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找回自然之美:建筑中的“现代木造”

王英健
2018-10-10 08:43:47  来源:光明日报

  图为当今北美木造住宅的典型外观。资料图片

  英国曼彻斯特皇家欧德海姆医院的木结构麦基中心。资料图片

  法国巴黎郊外木结构的昆虫博物馆内景。资料图片

  加拿大多伦多的一幢高层木结构集合住宅设计方案,建成后高度达62米。资料图片

  说到用木头造房子,我们的祖先是当之无愧的鼻祖。在华夏文明初期,居住在这片土地上的人们就已经开始用木头搭建房屋和粮仓,到了公元1000年前后,中国的传统木结构建筑趋于成熟,形成了复杂、完备、在世界上独一无二的建筑体系。虽然经过成百上千年的风风雨雨、自然灾害以及战乱,绝大多数木结构建筑已经不复存在,但仍有不少挺过了各种磨难,直到今天,依然向世人展现着古代工匠的才智和初建时的辉煌。这些传承至今的建筑瑰宝中不乏包括像五台山佛光寺和南禅寺、应县木塔、蓟县独乐寺、天坛祈年殿这样的传世经典,还有为数众多的地方特色建筑和民居。无论体量大小或“身份”的贵贱尊卑,中国的古建筑,几乎都是木造建筑,也就是说它们的主要结构:梁、柱、屋面构架、斗拱等等都是由木材制成的。随着时间的推移,木材在现代建筑中的属性也发生了变化。传统木造在社会的进步中也逐渐转型升级,进化成了当今的“现代木造”。

  进入20世纪,西方的工业技术以及生产生活方式源源不断地涌入中国,建筑也开始融入新鲜元素,促使建筑面貌发生了巨大的变化:砖、石、混凝土混合结构以及钢筋混凝土结构开始普及。新中国成立以来,建筑工业化有了迅猛的发展,采用砖混结构、钢筋混凝土结构的新建筑,以多、快、好、省为方针,在全国各地如雨后春笋般涌现。特别是改革开放以来,我国城市的面貌日新月异,许多新建筑无论在规模、造型、结构还是材料设备方面都达到了世界领先水平。然而现代木造建筑,比如现代木造住宅以及公共建筑,在我国却很少见。

  木造住宅成首选

  世界上的一些发达国家的情况与我国有明显的不同,特别是在住宅建筑领域。以北美(美国、加拿大)为例,多年来木造住宅建筑仍然在北美建筑总量中占有很大的份额。北美的独栋住宅基本以木造为主,在一般来说不超过五层的集合住宅中也有相当一部分是木结构的。形成这种局面主要是因为北美地区的森林资源丰富,木材的价格便宜,木材加工业发达、技术先进,这使得木造住宅自然成为住宅建筑的首选。

  从超市买图纸和与图纸相配套的加工好的各种建材,选好自己喜欢的风格,自己动手制作,即可建造出一栋属于自己的房子。这听起来像是买了一套房屋的儿童玩具,但在北美却是人们盖房子的一种方式。这种建造方式得益于他们高度成熟的木材建构体系。如今,对于以木材为基本材料的建造方法和建筑体系的不断研发和推广,使木造建筑特别是住宅建筑在安全性、结构合理性、功能的多样性以及现场施工效率等方面不断提升,也是木造住宅占据主导地位的要因之一。例如一种叫做“2×4”的住宅体系,简单的说就是住宅的基本构件都由截面大小为2英寸乘以4英寸的木材构成。通过将标准尺寸木材进行不同组合,形成墙面、地板、屋面等预制构件,再用这些预制构件形成不同的住宅空间。这一木结构体系在北美广泛普及并不断派生出适应性更强、安全性更高、风格上更多选择的新工法,对木造建筑的发展起到了重大的推进作用。类似系统的不断研发和推广,让在北美盖房子发展到了可以自己建造的程度。当然,花钱请专业公司来现场安装就更省事了。这些住宅在外观上可以建成各种风格,如果不是要刻意表现“木造”这一特点的话,从外表上根本看不出是木结构的。

  我国的近邻日本也有大量的木造现代住宅,其中绝大部分是木造独栋的形式。日本和中国相像,有着很长的木造建筑的历史,他们更“极端”一些:除了屋面上的瓦片以外,传统日本建筑的外墙也是木头的,或者说没有外墙,通过可以拆卸的推拉门形成四周的维护结构,中国通常采用砖墙的形式。日本传统木造建筑的这一特征被认为是由于所处地理环境造成的:地震频发,相比容易倒塌的砖墙来说,自重轻而且韧性大的木构件的抗震性更强。日本森林资源虽然不算丰富,但与木造建筑相关的建筑工业发达、技术手段先进,而且从国外进口用于建筑领域的木材及制品的价格并不贵。在日本,一般情况下一栋木结构住宅的造价只有钢筋混凝土或者钢结构的一半,这使得木造住宅建筑在日本变得十分普及。

  欧洲的一些国家在进入工业化时代以后,对木造建筑仍然十分重视,特别是北欧国家,充分发挥具有丰富森林资源的优势,在作为建筑材料的木材加工产业规模及技术研发等方面,一直居世界领先地位。除本国的现代建筑大量采用木结构或者木材构件以外,木制建材的出口也居世界领先地位,在国民经济中发挥着支柱性作用。例如北欧一些国家生产的大型木制落地窗,在充分发挥木材在保温隔热方面的优异性能的同时,采用先进的开启及锁闭装置,在窗扇面积很大的情况下保持了低热透过、开闭轻盈、静音的性能特点,在世界各地享有很高的声誉。

  “小”木材变身“大”建筑

  近年来,在许多发达国家,特别是欧洲的一些国家,还出现了木造建筑大型化、多样化的趋势。采用木结构的美术馆、学校、医院、体育场馆等规模较大的公共建筑相继涌现,大型木造建筑“热”引起了建筑界的关注。

  “小”木材变身“大”建筑,得益于“集成木材”的突破。随着木制建材生产、加工技术的进一步提高,为大体量的木造建筑在工程技术方面提供了保障。在这方面比较有代表性的是集成木材构件性能的大幅度提升和高强度节点的研发。所谓“集成木材”,就是将尺寸较小的木块,根据木材在不同方向上所具有的不同力学特性,按照取长补短的原则黏合在一起(其原理与常见的“三合板”、“五合板”基本相同),形成跨度和强度远远超过天然木材的建筑构件。这种木材集成技术彻底突破了天然木材尺寸的制约,使二三十米的跨度变得轻而易举。而“高强度节点”是根据具体部位的受力特点而研发的金属连接件(传统的榫卯连接方式通常是以削弱构件尺寸为代价,不适用于大荷载建筑),确保了大尺寸、大荷载的木构件之间连接点的力学性能。除此之外,其他配套技术,例如通过表面处理延长木材延烧时间(防火性能的一个重要指标,一般时间越长越好)、防腐防蛀、去除有害物质残留等技术等也有显著提高。

  随着人们的环保意识不断增强,建材是否能够再生或者循环使用也成为环保的重要指标之一,例如砖、石、混凝土等,用过以后基本不能再次循环使用,是一次性材料,用砖、石、混凝土等材料建成的建筑废弃后往往沦为建筑垃圾,无法再次循环使用。而玻璃、金属、木材等制成的建材却可以进行“回炉”,再次利用,属于可以循环使用的材料。所以目前认为,相对于砖、石、混凝土等,玻璃、金属、木材等制成的建材更环保。当然,还有其他指标,比如预制程度的高低(一般认为预制程度越高,对能源的使用效率越高,越环保)、运输量的大小等等。木材资源可再生,废材可以加工成其他制品或者完全降解,所以木材也被认为是一种非常环保的材料。

  随着环境意识的提升,接近自然被认为是高质量生活环境的一个重要标志。越来越多的人认为在木造的建筑中工作、生活,触摸木材的纹理、为木材的芳香所熏陶,会拉近现代生活与自然之间的距离,更利于身心健康和精神的净化,更利于儿童的健康成长……

  和现代木造住宅建筑不同的是,近几年的木造大型公共建筑“热”似乎与经济因素没有太大关系。因为如果建筑的跨度或者高度超过一定限度的话,所用木构件的加工成本会大幅度增加,在造价方面一般会高于钢结构或者钢筋混凝土建筑。

  “现代木造”值得推广

  我国在“现代木造”领域与国外还有些差距,值得我们进行探究以取长补短。我国在木造现代建筑,特别是大型木造建筑方面实践不多。造成这一状况的原因主要可以归结为以下几点:我国人口众多,建筑刚需一直很大,然而本国森林资源十分有限,以天然木材作为主要建筑材料的大规模建造活动不具备可行性;和一些发达国家相比,木材加工产业在规模及技术水平方面有差距,难以为现代木造建筑提供保障;认为木头不结实、不耐久、爱着火等传统观念仍然很普遍;有关现代木造建筑的规范还不够完善等等。这些原因又引发了相关实践经验少,专业技术人员缺乏等不利因素,直接阻碍了我国现代木造建筑的实践和发展。

  仔细研究现代木造建筑的特点就会发现,对于目前我国来说这是具有实用价值的东西。例如前面提到的木制建材在环保方面的优越性能,对于解决我国所面临的建筑环保问题具有现实价值。

  我国是地震多发地区,地震所造成的人员伤亡基本上是由于建筑物倒塌所造成的。如果能够发挥现代木制建筑构件的抗震性能,并在灾后重建中推广,既可以保护人民群众生命财产,又提升了建筑环保的水准,同时也降低了造价。至于森林资源不丰富的问题,可以通过进口木材加工、采用科学方法扩大植林面积并加以有效利用(例如前面提到的集成木材所采用的都是尺寸小、树龄很短的天然木材)以及加强技术研发的方法加以解决。“现代木造”在当今我国建筑行业具有很大的推广价值。

  (作者:王英健,系中国人民大学艺术学院副院长、教授)

编辑:张苇柠

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