基于秸稈材料的建筑空間建構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究★

成 果

(南京藝術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210013)

1 材料實(shí)驗(yàn)的緣起

秸稈(Straw)，是農(nóng)作物成熟脫粒剩下的莖，又稱農(nóng)作物纖維。秸稈分兩類：糧食作物秸稈(麥秸、稻秸、玉米秸稈和高粱秸稈等)與經(jīng)濟(jì)作物秸稈(棉桿、甘蔗桿、麻桿、蘆葦桿、豆秸等)[2]。秸稈在收割時(shí)節(jié)通常以焚燒處理，這引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。為了減少秸稈焚燒，多個(gè)領(lǐng)域?qū)Υ碎_(kāi)展了研究。

秸稈很早就應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，國(guó)外草磚建筑使秸稈建材進(jìn)入人們的視野。相較于國(guó)外，目前國(guó)內(nèi)對(duì)秸稈的認(rèn)知度不高。在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的低碳時(shí)代，農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈依靠現(xiàn)代加工技術(shù)可形成新型的生態(tài)建材，不僅可以替代部分木質(zhì)板材，節(jié)約林業(yè)資源；還能憑借出色的保溫隔熱性減少建筑能耗，具有良好的生態(tài)價(jià)值?，F(xiàn)有秸稈材料主要有草磚和秸稈人造板(見(jiàn)圖1)，人造板以O(shè)SSB定向結(jié)構(gòu)麥秸板和壓縮稻秸纖維板為代表。鑒于材料當(dāng)前的應(yīng)用問(wèn)題，研究嘗試采用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方式，探索秸稈材料和秸稈建筑的發(fā)展方向。

2 建構(gòu)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)基于秸稈材料，目標(biāo)是探索材料的表達(dá)潛力和尋求秸稈建筑的發(fā)展方向。建構(gòu)實(shí)驗(yàn)將開(kāi)展兩個(gè)概念化建筑設(shè)計(jì)，主題由小到大，從設(shè)計(jì)角度探討秸稈材料的性能、表現(xiàn)和建筑應(yīng)用的策略。

2.2 實(shí)驗(yàn)的方法

實(shí)驗(yàn)以建構(gòu)理論為指導(dǎo)，美國(guó)建筑理論家肯尼斯·弗蘭姆普敦在《建構(gòu)文化研究》一書(shū)中對(duì)建構(gòu)解釋為“詩(shī)意地建造”。建構(gòu)關(guān)注形成空間的物質(zhì)材料和建造技術(shù)。因此，本實(shí)驗(yàn)在掌握秸稈材料性能的基礎(chǔ)上，按照材料→設(shè)計(jì)→建造的過(guò)程逐步推演，重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計(jì)與技術(shù)問(wèn)題，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)秸稈建筑“詩(shī)意地建造”。

3 材料實(shí)驗(yàn)的課題與主題

材料實(shí)驗(yàn)設(shè)定秸稈單元屋與青年公寓兩個(gè)主題，兩者具有相關(guān)性，前者是后者的基礎(chǔ)。首先探討秸稈材料如何應(yīng)用于現(xiàn)代微型建筑，而后結(jié)合更多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，探討秸稈材料如何與現(xiàn)代建造技術(shù)結(jié)合，形成大尺度、優(yōu)質(zhì)的生活空間，滿足多元化的使用需求。

3.1 實(shí)驗(yàn)一：秸稈單元屋構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)以微型盒體建筑為研究對(duì)象，視其為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的模塊單元。實(shí)驗(yàn)設(shè)定單元屋尺度為3 m×3 m×3 m，功能開(kāi)放且有獨(dú)立的支撐體系。基于OSSB板和草磚兩種材料，使用輕鋼結(jié)構(gòu)、梁柱木結(jié)構(gòu)和平臺(tái)式木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)方案，前兩種屬于框架結(jié)構(gòu)，后者為承重墻結(jié)構(gòu)。以上三種都具備高度工業(yè)化、建造便捷和輕質(zhì)的特點(diǎn)。秸稈屋以草磚或壓縮稻秸纖維板作為填充材，以O(shè)SSB板作為覆面材。其中，在平臺(tái)式木結(jié)構(gòu)中，秸稈人造板替代木材，還充當(dāng)單元體的結(jié)構(gòu)龍骨材料，密肋排布生成建筑的框架系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)材之間使用金屬連接片和螺紋圓釘連接。需要指出的是，由于實(shí)驗(yàn)一未給空間設(shè)定功能和場(chǎng)地，僅研究材料與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，因此秸稈屋各立面不受太多限制且形態(tài)自由(見(jiàn)圖2)。

3.2 實(shí)驗(yàn)二：青年公寓設(shè)計(jì)與建造

基于實(shí)驗(yàn)一的探索，實(shí)驗(yàn)二將融入更多現(xiàn)實(shí)考量，綜合場(chǎng)地、功能、建造等多個(gè)因素，以南京高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園青年公寓為虛擬設(shè)計(jì)的對(duì)象。之所以選擇住宅建筑類型來(lái)推廣秸稈材料，一是基于國(guó)內(nèi)青年人群嚴(yán)峻的住房問(wèn)題。集合住宅因其高容積率、經(jīng)濟(jì)性而備受青睞，是推廣秸稈材料的有效途徑。它不僅能夠消耗大量秸稈材料減少焚燒，還能提高材料在城市中的影響力。二是由于住宅與人關(guān)系密切，是人們感知材料的有效渠道。

場(chǎng)地環(huán)境分析：該青年公寓坐落于南京浦口區(qū)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)?；刂苓叾酁橐?guī)整的多層建筑，環(huán)境開(kāi)闊。基地本身對(duì)青年公寓限制較少，這給建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的自由度。

設(shè)計(jì)概念確立：本次青年公寓以集合住宅設(shè)計(jì)為參考標(biāo)準(zhǔn)，借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)典的集合住宅案例，如柯布西耶的馬賽公寓、黑川紀(jì)章的中銀艙體大樓。此外，標(biāo)準(zhǔn)化的集裝箱建筑也為設(shè)計(jì)提供了啟發(fā)。在分析與比較之后，本次實(shí)驗(yàn)確立了兩個(gè)設(shè)計(jì)概念：一是采用生態(tài)材料與技術(shù)，二是模塊化設(shè)計(jì)與建造體系。設(shè)計(jì)立足于現(xiàn)實(shí)，利用多樣化空間組合、工業(yè)化建造手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)緊湊并舒適的現(xiàn)代居住空間，滿足多種使用需求，成為根植于場(chǎng)地的生態(tài)建筑。從而使建筑具有良好的環(huán)境和社會(huì)價(jià)值，促進(jìn)秸稈材料在當(dāng)代的推廣。

秸稈材料的選用：本次青年公寓設(shè)計(jì)基于秸稈材料，主要以O(shè)SSB定向結(jié)構(gòu)麥秸板為飾面材料、壓縮稻秸纖維板和草磚作為填充材料。

空間形態(tài)的生成：設(shè)計(jì)采用模塊化手段，由多個(gè)獨(dú)立的居住單元模塊和附加構(gòu)件組成集合住宅系統(tǒng)。居住模塊以實(shí)驗(yàn)一中3 m×3 m×3 m的盒體秸稈物為最基本的構(gòu)形單元，進(jìn)行雙倍與四倍組合，生成四種小戶型。在每個(gè)戶型中嵌入預(yù)制的開(kāi)放式廚房和2.6 m2衛(wèi)生間，其余空間可靈活分隔。公寓平面為橫長(zhǎng)的折線形，以此獲得更多的光照。內(nèi)部空間采用“內(nèi)廊式”的線性組織方式，設(shè)置采光中庭和高側(cè)窗，并列排布居住單元體，四種戶型兩兩穿插。公寓中每層都設(shè)有公共空間，與樓梯、天橋共同構(gòu)成內(nèi)部集散區(qū)(見(jiàn)圖3)。

結(jié)構(gòu)形式的配置：居住單元為平臺(tái)式木結(jié)構(gòu)，以O(shè)SSB板為骨架。為了便于建造，統(tǒng)一設(shè)定了幾種帶洞口的立面形式。公寓整體采用鋼框架結(jié)構(gòu)，支撐居住單元體和建筑的頂面、樓板部分。

表皮覆層的圍透：?jiǎn)卧w和建筑表皮綜合采用深色鋁塑板、秸稈“條板”、塑料波紋板和玻璃四種形式，形成了從不透明到半透明的視覺(jué)層次。塑料波紋板和機(jī)器切割的秸稈條板可視為半透明表皮，用于居住單元體外覆層，滿足視線和光線的穿透。鋁塑板則用于整體建筑東西立面，包裹框架結(jié)構(gòu)內(nèi)填充的草磚。

構(gòu)造細(xì)部的處理：構(gòu)造是構(gòu)件間的連接，即節(jié)點(diǎn)細(xì)部。青年公寓由居住單元體組合而成，建筑構(gòu)造包括單元體自身、建筑整體以及單元體與整體之間的連接。單元體木骨架包括組合柱與組合梁，由2片～4片板材通過(guò)疊加和錯(cuò)位釘接而成。托梁以450 mm間距緊密排列，頂部、底部和轉(zhuǎn)角處采用80 mm斜釘連接。骨架內(nèi)填充壓縮稻秸纖維板起保溫隔熱的作用，外部覆蓋麥秸板基層，最外側(cè)表皮則采用塑料波紋板或秸稈條板。其中，以塑料波紋板為覆層的需要依靠Z形鋁條與麥秸板連接(見(jiàn)圖4)。

虛擬建造的流程：建造是本次建構(gòu)實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。青年公寓方案在實(shí)施建造的過(guò)程中，借鑒“模塊化預(yù)制組裝”的制造業(yè)生產(chǎn)方式，依次按部件、模塊、建造的程序，將各居住單元體作為獨(dú)立模塊首先制造。居住單元體的結(jié)構(gòu)可被拆分為多個(gè)部分，這些子模塊在工廠組裝，運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)后整體裝配。建筑鋼結(jié)構(gòu)直接在現(xiàn)場(chǎng)搭建，工廠內(nèi)僅完成草磚墻模塊和玻璃幕墻的制作?，F(xiàn)場(chǎng)施工中，由于單元和整體相互獨(dú)立，因此兩部分可以同時(shí)組裝。建造中的難點(diǎn)是居住單元與建筑整體鋼結(jié)構(gòu)的連接問(wèn)題。在解決這一問(wèn)題時(shí)，柯布西耶在馬賽公寓設(shè)計(jì)之初所提出的模擬“酒瓶架”的插入式構(gòu)想給本設(shè)計(jì)帶來(lái)了啟示(見(jiàn)圖5)。因此，青年公寓在建造過(guò)程中，參照馬賽公寓建造模式，采用懸吊機(jī)械和平滑裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)居住單元體插入框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)思。兩者連接處予以加固，并做密封處理，加強(qiáng)整體牢固性，從而形成完整的建筑(見(jiàn)圖6)。

4 材料實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析

本次建構(gòu)實(shí)驗(yàn)共分為兩個(gè)部分，實(shí)驗(yàn)一秸稈單元屋側(cè)重于研究秸稈材料與輕型結(jié)構(gòu)的組合；實(shí)驗(yàn)二青年公寓設(shè)計(jì)著眼于現(xiàn)實(shí)，更關(guān)注秸稈建筑設(shè)計(jì)的合理性與建設(shè)性。作為概念性設(shè)計(jì)方案，青年公寓設(shè)計(jì)突破了現(xiàn)有秸稈建筑的呈現(xiàn)方式，挖掘了秸稈材料作為表皮的表達(dá)潛力，探索了模塊化與裝配化建造模式運(yùn)用于秸稈建筑的可能性，提升了秸稈建筑空間的品質(zhì)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)共同推動(dòng)秸稈材料的推廣，促進(jìn)未來(lái)秸稈建筑的發(fā)展，改善秸稈焚燒的現(xiàn)狀?？梢灶A(yù)見(jiàn)，未來(lái)秸稈材料將擁有更豐富的表現(xiàn)形式，秸稈建筑更能融入到綠色建筑營(yíng)造體系，朝著量產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的方向不斷邁進(jìn)。

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