李海清 | 易建性:作为环境调控与建造模式之间的必要张力——一个关于中国霍夫曼窑之建筑学价值的案例研究 | 2017年7期

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李海清  于长江  钱坤  张嘉新

东南大学建筑学院


1 为何要研究易建性?

在南京东郊的苍翠葱茏之中,静卧着3块巨石,其开凿工程遗留的硕大凹孔已形成宽裕的“室内”空间。置身其玄妙光线之中,抚触历经600余年风雨沧桑的古老灰岩,不由追问:这大明王朝开国时期的一号工程,又由洪武皇帝陛下亲自督办,何以虎头蛇尾、半途而废?现有的两种答案,一为朱棣迁都北京而不用(政治) ;二为南京地域气候所限,不适宜滚木与冰运,终因无法运输而放弃(技术)。而后者显然更具说服力:即使在今日,长宽各数十米、重达上万吨,也是无法作为整块材料进行陆路长途运输和吊装的。而即使不惜一切代价、不择手段地实现了整块长途运输和吊装的目标,也难逃来自环境伦理学和经济理性的拷问,从而直接危及其统治的道德合法性。


可见,从建筑工程实施(building realization)的全程控制角度而言,一种设计是否适宜于在特定环境与条件下建造,或者说容易建造的程度(the extent to which the design of a building facilitates ease of construction),将从根本上影响项目最终能否完成以及完成度如何 —— “易建性”的核心理念正在于此,而标准化、简易化、集成化则是其3个基本原则。令人困惑的是,前现代时期的日常建筑大多具有简易化设计特点,而环境调控品质却难以尽如人意,人工环境舒适度大幅提升是进入现代时期以来才发生的。而1970年代以后,在世界范围内逐步得到确认的环境问题直指能量与环境之间的关系,建筑学领域内几乎古老到可称为永恒的环境调控问题藉此也获得更进一步诠释:如何在确保较高舒适度的前提下降低能耗?进而,绿色建筑诉求若不能置于包括实施过程在内的全生命周期审视之下,则可能意味着什么?须强调的是,此所谓“环境调控”,“并非后来变得十分宽泛的环境概念,而是建筑室内温度、 湿度、 照度、 通风等物理因素的调控所形成的环境”。就此而言,与某些强调复杂形式和复杂建造、并冠以(某种意义上自相矛盾) 绿色(低碳) 建筑头衔的时髦追求相比,以中国霍夫曼窑为代表的乡土工业建筑——生长于乡村环境之中,实施过程及使用过程主要依赖易建性较强的被动式技术,并不同程度采用电力或内燃机驱动的机械设备——则恰好提供了颇具讽刺意味的比较:尽管它是没有建筑师(但却有工程师提供原型) 的建筑,是“非正规”的,却并非没有设计和相应改进


目前,学界已对环境调控问题进行了一定程度的讨论。民国时期江南地区蚕种场相关研究、岭南建筑防热研究,以及特定地形和气候条件下外来建筑型制和技术的演变之研究,均已显示出环境调控需求是影响建筑活动的关键因素。然而,现有研究大多是基于地区性个案或案例群体的分析,且绝少论及易建性。用这类示例方法推导出的“规律性”,若能补足对技术因素较为敏感的工业建筑在环境调控和建造模式互动方面的针对性研究,则显然在逻辑上会更加完备。在本研究中,笔者进行了一项覆盖中国各地文大区、针对218个使用霍夫曼窑的粘土砖瓦生产点(下文称调查点) 的田野调查。以此为基础,将建筑技术的类型学观察、文献梳理及静态的统计分析,用于确证外部因素对有特定环境调控需求的工业建筑之建造模式的影响,进而讨论易建性的理论意义和实践价值。本研究旨在回答以下问题:首先,中国霍夫曼窑常见型制和工作原理如何?其次,中国霍夫曼窑存在怎样的环境调控需求?相应地,又存在怎样的建造模式达成方式?第三,就广义的设计即建筑工程实施全程控制的本质而言,在环境调控和建造模式之相互关系中,易建性扮演的角色是什么?


2 霍夫曼窑简史及其田野调查方法

2.1 霍夫曼窑简史

古代中国长期采用间歇式土窑烧制砖瓦,生产效率低,龙窑虽在一定程度上符合连续窑的基本原理,但主要用于陶瓷业。故砖瓦产量很低,物以稀为贵,木架土墙草顶是那时民居建造模式的主流。德国人弗里德里希· 霍夫曼于19世纪中期发明一种烧制砖瓦的工业建筑,因姓氏而得名霍夫曼窑,于19世纪末引入中国,并由沿海向内陆缓慢传播且发展、沿用至今,俗称“轮窑”或“八卦窑”。因其使用连续的窑室和焙烧工艺,生产效率和产能远高于土窑,砖瓦建房才得以普及,城乡景观亦随之巨变。

霍夫曼窑在全球传播的大致过程是:1858年4月17日霍夫曼窑在维也纳首次获专利,其平面设计为圆形( 下文称“原型”,图1);1858年5月27日又在普鲁士获专利,其后陆续在英国、比利时、意大利、荷兰、法国、挪威、瑞典、美国、俄国及芬兰等国获33个专利;霍夫曼于1870年首次设计矩形平面版本,并于此期间传至英国、丹麦、瑞典、奥地利、匈牙利及罗马尼亚等其他欧洲国家。在亚洲,霍夫曼窑于1872年引入日本,后传至蒙古、阿富汗、印度、巴基斯坦、孟加拉、尼泊尔和越南等国;在美洲,美国至今尚存一批霍夫曼窑;在澳洲,墨尔本有将霍夫曼窑改造为公寓的案例;在非洲,马达加斯加曾大量使用霍夫曼窑。

▲1 霍夫曼窑1858年4月17日获奥地利专利授权的方案设计图即“原型”


在中国,1897年上海浦东建成18门霍夫曼窑,1903年日商将其引入台湾;1933年前后南京有5座霍夫曼窑;而近在咫尺的安徽和县直至1970年代末才引入之;更为纵深的中国腹地如河北邯郸、山西晋中、湖南益阳等地则迟至1990年代才开始使用。20纪末、21世纪初,中国约有10万多个砖瓦生产企业,其中约95%使用霍夫曼窑。得益于此,很多窑址完好保存至今,成为本研究田野调查的物证资源( 图2)。

▲2 中国霍夫曼窑( 南方) 的典型外观


2.2 田野调查方法

欲开展此研究,除常规文献调研外,还必须进行具有足够空间覆盖率的大量样本田野调查,这不仅在学理上是必要的,在实施上也具备可行性。

2.2.1 调查人员

不仅有笔者直接指导硕士生以此为学位论文选题方向;同时,连续两年的本科生“基于教师科研项目的 srtp 项目”共计11名学生申报以此为主题的训练课题,且获专项经费支持;再者,笔者在四年级建筑设计课中开设有关建筑改造设计课题,3年共计31名同学选修;还有连续3年的3年级建筑构造课寒假调研课题,约90人选做;另外,笔者还加入全国性的砖瓦制造业社交网络平台,多有热心者提供一手资料,这尚未包括志愿者主动加入调研。据不完全统计,直接参与该项田野调查者已超过132人。

2.2.2 抽样方法

哪里有霍夫曼窑?这是开展调查之前必须要回答的问题。结合知情者推介,初期以互联网新闻为主要情报来源;后期结合有关工业遗产改造利用项目选点,有针对性地在全国各地文大区主要风景旅游点附近寻找。技术上则主要利用卫星地图初步获知砖窑基本信息,之后进行现场调查。其工作流程是:基本确认具体位置( 省/ 市/ 县( 区) /乡( 镇) / 村)—卫星地图核实—电话询问附近机构有关现状—现场踏勘—测绘/ 拍照/ 访谈—资料整理入库。总体而言,调查点的抽样是随机的,即概率抽样调查。

2.2.3 调查内容

庞大的调研团队、调研者不尽相同的背景,以及分布于全国各地文大区的众多调查点,都容易导致调查内容在系统性、客观性方面存在较大差异,从而影响其科学价值。因此,笔者设置了统一的调查内容指南,让调研者按此线索展开调查工作,并统一成果表达形式。具体而言主要包括:

1) 资料搜集:a、测绘简图( 平、立、剖面,1:100,cad 格式文件) ;b、拍照( 远、中、近景,外观、室内、细部等,jpg 格式文件);c、调查问卷( 砖窑厂主、经营者或生产人员等直接当事人的询问记录,doc 格式文件),主要关注以下信息:厂区地址、占地面积;砖窑规模、建造时间、工期、工匠籍贯、工价、材料价格、工程总价;烟道形式、烟囱高度、是否使用鼓风机;年度维修状况、大修状况;粘土( 原料) 产地、价格;日产量季节变化,单位产量的耗煤量、耗电量;看火工轮班时间,制坯、晾坯、装窑、出窑工人数量;盈利状况等。以拍照最为重要,通过反映各类细节的现场照片可推知项目基本信息。

2) 解读分析:(ppt 制作,pdf 格式文件):a 设计意图与建造工艺评介;b 建筑经济分析;c 综合评价。

除田野调查外,文献搜集整理与分析也很重要。各地引入霍夫曼窑技术的具体时间方面重点采信地方志;砖瓦产量方面则重点采信建材工业年鉴中的官方统计数据。该项田野调查历时约两年半,覆盖中国9个地文大区,调查点共计218个,运用人文地理学标图作业法分析可初步获知:中国霍夫曼窑的分布,东部明显多于西部,南方明显多于北方,其宏观地理分布特征可为 “胡焕庸线”所揭示的“中国人口与自然地理本底的高度空间耦合”提供论据支持( 图3)。

3 中国霍夫曼窑调查点分布


3 环境调控两类需求及其建造模式达成方式


3.1 人造之物与造物之人是环境调控需求的不同方面

田野调查结果显示,中国霍夫曼窑常见平面形式类似运动场跑道,呈椭圆形—两条位于长边的直线型窑室和两条位于短边的半环形窑室相互衔接,呈一筒拱形断面环状隧道。

其外部轮廓亦可见矩形或矩形抹角之多边形。窑体分两层,地面层外部通常为砖砌体,内部窑室则为砖拱结构。窑体旁通常设爬梯,或坡度较缓的、通往二层投煤车间的窑桥。二层巨大平台是“看火工”工作的投煤车间,其上方常覆以各类屋架支撑的坡屋顶。地面层内部的环状隧道通常被分成至少12个或更多窑室,但各窑室间并无隔墙。每个窑室皆设树枝状支烟道及风闸,将烟气引至主烟道,进而由烟囱排出( 图4 上)。其焙烧方法是:将砖坯在窑室内码好,点火后从二层投煤孔投入燃料,火会随着风闸的开闭而有序移动,顺着窑室一间接一间燃烧,夜以继日,年终方熄火停产。它一方面利用燃烧时产生的热量干燥和预热砖坯,另一方面引入室外新风将烧成的熟砖冷却,并持续供给燃烧所需氧气。每间窑室的完整生产过程始于装窑,经由干燥、预热、焙烧和冷却,至最终出窑( 图4 下)。

4 中国霍夫曼窑(下烟道) 常见剖面(上) ;焙烧工序示意(下)

所谓环境调控的两类需求,即作为一种生产性建筑,霍夫曼窑既要满足人造之物的工艺环境需求,也应满足造物之人的工作环境需求。简言之,烧砖时窑温最高须达900~1100oC,砖作为待成的产品( 物),需要窑室具有良好的保温性能:厚实的外围护结构和上佳的气密性,以尽可能避免热损失,从而降低能耗;而装窑和出窑时,因工人须在窑室内工作,生产者( 人) 又需要窑室具有良好( 至少是可以忍耐) 的热舒适度,不应过热。此外,“看火工”在二层投煤车间工作,也需要遮风避雨、不宜长时间曝晒。

由田野调查发现,这两类环境调控需求的实现主要是以特定技术模式( 材料、结构、构造、剖面设计等) 和工程模式( 预制化生产)为路径来达成的,而易建性考量则恰好呈现其环境调控和建造模式之间的互动关系,如下文详析。


3.2 以特定建造模式达成不同类型的环境调控目标

3.2.1 窑室

与“原型”相似,中国霍夫曼窑的窑室大多采用闭合拱顶的完整砖拱结构( 图5a),而近年则出现窑室顶部完全开口及半开口状况,前者又可分为窑室设于地上的“立窑”和窑室设于地下的“地沟窑”两种( 图5b、c)。其共同点在于窑顶拱券结构完全取消,窑室向上开放,烧砖前临时铺一层实心砖,并盖上约100 厚的粘土或耐火材料( 硅酸铝纤维毯、纤维模块等) 以求保温。其优势是利于散热:烧成之后揭开临时覆盖物,窑室内部气温可迅速降至常温,而不像窑室顶部闭合、难以散热导致出砖时窑室内部酷热难当,工人几乎要赤身裸体才能工作。开口窑对于中国南方气候炎热地区而言,有利于大幅改善出窑和装窑时的室内物理环境舒适度。全国有12个调查点使用开口窑,其中11个点位于南方;而福建、广东和海南共11个调查点中有7个采用开口窑,占63.6%。不仅如此,砖砌拱券结构施工需要使用木制拱架模板支撑并多次移动,工、料代价较高,取消拱顶可大幅降低建筑施工难度和工程造价,其造价只有同产能有顶霍夫曼窑的40%,而工期只有其1/3。但开口窑亦存在显著缺陷:临时保温措施性能较差,能耗较高,且过火不匀,成品率较低,这恰好反映两类环境调控需求之间的矛盾。因此,半开口窑应运而生。目前虽仅发现四川省汶川水磨镇1个案例( 图5d),但砖瓦业人士普遍认为其带有一定程度实验性,即在保温隔热性能和窑室内物理环境舒适度之间寻求某种平衡。


5 中国霍夫曼窑的窑室剖面常见4 种形式

3.2.2 烟道

与“原型”相似,中国霍夫曼窑多用下烟道,即支烟道和主烟道都位于一层窑室地面标高附近,甚至支烟道在窑室地坪以下( 图6 左)。但中国南方多雨,常因水淹至烟道失效,造成停产损失。而软件模拟分析表明:下烟道通风效率相对较低。故近年南方霍夫曼窑多用“上烟道”,即支烟道由一层窑室地坪垂直向上爬升至两米左右标高处,围绕整个窑体形成闭合环路的砖拱结构主烟道( 图6 右),彻底消除烟道被淹隐患。此时烟囱通常位于窑体长轴一端,并拉开2~3m距离。全国共有57个调查点采用上烟道,占26.1%;江苏位于淮河以南的56个调查点有21个采用上烟道,占37.5%;江苏以南的上海、浙江、福建、台湾、广东、海南六省共计33个调查点有17个采用上烟道,占51.5%。江苏盱眙县砖厂甚至于2016年初趁大修之便将下烟道改为上烟道( 图7)。

▲6 中国霍夫曼窑的烟道常见两种形式:下烟道( 左) ;上烟道( 右)

7 盱眙县砖厂于2016 年初趁大修之机将下烟道改为上烟道现场

值得注意的是,上烟道案例不乏免支模砖拱者,即“中东式”拱顶( 图8 中) :“施工时,砖的长边沿着弧线的切线摆放,并且在砌筑时向一端山墙略微倾倒”。其技术特点和建造原理在于,砖头并非垂直于水平面,而是有大约15o~30o左右的倾角,利用重力的短向分力形成皮间压力,加强摩擦与粘接,从而不用模板,省时、省工、省料。这一做法也见于传统的磁州窑制坯车间的较大型拱券结构( 图9)。

8 3 种传统的砖砌拱券结构:欧洲式、中东式和加泰罗尼亚式

9 中国霍夫曼窑上烟道(a、b)、磁州窑制坯车间(c、d) 采用“中东式”免支模砖砌拱券结构


3.2.3 烟囱

烟囱是主烟道的最终出口,也是霍夫曼窑利用名符其实的“烟囱效应”增强风压通风和热压通风的物质载体。烟囱拔风效果与其高度及室外自然风速成正比,但其结构设计和工程建设难度也与其高度成正比,进而增加其建造成本。而烟囱位置的选择,在其“原型”中虽位于窑体中心,中国霍夫曼窑的烟囱则根据烟道形式以及现场地形环境,既可似“原型”置于窑体中心,亦可立于附近山顶之上( 图10)。这既可防止因山体距离过近而影响自然风速,也能降低烟囱自身的建筑高度,进而降低施工技术难度和造价。

10 中国霍夫曼窑烟囱位置设计选择的4 种类型

3.2.4 窑桥

窑桥是由一层室外地坪通往二层投煤车间的交通空间,通常是一条砖砌拱券撑起的长长坡道,以便运输燃料(图11)。正如“原型”已采用长坡道作为窑桥那样,直至1990年代,中国霍夫曼窑也大多采用窑桥,但近年屡见采用砖墙(柱) 简支预制钢筋混凝土空心楼板的做法(图12),乃至于干脆采用电力升降机或卷扬机而取消窑桥的案例,其人员交通则采用较陡的爬梯。全国有91个调查点仍用窑桥,占41.7%;其中江苏72个调查点有46个用窑桥,占63.9%;有13个点已采用升降机或卷扬机,占18.1%,其中12个点彻底放弃窑桥。因近年中国人力资源成本快速上升,以及机电设备成本与电价的相对下调,如此改进无疑具有经济合理性,砖砌窑桥的长长坡道作为中国霍夫曼窑的外观特征正逐渐退化。

11 砖拱券窑桥外观

12 预制钢筋混凝土空心板窑桥外观

3.2.5 窑棚

中国霍夫曼窑的窑棚结构选材常见4种,即竹(木)、钢、钢木组合和预制钢筋混凝土( 图13),至少竹构在“原型”中并未采用。而中国多数地区产竹,窑棚采用竹构具有充分的经济合理性,尤其在盛产竹材、竹构工艺发达的南方,更显优势。全国有38个调查点采用竹构窑棚,占17.4%;而江苏72个调查点则有17个采用竹构窑棚,占23.6%。在山东青岛、烟台和安徽宿州等传统的石材出产地,窑体外墙也有用石材砌筑的案例;山东微山某调查点竟使用旧机制平瓦砌筑窑体外墙,浙江宁波某调查点用旧汽油桶制作烟囱,高度吻合3R原则。显然,原材料及其加工工艺的可获得性越强,建造难度和造价就越容易控制。

13 窑棚屋架用材的4种类型


4 结语:易建性考量是环境调控与建造模式互动的一种呈现方式

综上,霍夫曼窑传入中国之后,其型制发生了显著变化并不断发展,这主要是出于对环境因素的多层次回应。就建筑学视角而言,很难确认中国霍夫曼窑的诸多“衍生型号”与其“原型”之间还有多大的物质性关联,但它仍沿用最初的空间组成和焙烧工艺原理——连续多窑室,火动砖不动。正如先贤早已认清的那样:“尽管自发明之日起,霍夫曼窑的设计已获诸多改进,但他提出的基本原理却一直被沿用。很多现代窑炉技术虽以霍夫曼冠名,而实际上它们和最初的原型相去甚远”。

其次,中国霍夫曼窑的设计,存在着来自于人造之物的工艺环境和造物之人的工作环境这两方面的环境调控需求。砖要高温/保温,人要常温/ 散热,窑室内气温必须在约50~1000oC的极大阈值内实现循环往复式快速升降:砖坯码好之后约12~24h内完成整个烧制过程。若产品供不应求,则每间窑室每日都会发生这样的循环升、降温,体现为一种对于温度变化控制要求的大幅度和高频度特征,这完全不同于蚕室环境调控对于温度变化控制要求极细微的高精度特征:就环境耐受力而言,蚕远比人弱小,若能满足蚕的需求,则人不必再有奢求。而二者的相似之处在于:不同状况的需求,都是相应地通过特定技术模式( 材料选用、结构选型、构造设计、剖面设计等) 和工程模式( 预制化生产) 的有机组合,来高效达成环境调控目标。这种高效性主要经由充分的易建性考量来实现,即如何让一种设计适宜于在特定环境条件下施工。

第三,在环境调控和建造模式之相互关系中,环境调控是目标,建造模式是达成目标的手段,而易建性考量则是二者之间的必要张力,随着地形、气候的变化,以及物产、运输、经济和工艺等条件的改变,甚至更进一步,随着时间的推移和建材工业化水平的提高,易建性考量不断干预和修正环境调控和建造模式之间的互动过程。即某种建造模式看似可以达成环境调控目标,但在具体的外部条件( 环境适应) 限制和室内品质( 环境调控) 诉求这两个方向的作用力之下,则可能出现更为高效的做法,最终促成具有较好( 适宜) 易建性的“设计”( 图14)。在易建性的3 个原则即标准化、简易化、集成化之中,对于中国霍夫曼窑这样的乡土工业建筑而言,调查结果显示简易化最重要,标准化次之,集成化最次。这种在表象上难以直接显现的干预和修正,促成了“原型”的不断变化与发展,催生了多种衍生型号,并最终指向了累积性、系统性的环境适应和技术流动:霍夫曼窑的核心技术在近一个世纪的时间跨度内传遍了中国。

14  环境调控与建造模式互动关系分析

那么,这种张力究竟是如何生成的?为何又是必要的?首先,就建筑的物质生产属性而言,环境调控和建造模式之间的张力,在本质上是目标与手段之间的张力,它主要源自理想的建造模式与特定环境( 外部条件)之间的落差:一旦项目地点选定,外部环境条件就难以更改,能做的就是该如何加以选择和利用,而这恰恰确立了“保守型”和“选择型”环境调控( 很大程度上即今日所谓被动式技术) 模式的正当性。所谓外部环境条件,包括首位度最高的地形、气候这两个自然地理因素,以及由此牵引出的物产、交通、经济和工艺水平等人文地理、经济地理因素。它们作为前置性的先决条件,对于环境调控目标能否达成具有首要的、乃至于决定性的影响。正如前述,中国霍夫曼窑的空间构成( 是否设窑棚)、主体结构选材、结构选型、外围护结构的构造做法等建造模式类型学差异,与自然地理、人文地理、经济地理因素方面的外部环境条件差异存在着统计学关联性。

其次,就建筑的社会生产属性而言,在实现环境调控目标的手段即建造模式内部,还存在技术模式与工程模式之间的张力,换言之,设计主体和生产主体之间的合作与博弈也不应忽视。脑力劳动者希望通过想象( 图纸) 来控制体力劳动者及其在现场的体力劳动本身,难免存在诸多关涉政治学、社会学、经济学和心理学等方面因素综合作用的不确定性,最终多以管理学和制度学举措来应对这一复杂局面:驻场建筑师这一岗位应运而生。专业的砖窑建筑工程必须要由懂得设计、善于建筑实施全程控制的人( 包工头) 来掌控,则从侧面反映了这一状况的真实性。

再次,从建筑的专业生产属性来看,即使是技术模式和工程模式内部,也还存在各专业工种之间的张力。但凡有设计控制建筑工程项目经验的人皆会有此切身体会,此处不复赘述。

诚然,建筑活动毕竟是复杂系统,在环境调控与建造模式互动关系中,易建性作为一个关键性的考量指标,也无法对最终的“设计”功效负完全之责。正如前现代时期的日常建筑大多具有简易化设计特点,而环境调控品质却难以尽如人意一样,单向追求易建性难免堕入唯简易是从的泥坑。而对于今日较高舒适度需求已成基本共识的状况而言,具有全局性意义的问题在于:如果目标与手段之间不存在张力,就必然导致不择手段,还有什么比这更可怕?“环境调控不仅是一个为人类提供更为舒适生活的问题,而且也是在建筑物的基本功能中重塑人类与自然之关系的问题。”就此而言,易建性扮演的正是一种警示性角色,它不断提醒设计者,应该也必须为无处不在的、想象上的可能性提供足够的、实施上的必要性之论证支持。

(正文完。原文刊载于《建筑学报》2017年7期,总第586期,如转载须在篇首注明作者及出处。更多详图细节请见纸刊。)


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本期微信编辑:石刘睿恬(实习)


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