陈 洁

杨 柳

罗智星

传统民居丰富的空间模式蕴含了不同地域所代表的气候与文化特征，是当地建筑材料、建造方法与技艺的体现，反映出建筑巧妙顺应气候与季节变化的生存智慧，然而随着现代化城镇建设的发展，大量照搬城镇经验建造所谓“现代民居”，越来越多的建筑空间趋于一致，在逐渐丧失地域文化的同时带来了巨大的能源消耗问题，随着城镇化的逐步推进，2017年农村住宅的商品能耗为2.43亿tce，占建筑总能耗的25%[1]。面对以上问题，许多学者提出了民居建筑环境适应的理论方法，针对民居建设的建筑实践也越来越多[2-5]，然而针对新建农宅建造方式过于简单、缺乏建筑地域气候分析、民居空间适用性的根本机制探讨等问题仍有待系统研究。

吐鲁番处于塔里木沙漠边缘，属于暖温带大陆性干旱荒漠气候，以火洲著称[6-7]。夏季极端高温达到46.8℃，年日照时数在3000小时以上。昼夜温差悬殊，夏季雨量极少，炎热时间长，空调度日数CDD26达到579（℃·d）[8]，制冷能耗需求除海岛地区以外为我国内陆第一，因此民用建筑热工规范要求该地区建筑围护结构应同时兼具保温与隔热的性能，然而围护结构热工性能的高要求代表建筑经济成本的相应提高，这对于经济欠发达地区的农村居住建筑来说仍然是难以快速解决的难题。本文拟对吐鲁番传统民居的空间模式进行解构与分析，通过空间环境的形成机理探求其环境适用性的本质，以被动式设计方法提升民居热环境为出发点，探讨极端气候下以过渡空间为研究对象的多种空间模式在居住者使用方式主动调控下的热环境差异，并根据建筑近地面铺装材质，对庭院微环境调节效果的差异，探讨具有实际可操作性的民居优化策略，通过多次对比模拟实验研究，得到建筑空间设计与热舒适相对应的变化规律，所得数据可供实际工程参考，为极端气候区民居建设发展提供借鉴。

1 传统民居的环境适应性

1.1 吐鲁番民居空间特征

吐鲁番传统民居的空间营建受到极端气候的制约，体现在既最大程度地提高建筑构件的保温隔热性能，又充分利用功能对于空间形式的灵活性，发展出以院落式为主体的居住形式，在其平面布局方式上呈现出室外空间、过渡空间和室内空间三个空间层次，形成以棚盖、高架棚为主的独特的过渡空间特征。相对于室内采用保温蓄热性能较好的生土材料围合而成的封闭空间，过渡空间则是采用实体结构围合并且半开敞于室外环境的半室外空间，以庭院布置围合方式程度不同，可分为全围合，半围合和单面围合（图1）。过渡空间的热环境营建，一方面受到围合构件热性能的影响，如棚盖、门廊和下垫面材质与建构空间差异等；另一方面半室外空间直接受到太阳辐射、夜空辐射和通风降雨等室外气候影响，相对于室内热环境对围护结构的绝对依赖，微气候环境在综合了室外气温、太阳直接辐射、地面与周围建筑环境的反射辐射和长波辐射，以及周边环境中植物、水体的蒸发潜热等复杂的作用环境，因此在研究吐鲁番民居空间系统的形成机理时，有必要以热环境状况为参考指标，评价多层次空间使用模式的合理性和有效范围，对过渡空间在民居环境适用性中所起的调节作用展开分析。

1.2 居住空间使用模式调研

新疆民居受到多种民族文化影响，自古以来就有室外生活的习惯[9]，在过渡空间的使用模式上具有以下特征：①采用庭院空间作为休憩、用餐、节日庆典等多种功能的综合利用场所；②将屋顶空间与部分外廊作为第二庭院，进行葡萄晾晒、柴草储存、炊事等手工作业，同时在极端炎热的夏季时段，利用室外温差及长波辐射降温选用屋顶空间作为夜晚休息场所；③具体功能的空间使用时间非固定，随着季节变化，过渡空间在不同时段交替使用。为了探究各类空间的使用规律，通过现场问卷方式，调研了英买里村32户居民的过渡空间使用频率及使用时间，获得了30份有效问卷，对吐鲁番地区当地居民建筑的实际使用规律进行分析（图2～3）。

如图2所示，在冬季和过渡季节中过渡空间的使用频率分别为25%和31.25%，夏季使用频率明显增加，达到43.75%，也就是说在夏季当地居民近一半的时间是在半室外空间度过的，综合考虑当地夏季严酷的室外气候环境，说明过渡空间具有一定的气候调节能力。从全天使用时间频率来看（图3），过渡空间的使用模式具有明显的时间节点，8：00—12：00使用频率最高，达到50%以上，当下午受太阳辐射影响庭院温度增加时使用频率逐渐降低，直至傍晚18：00使用频率恢复高值，通过与当地居民的访谈了解到，过渡空间的使用时间节点规律与功能无关，很大程度上是因为随着室外昼夜温度改变造成在上午和傍晚时段室内环境较差，甚至远低于半室外空间造成的。综上所述，过渡空间具有气候缓冲作用，使得空间舒适性在夏季极端炎热状况下仍然能够达到居民生活使用要求；另一方面，单一的室内空间不足以实现居民的基本热舒适要求，体现出吐鲁番民居建筑中，综合利用多种空间的主动式使用模式，以响应极端气候变化的显著特征。

图1 传统民居过渡空间类型

图2 不同季节过渡空间使用频率

图3 不同季节过渡空间使用逐时频率

图4 物理环境实测建筑

图5 夏季典型日室内外温度逐时值

图6 吐鲁番英买里村自建房

图7 英买里村安居富民示范项目

图8 过渡空间层次分析

图9 数值模拟计算物理模型

1.3 夏季热环境分析

为揭示使用模式与热环境变化的相关性，选取夏季最热时段对吐鲁番典型传统民居进行物理环境实测，对比了夏季典型室内、半室外空间空气温度逐时值（图4～5）。

如图5所示，室内空气温度波动幅度较小，平均空气温度为33.7℃，最高温度为36℃，最低温度为31℃，庭院与檐廊温度接近，平均温度分别为32.3℃、32.5℃，最高温度分别为37.1℃、36.8℃，最低温度为27.1℃和27.7℃，半室外空间温度波幅明显大于室内空间，在16：00至21：00时间段室内温度低于半室外3℃左右，在绝大部分时间中室内温度较高，并且与半室外温度出现延迟现象，证明了建筑围护结构对室内热环境调节所具有的局限性与半室外空间良好的调节性能，通过主动调控，合理规划不同空间的使用时间，可以有效避开室内过热时段，从而提高居住总舒适度时长。

2 新民居调节模式应用与实践

2.1 组合空间调节模式

建筑作为人体应对气候变化的缓冲区域，以全空间、全时间进行调节往往意味着较高的能耗与经济代价，通过以上分析可以看出传统民居中“化整为零”的环境适应建造智慧。因此，将民居建筑空间拆解为核心空间与附属空间的组合模式，在核心空间局部有效保温隔热的前提下，过渡空间可以提供适应室外气候变化的多种附属空间，作为核心空间热环境调控失效时段的补充，通过被动式技术手段对半室外微环境进一步提升，提供了一种有效提高建筑整体舒适度、减少建筑能耗，同时丰富建筑空间的设计方法。

2.2 安居富民示范建筑

西安建筑科技大学绿色建筑研究中心开展了民居环境适应性研究，针对当地自建民居空间品质与与室内热环境较差的问题（图6），提出过渡空间调控方法设计建造了吐鲁番英买里村安居富民示范建筑（图7）。建筑过渡空间建筑比例占到总建筑面积的42%（图8），采用庭院高架棚、屋顶第二庭院与室内核心空间共用的方式最大化实现了维吾尔民族文化生活的传承，在整体框架结构改善建筑安全性能的基础上采用生土夯筑的传统建造方法对围护结构进行填充，在不增加建设成本的前提下实现传统空间使用，通过对建成后建筑实际性能的长期监测[10]，证明了该调控方法在提升居住舒适性能方面的有效性。

3 过渡空间优化策略分析

为进一步探究室外微环境优化作用机理，以扩大可接受热环境区间范围，采用IES模拟软件对庭院地表铺装影响人体舒适性进行比较研究，以沥青、砖块、草体与水体为下垫面材质分别进行模拟[11]，依据示范房主体结构进行物理模型建模（图9），为研究建筑自然状态基础室温未设置主动制冷设备，对四种工况下夏季典型日室内不满意率[12-13]进行计算，模型设置参看表1，实验结果参看表2。

通过表2可见，自然通风工况下室内不满意率变化范围在82.40%～86.23%区间，随着地面反射率的降低，室内热环境逐渐改善，当选取沥青为下垫面铺装材质时，不满意率相比于草体与水体分别下降1.48%、2.44%，与铺设红砖工况差异最大，满意率下降3.82%，室内平均温度相差1.01℃。证明了对于民居被动式设计方法而言，过渡空间优化策略的可行性。值得注意的是，通过地面反射作用于建筑受热的过程中，建筑高度在一定程度上会对受热程度产生影响[15]，对于吐鲁番地区多层建筑而言，下垫面材质热工性能对微环境的影响是显著的，当微环境调节措施的目标对象为多层小体量建筑，并且建筑环境与模拟工况一致时，计算结果具有相应的工程参考性，吐鲁番地区民居庭院优先选取低反射率材质更有利于建筑热环境营建。

结语

传统民居是传承千年的智慧累积与经验总结，通过分析新疆吐鲁番传统民居应对极端气候条件的热环境调节机理，实地调研出居住者为提高居住质量而发展出的交替使用不同空间的居住习惯特性，在室内外热环境测试的基础上分析主动调节模式下各类空间的夏季热环境状况，证明在极端气候条件下，单一封闭空间温度调节的局限性，提出建筑主体局部保温隔热附加过渡空间的调节模式，并且通过数值模拟实验对室外空间优化分析，发现小体量建筑近地面铺装对建筑热环境影响显著，吐鲁番地区应降低下垫面表面材质反射率的微环境优化策略。通过民居环境适应本质进行分析与实践，发挥人对气候的主动适应力，发展适宜的优化技术措施，探求适用于极端气候地区具有可操作性的民居建筑模式，使其对当地建筑设计方法与单体建构提供指导，让地域建筑设计在民居升级改造的道路上得到更合理的发展。

表1 围护结构性能参数

表2 下垫面参数设置[14]及模拟结果

资料来源：

文中图表均为作者自绘自摄。