徐洪澎 ， 吴莹 ， 李一鸣 ， 吴健梅
（1.哈尔滨工业大学建筑学院，寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点试验室，哈尔滨 150006 2.哈尔滨工业大学地域建筑与现代木建筑研究所，哈尔滨 150006）
我国传统民居中，木构建筑比例高达80%［1］，是乡村居住文化的重要载体。当前现代木构建筑大量建造并实证了其在低碳、健康、装配以及文化传承等方面的显著优势［2］。以“节材”、“易构”等建构方式为主的现代木构建筑形式在国外已经发展成熟，如北美地区“轻型木结构体系”、日本“轴组工法”体系以及欧洲“轻型板式组装”体系等。虽然我国学者祝恩淳、何敏娟等人的已经对现代木构技术理论进行了深入研究，近年来海口游客中心（2019）、南京河西万景园教堂（2015）等木结构实践案例逐渐增多［3］，但我国缺乏以“廉价易构”为目标的现代木构体系，导致我国美丽乡村建设中亟须重构主导地位的木构建筑仍在“低调”发展。
为解决现代乡村木构建筑在成本控制、技术应用、特色营造等方面与我国乡村需求相脱节的现实问题文中聚焦我国乡村三类廉价易得的木质材料，以寒地农宅为例分别提出适合三种材料的建筑技术方案，探讨其技术可行性和适应性，旨在促进木构建筑在我国美丽乡村建设中的传承和发展。
秸秆在乡村量大价廉，且传统焚烧处理方式被基本禁止，如何生态化处理一直是近年来的重要课题。同为生物质材料的秸秆与木材具有相近的绿色性能优势［4］，发展秸秆建筑是促进乡村绿色建筑发展与解决秸秆焚烧的重要途径。东北的传统民居中就有秸秆草砖农宅类型，但因其结构稳定性不强、耐久性差、空间物理质量不高等原因没能得到发展［5］。基于材料的特性，技术方案聚焦于将现代木材工厂化生产技术应用于秸秆材料，延续秸秆砌块搭建方式，重点解决结构体系增强、组装精细化等关键技术。
1.1 砌块式结构
目前块状体的秸秆材料仍是最适合建造的单元形式，通过简单的工厂化加工可大幅提升秸秆砌块的性能和精度。为此，如图1所示确定了秸秆农宅砌筑式墙体与木桁架屋盖结合的结构体系，为得到更好的结构性能，具体技术措施有：首先，秸秆砌块本身的结构加强，工厂加工可增大秸秆砌块的压实度，同时加大砌块体外皮的强度，秸秆砌块外采用强度更好的人工板外皮层，形成箱体砌块结构如图2所示。其次，加强结构整体性，砌块间加设贯通的木质墙筋，在顶端模块上部设置一体式格构圈梁等。经结构初步模拟计算，该体系可建造一层小跨度建筑。
图1 砌块式木构建筑结构体系示意图
图2 箱体砌块构成示意图
1.2 精细化组装
精细化组装是提高建筑耐久性和空间物理质量的主要途径［6，7］，有两方面技术措施作为支撑：首先是设置了尽少类型的标准构件模块，包括基础模块、墙身基本模块、转角模块、门窗过梁模块以及顶端模块五部分，如图1所示。模块尺寸综合考虑搬运、节能、组装便易等因素，基本模块确定为1m×0.66m×0.3m、0.6m×0.66m×0.30mm、0.4m×0.66m×0.3m；
其次是细化构造，如模块设置便于相互密实连接的子母企口，如图2所示，注重墙体保护的防潮层、饰面层等合理性构造等。
1.3 可行性分析
在建造成本方面：秸秆砌块的成本主要在于运输和加工，由于砌块尺寸小，压实及模块外皮层的加工都无需大型、贵重机械，可就近设立小型加工厂，当形成一定规模产量后成本将大大降低，参考当前木构件加工及运输成本，估算模块材料成本大致为500～800元/m3，高于砖材料1～1.5倍；
人工成本方面，因为无需大型设备组装简单，用工量大大低于砖结构农宅。经有经验造价工程师初步估算，在不考虑基础的前提下，同比建筑的秸秆农宅综合成本较普通砖结构造价略高见表1。
表1 秸秆砌块与普通砖结构估算成本同比比较（不含基础）
此外，在技术应用方面，无论工厂加工环节，还是现场安装环节都是易于在乡村推广的中、低技术。在建筑性能方面，精细化构造以及秸秆的生物质特性可以大大提高建筑的物理空间质量和绿色性能。
木基结构板材是将原木旋切成单板或将木材切削成木片，经热压胶合而成的承重板材，可用于轻型木结构中的墙体、楼面及屋面的覆面板，主要类型有定向刨花板和结构胶合板［8］。由于组合成板材的木片多为人工林木材或废旧木材技术成熟，所以市场价格不高供应充足，20mm厚定向刨花板市场零售在200多元/张。我国人工林产量世界第一［9］，探讨木基结构板材作为主材的农宅技术对于扩展人工林木材的应用以及促进木构建筑的发展都有重要价值［10］。研究中形成的技术方案注重依托现代木构建筑的工厂化加工技术，发挥板式材料的特性，聚焦新型结构体系的生成、集成技术构件等关键技术。
2.1 折板单元刚架结构
结构体系方案从折板结构得到启发，如图3所示，在建立V型形截面的折板结构构件单元的基础上，结合屋面板构件和墙面板构件形成刚架结构体系。其中刚架作为主要竖向承重构件，墙板和屋面板作为主要横向抗侧力构件。
图3 折板刚架结构体系示意图
每榀刚架做法是在确定了V型折板截面内夹角为90°和45°基础上内衬三棱柱形木条加固，与水平墙体交角处为45°，在结构体转折处加设内衬钢板筒，以加强构件整体的抗压与抗拉性能见图4。加之墙体与屋盖亦能发挥结构作用，促进了建筑结构性能的整体性更强。为方便运输，每榀刚架模块单元分为五部分现场组装见图4。多榀刚架模块单元排列并通过拉结梁（系杆）形成整体的受力体系。在山墙两侧增加斜拉钢筋（柱间斜撑）可以提高抗水平侧推能力见图3。经过初步结构测算，采用20mm厚定向刨花板就可以满足一层农宅方案的结构强度要求。
图4 刚架模块单元组合
2.2 集成式构件
该方案结构体系同时也是围护体系，所以将结构、保温、装饰进行一体化集成的设计和加工，在工厂一并完成是最佳选择，可以充分发挥木构建筑的装配化的优势。每一结构（围护）构件从内到外依次集成了饰面层、保温层、结构层、防水层、防护饰面层，如图5所示。其中保温材料选择绿色性能相近的秸秆块，防水层选择防水透气膜，饰面层可以根据需要进行个性化选择。如图5所示，在墙面板构件中将门窗也一起在工厂集成装配。为降低运输成本，在尽量减少构件类型和数量的前提下，构件最大尺寸不大于3m×6m。
图5 墙体围护结构分解
2.3 可行性分析
在建造成本方面：成本构成主要集中在工厂化生产阶段，包含原材料购置、设备成本、人工成本和运输成本，此外用量规模的多少也是成本的决定性因素之一。通过加工厂家的经验预估，该方案的整房构件价格大约为1200～2000元/m2。导致了其综合造价相对较高，但是仍然远远低于常见轻型木构住宅3500～5000元/m2的单元造价。在现场组装环节，预估3～4个工人配合吊车2d就可以组装完毕，因此在这一环节的成本相对很低。需要指出的是这一技术体系易于移建和拆解，构件再利用方面优势明显，会大大降低建筑构件全生命的成本。表2为该类农宅与轻型结构住宅估算成本同比比较。
表2 木基结构板折板式单元刚架农宅与轻型结构住宅估算成本同比比较（不含基础）
在技术使用方面，虽然对工厂加工非常依赖，且对工厂的加工条件有更高要求，但是常见木构加工设备即可满足要求。在建筑性能方面，工厂化程度的提高极大保障了建筑的物理空间质量和绿色性能。
小径原木通常指长度为2～6m，径级在4～13cm之间的原木，主要来源是人工林或天然林的间伐产品。小径材规格不统一，直径小导致不易再加工，且容易发生开裂变形［11］。这类木材以前多用作脚手架或烧柴，因此比较廉价。自古在我国多地就有以小径材为结构材料的民居，但是没有得到好的发展。结构稳定性和耐久性是应用这一材料作为结构建房的关键问题。
3.1 框架式结构
小径原木作为杆状构件，最适合框架结构形式，如图6所示，技术方案也建构了框架式的结构体系。难点之一在于连接节点的处理：规避传统榫卯做法对小径原木的影响，在技术设计中利用金属转接件的“箍连接”现代木构建筑连接策略见图7。要保证强度并降低加工难度，主要是减少对小径原木的加工量，方案中只需对有连接需求的小径杆件端部进行简单的箍连接即可。为加强抗侧向力能力，屋架设置斜撑。
图6 小径原木框架式结构体系
图7 小径原木框架结构各部分连接节点
3.2 土坯转砌筑式墙体
为保证围护墙体的廉价、环保、适应乡村建造条件，从传统的土坯砖就地取材，以黄土掺加稻草，现场加工，节能、保温性能优异。缺点在于怕水、耐久性差，结构强度低。技术方案选择土坯墙作为填充墙，即可以规避其结构强度低的缺点，同时可以对框架结构的小径原木柱、梁形成防火和防腐作用。墙体外设防水层、保温层和饰面层，避免墙体的受潮和外力破坏，选择苯板保温层外贴防潮纸并外挂墙板的构造，将有效避免土坯墙易于沉降问题见图6。
3.3 可行性分析
在建造成本方面：小径原木和土坯都是非常廉价易得的材料，同时其加工都可以在现场完成，无需大型设备、对工人的技术能力要求也不高，可以在技术指导下由村民自行完成。在保温等做法上与当前最普遍和经济的外墙保温做法相似，如表3所示经过同比砖结构房屋，其成本有明显优势。此外，在建筑性能方面，土坯的保温性能优于砖，外墙的防水、保温与防护让土坯墙有更好的耐久性。
表3 小径原木框架土坯砌块与普通砖结构建筑估算成本同比比较（不含基础）
上述3种以廉价易得“木”质建构技术特点各不相同，对于乡村建设需求也有不同的适应性：在建造难度方面，木基结构板材农宅对工厂有非常大的依赖，而小径原木框架土坯砌块农宅则完全可以实现现场的低技术建造；
在规模适应方面，3种方案经过结构初步验证都能进行一层农宅的建造，经过结构加强等方法木基结构板材农宅和小径原木框架土坯砌块农宅可以实现2～3层高度和相对更大的空间跨度；
在功能适应方面，除农宅外，3种方案都可以应用于对单体空间规模要求不高的村镇公共建筑，同样，木基结构板材农宅和小径原木框架土坯砌块结构的适应潜力相对更强；
在气候适应方面，3种方案都可以通过各自保温构造的调整以适应多种气候区；
在适应潮湿气候方面，小径原木框架土坯砌块农宅在干燥气候环境下更为有利；
在形式适应方面，通过适当的形体变化和外饰面处理，3种方案都能形成丰富多样的形式，其中木基结构板材农宅外观会体现出非常强的材料与结构特征，而其他两种方案在表现材料与结构特征方面优势不明显，见表4。
表4 3种技术方案的适应性分析
通过对3种基于廉价易得“木”质材料农宅技术建构方案的实证设计与分析，可以得出以下结论：
（1） 3种技术方案在关键技术环节都采取了结合现代木构技术的思路，经过初步技术分析具有可实现性。
（2） 经过同比方案的数据对比估算，作为环保、绿色等多种优越性能的“木”构建筑，3种技术方案在建造成本方面具有比较显著的优势。
（3） 相对于乡村的建设需求，3种技术方案在建造难度、建筑规模、功能类型、气候环境、形象设计等方面都具有一定的适应性，奠定了其良好的发展潜力。
木构建筑是我国建筑发展历程中的代表类型，曾在世界范围内最具影响力，而当前的发展却远远落后于欧、美、日、澳等地区。除引进国际领先的木构技术，如何吸收并形成我国特色的木构技术特征也是当务之急。针对这一思想，研究结合现代木构建筑技术，聚焦地方廉价易得材料、结合乡村的条件制约与需求，探索了三类技术方案以期助力于我国美丽乡村建设的人居生活品质提升、环境改善和特色生成。三种方案分别是对每种材料的一种初步探索，说明此类研究和实践在广度和深度上具有更广阔的前景，也有大量的工作有待扩展和深化。
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