木塑復合材料在現(xiàn)代斗拱中的應(yīng)用初探

■劉 毅 陳紹禹 郭洪武 高建民

(北京林業(yè)大學材料科學與技術(shù)學院，北京 100083)

斗拱是我國傳統(tǒng)木構(gòu)架建筑中特有的一種構(gòu)件，至今已有兩千多年的歷史，被認為是中華古典建筑精神和文化氣質(zhì)的代表符號，也是傳統(tǒng)建筑重要的結(jié)構(gòu)部件和古代區(qū)別建筑物等級的重要標志[1-2]。隨著時代的發(fā)展變遷，建筑技術(shù)的不斷進步，斗拱這種建筑形式的主要作用已由立柱與橫梁之間的支承結(jié)構(gòu)、加強整體框架的穩(wěn)定性，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N極具民族傳統(tǒng)文化特色的裝飾元素[3]。斗拱作為一種傳統(tǒng)建筑元素應(yīng)用在現(xiàn)代建筑中，不僅可以繼承和發(fā)揚我國傳統(tǒng)建筑文化、豐富建筑裝飾形式，若可將新式斗拱與現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)、技術(shù)相結(jié)合，使之成為建筑結(jié)構(gòu)的有機組成部分，則更能契合我國傳統(tǒng)建筑“結(jié)構(gòu)裝飾美”的核心思想，充分體現(xiàn)建筑受力構(gòu)件與裝飾藝術(shù)的完美結(jié)合。

近年來，在民族意識不斷抬升的背景下，斗拱作為我國傳統(tǒng)建筑的典型符號，備受人們親睞，在各地的仿古建筑、公園廣場（圖1）、公共建筑（圖2）、商業(yè)（圖3）、寺廟、雕塑等現(xiàn)代建筑裝飾中得到了大量體現(xiàn)和運用，其中具有代表性的如上海世博會中的中國館（圖4）。

1 斗拱的現(xiàn)代化改造

傳統(tǒng)建筑斗拱（圖5）采用木作營造，結(jié)構(gòu)層次多，裝飾效果精致繁復、絢麗奪目，但木材消耗高、裝配精度要求嚴格[4]，若人工制作更是耗時巨大，且木材易腐朽蟲蛀，后期維護成本高。為了繼承和發(fā)展傳統(tǒng)斗拱形式，根據(jù)新材料、新工藝以及新設(shè)計思路的發(fā)展情況，人們對斗拱進行了一些現(xiàn)代簡化和改造的嘗試。例如，中國專利CN22063 1 4公開了一種“砼構(gòu)件裝配式斗拱組合”，其斗拱組合件均采用混凝土制作，與傳統(tǒng)木構(gòu)件相比，具有堅固耐久，建造施工簡便，工程造價低等優(yōu)點，且能同混凝土建筑結(jié)構(gòu)很好結(jié)合；中國專利CN2561850Y公開了一種“金屬斗拱”，將金屬薄板制成中空狀構(gòu)件，可進行表面裝飾，具有自身輕、制造安裝方便，建筑造價低的特點；中國專利CN2561850公開了一種“金屬斗拱”，中國專利CN201 924508U公開了一種“金屬斗拱中的斗”，兩項專利分別將斗拱的拱身和斗體設(shè)計為中空敞口形式，使自重大為減輕，具有自身輕、安裝簡便、成本低的特點；中國專利CN2021 70590U公開了一種“金屬斗拱”，采用中空斗體，在內(nèi)部填充鋁蜂窩芯，使得在減輕重量的同時大幅度地增加了自身強度。

但是，已有的斗拱制作工藝要么完全沿用傳統(tǒng)木作法式，使用實木制造，應(yīng)用于仿古建筑設(shè)計；要么采用金屬板、混凝土等現(xiàn)代建筑工業(yè)材料進行創(chuàng)作。以上兩種斗拱的制作方式中，傳統(tǒng)實木工藝制作，雖能真實保留傳統(tǒng)斗拱形式，但缺乏時代感，造價高，工藝要求嚴格，其使用材料也不符合低碳節(jié)約、經(jīng)濟耐用的現(xiàn)代使用要求，只適合應(yīng)用于中小型仿古建筑的建造與修繕。而混凝土、金屬制作的新式斗拱，雖用材、工藝和裝飾形式上都體現(xiàn)出了較強的創(chuàng)新性和時代性，但其性能存在不足之處，應(yīng)用具有局限：砼斗拱構(gòu)件自重大、加工精度粗糙，尺寸具有誤差，對建筑結(jié)構(gòu)有較大負荷，只適用于混凝土框架結(jié)構(gòu)，且裝飾效果不盡理想；薄壁金屬板斗拱雖自身質(zhì)量和強度具有較大的適應(yīng)性，可廣泛適用于大中小型鋼結(jié)構(gòu)、混凝土建筑，但金屬耐火性能差，尺寸變形明顯，且材料質(zhì)感也明顯不同于傳統(tǒng)木質(zhì)材料。

2 木塑復合材料及其加工特性

木塑復合材料是指利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等塑料粒子代替通常的樹脂膠黏劑，與50%以上（質(zhì)量比）的鋸末、木粉、秸稈等生物質(zhì)纖維通過熔融混煉[5]、加工而成新型復合材料。主要加工方式同塑性材料相似，有擠壓、模壓、注射成型等，可用于生產(chǎn)板材、管材、型材等材料。木塑復合材料具有原材料來源廣泛、節(jié)約資源、材料機械性能優(yōu)良、加工性能好、強重比高、著色性良好、耐水耐腐耐磨、可回收利用、改性容易、視覺更自然等優(yōu)點。目前，已在建材、家具、物流包裝等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6]。

■圖1 西安開元廣場■圖2 高鐵南京南站■圖3 某酒店大堂■圖4 上海世博會中國館■圖5 故宮太和殿■圖6 木塑復合材料■圖7 帶中心柱木塑斗拱主視圖■圖8 帶中心柱木塑斗拱側(cè)視圖■圖9 木塑斗拱緊固連接局部圖■圖10 木塑斗拱端面局部圖■圖11 裝飾性斗拱主視圖

擠出成型工藝是一種效率高、成本低的現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)，是一種將物料通過擠出機螺桿旋轉(zhuǎn)推動前進，經(jīng)混煉、加熱、塑化、加壓后，以流動態(tài)連續(xù)通過機頭模具成型制成各種截面產(chǎn)品或半成品的方法，主要應(yīng)用于熱塑性塑料和橡膠的加工，可用于制造各種連續(xù)性等截面制品如管材、型材、板材、薄膜、密封條等（圖6）。

3 利用木塑復合材料設(shè)計制造斗拱的探討

筆者設(shè)計了一種利用木塑復合材料制造的新式斗拱，設(shè)計主要出發(fā)點為制作簡單、安裝方便，適應(yīng)性較強。斗拱可拆分為若干組合部件，采用木塑復合材料擠出工藝在工廠一次成型生產(chǎn)，具有系列規(guī)格，現(xiàn)場施工時，只需根據(jù)工程設(shè)計圖紙和實際情況，進行切割、鉆孔與組裝即可，該種斗拱生產(chǎn)效率高，裝飾效果好。

該木塑斗拱（圖7-11）由斗口、中空封口木塑拱構(gòu)件以及緊固連接件、中心柱構(gòu)成。斗拱主體拱構(gòu)件由多層木塑拱通過層疊差錯組合而成，相同層構(gòu)件相互平行設(shè)置，相鄰兩層之間彼此垂直設(shè)置，拱構(gòu)件的層數(shù)和尺寸由實際尺度需要而定。每一木塑拱構(gòu)件由木塑中空管方材和兩端的封口蓋板兩部分組成，其中中空管方材可以通過調(diào)節(jié)擠出機頭模具的樣式在內(nèi)部增設(shè)加強筋，以增強材料的力學性能，適應(yīng)大尺寸、較大載荷的斗拱形式；蓋板為擠出的木塑板材根據(jù)尺寸要求經(jīng)裁剪而成，再通過環(huán)氧樹脂等耐候性強的膠黏劑粘接在管方材兩端，形成封口，以防止灰塵、雜物、雨水及鳥類進入管方材，同時美化造型（圖10）。斗口是將四塊矩形木塑板材包覆于立柱端頭，以起到連接立柱與斗拱結(jié)構(gòu)的裝飾作用。在拱構(gòu)件裝配方面，各層拱構(gòu)件之間可采用膠黏劑粘合、圓棒榫緊固連接等形式，采用圓棒榫連接時，鉆孔后，先在孔內(nèi)固定配套預埋件，為圓棒榫連接提供轉(zhuǎn)接單元，之后上下兩孔相對，便可用圓棒榫將其緊密相連，為保證強度，每個連接點采用兩個圓棒榫連接（圖9）。

該木塑斗拱具有較為廣泛的適應(yīng)性，既可應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土立柱鋼木屋頂?shù)榷喾N小型建筑形式，也可將其作為裝飾要素附著與大型混凝土框架結(jié)構(gòu)立柱。當此木塑斗拱應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等小型建筑時，其可通過在斗拱之中加設(shè)中心柱的形式承接一定載荷。中心柱起主要承重作用，木塑拱構(gòu)件主要起裝飾作用，僅承擔少量載荷，中心柱為實心鋼柱，貫穿于整個斗拱拱構(gòu)件之間，上下兩端以焊接、預埋件、螺栓等形式分別與建筑立柱與屋頂相結(jié)合。此時，該木塑斗拱不僅可以起到良好的裝飾作用，產(chǎn)生文化、美學價值，更將斗拱與建筑結(jié)構(gòu)進行了結(jié)合，契合了傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)美的思想（圖7）。而當此木塑斗拱應(yīng)用于大型混凝土框架建筑，其自身無法承擔載荷，則不使用中心柱，僅通過切割，將此斗拱貼合在原結(jié)構(gòu)立柱表面，起到立柱與屋頂間的過度裝飾作用，同樣具有其文化、裝飾價值（圖1 1）。此外，木塑復合材料具有更加接近自然材料的紋理及視覺質(zhì)感，并可以方便染色、設(shè)計多樣化的板材表面紋路，具有更加獨特和豐富的裝飾效果。

本設(shè)計提供了一種制作、結(jié)構(gòu)簡單的木塑復合材料斗拱，其優(yōu)點在于采用擠出成型工藝，批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低；木塑材料機械性能好，耐候性高，強重比高，低碳節(jié)能。該斗拱形式獨特新穎，加工安裝簡便，適用性強，在保留傳統(tǒng)民族建筑風格的同時，兼具創(chuàng)新性，豐富了新式斗拱的樣式，促進了斗拱在現(xiàn)代建筑上的應(yīng)用。

[1]馮強.斗拱結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代文明中的符號化進程[J].天津城市建設(shè)學院學報,2011,17(2):82-85.

[2]張玉金.古建筑斗拱特征探析[J].家具與室內(nèi)裝飾,2007(08):28-29.

[3]潘谷西著.中國建筑史[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[4]潘德華著.斗拱[M].南京:東南大學出版社,2004.

[5]牛笑一.木塑復合材料及其發(fā)展. [J]家具與室內(nèi)裝飾,2011(01):88-89.

[6]王清文,王偉宏,等編著.木塑復合材料與制品[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.