模塊化設計
——小尺度木結構建筑入門教案研究

舒欣/SHU Xin

0 引言

作為新興的結構體系，以北美、歐洲和日本為代表的現(xiàn)代木結構體系在過去20 年間取得了飛速的發(fā)展，在小尺度、高層與大跨度建筑中均得到廣泛運用。歐洲的瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學建筑學院、德國斯圖加特大學建筑學院、英國AA 建筑聯(lián)盟學院等均設置了木結構建筑的教學課程[1]；日本擁有世界一流的木結構建筑技術，強調(diào)木結構實踐課程教學，其中東京大學和京都大學甚至將木結構課程納入日本一級建筑士的考試科目。北美的加拿大一直將木結構作為主要的建筑結構體系，在木結構建筑相關高等教育方面也處于世界領先水平。加拿大英屬哥倫比亞大學在林學院環(huán)境資源科學系設置了木質(zhì)構造科學專業(yè)，課程涵蓋了木結構構筑物、木結構住宅和木質(zhì)家具等相關的各項內(nèi)容，并涉及到抗震構造、室內(nèi)熱濕環(huán)境的性能分析，以及木質(zhì)材料的物理性質(zhì)和新材料開發(fā)等工程技術手段的傳授，培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的木結構工程技術人員。

與此同時，國內(nèi)的現(xiàn)代木結構設計和研究方興未艾，為了提升大學生對現(xiàn)代木結構建筑的認知和創(chuàng)作能力，各高校也逐步開展木結構建筑設計教學。南京林業(yè)大學于2007 年設立全國第一個木結構建筑工程本科專業(yè)，北京林業(yè)大學、西南林業(yè)大學等林業(yè)學院也隨后成立了相關專業(yè)，并主要承擔了我國木結構建筑技術人才的培養(yǎng)任務。同時，哈爾濱工業(yè)大學、同濟大學、東南大學和上海交通大學等一些設有建筑學專業(yè)的高校也相繼開設了相關課程，然而木結構課程一般設置為選修課，大約20個課時左右，通過學習，學生僅能了解木結構的一些基本概念和知識，而不能深入掌握木結構設計和分析計算方法，導致學生在木結構方面的整體設計與實踐能力薄弱。這與我國逐步推進木結構建筑發(fā)展的社會需求存在一定脫節(jié)。木結構建筑設計教學需要融合功能、結構、形式和節(jié)點等諸多元素，從而實現(xiàn)建構技法和美學表達的平衡。

1 木結構建筑教案的設定

1.1 教學對象定位與教學內(nèi)容分析

木結構建筑學科作為建筑學的分支，應當注重綜合性的知識培養(yǎng)，既需深厚的人文藝術底蘊，又應具備扎實的工程技術知識。不同于國內(nèi)多所院校將木結構作為通識課程設置在二三年級的做法，南京工業(yè)大學建筑學專業(yè)將木結構建筑設計課程安排在建筑系大四上半學期開設。大四學生對建筑結構、建筑構造、建筑材料等技術主干知識，以及建筑美學、環(huán)境行為學和景觀生態(tài)學等相關學科知識都具有較為完備的認知基礎，但要將這些知識融會貫通地運用于木結構建筑設計中，仍需進行系統(tǒng)的課程建構。

自2015 年以來，經(jīng)過與加拿大英屬哥倫比亞大學林學院的持續(xù)性交流學習，建筑系開始引入木結構設計相關教學體系。教學體系圍繞木結構理論和木結構建筑設計兩個模塊展開。其中，銜接設計課程的理論教學課程分為木結構材料、木結構構件、木結構連接、梁柱式木結構設計、膠合木框架結構設計、膠合木空間結構設計、輕型木框架結構設計、施工工法及構造、木結構防護等9 個教學板塊，從而形成完整的知識結構體系，引導學生設計思維的擴展與延伸（表1）。在授課過程中注重不同專業(yè)的多元化交叉教學，建筑系教師負責木結構建筑設計方面的教學，而涉及木材性能則由木材加工專業(yè)背景的教師授課，多學科的融合取得了良好的教學效果（圖1）。

表1 木結構建筑理論教案課程安排

1 木結構理論課程中木結構構件加工與性能測試的實操教學

結合木結構建筑特點，設計教學課程設置了包含概念生成、方案設計、材料選擇、結構設計和性能分析的整合教學體系，教師對整個設計過程進行全程指導。同時，結合每年舉辦全國木結構設計邀請賽進行課題設置，以賽代練，激發(fā)學生的創(chuàng)造靈感和創(chuàng)新精神，提升專業(yè)技能，并與其他高校共同搭建良好的木結構建筑設計學習和互動平臺。

1.2 從大尺度到小尺度的轉(zhuǎn)變

現(xiàn)代木結構是由各種工程木材料裝配建造形成的一種新型木結構體系。在材料層面，其采用的層板膠合木（Glulam）、正交膠合木（CLT）和釘接膠合木（NLT）等復合材料具有自重輕、強度大的特點，集成了工業(yè)創(chuàng)新的智慧[2]，其全過程的工廠預制性彰顯了裝配式建造的多項優(yōu)點，具備廣泛的適應性?，F(xiàn)代木結構體系對“大尺度”建筑可謂情有獨鐘。作為鋼材和混凝土的有效替代結構，現(xiàn)代木結構不斷拓展其應用邊界，屢屢以裝配式木結構空間形式出現(xiàn)在游泳館、滑雪場、會展建筑等大跨度建筑中[3]。在這些建筑中，木結構設計更偏向于木材特性的優(yōu)化和結構體系的選配，建筑設計介入其中的深度和發(fā)揮的空間存在一定的局限性。

因此，結合建筑教學特點，設計課程進行了相應的教學改革，從大尺度建筑轉(zhuǎn)向小尺度建筑，從復雜結構體系的設定轉(zhuǎn)為系統(tǒng)設計方法的置入，同時明確了以模塊化設計為主線的教學方法。設計教案設定3 種建筑類型——智慧書屋、度假小屋和公交站亭，建筑場地兼顧城市和景區(qū)，面積控制為100m2以內(nèi)，學生需運用模塊化設計手法將建筑形態(tài)和空間有機結合，同時兼具結構的合理性與可靠性，通過突出木材料、木結構和木構造技術等木建筑特征表達建筑的文化感、自然感及生態(tài)性（圖2）。在這種條件下，建筑功能和環(huán)境的差異賦予了木結構設計多種可能性。

2 通過實體模型推敲小尺度木結構建筑的模塊化設計（1.2攝影：舒欣）

作為木結構建筑的入門教案，它回應了結構設計與建筑設計相結合的問題，并置入于小尺度建筑中，學生須以建筑師的視角通過貫穿始終的模塊化設計操作不斷優(yōu)化建筑結構、空間、造型、表皮和節(jié)點表達[4]。小尺度設計能夠突顯建筑與結構要素的關系，引導學生關注空間、表皮、結構等本體元素的操作[5]，培養(yǎng)綜合解決設計問題的能力（表2）。同時以小見大，利用小尺度建筑的全要素訓練理解大尺度木結構建筑設計[6]。

表2 小尺度木結構建筑設計教案內(nèi)容

2 以模塊化設計介入的小尺度木結構建筑教學

模塊化設計需要將建筑劃分為不同的模塊單元，通過模塊構件之間的組合連接形成建筑整體[7]?，F(xiàn)代木結構建筑是以裝配式體系為基礎的，模塊化設計能夠?qū)崿F(xiàn)木材資源的有效利用。在此課程中，模塊化設計的介入不僅意味著裝配式建筑基本要素的設定，同時還要以建筑設計構思為出發(fā)點發(fā)展設計[8]。這對學生綜合解決設計問題的能力而言，是一個新的要求和挑戰(zhàn)（圖3）。木結構建筑的模塊化設計主要可以從結構模塊化、表皮模塊化和空間模塊化3 個層面展開。

3 木結構建筑教學中的模塊化設計練習（繪制：袁亦）

2.1 從建筑美學出發(fā)——結構模塊化設計

結構作為木結構建筑的關鍵要素，是其藝術化表達的物質(zhì)體現(xiàn)。木結構體系一方面為空間塑造提供了載體和力學支撐，也對建筑形式產(chǎn)生了約束作用[9]。從建筑美學出發(fā)，結構模塊通過疊加組合能夠創(chuàng)造完整的建筑造型，并借此實現(xiàn)室內(nèi)空間、光影效果和功能塑造，從而引發(fā)生動的建筑體驗[10]。

該木結構智慧書屋選址于北京朝陽公園，其公共性的要求使設計聚焦于建筑形式美學的創(chuàng)造，試圖用極簡的幾何形態(tài)展現(xiàn)書屋高雅的文化氣息。經(jīng)典的三角形構圖被選做原型，以充分展現(xiàn)木結構建筑的結構與材料之美。作為形態(tài)本體的三角形結構體系在保證自身穩(wěn)定性的前提下，能夠打破以往規(guī)整建筑的統(tǒng)一感，給人帶來精致典雅的感受（圖4）。

4 三角形結構體系組成的木結構書屋（繪制：柏君來）

在結構設計中，建筑選用預制正交膠合木（CLT）作為獨立的承重構件，將相互對稱的CLT折板搭接形成三鉸拱結構模塊單元，通過12 榀相同模塊單元的組合成為建筑整體；同時考慮到預制裝配的便捷性，在地基鋪設完成的基礎上，只需將CLT 模塊插入柱腳預埋金屬件即可完成模塊單元的組建，并在保證自身穩(wěn)定的情況下進行下一榀的搭建（圖5）。木結構模塊組成了建筑的結構體系，與之相連的磨砂玻璃則賦予了室內(nèi)空間曼妙的光影體驗，散發(fā)出無窮的藝術魅力。

5 木結構書屋的結構模塊分解與裝配（繪制：柏君來）

公交站亭設計則選址于風景秀麗的UBC 校園內(nèi)，需要包含涼亭、等候室和衛(wèi)生間等功能空間。設計的愿景是提供能夠捕捉周圍景色的休息空間，并以簡潔的結構形式表達出公交站亭伸展而流動的形態(tài)。同學們從V 型柱這一原型出發(fā)，通過連續(xù)的排列組合形成空間網(wǎng)架結構，擬態(tài)出極具動勢的流動空間。V 型木構架在塑造極簡的室內(nèi)空間的同時，也巧妙地限定了周圍的環(huán)境，實現(xiàn)了框景效果（圖6）。

6 以V型柱為原型的木結構空間網(wǎng)架結構公交站亭

在節(jié)點設計上，所有V 型柱結構體系的木柱斷面為矩形，與主梁相連接。木梁柱構件之間的連接節(jié)點均采用內(nèi)插T 型鋼板并用螺栓與銷釘固定，這種連接方式能夠避免構件連接節(jié)點的工業(yè)感，從而保證木結構整體形式的抽象感。同時利用過渡鐵件連接混凝土基礎墩柱和木柱，以實現(xiàn)對柱腳節(jié)點的有效防護（圖7）。

7 公交站亭木結構體系與節(jié)點設計（6.7繪制：吳長榮，邵逸凡）

2.2 從氣候條件出發(fā)——表皮模塊化設計

除了形式與空間，表皮無疑是學生最為熟悉的建筑元素[11]。作為自然界與室內(nèi)之間的物質(zhì)界面，建筑通過表皮塑造內(nèi)部空間，過濾外部氣候環(huán)境。事實上，表皮的氣候適應性設計與模塊化設計相輔相成：氣候條件為表皮模塊的設計和組合提供了邏輯與依據(jù)，表皮模塊的設計和組合又為應對氣候環(huán)境提供了物質(zhì)基礎與技術支撐[12]。

度假木屋位于黑龍江大興安嶺地區(qū)的原始森林景區(qū)，嚴寒的氣候與施工裝配化需求一方面成為制約設計的主要問題，同時也為設計概念提供了創(chuàng)意來源。設計將切入點定位于建筑表皮，運用解構與重組賦予木材適宜環(huán)境的建構意義[13]，集中解決木結構建筑的裝配性與保溫性問題。同學們創(chuàng)造性地將傳統(tǒng)井干式住宅的承重方式與現(xiàn)代輕型木結構的墻體構造手法相結合，設計出集承重、保溫、防火及飾面等多種功能于一體的復合型木結構表皮模塊。作為承重結構，墻體模塊采用規(guī)格材，內(nèi)填EPS 保溫層，外覆飾面板，并結合鋼材墻骨柱增加結構穩(wěn)定性；屋頂模塊則以CLT 屋架作為支撐結構，其間鋪設屋面板、石膏板和保溫層形成整體屋面（圖8）。

8 木結構度假木屋表皮模塊與構造

依照規(guī)格材性能與人居適宜尺度，墻體設定了從220mm～5400mm 不同尺度的10 種基本模塊，及30°和45°兩種坡度的屋頂模塊。模塊設計充分考慮木結構的裝配性與靈活性，可根據(jù)不同需求進行設計和拼裝以縮短建筑搭建時間與成本。設計同時提供了3 種表皮模塊組合形式的可能性，包括單坡式木屋、雙坡式木屋和單坡變式木屋，多種模塊的設置能夠靈活適應不同的建筑造型需求，豐富建筑類型（圖9）。

9 木結構度假木屋表皮模塊類型及組合方式（8.9繪制：程惠南）

智慧書屋則以一種架空的姿態(tài)附著在場地上，留出了足夠的休憩與娛樂空間。通過抬高，可以提供各種空間配置、多種功能及活動。室內(nèi)木構架完全暴露，暖色調(diào)產(chǎn)生的膨脹感加強了建筑的庇護性，這是一種適合閱讀、休憩的良好空間氛圍（圖10）。整棟書屋皆由木構組成，展示了木質(zhì)產(chǎn)品的多功能性，是對木結構建筑可能性的探索。

10 全木構體系組成的智慧書屋

書屋是圍繞被動式氣候設計開發(fā)的，為了滿足北京的氣候需求，建筑中心設置采光井，夏季在引入光線的同時能夠促進煙囪效應帶走多余的熱量；建筑表皮采取木格網(wǎng)框架為外圍護支撐結構，其中填充木構砌塊實現(xiàn)冬季保溫。砌塊采用規(guī)格材，內(nèi)填玻璃鋼纖維棉保溫層，外覆飾面板，并結合木墻骨柱以增加結構穩(wěn)定性（圖11）。木制表皮既符合建筑熱工要求，也有呼應結構、技術的意義。

2.3 從功能需求出發(fā)——空間模塊化設計

現(xiàn)代木結構建筑創(chuàng)作超越了建筑形式的刻畫，專注于空間意境的營造[14]。以人本主義和功能需求為核心，空間建構整體呈現(xiàn)出簡樸凝練、抽象幾何化的特征。對于學生而言，“水平”和“垂直”空間模塊的有機結合成為探究木結構三維空間體系的有效手段。

該度假小屋設計聚焦于微空間模塊的組合方式研究，以少量的構件營造趣味空間，以簡潔的空間單體創(chuàng)造豐富的組合方式。為了應對單人、雙人以及三口之家的不同居住需求，將木屋劃分為4 種不同類型的模塊單元（圖12），每個模塊的平面軸線均為4m×4m，A、B 模塊屬于木屋首層，B、C 模板屬于木屋二層。首層以公共性的客廳、餐廳、衛(wèi)生間、儲藏、廚房、休息室等空間為主；二層則為臥室和觀景平臺等私密性空間，多種模塊的設置可以滿足一人及多人居住的需求。

12 木結構度假木屋的空間模塊單元（繪制：吳長榮，王安）

雙人木屋由AB 模塊水平組合而成，形式最簡單，但功能齊備，淋漓盡致地體現(xiàn)了裝配式理念；單人木屋，由A、C 模塊垂直疊加組成，屋頂閣樓尺度適合獨自睡眠休憩；三口之家單元，由A、B、C、D 模塊拼接而成，低層滿足日常需求，屋頂則一側可供休憩，另一側便于觀景或冥想。木屋單元之間可以進行連接與組合，通過附加院落或走道在森林中建成獨特的秩序感（圖13）。

13 木結構度假木屋的空間模塊單元組合方式（繪制：吳長榮，賀川）

公交站亭作為促進城市微生活的容器，包含了涼亭、等候室、閱覽室和衛(wèi)生間等復合功能空間。設計訴求源于適應性的空間體系營造，概念則取自蜂巢結構，試圖建構空間豐富、結構穩(wěn)定的木構系統(tǒng)。區(qū)別于傳統(tǒng)六邊形結構邊對邊的組合方式，采取點對點的重合交疊推導出單元體、2 聯(lián)體、3 聯(lián)體和4 聯(lián)體等豐富多樣的空間組合模式，其靈活性能夠有效應對公交站亭的各種功能需求（圖14）。

14 六邊形公交站亭的空間組合模式

公交站亭主體結構采用CLT 這種強度大、能夠自承重的木制產(chǎn)品，便于各種空間模塊的組合與安裝。在節(jié)點設計上，整個建筑均采用隱式連接，以保證木結構整體形式的純粹性與抽象性。CLT 墻板之間利用LVL 夾板實現(xiàn)無縫銜接，并用螺栓與銷釘固定；為了對柱腳節(jié)點進行有效防護，連接混凝土基礎墩柱和木柱之間的過渡鐵件則成為唯一暴露的金屬桿件（圖15）。

15 六邊形公交站亭的節(jié)點設計分析（14.15繪制：王安，丁文）

3 小尺度木結構建筑設計教學的評估與反思

3.1 回歸設計本源

小尺度木結構建筑設計課程教學強調(diào)對建筑設計理念的研究，扭轉(zhuǎn)了大尺度設計局限于木結構力學特征和自然屬性的設計邏輯。針對3 個不同的設計課題，教學過程中學生均能從建筑概念構思入手，并結合木結構技術特點，形成了兼具創(chuàng)意與完成度的設計成果。但小尺度建筑在功能和結構上應對的問題較為簡單，在訓練學生解決復雜設計問題的層面仍存在一定局限性，需要在后續(xù)教學中探索中大尺度結構體系與建筑構思結合的設計策略。

同時，木結構體系的選擇和構件設計如何與建筑的形式、表皮和空間相結合，一直是設計教學的難點[15]。為了探尋木結構與建筑設計相融合的設計模式，教案基于現(xiàn)代木結構建筑的裝配式特性，將模塊化設計方法介入設計全過程，所有設計方案均進行了模塊化木構件的深入設計，與后續(xù)的工廠生產(chǎn)、裝配形成有機聯(lián)系，強化了設計的落地性。

3.2 拓展教學內(nèi)容

在教學過程中，學生普遍對木結構工程技術掌握不夠扎實，然而木結構技術不僅是建筑構思得以實現(xiàn)的支撐要素，更是設計創(chuàng)作的靈感來源。應當進一步拓展理論教學內(nèi)容，還需要涵蓋木結構建筑規(guī)范、木結構工程學、建筑概預算、室內(nèi)裝飾技術等方面的課程；學生在進行木結構構件設計時，構件形式和尺寸與工廠預制裝配的要求并不完全契合。因此除了基礎的建筑繪圖和建模軟件外，還應適當增加MiTek、Cadwork、Softplan 等木結構建筑設計軟件的教學，以提升學生對木結構建筑深化設計的能力。

就現(xiàn)有課程計劃而言，教學環(huán)節(jié)是以相關理論課程、模型設計制作和建筑設計課程為主。由于學院試驗場地和設備的限制，難以展開系統(tǒng)的木結構建筑綜合實踐教學。因此，可以在后續(xù)的教學中拓展實踐教學內(nèi)容，依托學校近4000m2現(xiàn)代木結構研究中心作為實訓基地，使學生通過駐廠實習，能夠?qū)δ窘Y構的建筑設計、結構設計、耐久性設計、材料使用及施工維護的全過程形成整體的認知。

3.3 重構教學體系

在拓展教學內(nèi)容的基礎上，還應將教學體系進行重構。首先，理論教學模塊需進一步優(yōu)化，可分為教學和自學兩大模塊，在兩大模塊下，分設下一層級的專業(yè)模塊，包括二年級的基礎知識模塊，三年級的木結構與技術模塊，以及四年級的建筑表皮、木結構房屋、工程和木材建造、室內(nèi)裝修等多個模塊。通過更為系統(tǒng)的理論學習，掌握從木結構表皮、造型、室內(nèi)裝修，到木材構造、工藝、產(chǎn)品、節(jié)點及其具體實現(xiàn)方式等方面的綜合知識。

設計教學模塊也需優(yōu)化為工程實地調(diào)研、模型設計制作、設計專題講座與設計綜合實踐等4 個模塊。其中，國內(nèi)優(yōu)秀木結構建筑案例的實地調(diào)研能夠開拓學生的眼界；依托現(xiàn)代木結構研究中心，學生能夠制作等比例足尺模型大樣進行教學研究；開展木結構建筑專題講座，邀請業(yè)內(nèi)知名專家指導學生設計課程；同時在教學過程中進一步引入合適的實際工程案例，提供學生綜合運用木結構技能進行設計實踐的機會，從而全方位地提升學生的設計實踐能力。

4 結語

作為木結構建筑的入門教案，模塊化設計教學本身已經(jīng)暗示了某種雙重性的內(nèi)涵：它既是一種基于預制裝配的設計方法，也為建筑構思提供了可操作性。在此設定下，將設計置入小尺度木結構建筑體系中，引導學生回歸建筑設計的本源，學習模塊化設計操作方法，通過理論教學與設計教學的有機結合建立起建筑構思與結構設計之間的關聯(lián)，由此步入木結構建筑設計之門徑?！?/p>