基于整體視角的干旱地區(qū)既有聚落氣候適應(yīng)性營建策略

賈蘇爾·阿布拉

王 竹

錢振瀾

裘 知

鄔軼群

阿孜古麗·艾山

“生態(tài)文明建設(shè)”戰(zhàn)略對我國邊疆干旱地區(qū)而言意義重大，因為其氣候獨特，資源有限，以順應(yīng)生態(tài)環(huán)境營造適宜人居環(huán)境是必要之舉。這特殊地區(qū)，在歷史上一直面臨著嚴峻的氣候與環(huán)境問題，為了應(yīng)對外界氣候與環(huán)境的變化，人類雖付出了巨大代價，但也積累了能應(yīng)對氣候環(huán)境的不少營建理念與智慧。因此，很有必要研究其如何在有限資源下順應(yīng)氣候，融入自然。同時，還有必要學習它為保證聚落人居環(huán)境的質(zhì)量而采用的適宜策略。通過分析發(fā)現(xiàn)，對干旱區(qū)聚落的現(xiàn)有研究主要集中在干旱區(qū)聚落的形成、演變、規(guī)劃、能源利用[1-3]、區(qū)域生態(tài)環(huán)境響應(yīng)[4]及可持續(xù)發(fā)展評價[5]、干旱區(qū)城市的空間形態(tài)[6]及自然景觀空間格局與城市生態(tài)[7-8]等方面，可見對干旱區(qū)聚落的研究仍相對薄弱，尤其是建筑規(guī)劃界以整體的視野對干旱區(qū)聚落在有限資源條件下如何應(yīng)對氣候環(huán)境的研究還是較欠缺，對代表性聚落和個案的研究相當少。于是，本文以亞洲和非洲干旱地區(qū)的既有聚落為研究對象，從該類地區(qū)的自然氣候環(huán)境出發(fā)，研究聚落在形態(tài)與空間層面上所體現(xiàn)的氣候適應(yīng)性，并試圖挖掘其內(nèi)在的整體思路，歸納聚落中的生態(tài)智慧，以期為我國邊疆干旱地區(qū)的營建規(guī)劃提供參考與經(jīng)驗。

表1 干旱氣候環(huán)境特征結(jié)論

1 區(qū)域環(huán)境與研究方法

1.1 干旱地區(qū)的環(huán)境概況

圖1 世界干熱氣候分布圖

圖3 風從聚落上空掠過示意國

圖4 彼此挨聯(lián)的聚落（蓋爾達耶，阿爾及利亞）

世界50多個國家和地區(qū)都有干旱區(qū)域，據(jù)統(tǒng)計，五大洲（不包括南極洲）的干旱地區(qū)（包括干旱、半干旱地區(qū)）面積約占世界陸地面積的1/3（圖1）。本研究所涉及的亞洲和非洲的干旱區(qū)域在其陸地基質(zhì)總面積中所占的比例較大。其中亞洲干旱區(qū)主要分布在伊朗中南部、阿拉伯半島、印度部分地區(qū)以及我國西北地區(qū)等，面積共為19.49億hm2，占該洲陸地面積的46%。此區(qū)域多為干燥的盆地，形成許多沙漠，因而降水量普遍偏低，在250mm和700mm之間；平均溫度由3～18℃；年蒸發(fā)量在1500mm上下徘徊。非洲的干旱區(qū)主要分布在北非，面積共為19.59億hm2，占非洲北部的陸地面積的70%以上，地貌基本是以荒漠為基質(zhì)的平坦高原。鑒于地理位置的原因，該地區(qū)全年受熱帶大陸氣團的影響，導致出現(xiàn)年降雨量稀少、氣候干熱、年蒸發(fā)量大等旱災(zāi)問題，這又阻礙湖泊和河流的形成，造成水源的緊張[9]。

總而言之，以上各個干旱地區(qū)氣候特點與我國邊疆干旱地區(qū)的環(huán)境情況很相近，可以概括為大風次數(shù)較多、溫差較大、年平均降水量偏低、氣候干燥、所涉及的地貌平常是山坡或河流附近的平原等（表1）。

1.2 整體觀研究方法

干旱區(qū)人居聚落在特定的自然環(huán)境下，采用密集型布局和以自然通風為核心的適宜策略，能夠適應(yīng)它所在的極端環(huán)境，從而體現(xiàn)出其營建策略的整體性，且此特性在聚落布局、院落布置、通風設(shè)計等營造手段中尤為明顯。由此觀之，此類聚落可看作是復(fù)雜的人工物質(zhì)系統(tǒng)。因此，它具有系統(tǒng)的整體屬性。從整體的視角分析它的營建過程，可發(fā)現(xiàn)聚落結(jié)構(gòu)和建筑空間是營建策略形成的重要因素，它們相互作用、相互協(xié)調(diào)，共同構(gòu)成聚落整體營建的適宜手法。因此，文章運用整體觀的研究方法，對干旱區(qū)既有聚落的營建智慧進行分析，從整體思維出發(fā)，圍繞“防災(zāi)”“保溫”“通風”等應(yīng)對手段，從聚落整體和建筑自身兩個層面入手，認知與揭示其氣候適應(yīng)性營建的整體性。

2 聚落形態(tài)與卓爾不群的“防災(zāi)、保溫”功能相匹配

圖5 聚落形態(tài)與采暖能耗變化的關(guān)系

圖6 中庭與后院之間的涼廊（開羅，埃及）

圖7 庭院與后院之間的空氣流動示意圖

圖10 上下為一體的被動式冷卻系統(tǒng)

聚落通常被解釋為是自發(fā)形成的，但實際上它是由聚落的諸多要素（居住單元、公共街巷）及其排列所決定的基本形態(tài)，看似偶然形成的集合體，其實可看作是經(jīng)過精心組織的整體[10]。當代流行于建筑界的氣候決定論觀點認為建筑起初最關(guān)心的是庇護，即要適應(yīng)其所在的外界環(huán)境。以此視角觀察、分析聚落，可發(fā)現(xiàn)其氣候適應(yīng)性主要體現(xiàn)在聚落整體與自然環(huán)境的融洽關(guān)系上。干旱區(qū)聚落亦然，它的形成與發(fā)展一般以其對周圍環(huán)境的應(yīng)對為基礎(chǔ)，它在歷史演變中較和諧地融入到自然環(huán)境之中。于是，聚落形態(tài)與體形充分展現(xiàn)出其對氣候因素的恰當回應(yīng)，在應(yīng)對惡劣環(huán)境上表達建筑群體的整體屬性。

2.1 “丘陵狀”防災(zāi)體

由于氣候是聚落規(guī)劃的主導因素，干旱區(qū)的聚落發(fā)展模式具有明顯的趨同性。在埃及東部、伊朗中部，隨處可見類似的布局特征即緊密型布局。該類地區(qū)的聚落形式幾乎都有兩個特點：緊密挨聯(lián)的建筑群體和狹窄且曲曲折折的胡同。由于干旱地區(qū)水資源短缺，其平原內(nèi)能達標的居住土地有限，換而言之，在以沙地為基質(zhì)的平原內(nèi)良好資源環(huán)境所致的肥沃土地緊張，此問題制約著聚落的發(fā)展與擴散。顯然，基于此理念建造的聚落呈現(xiàn)出緊湊型布局。其實此類布局有助于使聚落能夠抵御當?shù)仡l發(fā)的浮塵、揚沙、沙塵暴等惡劣天氣的侵襲。具體而言，聚落緊密的布局能夠塑造勻質(zhì)的空間，挨聯(lián)的居住單元形成較整的“一塊泥巴”式形態(tài)。聚落整體由勻質(zhì)的建筑單元組成，單元結(jié)構(gòu)、尺度、模式的差異不大，形成完整的“丘陵狀”防災(zāi)體（圖2）。雖然大風、風沙吹來，也只是在聚落天際線上面掠過去，因而降低了大風、沙塵暴對聚落內(nèi)部的危害程度（圖3）。除此之外，聚落曲折狹窄的胡同以其均衡的尺度和多變的空間，防止風沙肆虐直入，并通過胡同兩側(cè)層層出挑的陽臺以及建筑本身遮擋陽光，構(gòu)成陰影的交通空間，從而，聚落在外界環(huán)境變幻中，享受內(nèi)部的平靜。

2.2 外露面積較小的保溫體

圖8 穿過建筑空間的坎兒井（亞茲德，伊朗）

圖9 聚落中的風塔（亞茲德，伊朗）

若要減少或增加熱損耗，建筑的表面積，即體形系數(shù)是一個最基本的考慮因素。體形系數(shù)是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積之比值[11]。實踐表明，體形系數(shù)對能耗影響較大，即建筑物的體形系數(shù)越大，建筑物與外界環(huán)境接觸的外表面積越大，屋內(nèi)熱能通過被暴露的外界面?zhèn)鬟f到室外越多。同理，對聚落群體的熱損耗而言亦然。相對于松散的聚落來說，密集的聚落以多個居住單元的緊靠組合達到節(jié)能、節(jié)地的目的，基于以上原理可推測分散聚落的能耗總是大于緊密聚落的能耗（圖4）。由于聚落居住單元的緊密組合使部分居住空間外墻成為居住單元之間的隔墻，這有助于減少建筑與室外大氣進行熱交換的外露表面積，即減少聚落整體的外表面積，因而聚落體形系數(shù)會變小，熱損失也會減少（圖5）。此外，狹窄的巷道也讓建筑群體緊密起來，減少聚落外露面積，從而減少建筑整群釋放的內(nèi)部熱量，改善其保溫功能。具體而言，在夏季，太陽照到房屋的外表面積會較小，從而陽光輻射對聚落內(nèi)部帶來的熱量也相對較少。在冬季，因以較小的表面積圍合較大的空間而減少圍護結(jié)構(gòu)的散熱面積。

3 以自然通風為核心的空間組織

自然通風一般具有對流增濕、蒸發(fā)冷卻的功效，因此，干旱地區(qū)的人居建造特別注重通風的設(shè)計。自然通風最基本的原理有風壓通風、熱壓通風兩種。干旱區(qū)居住單元內(nèi)自然通風的組織一般并非僅依靠單一模式，而是利用多種通風效應(yīng)，即居住單元內(nèi)的建筑元素與景觀元素或水利元素相匹配，巧妙利用內(nèi)外和上下空間的合理搭配及通風的基本原理，使住居單元的各個元素配合得更加默契，充分發(fā)揮各自所具有的適宜功能，以此達到最佳的通風效果，以應(yīng)對當?shù)氐母蔁岘h(huán)境。

3.1 “庭院”加“后院”、“池塘”——促進通風

對干旱區(qū)而言，庭院既是聚落景觀，又是納涼空間。在埃及和印度，為了提高室內(nèi)空間的熱舒適度，庭院的概念被廣泛應(yīng)用到居住空間的布局之中。若庭院能夠布置在居住單元內(nèi)的合理位置，其能給居住空間帶來舒適的自然風。在埃及居住建筑中，庭院一般被四邊的房屋包圍，空間布局類似于天井式的，在此種布局中庭院里的空氣濕度在四邊房屋的遮蔽下漸漸增加，因而庭院便為納涼的陰影空間。具體而言，白天，暖風從屋頂上方吹過，幾乎不會吹進庭院內(nèi)，只會在房屋外圍制造漩渦。因此，庭院還是較涼爽，使人非常愜意。隨著夜幕降臨，院子里的暖空氣上升，逐漸被冷卻的夜間空氣所取代，冷氣以層層疊疊的形式積聚在庭院空間，逐步擴散到四邊的房間，提高室內(nèi)空間的舒適度。研究表明，通過這種空間布局，四邊房屋的室內(nèi)夜間氣溫能降低到10～15℃左右[12]。此外，埃及聚落的居住單元中有一個叫塔克塔布什（takhtabush）的空間要素，是一種涼廊（圖6）。此空間要素利用冷熱空氣的熱交換原理，促進院落空氣的流動[13]。由于該要素在居住單元中正位于兩個不同氣溫區(qū)的交界處，即位于庭院和后花園之間的過渡區(qū)，其背后的鏤空墻就是它與后花園的分界，但對庭院而言，涼廊便是灰空間，向庭院開放。炎熱天氣下，后花園的空氣很快被曬熱，因為其面積較之庭院大且其遮陰區(qū)面積較小。于是，這兩個不同氣溫區(qū)之間形成熱壓差，產(chǎn)生熱壓通風效應(yīng)（圖7）。值得一提的另一個要點是，在伊朗，居民為了在居住單元內(nèi)塑造涼爽空間，庭院里建造池塘。在這種布局中，庭院一般下沉幾米深，便于引進坎兒井水或地下水渠的水。此水流從庭院地下穿過后，澆灌院子的樹木花草。在這種空間布置中樹木的陰影和井水的蒸發(fā)使下沉庭院便為冷源體，因而，它向院子四邊的建筑空間釋放自然冷能，使室內(nèi)和檐廊空間變得涼爽。

3.2 以上下為一體的冷卻系統(tǒng)

水資源對干旱地區(qū)而言是十分重要的，由此可推測聚居區(qū)的形成與發(fā)展更依賴于水資源的供應(yīng)。古代沒有現(xiàn)代化技術(shù)或抽水系統(tǒng)，當時古人創(chuàng)造了被動式的送水系統(tǒng)“坎兒井”，并通過此系統(tǒng)將冰山融化的水流入聚住區(qū)域[14]。大約公元前一千年，波斯人們開始建造這種坎兒井隧道系統(tǒng)，用于山區(qū)盆地的地下水輸送至居住區(qū)，以便人們灌溉農(nóng)地、花園以及飲用生活水（圖8）。除了水資源的供應(yīng)，坎兒井還利用熱壓通風原理，協(xié)助建筑物構(gòu)成由建筑捕風附件與地下空間為一體的冷卻系統(tǒng)。在伊朗，這種古老的空調(diào)系統(tǒng)被廣泛使用，成為聚落營建中不可或缺的要素。在此系統(tǒng)中，建筑捕風附件與坎兒井水溪配合使用。一般而言，根據(jù)地方季節(jié)的風特征，在建筑屋頂上布置捕風附件即風塔。塔的開口一般面朝地方主導風的方向，有時其開口也可以通過頂部的端口部件來調(diào)整（圖9）。刮風的日子，塔捕住的熱風由其豎井進入室內(nèi)空間，此時塔與坎兒井隧道之間發(fā)生康達效應(yīng)，使空氣向下流動，進而，風塔一側(cè)通道的壓差引導空氣向下飄動，被吸入到其隧道內(nèi)。之后，這股熱氣與隧道的冷土和冷水接觸而被冷卻，又在康達效應(yīng)的作用下，由風塔另一側(cè)通道的開口排出。最終，在井道與隧道的綜合作用下建筑內(nèi)部不斷地產(chǎn)生熱壓通風效應(yīng)，因而氣流在地下隧道和建筑進出風通道之間維持較穩(wěn)定的循環(huán)，這能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度，并提高其舒適度[15]（圖10）。

圖11 干旱區(qū)聚落營建策略的整體觀分析

結(jié)語

綜上所述，從干旱區(qū)氣候特征出發(fā)，干旱區(qū)既有聚落的氣候適應(yīng)性與總體策略關(guān)系可以總結(jié)為圖11。歸納出如下兩個方面的結(jié)論：

①無論從聚落形態(tài)來看，還是從建筑空間的布置來看，聚落布局顯得較凌亂，建筑平面布置也較零散，依然看不出其整 體的特征，但這特征非外在符號、類型的傳承上，實際上是更深層次的延續(xù)，即干旱區(qū)聚落在營建策略上彰顯的整體思路，更是此類聚落由“整體”引發(fā)的氣候適應(yīng)性。

②實踐經(jīng)驗表明，干旱區(qū)聚落對氣候環(huán)境的應(yīng)對策略是在整體思路潛移默化的影響下形成與積累的，因此，其能夠為現(xiàn)代的干旱區(qū)人居聚落營建體系的建構(gòu)提供寶貴的借鑒與參照。同時，此類聚落孕育的可持續(xù)、適宜、生態(tài)的總體策略可以朝生態(tài)文明方向靠攏，能夠為我國邊疆干旱地區(qū)及其他偏遠聚落氣候應(yīng)對型的更新建設(shè)，提供可依據(jù)的科學結(jié)論。

資料來源：

圖2，4：原廣司.世界聚落的教示100[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003；

圖6：http://hellinakiss.blogspot.com/2008/05/bayt-al-suhaymi-secret-jewel-of-fatimid.html；

圖8：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Iran_Yazd_Fahadan_Great_Hotel_Canal_Souterrain_(Qanat)_21042014_-_panoramio.jpg；

圖9：http://www.bbc.com/travel/story/20180926-an-ancient-engineering-featthat-harnessed-the-wind；

文中其余圖表均為作者繪制。