小学生态河设计方案

小学生态河设计方案摘要在广大的农村贫困地区，经济与技术水平的落后是当地生态建筑的发展所面临的最大挑战。尤其在黄土高原地区，如何在改善当地生活条件的同时，发展适合当地现状条件的生态建筑已成为目前被广泛关注的重要课题。在生态可持续理念的指导下，发掘当地传统建筑技术，吸取其中有益的生态要素和经验是一条切实可行的途径。在这一背景下，毛寺生态实验小学和无止桥项目的实施作出了具有积极意义的探索和尝试。同时，也诠释了两种各具特色、切实可行的扶助贫困之路。关键词生态建筑；生土建筑；步行桥；黄土高原1传统建造技术的发掘和生态再认识地处西北的黄土高原是我国最为贫困的地区之一，尤其在农村地区，经济水平相对落后，资源匮乏，水土流失严重，生态环境日益恶化。在这一艰苦的条件下，千百年来，当地居民学会了如何利用自然和顺应自然，创造了以窑洞为代表与自然相和谐的传统建造模式和技术。但近年来，随着生活习惯和观念的改变，这些当地传统的建造技术已逐渐被人们所遗弃。随之而来的是大量以粘土砖、混凝土为主要材料的常规建筑形式的出现。但受制于当地有限的资源、经济和建造技术水平，这些自行建造的建筑无法适应当地严酷的气候和环境条件，不仅难以提供一个真正舒适的居住环境，而且建筑运行过程中和建筑材料本身所带来的大量能耗和污染，反而还加剧了该地区生态环境的恶化。经济与技术水平的落后是黄土高原农村地区生态建筑的发展所面临的最大挑战。如何在改善当地生活条件的同时，促进当地建筑的可持续发展已成为目前被广泛关注的重要课题。反观当地的传统建筑技术，我们会发现，历经千年的不断演化，其中蕴含着大量基于当地自然条件并具有借鉴潜力的生态设计元素。在现代生态建筑设计理念的指导下，通过发掘和改进当地有价值的传统建筑技术，可以探索出一条适合于当地发展现状的生态建筑之路。分别于2005年和2006年落成的无止桥和毛寺生态实验小学，正是在这一理念的指导下进行的一次有益的研究和实践尝试。毛寺村是甘肃省东部地区一座典型的贫困村落，当地村民生活与教育水平均十分落后。为改善现有落后的教育条件，2003年当地政府邀请我们为当地捐助、设计并兴建一座小学校。在西安交通大学建筑学系周若祁教授的协助下，我们对当地以及周边地区进行了大量的实地调研，最终确定了新学校的设计和建设目标。新学校的设计和建设将不仅仅是为孩子们创造一个舒适愉悦的学习环境，更关键的是要以此为契机，诠释一个符合于当地有限的经济、资源和技术条件，切实可行、行之有效的生态建筑模式。因此，新学校被命名为“毛寺生态实验小学”。基于当地传统的建筑技术和材料，经过为期3年的试验和多方案对比研究，在香港嘉道理农场暨植物园的资助下，新学校的头两期工程，共8间教室，已于2006年夏季顺利竣工。在学校项目的设计和筹划过程中我们发现，贯穿全村的蒲河将毛寺村划分为二，河面上只有一座季节性的临时独木桥。即使新学校落成，为了上学，孩子们也只能每日趟水过河，而且时刻面临着溺水的危险。尤其在雨季，两岸交通随时会因为涨水而中断，孩子和村民们只能隔岸兴叹。受当地村民手工互助的传统建造模式的启发，我们发起了名为“无止桥”（BridgeTooFar）的手工建桥计划，希望能给孩子和村民们创造一个安全便利的跨河交通条件。该项目获得了香港各界广泛的支持和捐助。经过为期一年的勘测、设计和筹划，2005年7月，60多位来自香港各界和西安交通大学建筑学系的志愿者在吴教授的率领下奔赴毛寺村，为村民们亲手架设桥梁。历经6天的艰苦劳作，无止桥顺利建成。无止桥项目的组织和成功实施赢得了国内外广泛的肯定，在2005-2006年间先后获得了英国皇家建筑师协会（RIBA）、《建筑评论》（AR），美国建筑师协会（AIA），香港建筑师协会（HKIA）等机构所颁发的多项奖励。2“适宜性”生态建筑的设计和建造原则在全球能源危机和生态环境恶化的大背景下，历经近半个世纪的研究实践，生态建筑的设计理念已取得了长足的完善和发展。根据国际上现有的理论共识[1][2][3]，生态建筑所应遵循的设计原则可以被概括为四个方面：节约能源、利用自然能源、尊重使用者的需求和尽可能地减小对环境的污染和破坏。对于生态建筑技术策略而言，目前所存在的一种误解是强调追求高科技技术和材料的所谓高技术（High-tech）倾向。这势必会导致建筑造价的大幅度提升，而缺乏一定的地域适应性和可持续性。针对现代建筑技术不断高技化所产生的种种问题，自20世纪70年代西方发达国家出现了一股“选择性”（Alternative）或“适宜性”（Appropriate）技术运动的建筑思潮。其强调将现有的技术系统转化为一种更加注重环境保护，同时可以根据实际条件更加灵活地被选用的技术形式[4]。由此而产生了“选择性建筑”（SelectiveArchitecture）[5]的生态建筑设计理论，其提倡选取基于当地社会、经济、资源等条件和本土传统建筑技术的适宜性技术路线，以最低的成本取得最大限度的生态可持续效能。这一技术策略恰好符合黄土高原目前有限的经济、资源和技术水平现状。尽管项目类型不同，但毛寺生态实验小学和无止桥的设计与建设具有同样的目标，旨在在当地有限的经济与资源条件下，探索一条切实可行、行之有效、具有广泛适应性的生态建筑模式，并对与当地村民日常的建设活动起到积极的示范和指导作用。而基于当地的发展现状和对现有生态建筑理论的研究，两个项目所应遵循的设计原则可以被概括为以下几点：2.1减少能源消耗尽可能地避免高耗能、高污染材料的使用，诸如粘土砖、水泥等。并减少建造过程中所产生的能耗和污染。对于学校教室而言，应在达到令人满意的室内舒适度的前提下，最大限度地减小建筑在四季中的运行能耗，包括采暖和制冷。2.2自然能源的利用为进一步减少石化能源（煤、石油、天然气等）的消耗，学校建筑应尽可能的利用自然能源（如太阳能和风能）来提高室内环境的舒适度。2.3就地取材，减小对周边环境的破坏一方面，建筑应顺应地形，避免过多的开挖和对原有场地的破坏；另一方面，在保证耐用性的前提下，要尽可能的运用当地可再生和可降解的自然材料。2.4低造价、易操作为使项目建设对于当地居民具有广泛的借鉴和推广意义，应通过发掘、利用和改进当地传统建造技术与运用本土材料，最大限度地降低工程造价，达到当地居民建设可接受的水平。并且，所运用的建造技术应尽可能地简单易行，以便于当地村民的操作和自行建造。3基于传统建筑技术的生态建筑设计3.1当地传统建筑技术与材料黄土高原地区是全球黄土沉积层最厚的地区之一。由于其具有优良的热学特性、低廉的价格和随处可得的简单易行等优点，在过去上千年的历史中，黄土作为主要的建筑材料已被广泛地运用到黄土高原地区的传统建筑之中。这就形成了该地区所特有的传统乡土建筑形式——生土建筑。根据建造方式和形式的不同，黄土高原地区生土建筑可以被归纳为众所熟知的窑居和生土房。窑居是指在黄土塬、黄土地表挖掘出的或由生土材料砌筑而成的拱顶形的民居形式，具体有靠山窑、地坑窑和箍窑等形式；生土房是以生土材料作为主要的围护结构材料，以中国传统开间式民居的结构体系为基础的生土建筑形式。黄土高原地区的生土建筑具有施工简易、造价低廉等优点。至今，当地村民依然保持着自给自足的房屋建造传统：主人通过收集积攒的形式预备好建房所需的基本材料，然后邀请本村亲友帮忙打土坯或挖窑，合力建造自己的农宅。这些主要归根于传统生土建造技术和材料所具有的突出特点。除靠山窑和地坑窑是直接挖掘黄土建造以外，生土建筑的围护结构主要依赖于由黄土直接加工而成的生土材料，如：土坯、夯土、草泥等。除此之外，麦草、芦苇、木材、毛石等其他自然材料也被广泛地运用。经过当地村民长期的经验积累，每种材料均有其特定的功能和相应的建造技术。例如将潮湿的黄土在模具中夯实成块，经过约40天的晾干，便成为围护结构的主要材料——土坯砖。根据混入麦草杆长度的不同，麦草泥可被用于砌块粘结和面层涂抹，其中的麦草杆可以有效地抵御材料本身的开裂。鉴于其良好的抗压和防潮特点，毛石被用于基础的建造。所有这些材料均可以就地取材，造价极其低廉。更为重要的是，这些基于自然材料的传统建造技术蕴含中着丰富的生态潜能。首先，以土坯砖、夯土和麦草泥为主要形式的自然材料具有突出的热工特性。以土坯砖为例与粘土砖和混凝土等常规的建筑材料对比，其具有良好的蓄热和隔热性能[6]，而造价仅为混凝土的1/15，粘土砖的1/3。这一性能使得生土建筑无论是在严寒的冬季和炎热的夏季可以有效地抵御室外恶劣气候的变化，仅需要少量的能源消耗便可获得稳定而舒适的室内环境。其次，由于其制作过程无需煅烧和化学加工，生土材料具有极低的材料耗能（EmbodiedEnergy），和极少的由材料加工所导致诸如CO2等的环境污染。另外，这些自然材料具有良好的可再生和可降解性，即使在建筑拆除之后仍可投入到新建筑的建造中，有些已使用较长时间的生土材料甚至可以作为肥料投入农田。这些正符合生态建筑材料“低耗能”、“可再生”和“可降解”的理想标准。总体而言，与基于钢筋混凝土的常规建筑技术相比，以生土和其他自然材料为基础的建造技术具有低造价、无污染、低能耗、施工简易、可就地取材等优势，是生态建筑选择性技术路线下的一种理想的建筑材料技术，值得在黄土高原地区生态建筑的研究中加以提炼和运用。而之所以导致生土建筑日趋落寞的技术性原因在于这些材料自身的一些缺陷，诸如：防水性、防蛀性、结构抗剪性较差等。这需要我们在具体的设计和施工过程中，利用现代的建筑技术和施工方法将其加以改进和发展。3.2传统生土建造方式与现代生态设计的结合根据黄土高原的现状特点，生态建筑设计所关注的主要焦点是，如何减小建筑自身的蕴涵能耗（EmbodiedEnergy）和建筑在运行过程中的矿物能源消耗。前者可以通过尽可能多地使用当地以生土为主的自然材料和传统建造技术来实现。鉴于该地区冬季寒冷、夏季温和且日气温温差较大的气候特点和学校建筑的功能特点，使教室冬季采暖的能耗最小化是减少建筑运行耗能的主要途径。其基本策略可以被概括为：减小建筑围护结构在冬季的热损失和最大限度地利用如太阳能、风能等自然能源。根据选择性建筑设计的指导思想，场地规划和建筑形体设计便成为具体实施的第一步。经过实地勘测，基地选址最终确定在毛寺村中心的一片面南台地之上，三面黄土丘陵环抱，南面向蒲河敞开，具有良好的微气候和景观条件。可以说是传统风水学中的理想营造之地。在总体规划中，由于学校功能构成较简单，所需的10间教室两间一组被划分成5个单元，沿着东西方向面南布置在两个不同的台地之上。这不仅有助于每间教室可以最大限度地引入自然采光和用于冬季采暖的太阳能，而且利用地形可以加大夏季南风对于教室自然通风的积极作用，并减小冬季北风所造成的冲击。室外场地被教室自然围合成两个不同标高的开放空间。其中，被教室环绕的场地作为内向休憩花园，配以大量的树木和花草，以及有组织的花架和石凳椅，可供孩子们课间休息和玩耍。下一标高的场地北靠教室组群，面南开放，作为孩子们室外活动和锻炼的操场。整个学校的主要通路和休憩空间，由毛石网状铺地与花坛贯穿于绿树阵列之中，使得即便在夏季整个校园都能拥有一个凉爽的室外微气候。在每个单元中，两个教室并肩而置。每间教室的面积为54m2（6mx9m），可向50名学生提供宽敞的使用空间。为顺应地形，教室单元嵌入所在台地中，北侧为半地下墙体，前墙面南开敞，这不仅可以减小对原有地形的破坏，而且能极大的提升总体结构的保温绝热性能。为减小教室冬季的热损失和充分利用自然能源，具体的措施应包括：增强建筑如墙体、屋面、门窗等外围护结构的绝热性能；引入蓄热材料以减小室外温差对室内热环境的影响；增强门窗等结合部的气密性；根据条件引入适宜的被动式太阳能系统；为室内自然通风创造条件[7]。如何根据材料的特性，最大限度地选取当地的自然材料和建造技术来实现这些措施成为设计的关键。为此我们利用热学模拟软件TAS，针对教室单体进行了较为深入的计算机热学模拟研究[8]。该模拟研究，以提高生态可持续性和可行性为目标，筛选和优化了一系列当地现有的自然材料和传统技术。通过对建筑形式与建筑个部