現代廉價易得“木”質材料農宅技術研究

徐洪澎 ， 吳瑩 ， 李一鳴 ， 吳健梅

（1.哈爾濱工業大學建筑學院，寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點試驗室，哈爾濱 150006 2.哈爾濱工業大學地域建筑與現代木建筑研究所，哈爾濱 150006）

0 引言

我國傳統民居中，木構建筑比例高達80%［1］，是鄉村居住文化的重要載體。當前現代木構建筑大量建造并實證了其在低碳、健康、裝配以及文化傳承等方面的顯著優勢［2］。以“節材”、“易構”等建構方式為主的現代木構建筑形式在國外已經發展成熟，如北美地區“輕型木結構體系”、日本“軸組工法”體系以及歐洲“輕型板式組裝”體系等。雖然我國學者祝恩淳、何敏娟等人的已經對現代木構技術理論進行了深入研究，近年來?？谟慰椭行模?019）、南京河西萬景園教堂（2015）等木結構實踐案例逐漸增多［3］，但我國缺乏以“廉價易構”為目標的現代木構體系，導致我國美麗鄉村建設中亟須重構主導地位的木構建筑仍在“低調”發展。

為解決現代鄉村木構建筑在成本控制、技術應用、特色營造等方面與我國鄉村需求相脫節的現實問題文中聚焦我國鄉村三類廉價易得的木質材料，以寒地農宅為例分別提出適合三種材料的建筑技術方案，探討其技術可行性和適應性，旨在促進木構建筑在我國美麗鄉村建設中的傳承和發展。

1 秸稈為結構主材的關鍵技術

秸稈在鄉村量大價廉，且傳統焚燒處理方式被基本禁止，如何生態化處理一直是近年來的重要課題。同為生物質材料的秸稈與木材具有相近的綠色性能優勢［4］，發展秸稈建筑是促進鄉村綠色建筑發展與解決秸稈焚燒的重要途徑。東北的傳統民居中就有秸稈草磚農宅類型，但因其結構穩定性不強、耐久性差、空間物理質量不高等原因沒能得到發展［5］?；诓牧系奶匦?，技術方案聚焦于將現代木材工廠化生產技術應用于秸稈材料，延續秸稈砌塊搭建方式，重點解決結構體系增強、組裝精細化等關鍵技術。

1.1 砌塊式結構

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所示確定了秸稈農宅砌筑式墻體與木桁架屋蓋結合的結構體系，為得到更好的結構性能，具體技術措施有：首先，秸稈砌塊本身的結構加強，工廠加工可增大秸稈砌塊的壓實度，同時加大砌塊體外皮的強度，秸稈砌塊外采用強度更好的人工板外皮層，形成箱體砌塊結構如圖2所示。其次，加強結構整體性，砌塊間加設貫通的木質墻筋，在頂端模塊上部設置一體式格構圈梁等。經結構初步模擬計算，該體系可建造一層小跨度建筑。

圖1 砌塊式木構建筑結構體系示意圖

圖2 箱體砌塊構成示意圖

1.2 精細化組裝

精細化組裝是提高建筑耐久性和空間物理質量的主要途徑［6，7］，有兩方面技術措施作為支撐：首先是設置了盡少類型的標準構件模塊，包括基礎模塊、墻身基本模塊、轉角模塊、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、節能、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；其次是細化構造，如模塊設置便于相互密實連接的子母企口，如圖2所示，注重墻體保護的防潮層、飾面層等合理性構造等。

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輸和加工，由于砌塊尺寸小，壓實及模塊外皮層的加工都無需大型、貴重機械，可就近設立小型加工廠，當形成一定規模產量后成本將大大降低，參考當前木構件加工及運輸成本，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，因為無需大型設備組裝簡單，用工量大大低于磚結構農宅。經有經驗造價工程師初步估算，在不考慮基礎的前提下，同比建筑的秸稈農宅綜合成本較普通磚結構造價略高見表1。

表1 秸稈砌塊與普通磚結構估算成本同比比較（不含基礎）

此外，在技術應用方面，無論工廠加工環節，還是現場安裝環節都是易于在鄉村推廣的中、低技術。在建筑性能方面，精細化構造以及秸稈的生物質特性可以大大提高建筑的物理空間質量和綠色性能。

2 木基結構板為結構主材的關鍵技術

木基結構板材是將原木旋切成單板或將木材切削成木片，經熱壓膠合而成的承重板材，可用于輕型木結構中的墻體、樓面及屋面的覆面板，主要類型有定向刨花板和結構膠合板［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成熟，所以市場價格不高供應充足，20mm厚定向刨花板市場零售在200多元/張。我國人工林產量世界第一［9］，探討木基結構板材作為主材的農宅技術對于擴展人工林木材的應用以及促進木構建筑的發展都有重要價值［10］。研究中形成的技術方案注重依托現代木構建筑的工廠化加工技術，發揮板式材料的特性，聚焦新型結構體系的生成、集成技術構件等關鍵技術。

2.1 折板單元剛架結構

結構體系方案從折板結構得到啟發，如圖3所示，在建立V型形截面的折板結構構件單元的基礎上，結合屋面板構件和墻面板構件形成剛架結構體系。其中剛架作為主要豎向承重構件，墻板和屋面板作為主要橫向抗側力構件。

圖3 折板剛架結構體系示意圖

每榀剛架做法是在確定了V型折板截面內夾角為90°和45°基礎上內襯三棱柱形木條加固，與水平墻體交角處為45°，在結構體轉折處加設內襯鋼板筒，以加強構件整體的抗壓與抗拉性能見圖4。加之墻體與屋蓋亦能發揮結構作用，促進了建筑結構性能的整體性更強。為方便運輸，每榀剛架模塊單元分為五部分現場組裝見圖4。多榀剛架模塊單元排列并通過拉結梁（系桿）形成整體的受力體系。在山墻兩側增加斜拉鋼筋（柱間斜撐）可以提高抗水平側推能力見圖3。經過初步結構測算，采用20mm厚定向刨花板就可以滿足一層農宅方案的結構強度要求。

圖4 剛架模塊單元組合

2.2 集成式構件

該方案結構體系同時也是圍護體系，所以將結構、保溫、裝飾進行一體化集成的設計和加工，在工廠一并完成是最佳選擇，可以充分發揮木構建筑的裝配化的優勢。每一結構（圍護）構件從內到外依次集成了飾面層、保溫層、結構層、防水層、防護飾面層，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，飾面層可以根據需要進行個性化選擇。如圖5所示，在墻面板構件中將門窗也一起在工廠集成裝配。為降低運輸成本，在盡量減少構件類型和數量的前提下，構件最大尺寸不大于3m×6m。

圖5 墻體圍護結構分解

2.3 可行性分析

在建造成本方面：成本構成主要集中在工廠化生產階段，包含原材料購置、設備成本、人工成本和運輸成本，此外用量規模的多少也是成本的決定性因素之一。通過加工廠家的經驗預估，該方案的整房構件價格大約為1200～2000元/m2。導致了其綜合造價相對較高，但是仍然遠遠低于常見輕型木構住宅3500～5000元/m2的單元造價。在現場組裝環節，預估3～4個工人配合吊車2d就可以組裝完畢，因此在這一環節的成本相對很低。需要指出的是這一技術體系易于移建和拆解，構件再利用方面優勢明顯，會大大降低建筑構件全生命的成本。表2為該類農宅與輕型結構住宅估算成本同比比較。

表2 木基結構板折板式單元剛架農宅與輕型結構住宅估算成本同比比較（不含基礎）

在技術使用方面，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，但是常見木構加工設備即可滿足要求。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量和綠色性能。

3 小徑原木為結構主材的關鍵技術

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品。小徑材規格不統一，直徑小導致不易再加工，且容易發生開裂變形［11］。這類木材以前多用作腳手架或燒柴，因此比較廉價。自古在我國多地就有以小徑材為結構材料的民居，但是沒有得到好的發展。結構穩定性和耐久性是應用這一材料作為結構建房的關鍵問題。

3.1 框架式結構

小徑原木作為桿狀構件，最適合框架結構形式，如圖6所示，技術方案也建構了框架式的結構體系。難點之一在于連接節點的處理：規避傳統榫卯做法對小徑原木的影響，在技術設計中利用金屬轉接件的“箍連接”現代木構建筑連接策略見圖7。要保證強度并降低加工難度，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行簡單的箍連接即可。為加強抗側向力能力，屋架設置斜撐。

圖6 小徑原木框架式結構體系

圖7 小徑原木框架結構各部分連接節點

3.2 土坯轉砌筑式墻體

為保證圍護墻體的廉價、環保、適應鄉村建造條件，從傳統的土坯磚就地取材，以黃土摻加稻草，現場加工，節能、保溫性能優異。缺點在于怕水、耐久性差，結構強度低。技術方案選擇土坯墻作為填充墻，即可以規避其結構強度低的缺點，同時可以對框架結構的小徑原木柱、梁形成防火和防腐作用。墻體外設防水層、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易得的材料，同時其加工都可以在現場完成，無需大型設備、對工人的技術能力要求也不高，可以在技術指導下由村民自行完成。在保溫等做法上與當前最普遍和經濟的外墻保溫做法相似，如表3所示經過同比磚結構房屋，其成本有明顯優勢。此外，在建筑性能方面，土坯的保溫性能優于磚，外墻的防水、保溫與防護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構建筑估算成本同比比較（不含基礎）

4 三種技術方案的適應性分析

上述3種以廉價易得“木”質建構技術特點各不相同，對于鄉村建設需求也有不同的適應性：在建造難度方面，木基結構板材農宅對工廠有非常大的依賴，而小徑原木框架土坯砌塊農宅則完全可以實現現場的低技術建造；在規模適應方面，3種方案經過結構初步驗證都能進行一層農宅的建造，經過結構加強等方法木基結構板材農宅和小徑原木框架土坯砌塊農宅可以實現2～3層高度和相對更大的空間跨度；在功能適應方面，除農宅外，3種方案都可以應用于對單體空間規模要求不高的村鎮公共建筑，同樣，木基結構板材農宅和小徑原木框架土坯砌塊結構的適應潛力相對更強；在氣候適應方面，3種方案都可以通過各自保溫構造的調整以適應多種氣候區；在適應潮濕氣候方面，小徑原木框架土坯砌塊農宅在干燥氣候環境下更為有利；在形式適應方面，通過適當的形體變化和外飾面處理，3種方案都能形成豐富多樣的形式，其中木基結構板材農宅外觀會體現出非常強的材料與結構特征，而其他兩種方案在表現材料與結構特征方面優勢不明顯，見表4。

表4 3種技術方案的適應性分析

通過對3種基于廉價易得“木”質材料農宅技術建構方案的實證設計與分析，可以得出以下結論：

（1） 3種技術方案在關鍵技術環節都采取了結合現代木構技術的思路，經過初步技術分析具有可實現性。

（2） 經過同比方案的數據對比估算，作為環保、綠色等多種優越性能的“木”構建筑，3種技術方案在建造成本方面具有比較顯著的優勢。

（3） 相對于鄉村的建設需求，3種技術方案在建造難度、建筑規模、功能類型、氣候環境、形象設計等方面都具有一定的適應性，奠定了其良好的發展潛力。

5 結語

木構建筑是我國建筑發展歷程中的代表類型，曾在世界范圍內最具影響力，而當前的發展卻遠遠落后于歐、美、日、澳等地區。除引進國際領先的木構技術，如何吸收并形成我國特色的木構技術特征也是當務之急。針對這一思想，研究結合現代木構建筑技術，聚焦地方廉價易得材料、結合鄉村的條件制約與需求，探索了三類技術方案以期助力于我國美麗鄉村建設的人居生活品質提升、環境改善和特色生成。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展和深化。