窑居建筑力学构造研究分析论文

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[摘要]通过对三门峡等地的生土窑洞进行实地调查,介绍了生土窑居的营造技术,以研究其结构和力学原理。

1生土窑居概述

生土窑居是世界上少有的,最具地方特色的建筑,是在原始土中经人工挖凿而形成的穴居居住形式,迄今已有几千年的历史,我国目前仍有3000万人口居住在窑居中[1]。生土窑居具有因地制宜、施工简便、造价低廉、适应气候、可再生性强等特点;深藏于土层之中,充分利用地下热能和覆土的储热能力“冬暖夏凉”,具有保温、隔热、储能、调解洞室小气候的功能,符合生态原则,是天然的节能建筑[2]。

1•1窑居的结构特点生土窑居的结构体系完全由挖凿成型的纯原状土拱体作为窑居的自支承体系,没有任何其它支护。窑居建造大多以当地匠人的经验为依据,对所选窑址的土质特征和力学性质没有经过理论分析;对窑居没有进行正规设计;窑居力学结构性能更是缺乏科学计算。但却能够居住百年甚至数百年而不坍塌,即使在地震多发区(我国在役窑居大多分布于地震多发地带,45%的窑居区地震烈度在7度以上),建造年代百年以上窑居也很普遍。其建造经验具有长久的保存价值。

1•2窑居面临的问题生土窑居也存在一些弱点如交通不便、公共设施缺少;窑居室内通风不良、自然采光不足、潮湿阴暗;缺乏整体抗震措施,部分窑居存在安全隐患等。因此,近期很少建造,窑居营造工艺濒临失传。

1•3生土窑居的分类

1)靠崖式位于山坡、土塬沟崖地带,平伸挖掘形成窑洞。从侧面看,呈靠背椅的形式。窑门在山崖边,窑身在崖里,前面有较开阔的平地。窑洞依山势随等高线布置;也有随台梯层层后退布置几层窑洞,下层的窑顶就是上层的前厅。

2)下沉式也称为地坑院式窑洞或天井式窑洞。利用黄土的边坡稳定性,就地向下挖一个方形的地坑,形成四面封闭的地下四合院,再沿四壁向里挖横穴。这种窑洞从远处看不到,就像是平地一样,只有走近才能看到地上一个个的凹坑,向坑里一看,下面是一户户的人家。下沉式窑洞是窑洞最为奇特的一种。

3)独立式实质上是一种掩土的拱形房屋,常见的有土基土坯拱窑洞和土基砖拱窑洞。主要材料仍为黄土,类似于国外的半地下掩土建筑。在土崖高度不够的情况下,保留原状土作窑腿和拱券模胎,砌半砖厚砖拱后,四周夯筑土墙,窑顶再分层夯土1~1•5m厚。也称为人造土堡式窑洞。

2生土地坑窑居建造的几个关键问题开挖窑洞十分讲究,从开挖到建成,大致要经定方位、挖界沟、整窑脸、画窑券、挖窑、修窑、上窑间子、装修等过程。

2•1窑院的方位建窑之前,要请当地擅长天文地理的先生根据八卦上的方位依“风水流脉”来确定窑院主方向的朝向。根据每个院落周围区域的地形高度和地貌特征来确定院落的方位。2•2窑院的布局一般情况下,正窑的对面为下正窑;背对主窑,左手位置的角部部位为进出口通道,右手位置的角窑为卫生间。出入通道要包抄着院子,只要不存在通道路线“翘尾巴”、“甩尾”现象,走向可以自由布置。窑院的通道是在窑洞成型后由下向上开挖的。窑院通过渗井排水,渗井直径1m左右,根据经验,深度和地坑院的深度相等。例如,6m深的地坑院渗井打6•5m深,多出的0•5m用煤渣铺底,这样可以加速地坑院的污水雨水渗漏,获得较好的渗水效果。

2•3窑居的构筑尺寸常见的窑院深度一般为6m,院坑平面尺寸为12m×12m及8m×12m,其中前者窑坑内可挖12孔窑洞,后者挖10孔或8孔窑洞。正窑比其他窑洞要宽大,洞口高3•2m,宽3•5m;后部高3m,宽3•2m;其他窑洞口高2•8m,后部约2•6m;洞口宽3•0m,后部2•8m。窑洞的深度一般7~8m,可根据需要和宅基大小确定。窑腿尺寸的大小受窑院大小(宅基地)影响。窑腿尺寸和窑脸的关系:3m窑脸,窑腿最小2•5m;3•5m窑脸,窑腿最小3m。窑背厚度≥3m,厚度太小的话,则不能承受上面的车辆荷载。最小厚度为2•7~2•8m。太厚也不好,窑洞可能比较潮湿,通风、采光会存在问题。相邻两孔窑自洞口窑脸开始向两侧倾斜,使得窑腿的宽度沿进深方向越来越大,这样有利于受力。

3窑居的开挖过程建造前,按照道家阴阳平衡原理选方位、定座向、下线桩,择吉日奠基之后动工。

3•1挖院坑开挖时,比预先定好的院坑稍小一点的尺寸开始往下开挖。院子的其中一边要留成斜坡,以便往外运土。在挖到4m深之前都是用人挑土从坡道往上运土;挖至4m以下时,在院坑边支起一个绞车装置向上提土。对于较小的院坑,可整体开挖,边开挖边整理,对于较大的院坑,从安全和缩短工期方面考虑,在院面上划好院坑范围后,可分次开挖,先沿边开挖3m宽的深槽,直到所需深度,然后修整外侧土壁,开挖中心环岛。院坑大致挖成后,开始进行表面修理平整。

3•2打窑打窑的过程由打窑、剔窑和泥窑3部分组成。1)打窑窑院挖好土壁晾干后,便可打窑,所谓打窑就是把窑洞的形状挖出。窑匠先在坑壁上起券,券的形状有抛物线形、半圆形、尖券形,还有方、圆结合形,是由当地窑匠根据窑址的土质条件根据经验确定的。打窑时,窑匠先挖一个样板,深约50cm左右,接着由主家沿着窑匠起好的券形往里挖,开挖的洞口只能比券形小,不能大,但不必整齐。当挖到2~3m后停下,将洞晾一段时间,使洞壁新土风干坚硬。晾干之后,再继续往深处挖2~3m,再晾。重复2~3次,直到窑洞尺寸接近预定深度。打窑时不能操之过急,否则洞壁土中水分大,容易坍塌。2)剔窑依照窑券小尺寸开挖,窑洞粗挖完成后,洞壁凹凸不平,且略小于窑匠最初画的券形,这时还要请窑匠来,从窑顶开始进行修削剔出券形,然后把窑帮刮光,使内壁平整。这个过程叫做“剔窑”或“铣窑”。3)泥窑等窑洞晾干之后,接着用黄土和碎的麦草和泥用来泥窑。

3•3安门窗、扎山墙窑洞的多数部位都有特定的名称:窑口的前脸称窑脸,窑口的门、窗及窗下土坯槛墙统称为窑间子,起封护窑洞的作用;窑洞深处称窑底,窑洞之上的黄土崖体称窑背,窑背厚度通常≥3m。1)修窑脸打窑完成后,首先砌窑洞的前墙———窑脸。通常窑脸用一层砖包砌,上面还挑出一层砖或形成完美的线脚等。墙面用砖拼成图案,清晰美观。由于窑脸略向后倾斜,砖面很稳定,拼砌砖花也要由专业窑匠做才能平整美观。2)安门窗窑脸的窗下墙建起后,安装门窗抱框、门槛、中槛等,然后装上门和窗。窗多以木条订成几何形窗棂,或镶玻璃,或以纸糊窗花。门多为木框板门无任何雕饰;还有实板门、上部为透空的窗格式的门,门的上部有做成实板横批,也有做成格栅的横批,并与窗连成一体;有的窑洞对门墙稍作处理。3)扎山墙由于地坑院较深,考虑到安全方面以及防止雨水流向地坑院内,窑顶上沿崖壁边缘筑有80cm高的护墙,称之为拦马墙。拦马墙有实墙,也有镂空花的。一般情况下,主窑的拦马墙要比其他四面墙体高出一皮砖左右,并且墙上有起装饰作用的圆形构造,根据这个特点可以快速判定主窑的位置及宅院的类型。

4生土窑居的维护(以地坑窑为例)窑居建成后,需要经常维护。维护得好,可住上一二百年,维护不好,住上十几年就废了。

4•1窑背的维护黄土窑洞最怕水患和潮湿,因为黄土多为垂直肌理,在此肌理下,水的渗透能力比水平渗透力要大50倍,因此对水患要慎之又慎。通常的做法是使窑背上面与窑洞进深相同的宽度内不再种树、耕作;窑洞顶部需要经常或定期用石磙碾压,不能有杂草生长,尤其是在雨季;且使窑背向窑外方向有所倾斜,便于排水。一般情况下,麦收前碾压2~3次,用做晒场;每下一次雨就碾压一次,并且及时清理上面的杂草。

4•2裂缝的处理窑洞在使用过程中可能会出现和窑脸平行方向(垂直于进深方向)的裂缝,这种裂缝相当危险,它使土体有向院内倒塌的倾向,可能堵塞出口,因而危险性较大。采用类似于基坑支护的方法来约束土体的移动,限制裂缝的发展。用若干短槽钢焊接在一长槽钢两侧,分别在窑洞前面拱顶土层的中间部位以及窑洞后部的相应位置开槽,再用钻打洞,穿入钢筋。钢筋两端过丝,一端和槽钢相连,另一端和窑洞后部埋入土体中的锚固构件相连,拧紧螺栓使土体夹紧,同时给土体施加预应力,再对开槽、洞位置作相应技术处理即可。

4•3局部发生坍塌的处理如果只是洞口部位或者洞内局部倒塌,则可以通过修复解决。具体方法:清理后先用大约40cm长、26•67cm宽,3•33cm厚的土胚,用掺加秸杆的泥做浆体砌筑出窑腿,上部弧段用楔形土坯做出拱顶,然后用掺加秸杆的泥拱顶表面涂抹一层,再往上面加层土以便使砌好的拱圈均匀受力,再往上面加土,逐层夯实。到窑顶标高附近时,采用上面叙述过的方法处理窑顶。最后再对窑洞内部进行美化处理即可。对于大面积坍塌的窑洞,可以整体填平后,恢复为耕地。此外,窑洞的小修年年有,如鼠、虫都爱在黄土中打洞,造成向窑内注水的孔道,因此需及时补豁、堵洞,补砌土坯,重新抹面。

5结语

生土窑居作为一种民居建筑形式,其营造合理、构筑巧妙、存在自然、居住和谐,体现了劳动人民的智慧,带给我们的不仅是丰厚的建筑文化,更是一种生态精神。虽然它的存在受制于当地的科学技术和生产力水平,且受到当今城镇增长和社会经济发展的挑战,但是其中蕴含的生态学思想和宝贵的建筑经验,以及特定的文化传统却具有长久的价值,值得继承和发扬。

参考文献:

[1]靳亦冰,王军.新农村建设带给窑洞民居的机遇与挑战[A]//第十四次中国民居学术会议论文集[C].澳门,2006,115-120.

[2]侯继尧,王军.中国窑洞[M].郑州:河南论文科学技术出版社.1999