节能优化视角下木结构蒙古包的现代更新与实践

随着国家关于“双碳”目标各项政策的出台，在建筑领域，由于木结构建筑的低碳优势，相关研究与实践成为行业热点。蒙古包作为游牧民族的主要居所在草原上已传承数千年，它取自草原上易获取的细木条结合皮绳形成框架，利用羊毛制作的毛毡做围护，其材料及建造过程几乎为零碳。装配式的建筑方法使蒙古包成为可移动的建筑，与游牧生活相适应。草原牧区至今仍有一些牧民使用蒙古包，一方面由于蒙古包的便利性在牧区仍有很大需求，另一方面则源于牧民的蒙古包情结。然而，与现代固定住宅相比，木结构蒙古包热舒适性差、空间单一、耐久性差等问题也成为蒙古包作为住宅使用越来越少的原因。

目前关于蒙古包的研究，一方面集中在蒙古包历史、文化、空间形态等方面，另一方面一些学者从蒙古包建筑结构、建筑能耗等角度出发，分析蒙古包的结构及能耗问题，这些成果为蒙古包的现代更新提供了重要的理论支持和实践借鉴。本文从节能优化的视角出发，通过分析传统木结构蒙古包的形态、平面、围护结构，利用计算机模拟、适应性分析的方法，提出木结构蒙古包更新策略，为蒙古包的发展提供了参考。

1?传统木结构蒙古包现状

1.1?空间与构造体系

传统木结构蒙古包构造体系由框架与围护两部分组成，框架体系包括哈那（墙体）、乌尼（屋顶）、陶脑（天窗）、门，材料均为木材，通过相互搭接形成网壳结构，其围护体系包括顶毡、围毡、幪毡，材料为羊毛，蒙古包形态、空间及构造体系如图1所示。虽然细木杆形成的框架体系及形态可很好地解决风荷载、雪荷载，但材料本身耐久性较差，导致蒙古包的使用寿命较短。

图1?木构蒙古包形态、空间及构造体系

蒙古包圆形的建筑形态有利于降低建筑体形系数，减少室内外热交换。圆弧形外立面适应牧区强风环境，有利于抵御风向的随机性，圆锥形屋顶能缓解积雪对建筑的影响。但圆形的建筑形态也导致空间的局限性，随着牧民生活方式的转变与社会的发展，室功能空间单一已无法满足居住需求。

1.2?室内热环境分析

为深入了解蒙古包的室内热环境，选取锡林郭勒盟阿巴嘎旗实际生活状态的蒙古包和固定住宅进行实测。为全面诊断蒙古包围护结构的热工缺陷，在呼和浩特搭建1个半径2.5?m的蒙古包作为试验对象，其陶脑高2.4?m，围护结构由两层毛毡构成，外层套防雨帆布，木门朝南。

在实测期间，生活状态蒙古包和固定住宅的采暖方式为火炉，试验蒙古包则无人居住。使用充油散热器采暖，测试时间选择内蒙古冬季最冷月。采用RC–4HA/C温湿度记录仪（测量精度±0.5?℃，测量范围–30~60?℃），仪器测量范围及精度满足规范要求。

生活状态蒙古包及固定住宅选取同一时刻数据进行分析，如图2（a）所示。在室外温度相同的情况下，传统蒙古包室内温度波动较大，最大温差超过30?℃，且夜间火炉熄灭后温度快速下降到0?℃以下，白天随采暖设备的运行情况温度波动也较大，固定住宅在采暖设备运行几乎一致的情况下室内温度相对稳定。试验蒙古包在无采暖时室内温度在高于室外温度10?℃左右范围内波动，持续采暖后温度快速上升并能达到较稳定状态，但与采用间歇性供暖的固定住宅相比波动幅度仍偏大，如图2（b）所示，其原因是由于热源为火炉，运行时具有一定的波动性。此外，生活状态蒙古包气密性差，导致室内热量快速流失。而试验蒙古包经处理后气密性改善较大，加之热源稳定，故温度波幅较小。与蒙古包相比，固定住宅的温度则相对稳定，这与两者围护结构的热惰性有关，使用轻质围护材料的蒙古包热惰性存在一定缺陷。因此改善蒙古包的热环境，不仅要提升蒙古包的气密性，而且应增加热质。

（a）

（b）

图2?蒙古包与固定住宅冬季温度变化曲线

（a）使用状态蒙古包与固定住宅；（b）试验蒙古包

1.3?能耗模拟分析

本文选用DesignBuilder仿真模拟软件对试验蒙古包进行能耗及后续模拟优化分析。首先根据试验蒙古包建立基础模型，由于蒙古包木结构框架体系只起支撑作用，对保温隔热性能影响不大，故设置参数时不考虑框架体系对建筑能耗的影响，基础模型围护结构材料基础参数见表1。

表1?基础模型围护结构与热工参数

室外气象数据选用呼和浩特典型气象年数据，室内人口密度设置为0.12人。室内设计温度参考GB?/?T5082—2013《农村居住建筑节能设计标准》设定为14?℃，室内的照度值设置为100?lx，照明功率密度为7?W/㎡。根据当地牧民采暖习惯将采暖期定为10月1日至次年4月1日，累计182?d。

选择将生活状态蒙古包冬季不采暖热环境实测结果（2018年1月27~30日）与同时段（2002年1月27~30日）基础模型冬季自然通风状况下模拟热环境结果进行对比验证，实测与模拟热环境结果基本一致，说明该基础模型较准确，可进行后续的优化模拟。

通过对基础模型的模拟得出，当冬季室内设计温度为14?℃时，全年累计热负荷为3?117.73?kW·h，单位面积采暖能耗为147.83?kW·h/㎡，采暖能耗水平较高，这也是实测过程中温度波动过大的主要原因，因此亟待优化。

2?传统蒙古包更新策略

2.1?建筑形态的更新

随着牧民生活水平提高，对空间需求增加，实现蒙古包模块化拼接是解决现有木结构蒙古包空间类型单一的最佳方式。采用正多边形可保留圆形空间的向心性，满足蒙古包“中心汇聚”的空间精神性，也方便蒙古包之间的连接。因此，从节能视角出发，利用Designbuilder对同等面积正多边形进行模拟。由表2可见，随着边数逐渐增加，建筑能耗也逐渐增大，其中正六边形与正八边形的节能效果较好。由于八边形的单元模块更接近圆形，拼接方式也更灵活，因此将现代蒙古包模块单元确定为正八边形。

表2?不同建筑形态蒙古包模拟结果

2.2?建筑平面的更新

在八边形蒙古包模块单元的基础上对建筑平面进行优化，利用不同数量模块的相互拼接丰富其平面功能，实现空间与空间的连接与分隔。本文总结了若干种拼接方案及其优化方案，通过利用厕 所、厨房、门斗、阳光间等辅助空间弥补形体拼接导致的外立面凹凸过多，以减小体形系数，降低建筑能耗（图3）。

图3?蒙古包建筑平面优化

1—客厅；2—精神空间；3—卧室；4—厕所；5—厨房； 6—门斗；7—储藏间；8—餐厅；9—阳光间

对不同八边形组合平面的基础方案与优化方案进行模拟。从模拟结果可见，随着八边形基础模块拼接数量增加，体形系数逐渐降低，单位面积能耗也随之减小。对比不同基础方案与对应的优化方案发现利用辅助空间进行拼接能更有效降低八边形蒙古包的体形系数，在南向设置阳光间还能被动式利用太阳辐射。具体优化方案还可结合牧民实际需求对空间功能与大小进行调整。

2.3?框架体系更新

木结构蒙古包框架体系不仅耐久性较差，而且在框架体系中哈那相当于承重墙，但每片哈那都不可拆卸，给蒙古包模块的连接带来局限，其特殊的构造方式也使蒙古包无法在侧向开窗，影响采光，因此应着重提高蒙古包木构件耐久性与承重方式。

随着装配式木结构建筑的快速发展，胶合木材料的优势逐渐凸显，正胶合木板不仅耐腐蚀性和调温调湿性好、强度高，还不受天然木材尺寸的限制，工业生产效率较高，因此用其代替传统木质材料可有效提高蒙古包的耐久性。

基于八边形现代蒙古包模块，使用角柱作为承重构件代替哈那墙承重，乌尼杆采用插接方式与墙体和角柱相连，使屋顶荷载均匀地传递到角柱上。角柱之间使用正胶合木板代替杆状哈那，使开窗成为可能，解决了传统木结构蒙古包采光不便的问题。该结构体系不仅可增强蒙古包的稳定性，还提供了空间多样化的可能性。按建筑工业化思路将现代蒙古包框架体系的建筑构件进行模块化设计，并分解成不同的模块，可方便现场施工，降低运输难度，实现装配化建造，减少运输与建造阶段的能源消耗。

2.4?围护体系更新

对蒙古包围护结构的优化可考虑选用保温蓄热性能良好的柔性材料替代毛毡，也可结合当下牧民定居需求，考虑向填充墙体的思路转变。气凝胶毡由二氧化硅与碳纤维材质复合而成，比传统毛毡保温蓄热性能更好，且兼具防火、阻燃、憎水、隔音、轻质等特性，是一种耐久性较好的柔性保温材料，现代蒙古包可选用气凝胶毡代替毛毡。此外，基于八边形蒙古包模块的均质化格网墙体，除选用柔性保温材料外，还能采用在网格内嵌入耐候模块的方式进行保温，因此本文采用不同保温构造和改变保温材料厚度对蒙古包围护结构进行优化模拟，优化方案与模拟结果见表3。对比不同厚度气凝胶毡的节能效果，发现随厚度增加，单位面积能耗减小的趋势逐渐降低，但对柔性材料而言，延展性会随厚度增加而降低，因此不宜过厚。增加气凝胶毡的厚度虽对降低能耗较有利，但20?mm厚气凝胶毡的保温隔热性能比18?mm厚毛毡已有较大提升，兼顾经济因素选用20?mm厚的气凝胶毡最佳。对比W–1、W–2、W–3三组方案可知，对其耐候模块保温材料选用聚氨酯泡沫节能效果最佳，单位面积能耗仅52.06?kW·h/㎡，且聚氨酯泡沫保温板价格远低于气凝胶毡，性价比较高。聚氨酯泡沫耐候模块可在工厂预制，也是一种较好的选择。

表3?墙体优化方案与模拟结果

综上所述，20?mm厚气凝胶毡与聚氨酯泡沫耐候模块均可有效降低蒙古包冬季采暖能耗，是两种不同的蒙古包围护体系更新思路。两种方式各有优劣，对长期使用轻质柔性材料作为围护体系的蒙古包而言，选用气凝胶毡更尊重原有蒙古包文化，且聚氨酯耐候模块的保温隔热性能更优，更有利于营造良好的室内热环境。

3?蒙古包更新实践

结合蒙古包更新策略，研究团队在内蒙古锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗乌拉盖草原进行了项目实践。

该项目按建筑模块化思路，基于八边形现代蒙古包模块，结合传统木结构蒙古包的建造技术，对构件进行模块化设计，形成了以胶合木为主要框架结构材料、钢材为连接构件的现代蒙古包框架体系，木构件主要包括6个部位，板片厚度均为30??mm。所有构件工厂预制生产，通过现场插接或连接构件进行连接，实现了现代蒙古包的装配式建造。墙体采用墙身横板与墙身竖版交叉形成的均质化网格墙体，地面采用数根50??mm×100??mm方木龙骨组成的支撑构架将蒙古包与草地分离，既能保护草场生态，又提升了地面保温与防潮。幪毡覆盖陶脑的传统天窗由玻璃材质代替，侧窗均选用木框架双层low–e玻璃，以改善采光并提升气密性。围护体系采用20?mm厚气凝胶毡代替毛毡降低成本，提升保温性能。冬季现场热环境实测发现采用电采暖间歇供暖方式，在室外平均温度为–6.4?℃时，室内平均温度达到19.9??℃，热环境已有较大提升。

利用Designbuilder对乌拉盖草原现代八边形蒙古包进行建模，正八边形边长为1.86?m，高2.6?m，门窗均为南向，围护结构均按上文所述材质设置，其他参数与基础模型一致。通过模拟得出该蒙古包冬季室内设计温度为14?℃时，采暖总能耗为1?093.27?kW·h，单位面积能耗73.82?kW·h/㎡，比传统木结构蒙古包基础模型节能50.06?%，节能效果较为显著。

综上所述，该项目改善了结构的稳定性、耐久性与室内热环境。从全寿命周期看，降低了运输、施工与运营阶段的能耗，且通过模块化单元空间组合，可组合出不同的户型，可满足不同使用群体、功能的居住需求。

4?结论

本文从节能优化的视角，通过实测、模拟等方法，对传统木结构蒙古包进行现代更新。通过更新基本形态，确定了八边形的基本模块单元；通过更新平面，提出了基于不同模块数量的优化方案；通过更新框架体系，选用胶合木材代替传统木材，并使用角柱承重的方式代替了传统哈那墙承重，采用均质化网格墙体，提高了蒙古包的耐久性和稳定性；通过更新围护体系，确定了气凝胶毡与聚氨酯泡沫耐候模块两种优化方案，提升了蒙古包的气密性和保温隔热性能。证明更新后的蒙古包节能效果明显，室内热环境得到了大幅度改善，可为木结构蒙古包的可持续发展提供借鉴。本研究的思路仍基于传统蒙古包可移动、装配化等特点，因此围护材料的选用受一定的限制；与固定住宅相比，单位面积耗热量仍偏高，需在后续研究中进一步改善。