木結(jié)構(gòu)在人居環(huán)境中的建筑物理策略研究

赫 亮

(遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110032)

盡管科技合成復(fù)合材料飛速發(fā)展，但木材仍在人類的日常生產(chǎn)、生活中扮演著極為重要的角色，是建筑裝潢裝修和家具生產(chǎn)的主要材料。這歸因于木材特有的優(yōu)勢(shì)，即在木材構(gòu)成的空間內(nèi)具有調(diào)節(jié)室內(nèi)小環(huán)境及增加身心舒適度的功能。木材及其制品是經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)生活不可缺少的材料，木質(zhì)材料能為人類生活創(chuàng)造美好居住環(huán)境，而居住環(huán)境直接關(guān)系到人們生理、心理健康。宜居舒適的環(huán)境可以提高人們的工作和學(xué)習(xí)效率，提高生活質(zhì)量。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑物理環(huán)境(熱、光、聲等)與人體健康的關(guān)注日趨凸顯。較其他結(jié)構(gòu)建筑而言，木結(jié)構(gòu)建筑作為一種綠色環(huán)保建筑，具有顯著優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)建筑行業(yè)有廣闊的市場(chǎng)前景[1-2]。

1 建筑物理環(huán)境

建筑物理環(huán)境是通過人的感官反應(yīng)評(píng)價(jià)建筑當(dāng)中的聲、光、熱環(huán)境帶來的舒適度，目的在于優(yōu)化宜居環(huán)境、增強(qiáng)建筑質(zhì)量、改善人與自然和諧共生關(guān)系。

1.1 熱環(huán)境

我國(guó)溫帶大陸性氣候?qū)ㄖ岘h(huán)境影響極為明顯，舒適的熱環(huán)境已成為人們對(duì)高生活品質(zhì)的一種追求。建筑熱環(huán)境是研究室內(nèi)外熱環(huán)境以及建筑材料的物理化學(xué)熱性能，研究建筑熱環(huán)境可以支持綠色節(jié)能建筑、綠色家居環(huán)保理念的發(fā)展[3]。

1.2 光環(huán)境

光是生活環(huán)境中必不可少的組成部分，通過光獲取的信息量可達(dá)到87%以上。建筑光環(huán)境會(huì)影響人們的工作效率，因此對(duì)建筑光環(huán)境研究，可適當(dāng)提高勞動(dòng)效率。

1.3 聲環(huán)境

建筑聲環(huán)境是室內(nèi)外建筑質(zhì)量的重要組成部分，主要包括風(fēng)雨聲、動(dòng)物鳴叫聲等自然聲音，交通、工廠等機(jī)械聲音，休閑娛樂的各種樂器音響聲等。音樂聲會(huì)使得人們身心放松愉悅，提高工作效率；噪聲使人心情躁動(dòng)，降低勞動(dòng)效率，長(zhǎng)時(shí)間處于高分貝噪聲之下會(huì)使聽力衰退甚至喪失，因此研究建筑聲環(huán)境可加快我國(guó)建設(shè)生態(tài)宜居環(huán)境的腳步。

2 木結(jié)構(gòu)建筑物理優(yōu)勢(shì)

木材作為當(dāng)今四大材料(鋼材、水泥、木材和塑料)中唯一可再生、循環(huán)使用的生物材料，一直備受青睞，各種木制家具、工藝品都是裝飾裝修的必備品。綠色宜居理念的推廣，更吸引了人們對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)注。木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展歷史悠久，因其良好的使用體驗(yàn)受到了國(guó)內(nèi)外很多人的喜愛。中國(guó)古代就有使用木結(jié)構(gòu)建筑的歷史，近現(xiàn)代因木材資源的短缺，認(rèn)可度降低，但隨著生態(tài)環(huán)保意識(shí)的提高，人們重新接納了木結(jié)構(gòu)建筑，所以研究木結(jié)構(gòu)建筑的建筑設(shè)計(jì)理念、用材規(guī)范和建造工程技術(shù)尤為重要。

2.1 保溫隔熱性

相對(duì)于其他材料，木材的熱擴(kuò)散率低、傳播速度慢，熱量穿透材料的能力差[4-6]。木質(zhì)結(jié)構(gòu)住宅在夏季具有隔熱性，在冬季具有保溫性，木質(zhì)建筑墻壁的室內(nèi)溫度比絕熱墻壁建筑夏季低2.4 ℃，冬季高4.0 ℃，比鋼混建筑冬季高1 ℃[7]。所以使用木材作為裝飾材料的房間，可適當(dāng)?shù)馗纳其摶旖Y(jié)構(gòu)保溫隔熱性不足的問題，提高居室環(huán)境舒適性。

2.2 優(yōu)良的抗震性

現(xiàn)代定向爆破技術(shù)拆除違規(guī)建筑時(shí)，只需要將鋼混建筑的底部破壞，就可解體整棟建筑。這是因?yàn)殇摶旖ㄖ芰儆谥绷⑿停灰ㄖl(fā)生受力傾斜就會(huì)坍塌。而木結(jié)構(gòu)建筑受到?jīng)_擊力時(shí)可以減緩沖擊力，使得整體建筑紋絲不動(dòng)，即使受力發(fā)生傾斜也會(huì)因木材自身延展性確保木建筑完整無損，大地震中幸存下來絕大部分為木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋[8]。

中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑最有名的代表是山西大同懸空寺和朔州應(yīng)縣木塔。山西大同恒山懸空寺始建于北魏時(shí)期(公元491年)，距今已經(jīng)有1500多年的歷史，全寺背靠陡峭的絕壁，巧用巖石為托，梁柱寺廟以及棧道皆為木質(zhì)框架式結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷過多次戰(zhàn)爭(zhēng)、地震，仍巍然屹立。懸空寺木結(jié)構(gòu)建筑的抗震原因?yàn)榍捎瞄久Y(jié)構(gòu)，牢牢抓住整體結(jié)構(gòu)，即使木梁斷裂，也不會(huì)從石卯中脫落[9]。擁有高達(dá)65.84 m塔身的山西朔州應(yīng)縣木塔始建于北魏，重建于900多年前的宋朝，是中國(guó)現(xiàn)存最高最古的一座木結(jié)構(gòu)塔式建筑。應(yīng)縣木塔抗震的主要原因是其斗栱托檐分力消能、錐形向心力、等面積對(duì)稱柱、逐層遞減層高的木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了應(yīng)縣木塔結(jié)構(gòu)的向心穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性[9]。

2.3 環(huán)保性能

2.3.1 節(jié)能減排

與鋼混結(jié)構(gòu)建筑相比，木結(jié)構(gòu)建筑具有較好的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益，其溫室氣體釋放量低、建造能耗低、對(duì)建造地土壤的破壞性較小，基本上不會(huì)影響土壤的品質(zhì)，是一個(gè)具有節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)的建筑工程。趙勇[10]通過模擬軟件分析發(fā)現(xiàn)，在相同條件下木結(jié)構(gòu)住宅的舒適度優(yōu)于鋼混結(jié)構(gòu)建筑。木結(jié)構(gòu)墻體的冷熱耗散低于鋼混結(jié)構(gòu)，同溫度下，木結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)部溫度高，所以供暖時(shí)能耗消耗降低，節(jié)約能源、減少溫室氣體排放。

2.3.2 居室空氣質(zhì)量

木材本身向空氣中釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物，會(huì)影響室內(nèi)空氣質(zhì)量，而空氣質(zhì)量問題是目前建筑物理環(huán)境中的難點(diǎn)問題。因此對(duì)于木結(jié)構(gòu)的物理研究，必須研究其對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響機(jī)制。新建木結(jié)構(gòu)住宅釋放一些氣味化合物，產(chǎn)生的味道可以給人舒適感。絕大部分氣味化合物來源于木材內(nèi)部的可揮發(fā)性物質(zhì)的散發(fā)作用，有很多木材的揮發(fā)成分具有醫(yī)療功效，有的還可以防腐抑菌、凈化空氣。此外，有研究表明：木材釋放的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)濃度過高也會(huì)嚴(yán)重降低室內(nèi)空氣質(zhì)量，影響身心健康。我國(guó)木制品材料對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的研究較多，但對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑整體的空氣質(zhì)量研究則相對(duì)較少[11]。

2.4 防火性

國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑結(jié)構(gòu)防火性進(jìn)行了大量研究[12-17]，對(duì)比耐火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：木結(jié)構(gòu)建筑在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，主體框架結(jié)構(gòu)仍能牢固完整，為逃生滅火留有充足時(shí)間。蔣瞻等[18]發(fā)現(xiàn)葡萄牙軟木板保護(hù)下的木鋼混合結(jié)構(gòu)防火性能優(yōu)于木柱自身結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)件，且在火災(zāi)中不會(huì)產(chǎn)生高溫滴落物，可防止其對(duì)人身財(cái)產(chǎn)造成危害。

2.5 吸聲性

建筑及城市聲環(huán)境是健康建筑質(zhì)量的重要組成部分[19]，木結(jié)構(gòu)建筑對(duì)聲音的影響機(jī)理和主動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制值得深入研究，為健康的聲環(huán)境提供設(shè)計(jì)理論。

吸聲是聲波在撞擊到物體表面后一種能量損失現(xiàn)象，萬物皆有吸聲之力，只是吸聲的能力大小不同而已。一般材質(zhì)堅(jiān)硬、表面光滑、內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密的材料對(duì)聲波反射能力強(qiáng)、吸聲能力差，而表面粗糙、材質(zhì)松軟且具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔的材料對(duì)聲波反射能力弱、吸聲能力強(qiáng)。木材作為多孔吸聲材料受到了音樂藝術(shù)家的重視，在木結(jié)構(gòu)建筑的木材空氣層中填放多孔材料，會(huì)使木結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)增加。夏燦芳[20]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)穿孔板能夠吸收中低頻聲音，通過改變穿孔板的孔深、孔徑、孔面積可獲得不同頻率的吸聲效果。劉鵬輝等[21]通過對(duì)不同厚度的木材進(jìn)行聲波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在其他相同條件下，板材厚度增加，聲波在板材內(nèi)部作用時(shí)間延長(zhǎng)，損失的能量增加，吸聲性能隨之提高。木材含水率從平衡到接近或高于纖維飽和點(diǎn)，吸聲性能大幅度下降[22]。

3 展 望

木結(jié)構(gòu)建筑在國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)起步較晚，但發(fā)展?jié)摿薮?，未來木結(jié)構(gòu)發(fā)展應(yīng)側(cè)重以下幾方面。

3.1木結(jié)構(gòu)建筑物理研究涉及多學(xué)科交叉，需要通過跨領(lǐng)域多學(xué)科的合作研究協(xié)同攻關(guān)。培養(yǎng)一系列的關(guān)于木結(jié)構(gòu)建筑物理的研究人員，包含木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工、裝飾以及維護(hù)，每一環(huán)節(jié)都充分體現(xiàn)木結(jié)構(gòu)建筑的物理職責(zé)與能力。

3.2作為建筑物理的三大主要環(huán)境，室內(nèi)光環(huán)境、聲環(huán)境和熱環(huán)境的質(zhì)量問題就需要得到根本保證，因此應(yīng)制定和頒布木結(jié)構(gòu)建筑環(huán)境相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

3.3優(yōu)先鼓勵(lì)木結(jié)構(gòu)文旅項(xiàng)目，宣傳木結(jié)構(gòu)建筑獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)。