紙材料在臨時性建筑中的應用研究
——以帳篷為例

文／田亞男 廣州城市理工學院建筑學院 建筑設計教研室副主任 講 師 碩 士

韓芷瑩 華南理工大學建筑設計研究院有限公司 助理工程師

引言

20 世紀70 年代，隨著環(huán)境問題的日益嚴重，可持續(xù)發(fā)展的理念終被提出[1]。如今，“低碳”一詞已經(jīng)成為新的流行元素，低碳環(huán)保的理念越來越深入人心，進入了人們生活的每一個角落。2020 年9 月22 日，習近平總書記在第75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)“碳中和”。實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”，是中國對世界的莊嚴承諾，也是中國貫徹新發(fā)展理念、構建新發(fā)展格局、推動高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，事關中華民族的永續(xù)發(fā)展。

建筑業(yè)作為碳排放“大戶”，圍繞“低碳”主題對設計與建造展開了積極的思考和探索。低碳設計與建造將成為未來建筑發(fā)展的趨勢。通過優(yōu)化設計與精致建造，跨學科整合現(xiàn)有建筑技術，系統(tǒng)更新現(xiàn)有建筑體系，將對改善人居環(huán)境具有重要的戰(zhàn)略意義[2]。

紙質(zhì)材料由于其經(jīng)濟性、靈活性、安全性和可持續(xù)性的特點，在建筑設計中的應用由來已久，是一種值得探索的新型綠色建筑材料。

1 紙材料在建筑中的應用

紙材料作為建筑材料是從日本建筑師坂茂開始的。坂茂在“紙建筑”領域是當之無愧的引導者和開拓者，取得了令人矚目的成就。紙材料首次應用于建筑是在1986 年，從美國留學歸國的坂茂，在阿爾瓦·阿爾托（Alvar Aalto）日本特展的會場設計中，因經(jīng)費有限，以紙管作為展館的內(nèi)墻、天花板及展示臺，成為了孕育“紙建筑”的創(chuàng)作原點。在這之后，紙建筑在日本以及歐美發(fā)達國家等地區(qū)快速發(fā)展。1989 年坂茂設計的名古屋設計博覽會館，讓他第一次實現(xiàn)了“紙建筑”的夢想。坂茂堅持不懈地對紙建筑進行探索實驗和研發(fā)，研究紙的強度，紙管的防水、防火性能及加固處理方式等。經(jīng)過嚴格的強度測試，最終解決了紙管作為建筑材料的耐久性等問題。1995年，紙管結構獲得了日本建設大臣頒發(fā)的永久性建筑認證，被正式認定為建筑構件，可以替代鋼筋水泥[3]。2014 年坂茂獲得普利茲克建筑獎時，評委會對坂茂的評價特別強調(diào)了他對紙管材料的實驗性運用。由此可見，紙材料作為建筑結構材料是完全可以應用于臨時性建筑甚至于永久性建筑之中的。

紙作為建筑材料在中國也早有嘗試。2008年，李興剛工作室的作品“紙磚房”在第十一屆威尼斯國際建筑雙年展中國館內(nèi)展出?！凹埓u房”使用的建造材料主要是設計院存放圖紙的紙箱，以及打印圖紙剩余的紙軸。將紙箱作為“紙磚”，以此砌筑“紙墻”，將打印圖紙剩余的紙軸作為“紙梁”搭建門窗過梁和樓板、屋頂，共同圍合限定出一個可供起居坐臥、休閑會客的建筑空間[4]。

2 紙材料的特點

隨著經(jīng)濟技術的發(fā)展，紙材料已經(jīng)深入到人們生活的方方面面。紙材料作為一種天然可再生的綠色材料，具有經(jīng)濟性、環(huán)保性等一系列特性。

（1）紙材料來源豐富，質(zhì)量輕：造紙的原料主要是植物纖維，植物纖維天然生長，來源豐富，且成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)。紙的重量一般為32 ～80g/m2，比一般建筑材料質(zhì)地輕。

（2）紙材料的可塑性強：紙材料富有彈性，硬度小，可以在外力作用下輕松折疊或切割，并保持折疊或切割后的形態(tài)。通過對紙材料的合理折疊與切割，可以實現(xiàn)紙材料的自由伸縮，充分發(fā)揮紙材料的彈性，同時，折疊紙材料可以節(jié)省存儲和運輸空間，降低成本。

（3）紙材料具有吸水性：紙的原材料及其加工工藝決定了紙張具有良好的吸水性能。紙材料吸水后會發(fā)生形變，最主要影響紙材料的強度和穩(wěn)定性。

（4）紙材料環(huán)保易回收：廢舊的紙材料可以直接回收或再制造，即使廢棄后也能在短時間內(nèi)自然降解，不會污染環(huán)境。紙的原料在自然界是可循環(huán)的，取之不盡、用之不竭，是可持續(xù)發(fā)展的綠色材料。

3 一種紙材料快速搭建的臨時帳篷

從古代游牧部落到今天的信息時代，帳篷一直伴隨著人類社會發(fā)展。帳篷作為一種簡易、可快速搭建的構筑物，在臨時性建筑中扮演著重要角色。帳篷因其變換靈活、可拆卸移動、運輸組裝方便等特點，一直被廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)、展覽、旅游、體育等各個領域[5]。故本文提出一種利用紙材料快速搭建臨時帳篷的設計實施方案。

3.1 技術方案

該臨時帳篷由支座、支柱、折疊梁架和頂棚四部分組成（圖1、圖2）。

支座1 包括固定塊11 和安裝導管12。固定塊11 包括若干個大小逐級遞減的底板111，底板111 從大到小逐級向上排列設置，且各底板111 的幾何中心與支柱2 的軸線位于同一直線上。安裝導管12 豎直固定連接在固定塊11 上，固定塊11 的外側壁向安裝導管12 方向逐漸向內(nèi)傾斜設置，安裝導管12 的內(nèi)徑對應支柱2 下端的外徑設置，支柱2 的下端插設在安裝導管12 內(nèi)。

折疊梁架3 包括一個以上的第一板體31、一個以上的第二板體32 和圓筒；圓筒包括第一圓筒331、第二圓筒332 和第三圓筒333；第一板體31 和第二板體32 的一端轉動設置在第二圓筒332 上，且第一板體31 位于在第二板體32 水平高度上的上方；第一圓筒331 設置在第一板體31 在遠離第二板體32 的一端；第三圓筒333 設置在第二板體32 遠離第一板體31 的一端；第一板體31 和第二板體32 的兩端分別對應圓筒設有通孔；圓筒的內(nèi)徑對應支柱2 的外徑設置，支柱2 的遠離支座1 的一端插設在圓筒內(nèi)。

頂棚4 包括第一雨板41、第二雨板42 和折疊部43。第一雨板41 與第二雨板42 通過折疊一體成型，第一雨板41 與第二雨板42 形成等腰三角形，折疊部43 為該等腰三角形的一中位線折疊形成，且折疊部43 將第一雨板41 和第二雨板42 分成兩個相等的三角形，第一雨板41 和第二雨板42之間通過折疊部43連接相互傾斜設置；帳篷通過第一雨板41 和第二雨板42 與折疊梁架3 可拆卸固定連接。

支柱2 的一端與支座1 可拆卸固定連接，支柱2 的另一端與折疊梁架3 固定連接。

一個帳篷單元包括3 個支座、3 個支柱、2個折疊梁架和一個頂棚。當需要搭建臨時帳篷時，將頂棚通過一個板體折疊形成，可將至少3 個以上的支柱對應插設在支座的安裝導管內(nèi)；將頂棚固定設置在折疊梁架上，隨后，將支柱在遠離支座的一端插設在折疊梁架的圓筒內(nèi)，完成臨時帳篷的搭建。為了提高帳篷的防水性，頂棚的頂面可涂設防水層。由此可見，帳篷的搭建簡單，且可進行拆卸拼接；方便移動、搭建和存放運輸，在不同場合下都可以實現(xiàn)快速搭建。

3.2 具體實施

案例選用瓦楞紙板和紙管對技術方案加以實施。其中，紙管做支撐結構（支柱），瓦楞紙板做頂棚圍護結構，瓦楞紙板和紙管組合制成支座及折疊梁架。本實施方案選用的紙管為4mm厚的圓形牛皮紙管，選用的紙板為五層AB 瓦楞紙板，厚度為6mm，該型瓦楞紙板強度高，硬度大。

在本實施案例中，共計搭建七個帳篷單元。其中，支座的數(shù)量為9 個，支柱的數(shù)量為9 個，折疊梁架的數(shù)量為7個，頂棚的數(shù)量為7個（圖3）。

3.3 穩(wěn)定性

案例中支座的固定塊由若干個大小逐級遞減的瓦楞紙板疊合構成，瓦楞紙板從大到小逐級向上排列設置，且各紙板的幾何中心與支柱的軸線位于同一直線上，以保證支座的穩(wěn)定性，使帳篷不易側翻。同時，漸變遞減的瓦楞紙板疊加，在穩(wěn)定柱子的同時可增大與地面的接觸面積，增強其抗傾覆能力。

折疊梁架的板體由瓦楞紙板制成，圓筒由紙管制成。其中，圓筒上設有用于對板體進行限位的板體限位件，這樣能夠防止板體在圓筒上滑動，同時，支柱在靠近折疊梁架的一端也設有用于對圓筒進行限位的圓筒限位件（圖4），這樣能夠防止圓筒在支柱上滑動，提高帳篷的整體穩(wěn)定性。在本實施案例中，板體限位件和圓筒限位件均為螺釘或螺絲。

支柱由4mm 厚的圓形牛皮紙管制成。支柱在上端設有通孔，頂棚在靠近支柱的一側設有通孔，支柱與頂棚通過固定帶固定連接，固定帶分別穿過支柱和頂棚上的通孔設置。在本實施案例中，固定帶為扎帶。第一帳篷單元的頂棚在遠離折疊部位的一端設有通孔，通過固定帶與圓筒固定連接；第二帳篷單元的頂棚在靠近折疊部位的一端設有通孔，通過固定帶與圓筒固定連接，以此類推，以保證頂棚的穩(wěn)固性（圖5、圖6）。

3.4 防水性

由于紙材料具有吸水性，吸水后的紙材料力學性能大大降低，帳篷很容易整體坍塌，給方案實施帶來很大風險。故防水處理是本案實施的技術關鍵點，本設計遵循“一排二防”的防水處理原則。

排水方面，帳篷搭建時，一個帳篷單元的第二支柱高于或低于第一支柱和第三支柱，使得頂棚與第二支柱連接的一側，高于或低于頂棚與第一支柱和第三支柱連接的一側，使得相鄰頂棚之間的折疊線所在的直線與水平面所在的平面形成2°～3°的排水坡度，便于下雨天及時將頂棚間隙的積水排出。

防水方面，為了提高瓦楞紙板及紙管的防水性能，在瓦楞紙板和紙管表面涂飾防水涂料，以防止水分快速滲入紙板或紙管中，從而起到防水、防潮等功效，且成本低廉。

通過以上手段，能夠有效加強帳篷的防水性能，在陰雨天氣下，能夠保障一定時間內(nèi)帳篷的強度，滿足使用功能。

3.5 模塊化

為了滿足快速搭建的需求，臨時性建筑常常采用標準化和模塊化的設計理念。在本設計中，支座、支柱、折疊梁架和頂棚均為標準化構件，尺寸統(tǒng)一，方便快速搭建、拆卸和運輸；帳篷搭建以模塊為基本單元，一個帳篷至少包括一個基本單元，也可以根據(jù)使用功能需要，在橫向上無限延伸加建（圖7）。

頂棚可以通過折疊一體成型，當不使用帳篷時，相鄰的頂棚能夠錯位相互折疊，便于收納運輸（圖8）；當需要調(diào)整頂棚的遮雨范圍時，可根據(jù)需要調(diào)整支柱之間的距離，進而改變頂棚在俯視方向上的投影面積，從而調(diào)整頂棚的覆蓋范圍。

當頂棚的數(shù)量設置為一個時，頂棚可以通過等腰三角形ABC 板體折疊形成，折疊部為該等腰三角形的中位線，且折疊部將頂棚分成兩個相等的三角形；當頂棚的數(shù)量設置為兩個時，頂棚可以通過平行四邊形ABDC 板體折疊形成：首先沿對角線BC 對折，形成兩個等腰三角形ABC和DCB，再將兩個等腰三角形分別沿中位線對折，折疊部將頂棚分成四個相等的三角形；當頂棚的數(shù)量設置為三個時，頂棚可以通過等腰梯形AEDC 板體折疊形成：首先將等腰梯形AEBD 沿中線對折，形成單元2 的折疊部位，確認AE 中點B，再沿BC、BD 對角線折疊，形成三個等腰三角形，最后將ABC、BED 兩個等腰三角形沿中位線對折，折疊部將頂棚分成六個相等的三角形（圖9）。以此類推，本設計能夠保證在任何情況下，頂棚都可以通過折疊實現(xiàn)一體成型，且操作方便，結構簡單可靠。通過折疊形成的頂棚設有敞口，相鄰頂棚的敞口方向相互交錯，形成一定的韻律美。

綜上所述，本案例中的帳篷完全由AB 瓦楞紙板和空心紙管制成，使得帳篷重量較輕；標準化、模塊化的設計，使得帳篷易于拆卸和移動，可在不同情況下實現(xiàn)快速搭建；所有構件可循環(huán)再利用，低碳環(huán)保，不會污染環(huán)境；頂棚表面涂設有防水層，有效增強了帳篷的防水性能，減少了陰雨天氣對帳篷使用的影響。

結語

近年來，建筑師熱衷于探索建筑材料，尤其是低碳環(huán)保材料在建筑設計中的運用。紙作為一種綠色建筑材料，由于其成本低、可塑性強、通過技術手段能夠達到一定的受力強度等特點，被越來越多地應用于臨時建筑甚至永久性建筑中。展望未來，希望通過對紙材料的更深入研究和合理利用，將紙與其他傳統(tǒng)建筑材料結合運用，促進紙材料在建筑中的應用達到系統(tǒng)、全面的程度，充分展現(xiàn)建筑與自然環(huán)境融合的智慧。