王帅 王志强 张鹏举 | 低碳思维下三种草原新型绿色建筑体系解析
全文刊登于《当代建筑》2022年第8期 p22-26
作者简介
王帅 | Wang Shuai
内蒙古工业大学建筑学院硕士研究生，绿色建筑自治区高等学校重点实验室
王志强 | Wang Zhiqiang
内蒙古工业大学建筑学院讲师，绿色建筑自治区高等学校重点实验室
张鹏举 | Zhang Pengju
内蒙古工业大学建筑学院教授，绿色建筑自治区高等学校重点实验室
摘要：针对“双碳”目标达成与回应的问题，建筑界正在努力探索新的方法与路径。内蒙古地区的建筑实践则从地域性出发，结合本区域的环境特征、气候因素与技术条件，尝试建立并修正现有适于草原环境的新型绿色建筑体系。本文介绍了沙袋建筑体系、新型木结构预制安装体系及结构保温一体化砌块体系三种建造体系，重点阐释了三种体系在材料选择、结构体系设计、建造方式凝练及新能源耦合等方面的低碳化方式，进而确定在当前低碳要求下适于草原的新型绿色建筑体系，并借此探索地域性建筑的绿色之路。
关键词：低碳 ；草原新型建筑 ；绿色建筑体系
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2020年9月，我国明确提出“碳达峰、碳中和”目标，此后各行各业都力图采取有效措施实现此目标。目前我国建筑行业的碳排放量约占全国碳排放总量的50%。因此，建筑行业节能减排的发展程度对我国“双碳”目标的实现起着重要作用，研发并推广符合实际需求、与环境建立友好关系的绿色建筑体系十分必要。
绿色建筑理念发展至今，国内建筑界关于绿色建筑的探索与实践取得了一定的成绩。从深圳建科大楼的“平民化绿色建筑”[1]到体现本土化设计思路的“被动式设计”[2]，从“可持续建筑设计的思考”[3]到“传统建造智慧的绿色转译”[4]等一系列设计思维与方法的探讨均为低碳建筑的发展提供了新的可能。截至2021年，我国累计建成绿色建筑85亿平方米。但从区域分布来讲，绿色建筑大多位于江苏、广东等沿海发达地区，且在低碳设计方法上偏于“技术的运用”，对于传统营建智慧及适于地域的低碳设计方法的研究与创新仍处于初级阶段。
随着时代发展，草原牧民的生活方式也经历着从“游牧”到“定牧”的转变，传统蒙古包的住居形式逐渐被现行的各种砌体结构的建筑形式所取代。此种改变既来自打破地理限制的文化交融理念，也体现了人们是运用新的材料、技术条件，还是选择传统建造方式之间的矛盾。因此，笔者试图以牧区传统建筑的使用方式、功能关系为原型，在满足牧区建筑的文化传承、牧区人民的文化认同，以及适应新时代“双碳”目标的需求下，形成三种草原新型绿色建筑体系，即沙袋建筑体系、新型木结构预制安装建筑体系及结构保温一体化砌块体系。
1.1 沙袋建筑体系
沙袋建筑体系以生土作为主要建筑材料，强调建筑材料获取方式的在地性。该体系起始于美国，是美籍伊朗建筑师纳德 · 哈利利（Nader Khalili ）所创造的建筑实践方式，具有造价低廉、坚固结实、抗洪抗震、隔热绝缘、建造方便等优点。我国对沙袋建筑体系的研究较少，笔者团队首次引进此建造技术，并进行地域性转译，将其应用于多个实践项目中，相关设计方法与建造技术已相对成熟。对于草原新型绿色建筑而言，该体系结合地域特点，根据设计场地现状，就地获取沙土且掺入适量凝结材料，装入袋中叠砌，是一种适于内蒙古草原环境、改良后的新型生土建筑体系，具有就地取材、易操作、建造快、造价低、完成生命周期后可化解归于土地、生态环保等特点（图1），在材料使用及拆除等各方面都与绿色建筑的要求相契合。
1.2 新型木结构预制安装建筑体系
新型木结构预制安装建筑体系是由钢木结构演变而来。在建筑领域，钢木结构已有成熟的实践成果，产业化程度较高，被广泛应用于低层的居住建筑和公共建筑中。本文所提出的新型木结构预制体系是在以“蒙古包”为原型的基础上的一种新的变体——运用模块化的建造方式，根据模块的基本单元与组合方式可分为板式结构和杆式结构。这种体系采用装配式的建造方法，通过对传统蒙古包的转译，将当代的装配式与传统的地域性结合在一起，创造出地域性的绿色建筑。建造方式主要由工厂预制构件后进行现场组装，是一种完全去湿作业的装配式建筑体系。纯组装，可搬迁，体现了低碳、环保的特性（图2）。
1.3 结构保温一体化砌块体系（EPS模块）
结构保温一体化砌块体系是以将高效能聚苯板砌块作为围护骨架，用场地材料加以填充，辅以钢筋形成新型低能耗抗震房屋结构体系。该体系具有建造技术标准化、建筑部品生产工厂化、施工现场装配化和室内环境舒适化等优点。与传统砖砌房屋相比，该体系降低了房屋的建造成本，增加了使用面积；施工难度较低，且材料热工性能好，满足当地气候条件要求；构件及构造做法合适，在满足低碳的要求下，兼顾在地性，特别适合当下牧区新型绿色住宅的建造（图3）。因此，该体系可被引入内蒙古牧区，作为草原新型绿色建筑体系之一。
2 三种体系的低碳策略
2.1 低碳的材料选择
就建筑材料而言，当下牧区草原建筑主要以砖、石、钢筋等作为主要材料，从保护环境与低碳角度思考，存在着较多弊端：①砖的生产过程既破坏土地，又消耗资源；②囿于牧区交通，材料运输难度大；③牧民不熟悉施工工艺，需额外聘请工匠代为建设，增加了建设成本；④施工设备的入场和现场的湿作业施工，对草原生态环境造成较为明显的破坏；⑤材料不可回收，导致建筑垃圾不能得到有效处理，对草原生态造成负担。因此，适于场地环境的材料选择对建筑低碳目标的达成有着重要作用。
以生土为主要建筑材料的沙袋建筑体系的最大价值，在于该建造系统几乎只需要使用自然界本身赋予的材料就能为不同层次的使用者建造住宅，具有巨大的生态价值和社会价值。①它良好的热工性能能够应对内蒙古地区夏季温热短促、冬季寒冷漫长及昼夜温差大的气候特征。内蒙古牧区幅员辽阔，大量的生土便于获取，且生土在使用后可重新归于土地的优势，保证了建筑在拆除后归于自然，便于处理。
新型木结构的主要材料是木材。相对于水泥、混凝土等高能耗建材而言，木材因绿色无污染、天然可再生属性，被称为“负碳”型材料。每生长1 ㎡木材，能吸收约1 t的二氧化碳，并释放0.5 t的氧气[5]。装配式木结构建筑在我国仍有很大的发展潜力，并与传统蒙古包所采用的柳木等天然可再生的材料特性有相当的契合度。因此，在新型蒙古包中选用木材既是对地域属性的继承，也是对此种小体量装配式建筑的新呈现，使其能够充分发挥木材的特性。
在EPS模块体系中，主要材料为EPS模块，即模塑聚苯模块，具有成本低、重量轻、强度高、防水性佳、导热系数低等特点，在节能方面具有突出的优势。此外，EPS模块在工厂采用全自动生产线预制生成，类型多样，适用于各种类型的建筑构造。[6]施工时仅需在工地统一进行装配，减少现场作业，提高了建造效率与综合效益。
2.2 低碳的结构体系
沙袋建筑体系以传统蒙古包的圆形作为母题，通过若干适于沙袋砌筑和满足强度要求的曲线形体量，在空旷寂寥的草原上呈现柔和、内敛的形态，表达了人与自然和谐共生的理念（图4）。沙袋建筑的结构体系主要由墙体和屋顶两个部分组成。墙体既作为承重结构，又是围护结构 ：在生土材料中掺入少量水泥，将其装入袋子中形成基本模块，逐步堆叠而成。屋顶结构有两种方式 ：
其一，在较大空间中，将由装配式木构架组成的单坡屋顶置于墙体之上，搭建而成，不仅施工方便，且便于排水 ；其二，在较小空间中，采用沙袋发券，层层收分，最终形成一个可采光的小顶，既呼应传统蒙古包造型，表达地域传承，也形成“烟囱效应”，起到拔风作用，提高了室内通风效率，以此降低建筑运营阶段的碳排放量。至于结构强度方面，经过细致考量的形体，为建筑定下了坚实的基调，而后材料中掺入的水泥，以及加固用的纵向钢筋，都保证了建筑整体的稳定性。
新型木结构体系采用装配式技术，与传统蒙古包相比，主要由基座、墙体、屋顶、天窗四部分组成（图5）。基座采用架空方式，延续了传统蒙古包中可持续的草原生态观，在为室内提供了保温、防潮性能的同时，也为上层结构体系提供了稳定的支撑[7]。墙体主要由数根木柱、木柱与木柱之间的填充墙组成，装配化程度高，便于移动拆卸。它的屋顶部分，则通过装配式木构架的拼接，组装成正交叠层木肋结构，强度稳定且结构形式优美。墙体与屋顶可根据结构需求或功能需求进行模块组合。对于室内功能而言，其创造了大跨度的无柱空间，使用更加灵活，结构更加稳定 ；对于节能减排而言，带坡度的屋顶为其上方铺设的光伏板提供了合适的日照角度，尽量减少对外部能源的依赖。此外，由天窗组成的通风系统，保证室内空气流通，提升了室内居住品质。
对于同样采用装配式技术的EPS模块体系而言，在建筑构件标准化的基础上，其建造速度快，生产成本低，且结构类似剪力墙，更为牢固。在实际的施工过程中，因为传统混凝土不能降解，为了进一步降低建筑物的能耗，建筑师将模块空腔内的混凝土替换成生土，仅加入少量水泥保证结构强度。而屋顶部分则是通过方钢串联模块，利用屋顶天窗增加了室内外的空气流通。同时，灵活的模块体系使建筑造型更加自由和丰富，为地域性的表达创造了有利条件（图6）。
2.3 低碳的建造方式
低碳理念贯穿沙袋建筑体系的整个建造过程。沙袋建筑体系的主要建筑材料为生土，可就地取材，节省大量材料费和运输费。墙体通过沙袋叠砌，上下层沙袋之间仅用少量纵向钢筋加固结构，低碳环保。屋顶采用装配式木构架，结合受力分析，不同部位采用三至六层不同数量的杆件堆叠，在满足结构强度的基础上，尽可能地节省材料，并创造了精致的室内空间（图7）。
新型木结构体系与EPS模块体系，均采用装配式技术，其主要构件由工厂加工制作，提升了建造效率，降低了施工对环境的污染。新型木结构体系的整体装配率达90%。在细部处理方面，通过采用铆接、铰接代替传统的插接、捆接，在增加结构稳定性的同时，也兼具一定的灵活性，可以根据日常的使用需求对各构件进行调整[7]。EPS模块体系采用的大体积砌块为聚苯合成材料，能够有效提高建筑的保温性能，且孔洞浇筑的生土及适量黏合剂与传统混凝土相比具有可降解的优点，能够更好地保护牧区环境。
此外，随着时代发展，人的个性化需求不断增多，传统的单体蒙古包在面对日益繁复的新功能时，总会受限于其体量而无法满足。因此，新型绿色蒙古包体系还应考虑未来可能出现的空间需求。而新型木结构体系与EPS模块体系采用装配式技术，能够完美地适应空间拓展等需求。新型木结构体系建筑平面为多边形，根据不同的使用需求可以将多个原型空间进行组合，进而获得更多元、更开放的建筑空间（图8）。EPS模块体系则通过对牧区户型方案的研究，制定多种不同造型的住宅，在满足新的空间需求的同时，更好地为自治区新农村牧区建设和新型城镇化服务（图9）。
2.4 低碳的能源供应
内蒙古牧区拥有丰富的太阳能资源，高效地利用太阳能对于草原新型绿色建筑体系的构建具有重要意义。在本次实践中，鉴于沙袋建筑体系与EPS模块体系的墙体材料均具有良好的热工性能，且涂有气凝胶涂料，热工性能更佳，此处以新型木结构体系中运用光伏建筑一体化技术（BIPV）为例说明新能源的耦合探索。太阳能光伏系统在绿色建筑中运用广泛，其本身作为建筑材料，降低了建筑物的整体造价，节省安装成本，使建筑外观更具技术和艺术魅力。[8]与传统的太阳能利用方式相比，光伏建筑一体化技术对于光能的转化效率更高，发电量更多，后期维护也更简单。在新型木结构体系中，其隆起的屋顶为太阳能光伏板提供日照角度的同时（图10），直接作为外围护结构的光伏板凭借其透光的特性，也使室内产生了丰富的光影环境（图 11）。同时，在整个能源供应系统中，电能是依靠风能转化，再进行有效的收集后，用于日常生活之中的。太阳能与风能不仅为建筑的有效运行提供了基本保障，并且为可再生资源的利用提供了新的可能。
以上三种建筑体系，在带有较强的地域性色彩的同时，为了达到节能减排的目的，满足绿色建筑的要求，在主要材料的选取、结构体系的运用，以及建造方式上都选择了较为合适的做法，在保证建筑品质的基础上，力求达到贯穿建筑全生命周期的低碳使用（表1）。
3 结语
当代建筑语境下，对建筑本体与外部环境之间的关联性的探讨愈发重要，找寻二者的均衡点成为建筑设计的关键。本文所涉及的“低碳”与“地域”两个概念之间存在某种共通与交织，同时也是回应建筑本体与具体环境的一种方式。草原新型绿色建筑体系强调了在地性与低碳化：沙袋建筑体系从在地材料的选取与建造过程中体现在地性的，其选取与回收过程强调了全生命周期的低碳化；新型木结构预制安装建筑体系则是从当地蒙古包民居的转译中体现在地性的，在建造方式与结构特性上强调低碳化策略；结构保温一体化砌块体系通过气候条件与构造做法结合强调在地性与低碳化。草原新型绿色建筑体系的研究是基于满足当下草原牧居生活需求，对地域性绿色建筑的一种积极探索，是建筑物质空间与精神空间的有机融合。本次研究希望在低碳的时代背景下通过对草原新型住居体系的研究，重塑新的草原人居价值观，并为地域建筑提供新的范式。■
注释
①详见内蒙古工业大学的《Superadobe建造系统的本地地域适宜与拓展研究》。
参考文献
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图1，图2，图3，图10，图11 ：扎拉根白尔摄影
图4～图9 ：作者绘制
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本文发表于《当代建筑》2022 | No.08
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