的一个大的 “宅院” ( 实 ) ( 图 12)。 二是试点农宅单体上对传统民居的 解读。 “大出檐”的空间特点在这里因 为仍有实际意义而被保留。传统民居中 外露结构的穿斗山墙的特点也因为试点 农宅的构造示范作用而被保留，但做法 并不是用涂料模仿传统的穿斗结构，而 是通过在钢柱间填充外墙时把钢柱表面 露出和多做一跨钢桁架体系来得以贯彻 实施的 ( 图 13)。 表 1 建筑垃圾制作混凝土免烧结砌块配合比 砌体规格 390mm190mm190mm 承重空心砌块 240mm115mm53mm 标砖 序号骨料名称及粒径重量 (kg)重量 (kg) 1大垃圾 20mm 5mm6501050 2小垃圾 5mm 0mm650790 3沙子 5mm 0mm750100 4水泥210200 5粉煤灰500 6骨料总重量23102140 7产砖数量 ( 块 )135.88930.43 8每块砖重量17.002.30 9砌块强度等级 Mpa1212 10砌块容重 t/m3?1.191.21 11墙体用砖量 ( 块 /m3) 标准体积 0.014079m3/ 块， 71 块 /m3 墙体用砖量约 62 块 /m3 200mm 厚墙体用砖量约 12.5 块 /m2 标准体积 0.0014628m3/ 块， 683.6 块 /m3 实心墙体用砖量约 530 块 /m3 240mm 厚墙体用砖量约 127 块 /m2 数据来源 ： 格林雷斯环保科技有限公司 10 试点农宅平面增长性分析 11 试点农宅灰砖压顶做法 2010.9 ARCHITECTURAL JOURNAL建筑学报 124 设计研究 RESEARCHES IN DESIGN 在试点农宅设计中，没有刻意凸显 地方材料以表达其乡土感，也没有照搬 现代建筑的美学法则 ； 而是通过技术语 言寻求一种介于两者之间的方式。整个 住宅没有“表演性”的体量和炫技式的 细节，用朴素的语言保持住宅本身的简 洁和大方。住宅的门窗等细部也都采用 了当地农民喜闻乐见的普通样式。建筑 山墙面做为园区入口进入后的主立面在 尺度上进行了仔细的推敲，力求在和周 边建筑尺度相互协调的基础上有适度微 小的变化，显得既突出又和谐 ( 图 14)。 3 结语 农村住宅长期以来就被习惯性地认 定为是农民自己的事情，农民的住房建 造活动表现的是普通农民真实的艺术观 念、欣赏趣味以及文化价值观念。但这 种建造方式也有很大的局限性，因为缺 乏必要的技术指导或专业建筑师的参 与，农宅的品质往往很难提升到一个比 较高的水平，也往往存在布局不妥、土 地浪费、 大而不当、 华而不实、 功能不全、 样式单调、质量不过关、缺乏地域性等 诸多问题。尤其是随着农村普遍的衰退 和人才流失，以往一些有经验的工匠逐 渐消失，使得农村住宅的现