現(xiàn)代廉價(jià)易得“木”質(zhì)材料農(nóng)宅技術(shù)研究

徐洪澎 ， 吳瑩 ， 李一鳴 ， 吳健梅

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)試驗(yàn)室，哈爾濱 150006 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)地域建筑與現(xiàn)代木建筑研究所，哈爾濱 150006）

0 引言

我國傳統(tǒng)民居中，木構(gòu)建筑比例高達(dá)80%［1］，是鄉(xiāng)村居住文化的重要載體。當(dāng)前現(xiàn)代木構(gòu)建筑大量建造并實(shí)證了其在低碳、健康、裝配以及文化傳承等方面的顯著優(yōu)勢［2］。以“節(jié)材”、“易構(gòu)”等建構(gòu)方式為主的現(xiàn)代木構(gòu)建筑形式在國外已經(jīng)發(fā)展成熟，如北美地區(qū)“輕型木結(jié)構(gòu)體系”、日本“軸組工法”體系以及歐洲“輕型板式組裝”體系等。雖然我國學(xué)者祝恩淳、何敏娟等人的已經(jīng)對現(xiàn)代木構(gòu)技術(shù)理論進(jìn)行了深入研究，近年來海口游客中心（2019）、南京河西萬景園教堂（2015）等木結(jié)構(gòu)實(shí)踐案例逐漸增多［3］，但我國缺乏以“廉價(jià)易構(gòu)”為目標(biāo)的現(xiàn)代木構(gòu)體系，導(dǎo)致我國美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中亟須重構(gòu)主導(dǎo)地位的木構(gòu)建筑仍在“低調(diào)”發(fā)展。

為解決現(xiàn)代鄉(xiāng)村木構(gòu)建筑在成本控制、技術(shù)應(yīng)用、特色營造等方面與我國鄉(xiāng)村需求相脫節(jié)的現(xiàn)實(shí)問題文中聚焦我國鄉(xiāng)村三類廉價(jià)易得的木質(zhì)材料，以寒地農(nóng)宅為例分別提出適合三種材料的建筑技術(shù)方案，探討其技術(shù)可行性和適應(yīng)性，旨在促進(jìn)木構(gòu)建筑在我國美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中的傳承和發(fā)展。

1 秸稈為結(jié)構(gòu)主材的關(guān)鍵技術(shù)

秸稈在鄉(xiāng)村量大價(jià)廉，且傳統(tǒng)焚燒處理方式被基本禁止，如何生態(tài)化處理一直是近年來的重要課題。同為生物質(zhì)材料的秸稈與木材具有相近的綠色性能優(yōu)勢［4］，發(fā)展秸稈建筑是促進(jìn)鄉(xiāng)村綠色建筑發(fā)展與解決秸稈焚燒的重要途徑。東北的傳統(tǒng)民居中就有秸稈草磚農(nóng)宅類型，但因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不強(qiáng)、耐久性差、空間物理質(zhì)量不高等原因沒能得到發(fā)展［5］。基于材料的特性，技術(shù)方案聚焦于將現(xiàn)代木材工廠化生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用于秸稈材料，延續(xù)秸稈砌塊搭建方式，重點(diǎn)解決結(jié)構(gòu)體系增強(qiáng)、組裝精細(xì)化等關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 砌塊式結(jié)構(gòu)

目前塊狀體的秸稈材料仍是最適合建造的單元形式，通過簡單的工廠化加工可大幅提升秸稈砌塊的性能和精度。為此，如圖1所示確定了秸稈農(nóng)宅砌筑式墻體與木桁架屋蓋結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，為得到更好的結(jié)構(gòu)性能，具體技術(shù)措施有：首先，秸稈砌塊本身的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，工廠加工可增大秸稈砌塊的壓實(shí)度，同時(shí)加大砌塊體外皮的強(qiáng)度，秸稈砌塊外采用強(qiáng)度更好的人工板外皮層，形成箱體砌塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。其次，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，砌塊間加設(shè)貫通的木質(zhì)墻筋，在頂端模塊上部設(shè)置一體式格構(gòu)圈梁等。經(jīng)結(jié)構(gòu)初步模擬計(jì)算，該體系可建造一層小跨度建筑。

圖1 砌塊式木構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系示意圖

圖2 箱體砌塊構(gòu)成示意圖

1.2 精細(xì)化組裝

精細(xì)化組裝是提高建筑耐久性和空間物理質(zhì)量的主要途徑［6，7］，有兩方面技術(shù)措施作為支撐：首先是設(shè)置了盡少類型的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件模塊，包括基礎(chǔ)模塊、墻身基本模塊、轉(zhuǎn)角模塊、門窗過梁模塊以及頂端模塊五部分，如圖1所示。模塊尺寸綜合考慮搬運(yùn)、節(jié)能、組裝便易等因素，基本模塊確定為1m×0.66m×0.3m、0.6m×0.66m×0.30mm、0.4m×0.66m×0.3m；其次是細(xì)化構(gòu)造，如模塊設(shè)置便于相互密實(shí)連接的子母企口，如圖2所示，注重墻體保護(hù)的防潮層、飾面層等合理性構(gòu)造等。

1.3 可行性分析

在建造成本方面：秸稈砌塊的成本主要在于運(yùn)輸和加工，由于砌塊尺寸小，壓實(shí)及模塊外皮層的加工都無需大型、貴重機(jī)械，可就近設(shè)立小型加工廠，當(dāng)形成一定規(guī)模產(chǎn)量后成本將大大降低，參考當(dāng)前木構(gòu)件加工及運(yùn)輸成本，估算模塊材料成本大致為500～800元/m3，高于磚材料1～1.5倍；人工成本方面，因?yàn)闊o需大型設(shè)備組裝簡單，用工量大大低于磚結(jié)構(gòu)農(nóng)宅。經(jīng)有經(jīng)驗(yàn)造價(jià)工程師初步估算，在不考慮基礎(chǔ)的前提下，同比建筑的秸稈農(nóng)宅綜合成本較普通磚結(jié)構(gòu)造價(jià)略高見表1。

表1 秸稈砌塊與普通磚結(jié)構(gòu)估算成本同比比較（不含基礎(chǔ)）

此外，在技術(shù)應(yīng)用方面，無論工廠加工環(huán)節(jié)，還是現(xiàn)場安裝環(huán)節(jié)都是易于在鄉(xiāng)村推廣的中、低技術(shù)。在建筑性能方面，精細(xì)化構(gòu)造以及秸稈的生物質(zhì)特性可以大大提高建筑的物理空間質(zhì)量和綠色性能。

2 木基結(jié)構(gòu)板為結(jié)構(gòu)主材的關(guān)鍵技術(shù)

木基結(jié)構(gòu)板材是將原木旋切成單板或?qū)⒛静那邢鞒赡酒?，?jīng)熱壓膠合而成的承重板材，可用于輕型木結(jié)構(gòu)中的墻體、樓面及屋面的覆面板，主要類型有定向刨花板和結(jié)構(gòu)膠合板［8］。由于組合成板材的木片多為人工林木材或廢舊木材技術(shù)成熟，所以市場價(jià)格不高供應(yīng)充足，20mm厚定向刨花板市場零售在200多元/張。我國人工林產(chǎn)量世界第一［9］，探討木基結(jié)構(gòu)板材作為主材的農(nóng)宅技術(shù)對于擴(kuò)展人工林木材的應(yīng)用以及促進(jìn)木構(gòu)建筑的發(fā)展都有重要價(jià)值［10］。研究中形成的技術(shù)方案注重依托現(xiàn)代木構(gòu)建筑的工廠化加工技術(shù)，發(fā)揮板式材料的特性，聚焦新型結(jié)構(gòu)體系的生成、集成技術(shù)構(gòu)件等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 折板單元?jiǎng)偧芙Y(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)體系方案從折板結(jié)構(gòu)得到啟發(fā)，如圖3所示，在建立V型形截面的折板結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元的基礎(chǔ)上，結(jié)合屋面板構(gòu)件和墻面板構(gòu)件形成剛架結(jié)構(gòu)體系。其中剛架作為主要豎向承重構(gòu)件，墻板和屋面板作為主要橫向抗側(cè)力構(gòu)件。

圖3 折板剛架結(jié)構(gòu)體系示意圖

每榀剛架做法是在確定了V型折板截面內(nèi)夾角為90°和45°基礎(chǔ)上內(nèi)襯三棱柱形木條加固，與水平墻體交角處為45°，在結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)折處加設(shè)內(nèi)襯鋼板筒，以加強(qiáng)構(gòu)件整體的抗壓與抗拉性能見圖4。加之墻體與屋蓋亦能發(fā)揮結(jié)構(gòu)作用，促進(jìn)了建筑結(jié)構(gòu)性能的整體性更強(qiáng)。為方便運(yùn)輸，每榀剛架模塊單元分為五部分現(xiàn)場組裝見圖4。多榀剛架模塊單元排列并通過拉結(jié)梁（系桿）形成整體的受力體系。在山墻兩側(cè)增加斜拉鋼筋（柱間斜撐）可以提高抗水平側(cè)推能力見圖3。經(jīng)過初步結(jié)構(gòu)測算，采用20mm厚定向刨花板就可以滿足一層農(nóng)宅方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

圖4 剛架模塊單元組合

2.2 集成式構(gòu)件

該方案結(jié)構(gòu)體系同時(shí)也是圍護(hù)體系，所以將結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾進(jìn)行一體化集成的設(shè)計(jì)和加工，在工廠一并完成是最佳選擇，可以充分發(fā)揮木構(gòu)建筑的裝配化的優(yōu)勢。每一結(jié)構(gòu)（圍護(hù)）構(gòu)件從內(nèi)到外依次集成了飾面層、保溫層、結(jié)構(gòu)層、防水層、防護(hù)飾面層，如圖5所示。其中保溫材料選擇綠色性能相近的秸稈塊，防水層選擇防水透氣膜，飾面層可以根據(jù)需要進(jìn)行個(gè)性化選擇。如圖5所示，在墻面板構(gòu)件中將門窗也一起在工廠集成裝配。為降低運(yùn)輸成本，在盡量減少構(gòu)件類型和數(shù)量的前提下，構(gòu)件最大尺寸不大于3m×6m。

圖5 墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)分解

2.3 可行性分析

在建造成本方面：成本構(gòu)成主要集中在工廠化生產(chǎn)階段，包含原材料購置、設(shè)備成本、人工成本和運(yùn)輸成本，此外用量規(guī)模的多少也是成本的決定性因素之一。通過加工廠家的經(jīng)驗(yàn)預(yù)估，該方案的整房構(gòu)件價(jià)格大約為1200～2000元/m2。導(dǎo)致了其綜合造價(jià)相對較高，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常見輕型木構(gòu)住宅3500～5000元/m2的單元造價(jià)。在現(xiàn)場組裝環(huán)節(jié)，預(yù)估3～4個(gè)工人配合吊車2d就可以組裝完畢，因此在這一環(huán)節(jié)的成本相對很低。需要指出的是這一技術(shù)體系易于移建和拆解，構(gòu)件再利用方面優(yōu)勢明顯，會(huì)大大降低建筑構(gòu)件全生命的成本。表2為該類農(nóng)宅與輕型結(jié)構(gòu)住宅估算成本同比比較。

表2 木基結(jié)構(gòu)板折板式單元?jiǎng)偧苻r(nóng)宅與輕型結(jié)構(gòu)住宅估算成本同比比較（不含基礎(chǔ)）

在技術(shù)使用方面，雖然對工廠加工非常依賴，且對工廠的加工條件有更高要求，但是常見木構(gòu)加工設(shè)備即可滿足要求。在建筑性能方面，工廠化程度的提高極大保障了建筑的物理空間質(zhì)量和綠色性能。

3 小徑原木為結(jié)構(gòu)主材的關(guān)鍵技術(shù)

小徑原木通常指長度為2～6m，徑級在4～13cm之間的原木，主要來源是人工林或天然林的間伐產(chǎn)品。小徑材規(guī)格不統(tǒng)一，直徑小導(dǎo)致不易再加工，且容易發(fā)生開裂變形［11］。這類木材以前多用作腳手架或燒柴，因此比較廉價(jià)。自古在我國多地就有以小徑材為結(jié)構(gòu)材料的民居，但是沒有得到好的發(fā)展。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性是應(yīng)用這一材料作為結(jié)構(gòu)建房的關(guān)鍵問題。

3.1 框架式結(jié)構(gòu)

小徑原木作為桿狀構(gòu)件，最適合框架結(jié)構(gòu)形式，如圖6所示，技術(shù)方案也建構(gòu)了框架式的結(jié)構(gòu)體系。難點(diǎn)之一在于連接節(jié)點(diǎn)的處理：規(guī)避傳統(tǒng)榫卯做法對小徑原木的影響，在技術(shù)設(shè)計(jì)中利用金屬轉(zhuǎn)接件的“箍連接”現(xiàn)代木構(gòu)建筑連接策略見圖7。要保證強(qiáng)度并降低加工難度，主要是減少對小徑原木的加工量，方案中只需對有連接需求的小徑桿件端部進(jìn)行簡單的箍連接即可。為加強(qiáng)抗側(cè)向力能力，屋架設(shè)置斜撐。

圖6 小徑原木框架式結(jié)構(gòu)體系

圖7 小徑原木框架結(jié)構(gòu)各部分連接節(jié)點(diǎn)

3.2 土坯轉(zhuǎn)砌筑式墻體

為保證圍護(hù)墻體的廉價(jià)、環(huán)保、適應(yīng)鄉(xiāng)村建造條件，從傳統(tǒng)的土坯磚就地取材，以黃土摻加稻草，現(xiàn)場加工，節(jié)能、保溫性能優(yōu)異。缺點(diǎn)在于怕水、耐久性差，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低。技術(shù)方案選擇土坯墻作為填充墻，即可以規(guī)避其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，同時(shí)可以對框架結(jié)構(gòu)的小徑原木柱、梁形成防火和防腐作用。墻體外設(shè)防水層、保溫層和飾面層，避免墻體的受潮和外力破壞，選擇苯板保溫層外貼防潮紙并外掛墻板的構(gòu)造，將有效避免土坯墻易于沉降問題見圖6。

3.3 可行性分析

在建造成本方面：小徑原木和土坯都是非常廉價(jià)易得的材料，同時(shí)其加工都可以在現(xiàn)場完成，無需大型設(shè)備、對工人的技術(shù)能力要求也不高，可以在技術(shù)指導(dǎo)下由村民自行完成。在保溫等做法上與當(dāng)前最普遍和經(jīng)濟(jì)的外墻保溫做法相似，如表3所示經(jīng)過同比磚結(jié)構(gòu)房屋，其成本有明顯優(yōu)勢。此外，在建筑性能方面，土坯的保溫性能優(yōu)于磚，外墻的防水、保溫與防護(hù)讓土坯墻有更好的耐久性。

表3 小徑原木框架土坯砌塊與普通磚結(jié)構(gòu)建筑估算成本同比比較（不含基礎(chǔ)）

4 三種技術(shù)方案的適應(yīng)性分析

上述3種以廉價(jià)易得“木”質(zhì)建構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)各不相同，對于鄉(xiāng)村建設(shè)需求也有不同的適應(yīng)性：在建造難度方面，木基結(jié)構(gòu)板材農(nóng)宅對工廠有非常大的依賴，而小徑原木框架土坯砌塊農(nóng)宅則完全可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的低技術(shù)建造；在規(guī)模適應(yīng)方面，3種方案經(jīng)過結(jié)構(gòu)初步驗(yàn)證都能進(jìn)行一層農(nóng)宅的建造，經(jīng)過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等方法木基結(jié)構(gòu)板材農(nóng)宅和小徑原木框架土坯砌塊農(nóng)宅可以實(shí)現(xiàn)2～3層高度和相對更大的空間跨度；在功能適應(yīng)方面，除農(nóng)宅外，3種方案都可以應(yīng)用于對單體空間規(guī)模要求不高的村鎮(zhèn)公共建筑，同樣，木基結(jié)構(gòu)板材農(nóng)宅和小徑原木框架土坯砌塊結(jié)構(gòu)的適應(yīng)潛力相對更強(qiáng)；在氣候適應(yīng)方面，3種方案都可以通過各自保溫構(gòu)造的調(diào)整以適應(yīng)多種氣候區(qū)；在適應(yīng)潮濕氣候方面，小徑原木框架土坯砌塊農(nóng)宅在干燥氣候環(huán)境下更為有利；在形式適應(yīng)方面，通過適當(dāng)?shù)男误w變化和外飾面處理，3種方案都能形成豐富多樣的形式，其中木基結(jié)構(gòu)板材農(nóng)宅外觀會(huì)體現(xiàn)出非常強(qiáng)的材料與結(jié)構(gòu)特征，而其他兩種方案在表現(xiàn)材料與結(jié)構(gòu)特征方面優(yōu)勢不明顯，見表4。

表4 3種技術(shù)方案的適應(yīng)性分析

通過對3種基于廉價(jià)易得“木”質(zhì)材料農(nóng)宅技術(shù)建構(gòu)方案的實(shí)證設(shè)計(jì)與分析，可以得出以下結(jié)論：

（1） 3種技術(shù)方案在關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)都采取了結(jié)合現(xiàn)代木構(gòu)技術(shù)的思路，經(jīng)過初步技術(shù)分析具有可實(shí)現(xiàn)性。

（2） 經(jīng)過同比方案的數(shù)據(jù)對比估算，作為環(huán)保、綠色等多種優(yōu)越性能的“木”構(gòu)建筑，3種技術(shù)方案在建造成本方面具有比較顯著的優(yōu)勢。

（3） 相對于鄉(xiāng)村的建設(shè)需求，3種技術(shù)方案在建造難度、建筑規(guī)模、功能類型、氣候環(huán)境、形象設(shè)計(jì)等方面都具有一定的適應(yīng)性，奠定了其良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5 結(jié)語

木構(gòu)建筑是我國建筑發(fā)展歷程中的代表類型，曾在世界范圍內(nèi)最具影響力，而當(dāng)前的發(fā)展卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐、美、日、澳等地區(qū)。除引進(jìn)國際領(lǐng)先的木構(gòu)技術(shù)，如何吸收并形成我國特色的木構(gòu)技術(shù)特征也是當(dāng)務(wù)之急。針對這一思想，研究結(jié)合現(xiàn)代木構(gòu)建筑技術(shù)，聚焦地方廉價(jià)易得材料、結(jié)合鄉(xiāng)村的條件制約與需求，探索了三類技術(shù)方案以期助力于我國美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的人居生活品質(zhì)提升、環(huán)境改善和特色生成。三種方案分別是對每種材料的一種初步探索，說明此類研究和實(shí)踐在廣度和深度上具有更廣闊的前景，也有大量的工作有待擴(kuò)展和深化。