當(dāng)代木構(gòu)建筑設(shè)計——以山東建筑大學(xué)雪山書苑為例

劉長安，仝暉，劉甦

(1.山東建筑大學(xué) 山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué) 可再生能源建筑利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250101;3.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072)

0 引言

在人類文明進(jìn)化的過程中，木材同石材一樣，曾經(jīng)是最古老和最為普遍的建筑材料之一。早在新石器時代就出現(xiàn)了最早的木構(gòu)建筑雛形，古人類利用樹干和枝條搭建簡易的房屋以躲避風(fēng)雨和野獸侵襲。縱觀建筑發(fā)展的歷史，木構(gòu)建筑是世界建筑體系的重要組成部分，也是公認(rèn)的最為原始的建筑原型之一。

工業(yè)革命以來，隨著現(xiàn)代建筑運(yùn)動的興起和材料工業(yè)的蓬勃發(fā)展，以鋼材、混凝土為代表的新材料受到建筑師的青睞，使得現(xiàn)代主義的鋼筋混凝土、玻璃幕墻建筑在世界范圍內(nèi)盛行一時，并逐漸取代了木構(gòu)建筑的地位。直到近幾十年來，木材工業(yè)的快速發(fā)展使得木材的種種缺陷得到了不同程度的彌補(bǔ):規(guī)格材、膠合木、結(jié)構(gòu)復(fù)合木材等工業(yè)木材的出現(xiàn)，化解了以往木材跨度、斷面尺寸不足的難題;通過物理或化學(xué)處理的方式，可以提高木材在變形、防火、防腐、防蛀等方面的性能;熱成型技術(shù)則賦予木材可塑性，提供了更多創(chuàng)意可能;加工工藝與數(shù)字技術(shù)的發(fā)展也使得木材加工擺脫了人工的限制，使效率與精度相比以前有了質(zhì)的提升;而人造板材的出現(xiàn)，可以充分利用木材加工的廢料，將樹木的利用率從實(shí)木產(chǎn)品的60%提高到工業(yè)木材的95%［1］，在一定程度上緩解了木材浪費(fèi)的現(xiàn)象。

在這樣的背景下，沉寂多年的木構(gòu)建筑重返人們的視野，并逐漸普及。在美國、加拿大和日本等發(fā)達(dá)國家，當(dāng)前木構(gòu)住宅已處于市場的主導(dǎo)地位。2000年美國新建獨(dú)戶別墅約111.4 萬幢，其中約90%采用木結(jié)構(gòu)［2］;除了住宅，木結(jié)構(gòu)還廣泛應(yīng)用于學(xué)校、旅館、體育館以及廠房等公共建筑。

1 木材的建筑特性及其當(dāng)代價值

由于木材自身的特性，木構(gòu)建筑與常見的鋼筋混凝土、磚石結(jié)構(gòu)建筑相比具有施工簡易迅速、平面布置靈活、抗震性好、安全耐久以及得房率高等諸多優(yōu)勢。此外，從更深層次的材料性來看，木材還具有下列人工建材所不能比擬的優(yōu)越性:

1.1 木材是自然的、可持續(xù)的建材

近年來，環(huán)境惡化、全球變暖等一系列問題使人們愈發(fā)意識到盲目發(fā)展所帶來的嚴(yán)重生態(tài)后果。1992年，《從搖籃到搖籃》一書的作者，威廉·麥克唐納(William McDonough)與邁克爾·布朗嘉特(Michael Braungart)為漢諾威世博會共同撰寫了核心為“設(shè)計服務(wù)于可持續(xù)發(fā)展”的“漢諾威原則”，提出了人與自然在可持續(xù)的條件下共存的觀點(diǎn)，引起國際社會廣泛關(guān)注。對于建筑師而言，這意味著我們必須使用自然的、可持續(xù)的材料來建造。

木材是完全可再生、自然生產(chǎn)的建筑材料，因而使用木材建造不會影響到環(huán)境和生態(tài)平衡。同時它還是易于回收利用的材料，廢棄的木材可以用來生產(chǎn)人造板材或造紙，不產(chǎn)生難以處理的建筑垃圾;木材的可持續(xù)性能還體現(xiàn)在其易降解性上，木材可分解成再次進(jìn)入自然循環(huán)系統(tǒng)的成分，減少殘留物對環(huán)境的污染，促進(jìn)整個生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。

1.2 木材是更為節(jié)能和環(huán)保的建材

材料的節(jié)能環(huán)保是保證建筑節(jié)能環(huán)保性的基礎(chǔ)，而我們通常所說的建筑節(jié)能與環(huán)保通常需要研究不同材料與形式的房屋在全壽命周期中的能耗及其對環(huán)境的影響。

在材料的物化階段，樹木在成長過程中進(jìn)行光合作用，每生長1t 木材可吸收1.6t 二氧化碳，并產(chǎn)生1.1t 氧氣，從而將碳元素固定在樹木中形成纖維材料。這種固碳作用和造氧機(jī)能是其它材料所不具備的，對地球生態(tài)平衡有著重要作用［3］。再者，木材生產(chǎn)過程簡單，自重也相對較輕，因此在生產(chǎn)階段和運(yùn)輸階段的能耗均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人工建材。在建筑運(yùn)行階段，木材的多孔結(jié)構(gòu)使之具有良好的保溫隔熱性能，因而木構(gòu)建筑具有良好的節(jié)能效果。根據(jù)清華大學(xué)的研究，北京地區(qū)木結(jié)構(gòu)房屋采暖空調(diào)能耗比輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋低9.43%，比混凝土結(jié)構(gòu)房屋低10.92%;上海地區(qū)木結(jié)構(gòu)房屋采暖能耗比輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋低8.79%，比混凝土結(jié)構(gòu)房屋低7.33%［4］。

綜合物化階段與運(yùn)行階段的能耗和環(huán)境影響表明，木材具有與生俱來的生態(tài)學(xué)屬性，是一種環(huán)境友好的綠色材料，因而使用木材建造在能耗、環(huán)境影響方面較人工建材均具有巨大優(yōu)勢。

1.3 木材具有更佳的裝飾性與可加工性

自古以來，木材便是最常用的裝飾材料。隨著工藝發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，木材的裝飾性得到了進(jìn)一步的開發(fā)，為建筑師帶來了無限可能。它既可以橫向、豎向排列形成韻律，也可以縱橫交錯形成特殊肌理;既可以制作具有各種紋理的板材，也可以形成百葉使光線穿透;在用材上，木材既可以用作表皮裝飾材料也可以用作結(jié)構(gòu)用材;同時，它還可以與玻璃、鋼材等多種材料進(jìn)行組合，創(chuàng)造出靈活搭配、造型多變的表皮處理方式。

木材還具有極好的可加工性，它的物理屬性幾乎使每個人都覺得可以對其進(jìn)行一定的加工。正如格羅皮烏斯所言，木材是一種完美的柔韌材料……它適用于建筑的所有結(jié)構(gòu)部分，它可以很容易的通過鋸、切、鉆、釘、碾、拋光、上漆和著色等等一系列的工序進(jìn)行加工。在他看來，甚至木材被木蟲蛀蝕都變成有趣的事情，因?yàn)檫@正是木材優(yōu)于人造建材的特性——完全的自然屬性。

1.4 木材是人類感知世界、與自然環(huán)境對話的絕佳物理媒介

“從現(xiàn)象學(xué)角度來看，材料性是人們感知世界的方式。在這個概念范疇下，沒有人的感知就無所謂對世界的理解……物質(zhì)世界并非我們借助科學(xué)發(fā)現(xiàn)的世界，而是通過個體體驗(yàn)而感知到的世界?！保?］與大多數(shù)人工材料不同，木材具有良好的感官特性，它可以通過諸多方式來影響人類感官，因此木材或許是最令人感到親近的材料。

近幾年，一些美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃被認(rèn)為形同虛設(shè)，存在與土地利用規(guī)劃不銜接、對農(nóng)民意愿和習(xí)慣不夠尊重、鎮(zhèn)村干部主動謀劃參與不夠、大比例尺地形圖無法精準(zhǔn)落地等問題，故美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃設(shè)計陪伴式服務(wù)這一方式的應(yīng)用是解決問題的重點(diǎn)。各縣（市）區(qū)試點(diǎn)村先行，并按需求分片區(qū)針對性開展，同步嘗試完成片區(qū)性、特色性等不同類型的美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃，進(jìn)一步為福州市乃至福建省打造美麗鄉(xiāng)村示范典型。同時，市、縣（市）區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)各級規(guī)劃建設(shè)主管部門對美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃的編制單位（設(shè)計團(tuán)隊(duì)）、鎮(zhèn)村干部進(jìn)一步加強(qiáng)培訓(xùn)，落實(shí)美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃工作相關(guān)規(guī)定和政策。

木材具有生物結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的光澤、顏色，多變的花紋，從視覺上給人以自然美和藝術(shù)享受;通過對木材顏色與人的心理感覺的關(guān)系測驗(yàn)得知，木材能使受驗(yàn)者產(chǎn)生溫暖感和親近感［6］。木材還影響人們的嗅覺，各種木材因含有不同的揮發(fā)性物質(zhì)而氣味各異，而大多數(shù)的氣味經(jīng)研究有益于人類健康并可以保持身心愉悅;與合成材料帶來的有害氣體相比，木材所固有的自然氣息如同原野、森林的味道一般令人向往。合上雙目靜靜體味，惟有木材是可以感知的建材:淡淡的木材清香，是來自大自然的恩賜;撫摸木制器具，其多變的紋理與溫潤的手感是人造材料所不能給予的;走在木制的地板上，偶爾的嘎吱響聲往往能夠觸動人們內(nèi)心的最深處。

阿爾瓦·阿爾托對木材懷有深厚感情，他評論道，“人造材料始終無法取代木材的地位。依靠化學(xué)過程人工合成的材料丟掉了原木最為重要的一些品質(zhì)，而這些品質(zhì)恰恰是人類在人性和心理方面最為需要的?！保?］在提倡回歸真我，重返自然的今天，使用天然木材建造使人類更好地感知自然世界、并與之緊緊地聯(lián)為一體，因而可以更好地滿足人們精神方面的訴求。

2 當(dāng)代木構(gòu)建筑的主要建造體系

當(dāng)代木構(gòu)建筑的主要建造體系可分為梁柱結(jié)構(gòu)、原木結(jié)構(gòu)和輕型木結(jié)構(gòu)等體系。各種體系在木構(gòu)件的尺寸、組合方式及承重方式等方面有著較大的區(qū)別。

梁柱結(jié)構(gòu)體系是一種較為傳統(tǒng)的建筑形式，由跨度較大的梁柱結(jié)構(gòu)形成主要的傳力體系，并最終傳遞到基礎(chǔ)上，我國傳統(tǒng)木構(gòu)建筑便屬于此類型;原木結(jié)構(gòu)體系則源自北歐的傳統(tǒng)木屋，采用規(guī)格、形狀統(tǒng)一的矩形或圓形實(shí)木疊合而成，是集承重與維護(hù)結(jié)構(gòu)于一體的結(jié)構(gòu)體系，但因耗費(fèi)大量木材而應(yīng)用面較窄(圖1)。

圖1 原木結(jié)構(gòu)體系

目前應(yīng)用較多、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)較成熟的體系是輕型木結(jié)構(gòu)體系。該體系采用小尺寸規(guī)格材均勻密布連接組成，由主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件(結(jié)構(gòu)骨架)和次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件(墻面板、樓面板及屋面板)共同作用、承受荷載并傳遞到基礎(chǔ)上。在具體做法上，將小斷面構(gòu)件按照一定的間距等距排列成框架，然后在框架外根據(jù)受力需要，覆蓋木基結(jié)構(gòu)板材或石膏板，形成建筑的墻體、樓蓋及屋蓋等組成部分，這些部分通過與框架等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同作用而獲得結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。這種結(jié)構(gòu)體系因其構(gòu)件斷面較小，從而被稱為“輕型木結(jié)構(gòu)體系”，具有施工安裝方便、材料利用率高、安全經(jīng)濟(jì)、布置靈活等特點(diǎn)，因而在歐美大量運(yùn)用于住宅建筑和中小型公共建筑中(圖2)。

圖2 輕型木結(jié)構(gòu)體系示意圖(07SJ924《木結(jié)構(gòu)住宅》)

3 山東建筑大學(xué)雪山書苑木構(gòu)建筑設(shè)計

雪山書苑是建于山東建筑大學(xué)校園內(nèi)的集會議、接待于一體的小型建筑(圖3)。整個建筑全部采用木材建成，是一次難得的木構(gòu)建筑實(shí)踐機(jī)會。

建筑基地用地規(guī)整，局部落差較大。用地南側(cè)為學(xué)校圖書館，西側(cè)緊鄰校區(qū)內(nèi)雪山，東臨學(xué)校主干道，北側(cè)為校園綠地，周圍尚有鳳凰公館、建筑平移技術(shù)展館、海草房等小型建筑?？偲矫娌贾镁C合考慮了建筑與雪山及校園道路之間的關(guān)系，主入口設(shè)于南向，并結(jié)合入口設(shè)置了小廣場和停車位;建筑周圍結(jié)合地形合理組織了綠化和水池、疊水等景觀，營造出綠樹成蔭、流水潺潺的氣氛，成為主體建筑重要的烘托(圖4)。

圖3 雪山書苑實(shí)景照片

圖4 雪山書苑與周圍水景

因功能與面積所限，書苑布局緊湊。首層平面中入口處為貫通兩層的門廳空間，衛(wèi)生間、值班室等輔助房間位于西北側(cè)，主要的接待室與會議室位于景觀朝向最佳的東向，并可通過房間到達(dá)東側(cè)懸挑的觀景平臺上。二樓的功能以會議和接待為主，并依據(jù)景觀的分布，分別在北側(cè)綠地和西側(cè)朝向雪山的位置設(shè)置了觀景露臺，用“借景”的手法最大限度地將周圍美景納入建筑內(nèi)部。

建筑位于雪山山腳下，故順應(yīng)山勢采用坡頂做法。沿雪山軸向設(shè)置了主要的坡頂，主入口、二層會議室處分別設(shè)計了坡頂與之交錯、呼應(yīng)，使整個形體錯落有致，協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在立面處理上則著重強(qiáng)調(diào)木材材質(zhì)的特征:外墻采用實(shí)木板材橫向拼貼，細(xì)密的橫向線條賦予建筑舒展的韻律;觀景平臺、樓梯、欄桿等均采用實(shí)木制作，雖略顯粗獷，卻更貼近木構(gòu)建筑的精髓。建筑的開窗形式主要采用豎長窗，結(jié)合南立面豎向木柱的處理，能夠更好地與書苑會議、接待的功能相適應(yīng)(圖5～8)。

圖5 首層平面圖

圖6 二層平面圖

書苑的建造采用輕型木結(jié)構(gòu)體系。建造時首先澆筑混凝土基礎(chǔ)，在其上安裝基礎(chǔ)襯墊和經(jīng)防水、防蛀等特殊處理的底木;內(nèi)外墻體分別以木柱骨架以及頂、底木骨架與木基結(jié)構(gòu)墻板一起形成木框架剪力墻作為主要受力體系;屋面則以三角形屋架及復(fù)合空間龍骨構(gòu)成支承體系。人造板材和結(jié)構(gòu)構(gòu)件間采用鋼釘連接，梁和承重墻體間為金屬件或螺栓連接。結(jié)構(gòu)部分完成后，木骨架間填充保溫材料，隨后在外墻面滿鋪人造板材、做防潮層，最后在建筑外部鋪貼實(shí)木板材面層并刷涂防護(hù)漆面。(圖9)

雪山書苑的設(shè)計從總圖、功能，到造型及室內(nèi)等各個方面，均建立在對木材材料性深刻理解的基礎(chǔ)上，采用新的手法詮釋了木構(gòu)建筑的精神。建筑屋頂線腳、梁頭處理、墻面轉(zhuǎn)角等細(xì)部均經(jīng)過深入推敲，使整個建筑既具有傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的神韻，又展現(xiàn)了當(dāng)代技術(shù)條件下木材建造的現(xiàn)代感。建成以后，書苑成為學(xué)校對外交流的重要場所，也與校園環(huán)境融為一體，成為校內(nèi)重要的景觀建筑之一。

圖7 1－1 剖面圖

圖8 南立面圖

圖9 雪山書苑建造過程

4 結(jié)語

在人們?nèi)找骊P(guān)注生態(tài)環(huán)保的今天，木構(gòu)建筑所具有的優(yōu)勢逐漸凸顯;諸多實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)證明，木材在可持續(xù)性、自然性、環(huán)保性以及人文精神等方面均具有超越各種人工建材的優(yōu)勢。在我國，木結(jié)構(gòu)房屋是傳統(tǒng)建筑的精華，也是傳統(tǒng)文化的載體之一;使用木材建造不但體現(xiàn)了古人天人合一、與自然共生的自然觀與哲學(xué)思想，還折射出他們對自然的尊重。

雖然目前木材工業(yè)和木構(gòu)技術(shù)在我國剛剛起步，但木構(gòu)建筑的發(fā)展是當(dāng)前趨勢，必將受到越來越多的關(guān)注與青睞，并在建筑市場中占有一席之地。當(dāng)前，面對森林、土地資源匱乏，消費(fèi)水平低等現(xiàn)狀，探索適合我國國情的現(xiàn)代木建筑發(fā)展之路至關(guān)重要。為推動現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在我國的快速發(fā)展，我們需要進(jìn)一步推進(jìn)木建筑教育、改變傳統(tǒng)觀念并完善木建筑規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，相信綠色、環(huán)保的木構(gòu)建筑必將迎來廣闊的發(fā)展前景。

［1］美紙.回歸與重塑:木結(jié)構(gòu)建筑［J］.中國林業(yè)，2001(5):30－31.

［2］劉雁，張建新，周寶國，等.現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑及其在中國的發(fā)展前景初探［J］.江蘇建筑，2005，101(3):5－8.

［3］李順龍.森林碳匯問題研究［M］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，2006:78－85.

［4］清華大學(xué)國際工程項(xiàng)目管理研究院建筑環(huán)境與設(shè)備研究所.中國木結(jié)構(gòu)建筑與其它結(jié)構(gòu)建筑能耗和環(huán)境影響比較［EB/OL］.［2011－05－01］http://ishare.iask.sina.com.cn/f/7167511.html.

［5］HAGAN S.Taking shape a new contract between architecture and nature［M］.Oxford:Architectural Press，2001.79.

［6］李堅.木材的生態(tài)學(xué)屬性:木材是綠色環(huán)境人體健康的貢獻(xiàn)者［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，38(5):2－8.

［7］PALLASMAA J.The language of wood:Wood in finnish sculpture，design and architecture［R］.Helsinki:Museum of Finnish Architecture，1987，22.

［8］劉甦，亓育岱，趙學(xué)義，等.因地、因需、因時的設(shè)計:山東建筑工程學(xué)院圖書館方案設(shè)計有感［J］.山東建筑工程學(xué)院學(xué)報，2000，15(3):22－27.