陕西关中轻钢民居的绿色建构＊

2022-03-21虞志淳侯艺

建筑技艺 2022年1期

虞志淳侯艺

虞志淳西安交通大学人居环境与建筑工程学院教授。

侯艺西安交通大学人居环境与建筑工程学院硕士研究生。

1 研究背景

近年来彩钢板及轻钢材料在农村广泛使用，廉价的工业化外观使村庄丧失了传统风貌。为了改善农村建筑风貌、传承地域特色，2018 年国务院办公厅印发《农村人居环境整治三年行动方案》，提出要消除公共和庭院空间中临时私搭乱建和随意堆放的生活杂物，彩钢板成为拆除整治的对象。但是，轻钢结构具有标准化生产、快速施工、节约成本等优点（表1），因而如何推动并形成符合农村长远发展趋势的钢结构住宅，成为亟待解决的课题。

2 轻钢民居

钢结构依据结构自重和承载能力划分为轻钢与重钢结构。茩前常见的轻钢结构为冷弯薄壁型轻钢结构（轻钢龙骨结构体系）、轻型钢框架结构（应用于工业厂房等较大使用空间的建筑类型，民居较少使用）、谢英俊轻钢结构和新芽系统等（表2）。陕西关中农村民居主要使用镀锌钢管及强度较好的冷弯薄壁C型钢。轻钢结构是低层建筑首选的绿色形式，代表了装配式、工业化新技术方向无论在新建还是传统民居改造中均具有推广意义。在经济发达地区，轻钢民居已经获得一定应用，并在灾后重建中显示出应用优势。

表1 钢结构住宅特点

表2 轻钢结构体系比较

将工业化与传统建造相结合，形成半工业化轻钢结构体系，具有推广应用价值。冷弯薄壁型轻钢结构工业化程度高，是新型的轻钢结构，性能好但建设成本与难度均较高。而新芽系统在结构强度、热工性能、工业化等方面较优，价格适中。在几种轻钢结构中，台湾建筑师谢英俊的轻钢民居探索最具代表性，该体系采用C型冷弯薄壁型钢材，从传统穿斗式木结构中寻找灵感，优化欧美的轻钢龙骨体系，结合地方传统材料，减少用钢量和构造节点，用螺栓快速连接轻钢构件，成本低、建造速度快（图1）。

3 绿色建构

陕西关中民居是三秦大地最具代表性的合院民居形式，最大特点是单坡屋顶，院墙高大封闭、厚重质朴，户户毗连、浑然一体。主要建筑材料是传统的青砖、灰瓦和生土（土坯砖与夯土），具有朴素的原始生态性。但是，传统关中民居已经不再具有生命力，在材料、技术与思想观念等方面都面临变革。

当前，关中农村将彩钢板及相关轻钢材料多作为零配件用于主房屋顶、院落顶棚、储藏间、阳光房、围护墙体、卫生间、檐口等位置，尚未形成系统的轻钢民居建筑体系。彩钢板作为屋顶材料虽然轻质高强、防雨，但是相较于传统民居与砖混民居其热工性能差（图2），外观美观度不高，需要进行相应的材料构造设计，改善保温隔热性能，完善空间形态与材料肌理。本研究以谢英俊轻钢体系为基础，结合其他结构体系的优点进行轻钢民居设计，将传统建筑元素、材料同现代工业化建筑结合，探索绿色建构策略。

3.1 平面设计

在平面设计中结合轻钢围护结构灵活布置的特点，提出模块化空间设计下的基本生活功能空间，以及空间的可变性、生长性原则，实现建筑的可持续性。

关中民居的核心功能空间为主卧室、厨房、餐厅、卫生间；次要空间为次卧室（易空置）、储藏空间。客厅较为特殊,既是户主人会客交友的重要空间，又有一定的可变性和混合性。随着生活水平的提高还可能出现书房、健身房、棋牌室、茶室等附加空间。此外，关中农村房屋空置现象普遍，为了减少不必要的房间，需根据实际生活生产需求有选择地建设。

空间功能组合原则如下：

（1）以客厅空间为枢纽，主要使用空间位于东西两侧，预留南北两侧作为可变生长空间。

（2）餐厅结合客厅布置，储藏室、楼梯间结合北向院落布置，室内相对次要空间结合室外过渡空间形成可变生长空间。

（3）易闲置的卧室及其附属功能作为村民后期加建的生长性空间布置于民居二层，契合村民建房习惯。

模块化空间设计，既符合轻钢结构建筑的特性又能与墙体板材相匹配。我国颁布的《轻型钢结构住宅技术规程》（JGJ 2019-2010）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）等多项轻钢结构标准中都说明模数网格线应为基本设计模数的倍数，推荐采用600mm 的模数，结合关中民居需求得出如表3 所示的适配数据。

3.2 造型设计

民居建筑多为1～3 层的低层建筑，造型设计的重点在于屋顶。方式一：横向（南北向）分解建筑体量，以双破屋顶为原型，将其看作是两个单坡屋顶的组合，再将单坡屋顶前后、上下拉开一定距离使建筑体块分解，形成双坡、单坡屋顶共存的效果。该类屋顶可增加屋顶采光，利于南向太阳能板的布置（图3）。方式二：竖向（东西向）分解建筑体量，直接使用传统关中民居单坡屋顶造型（图4）。

双坡屋面坡度约为35°，单坡屋面坡度接近30°。根据坡屋顶挑檐南外窗上的阴影高度计算公式，按照西安夏至12点太阳高度角75°、窗台高度0.9m、层高3.2m计算，屋檐挑出0.5m，此时南外窗即可形成1.5m的阴影，从而解决夏季遮阳问题。

表3 新轻钢民居功能房间尺寸适配表

1 谢英俊轻钢结构体系

2 白水县尧头村民居冬季室内温度变化图

3 ,4多样化造型设计

3.3 材料肌理

屋面选取彩钢瓦楞板等类似的金属板材，传统关中民居多为青瓦仰铺，颜色为灰黑色。可通过类似的颜色肌理来实现现代材料的地域性表达，选取间隔205mm、210mm，厚35mm、38mm 规格的梯形或者V 形彩钢瓦楞板，颜色为灰色系、棕黑色系。墙体可选取草泥、木材、青砖、红砖等传统材料，或贴仿青砖纹理瓷砖、真石漆等体现地域性。同时，轮廓基地突出墙体约120mm，即一砖宽的距离，区分装饰填充区域（图5-7）。院墙是民居的重要组成部分，也是村民区分内外的主要手段。院墙设计选择镂空砌筑墙体，能带来更好的邻里交往与空间趣味性（图8）。

3.4 围护结构

根据轻钢结构的特点，围护结构基本作为填充系统，可以灵活使用相应的材料满足不同空间的功能要求。关中地区属于寒冷气候分区，屋面、墙体应兼顾冬季保温、夏季防热的作用。轻钢结构屋面主要有两种形式，其一是在屋顶檩条或者椽条上进行屋面构造，这种屋面与传统屋面建构形式相似；其二是用木板将钢结构屋顶斜梁整个包裹，与檩条或者椽条上的构件合为一体，避免屋顶的钢结构暴露在室外，防止产生冷热桥。同时也可选用秸秆保温板、草土泥等环保材料，用于屋顶保温（图9）。

轻钢民居外墙围护结构灵活可变。一层外墙使用添加水泥、草筋等生土材料，结合保温材料、混凝土空心砖等形成复合保温墙体；二层及可变空间外墙使用易拆装的复合保温轻质板材，这种上轻下重的组合方式有利于加强轻钢结构的稳定性（图10）。保温材料主要选择防火性能较好的玻璃棉板。一层外墙紧贴轻钢结构杆件内壁进行砌筑，生土材料结合钢筋网加木龙骨进行建造,钢筋网片的使用可防止墙体开裂。墙体基础可选择水泥、青砖、红砖等材料砌筑，在靠近室内地坪以下的垂直外墙面增设保温层，墙角包砖应紧贴主体墙体进行砌筑，改善轻钢结构冷热桥问题（图11）。

由民居冬季剖面（图12）可知，北向院落封闭后形成北向气候缓冲空间，坡屋顶下气候缓冲空间、阳光间、取暖空间三处过渡性空间对主体建筑进行保温，加上室内北向储藏室、厨房卫生间对主要卧室形成二次保温。夏季剖面（图13）主要展示建筑通风效果，将客厅天窗和阳光间用黑纱网遮盖，北向窗户小于且高于南向窗户，加上天窗、坡屋顶的辅助作用，使热空气上升从而加强通风效果。

3.5 支撑结构

根据规范和谢英俊轻钢结构实践案例，轻钢结构柱网以600mm 为基础，主要模数有1 200mm 和1 800mm 两种。材料应符合《轻型钢结构住宅技术规程》（JGJ 209-2010）和《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227-2011）的相关要求。梁柱式轻钢结构通过柱、梁的相互穿插，搭接成一榀榀屋架结构，再通过横梁连成一体（图14）。

4 性能分析

使用模拟软件DeST—h进行分析，验证轻钢民居的保温隔热性能。通过文献整理主要使用材料热工参数（表4），选取DeST—h中的合适材料新建组合，模拟模型中外墙、内墙、屋顶等位置所使用的建筑构件，具体参数如表5所示。

表4 主要使用材料热工参数

表5 主要围护结构热工参数

5 对装饰填充区域改变的立面形式

6 竖向划分的立面形式

7 横向划分的立面形式

8 镂空墙面砌筑示意图

9 屋顶构造形式

10 墙体保温构造

在模拟中将房间设置为空房间来减少人为因素干扰，气象数据选取软件中西安地区的数据。

经模拟发现，轻钢民居全年热负荷为6 581.17kW·h，根据1kW·h 约0.172kg 标准煤计算，采暖面积耗标准煤约8.98kg/m，接近建筑节能的65%（标准煤8.75kg）。轻钢民居冬季保温性能较好，冬夏舒适度较高，夏季还可以通过增加植物遮挡、阳光间、天窗等遮阳措施提升隔热性能（图15）。

此外，参照《陕西省农村特色民居设计图集》中陕南19 号民居轻钢民居方案造价分析，关中轻钢民居造价约1 200 元/m，价格适中。由于轻钢结构结构本身与墙体占空间小，比砖混结构每100m多出约7m使用面积，因而更加经济适用。轻钢民居还具有可回收再利用的优势，是性价比高、绿色生态的建筑体系。

5 结语

轻钢民居的绿色建构以轻钢结构和钢材的合理使用为出发点，针对关中农村现状特点，采用现代与传统材料相结合的方法，提出功能平面模块化、空间可变性、生长性、保温节能、建筑风貌地域化等建构设计策略，实现轻钢民居的空间塑造及围护结构的节能功效，探索新材料、新技术的地域性绿色建构方法，寻求性能化绿色技术与地域文化结合的轻钢民居建筑设计方法。