模块化SIPs在贵州传统木构民居改良中的应用∗

阙泽利 陈秋韵 徐伟涛 杨晓林

我国社会主义新农村建设工作开展以来，政府在农村环境建设、农村住房改善方面投入了大量的人力与资金，我国许多地区的农村环境得到较大的改善，农村住房建设也取得了许多可喜的成绩。但有的地方在推进新农村建设的进程中，盲目求快，一系列不合理的改造使得具有传统民族特色的乡土建筑遭到严重破坏甚至走向消亡。同时，现代化生活与传统住宅的矛盾日益突出，一些以木构建筑为传统住宅的村落也逐渐由砖混建筑取而代之，千村一面，极大地破坏了传统村落的特色风貌，这些问题在西南少数民族聚居村落尤为突出。因此寻求一条新农村建设与传统村落特色风貌保护和谐发展之路显得尤为迫切。为提升农村宜居性，加快美丽乡村建设，住建部提出了“探索绿色农房建设方法和技术”、“绿色建材下乡”和“推广乡土绿色建筑”的任务。如今，现代木结构技术逐渐成熟，为传统木构的修缮与改良提供了许多新思路。贵州传统木构民居在保温节能、防火、抗震等方面亟待改善，而SIPs（Structural Insulated Panels,结构保温板）这一具有轻质高强、保温节能并具有一定防火性能优点的结构复合材在国外已得到成熟应用，采用SIPs改良贵州传统木构民居，有利于避免以砖混结构替代传统围护等错误的改造与改良。

1 贵州传统木构农房的特点与现状

1.1 木构农房的特点

贵州黔东南地区木构农房依山傍水而建，采用传统穿斗式木构架，以传统榫卯连接，不需一颗钉子，翘起的屋角、挂落的垂柱和美人靠成就了它独一无二的艺术风格。建筑用材以杉木、枫木为主，柱与枋等采用去皮后自然干燥的原木，墙体和楼板一般采用2～3 cm厚的杉木板。由于贵州山区气候潮湿，冬季寒冷，建筑外墙上很少开窗或开窗很小，主要通过堂屋外的通道实现通风。建筑外墙不加涂饰，原木与青瓦结合的建筑使整个村寨显得古朴而亲切。

1.2 传统民居现状堪忧

1.2.1 与现代生活的矛盾突出

贵州传统木构农房虽独具艺术特色，但也存在保温隔热和隔声效果差，易腐朽，采光差等缺点。随着现代生活方式的转变，人们对居住环境的要求提高，传统木构民居作为传统住宅形式正面临时代的挑战。建筑的节能环保在广大农村地区正处于起步阶段，尚未得到重视[1]。墙体作为建筑的围护部分，对建筑室内热环境有着显著的影响，也是建筑节能改造的重点部分。传统木构墙体单薄、易变型，其热工性能难以满足现代建筑保温隔热的需求。此外，村村通电后，民居内部缺少合理的水电布置，暴露搭接的电线极易引发火灾，缺少防火处理措施的传统木构村寨在近几年屡屡发生“火烧连营”，村寨损失伤亡惨重[2]。

1.2.2 传统营造面临传承危机

传统木构农房的建造遵循“就地取材，因地制宜，口传心授”的原则。随着人口增加和经济发展对用地需求的扩大以及对林业资源长期无序的开采导致林地面积缩减，用材林中成熟林所占比例极小[3-4]。传统营造用料大量使用木材，且利用率较低，成熟林的减少让传统营造面临材料短缺的问题。此外，传统营造技艺的传承也因缺少图纸，匠师和传承人的减少而难以为继。

1.2.3 传统风貌亟待保护

随着砖混建筑的大量引入，村寨民居中的经典民族特色逐渐模糊。在城市化建设的过程中，出现了建设集中住房，村民集体搬迁的情况，穿斗构架被以装饰的目的贴于建筑外立面，建筑一层以砖混结构代替底部架空，轻巧的木构架被逐渐淹没在越来越多的砖混新建住宅中。2015年笔者对黔东南小黄村、芭扒村等6个村寨进行调研发现，村民在自建砖混住宅的外表铺挂木板，在房顶建造一层木构顶层，或是建造木构的凉亭（如图1），村寨的面貌一方面反映了村民的民族文化情结，另一方面表明传统木构民居的不足已经给现代生活带来诸多不便，迫切需要进行现代适应性改良。而解决传统住宅防火、节能、隔声等问题是解决新农村建设中木结构村寨传统风貌被破坏问题的关键。

图1 从江小黄村建筑与村寨风貌 （2015年摄）Fig.1 Architecture and village style of Xiaohuang Village（2015）

2 传统木构民居的装配化改良

传统穿斗式木构民居的传统营造方式和结构体系有着不可磨灭的历史地位和不可摒弃的先人智慧，在保护民居的传统风貌，传承当地传统民俗文化的同时，结合现代模块化木结构装配技术，改造传统木结构民居,使木结构建筑得以规范、高效、可持续地发展，是建筑工业化背景下发展趋势和时代的要求。同时，木构民居的预制装配化也有利于减少木材浪费，保护林业资源。而要实现传统木构民居产业化，需将传统木构民居的结构体系与填充体系拆解，实现梁柱、墙体、门窗等的标准化设计与生产[5]。

木结构本身属于装配式建筑，现代装配式木结构应实现模块化的高度预制和技术的集成。将模块化的理念引入传统木构民居的改造中，结合传统连接节点构造的特点，采用适应于穿斗式木构的小模块SIP墙体，安装时可去机械化，使得建筑墙体在山地间的运输和施工得以便利地实现。当地居民熟悉传统大木作技艺，也将为木结构节能住宅在农村地区的推广打开新的出路。

3 SIPs概况及其优势分析

3.1 概况

SIPs是由两片承重板材（一般为定向结构刨花板或结构胶合板 ）由结构粘合剂胶合在硬质泡沫板上成为一体的复合板材（如图2所示）。该产品工厂预制化程度较高，轻质高强、节能环保、安装快速便捷，可用作商业和民用建筑的墙体、楼板和屋盖等结构构件[6]，在北美、欧洲以及日本等地区已得到了广泛的应用，而国内对于SIPs的生产与研究仍处于起步阶段，仍在探索符合我国实际情况的应用方向。

图2 结构保温板Fig.2 Structural insulated panels

3.2 优势分析

选择SIPs作为贵州传统木构民居改良的建筑材料在于其具有以下优势：

3.2.1 高效节能

美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）曾对采用SIPs建造的房屋和使用轻型木结构建筑体系建造的房屋进行了使用监测比对，测试数据表明：采用SIPs建造的房屋，比同等厚度的采用传统的2'×4'体系建造的房屋减少了30%左右的传热损失，比钢筋和混凝土房屋的保温隔热效果更加明显[7]。国内有学者对SIPs与砖混建筑在农村住房中应用的经济效益进行了分析，得出在未充分考虑到结构保温板建筑的保温隔热性能的情况下，结构保温板建筑至少比传统砖混建筑节约 28.06%的造价的结论[8]。这不仅有利于改善农村住宅尤其是木构农房的节能效果，也缩短了农村建房的工期，缩减了建造成本，因此综合节能和造价来考虑，SIPs都是替代砖混作为农村新建住房材料的优势选项。

3.2.2 轻质高强

SIPs模块多采用EPS（发泡聚苯乙烯）或XPS（挤塑聚苯乙烯）作为芯材，这大大地减少了整个模块的重量。面板与芯材的结合使得其受力特点同工字钢有相似之处，以力学性能较优的板材作为面板承受主要的侧向力，可有效传递剪力[9]，具有优异的抗风抗震性能。上世纪90年代，日本神户7.2级地震中SIPs建筑遭受了最小的损失，而美国格鲁吉亚龙卷风之后，多数传统轻型的木构房屋倒塌严重，而SIPs建筑却免于灾难[10-11]。

传统苗侗穿斗式木构民居在地震中依靠节点的变形消耗能量，要维持木构架整体的稳定性，通常需要在梁柱节点处采用斜向支承以抵抗变形。对于采用砖混和夯土与木构架结合的房屋而言，不承重的墙体却最易倒塌，导致房屋破坏、人员伤亡[12]。而以SIPs作为填充墙体可增强构架横向和纵向稳定性，提高整体抗变形能力，既保留了传统木框架节点间消能抗震的优势，又使得传统木框架更加牢靠。

3.2.3 环保耐久

贵州传统营造材料由村民就地取材，备料时间长，木材利用率低。随着杉木、枫木等传统常用的树种成熟材减少，径级减小，建造过程中所采用的板材幅面宽度将越来越受到制约。而SIPs采用定向结构刨花板作为面板，生产过程中污染小，在提高木材资源的利用率的同时，也解决了传统建筑材料的短缺问题。

SIPs在国内的研究和使用虽刚刚起步，但国外已经过了70年的发展，应用于建筑的历史已有半个世纪，通过在SIPs表面采用水泥纤维板、防火涂层，芯材采用防火等级A级的不燃材料或B1级难燃材料等方法[13-16]解决了SIPs的阻燃问题，因而将SIPs应用于传统木构民居改良可以大大降低火灾危险。

3.2.4 SIPs与传统木构民居的适应性好

现代木结构使用较多的装配式墙体有CLT墙体、预制式轻型木结构墙体和SIPs墙体。CLT[5]墙体是有至少3层实心锯材或复合木质材料正交胶合后开门窗洞口得到的墙体，宽度一般有0.6、1.2、2.4、3m，通常需配合机械吊装，在高层木结构建筑中表现出明显优势，较为适合气候寒冷的北方和尺度较大的建筑[19]。预制式轻型木结构墙体通常在工厂内完成正面墙体的拼装及水电管线的布置，主要依赖絮状玻璃丝棉作为保温材料，而保温材料的空隙、吸潮和工人的安装水平都会对房屋的保温造成影响。目前已有小模块的轻型木结构墙体模块的改良设计，主要迎合轻型木结构体系，内有墙骨柱作为竖向承重构件，与穿斗民居的营建方式和建筑内涵存在较大差距[18]（见图3）。

图3 模块化轻型木结构墙体Fig.3 Modularization light wood frame construction wall

传统的穿斗式木构民居主要由木构框架承重，SIPs模块构造简单（如图4所示），可作为围护填充体系与其相结合。SIPs可采用多种方式进行连接，与梁柱结构以企口的方式进行拼装，操作简便，尤其对于有木作经验的村民更是无需培训，对照图纸即可完成安装。其比传统建筑的建造节省约41%的劳动力；在施工工期上比传统砌筑缩短了57%[19]。

图4 模块化SIPsFig.4 Modularization SIPs

4 SIPs的模数及连接方式

4.1 SIPs的模数

SIPs在北美发展比较成熟，对于SIP模块的尺寸，美国工程木材协会（The Engineering Wood Association，APA）和结构保温板协会（Structural Insulated Panel Association，SIPA）共同制定的《结构保温板产品使用指南》和《住宅建筑墙体系统中结构保温板产品的使用规定》中作了相应的规定，木质 SIPs 的幅面尺寸为 4'×8'（1220 mm×2 440 mm）到8'×24'（2440 mm×7 320mm），厚度为4.5"～12.25"（114～311mm）。APA还制定了针对墙体用的SIPs的性能评定标准[22]，其中仅规定墙体厚度应为114 mm或165 mm，并且要求不能超过3.2 mm的容许偏差。

我国SIPs建筑的起步较晚，SIPs产品尺寸仍沿用美国的标准，与我国建筑的常用模数有所区别。这主要是由于我国采用SIPs建筑的项目在新建建筑中所占比例极小，企业大多数业务仍服务于国外，因此产品需迎合国外的模数，表1为国内较早生产SIPs的企业的SIPs产品尺寸。其次，国内SIPs相关的产品标准还在编制中。

表 1 国内企业生产的SIPs产品尺寸Tab.1 Configuration of SIPs production made by domestic enterprise

传统木构民居有自身的尺度和常用的模数，承载着民族文化的美好寓意，对传统模数的提取和与中国建筑模数的配合，有助于实现SIPs技术的本土化和标准化，使得SIPs与传统木构架的尺度得以结合。以传统侗族民居为例，在建筑尺度上常采用8为尾数，而在内部装饰常采用6为尾数，寄托吉祥寓意，表达趋利避害的心理。例如建筑高度采用二丈零八，进深采用二丈八八或三丈一八；门户相关的尺度有一尺六寸、三尺六寸等[21]。根据考察，贵州黔东南地区乡尺1尺约为34.2 cm[22]，现今侗族桑美（工匠）采用鲁班尺，一尺分八寸，对鲁班尺“寸”的“压白”更为关注。而传统尺度换算到现代尺度仍存在不便之处，为方便生产，取传统模数的寓意，在尾数上保留6和8。SIPs主要用于建筑外墙，应和建筑层高和进深等尺度配合，可考虑600 mm×2 800 mm为产品尺寸，它以100 mm为基本模数，既满足普通民居的层高需求，宽度大小也便于人力搬运，便于与其他部件配合。

4.2 SIPs模块的连接方式

SIPs建筑为板式结构，SIPs模块之间采用钉连接，以密封胶填缝，无需梁柱承重,如图5所示。SIPs模块之间常采用的连接有三种：一是在SIPs的EPS芯板处开槽，将相应尺寸的结构面板条塞入，使用钉连接固定，如图6（a）；二是使用SIP板条通过钉钉连接两块墙板，如图6（b）；三是采用规格材嵌入，使用钉连接固定，如图6（c）。测试表明，这三种连接方式中，以规格材连接的方式能为抵抗横向荷载提供最高的强度，而小尺寸SIP作为连接时，其强度与非连接处的SIPs的强度值相当[23]；而通过对三种连接的热工性能测试，得出以SIP板条作为连接的热损失最小。此外， SIP板条加工难度较低，而规格材作为连接时易形成明显的热桥，易产生缝隙降低气密性。

图6 SIP模块间常用的连接方式Fig.6 Typical connections between SIP modules

SIPs作为框架间的填充墙体，或与其他结构形式相结合，需要开发适宜的连接方式。SIPs与CLT相结合的做法已见于实际工程，CLT与SIPs采用榫槽连接，SIP模块沿建筑高度方向搭接（如图7所示）。而SIPs与梁柱式木结构结合的做法尚属少见，结合传统民居的文化内涵与建造习惯以及SIPs面板的受力特点，考虑SIPs模块间搭接的热损失和强度的需求，笔者设计了一种适应传统民居木构架所采用的SIPs模块的连接方式(如图8所示)，并将在传统木构农房示范中进行实际应用。采用该连接方式的SIP模块由硬质泡沫保温板、两侧面板和侧面的构造支撑组成，如图8（a）所示。面板与构造支撑材料相同，选用12mm或15mm厚的OSB板。模块之间采用企口的方式相嵌，面板上下与梁柱之间也采用企口的方式连接[24]，见图8（b）、图8（c）。在加工制造时，先将硬质保温芯材与构造支撑粘结，再在两侧覆面板。减小热桥的同时，在构造上提供一定的强度支持。

将SIP模块与传统木构框架结合，在建造方式和建筑特色上都与传统营造相适应，既能有效改善传统木构民居的热环境，提高抗震能力，也保护了传统民居的风貌，避免了以砖混建筑代替木构农房。村民只需经简单培训便可采用标准化生产的SIP模块完成对自建房的营建。值得提出的是，传统木构架的梁柱也应逐渐采用工厂预制生产的胶合木梁柱，与SIP模块进行更好的配合使用，也解决了原木径级减小所带来结构的安全问题。

图7 实际工程中 SIPs与CLT结合Fig.7 Combination of SIPs and CLT in practical

图8 SIPs模块与传统木构架的结合Fig.8 Combination of SIP modules and traditional wood frame

5 结论与展望

我国农村地区，尤其是西南少数民族聚居地区的传统村落，仍较多地采用木构建筑，木构建筑承载了民族文化的精神与内涵，传统的木构民居是我国非物质文化遗产的物化表现，而现代生活的冲击使得传统木构民居的生存日益艰难。新农村建设的推进是时代交给我们的任务，建设让百姓“记得住乡愁”的新农村，不仅仅要保留珍贵的传统技艺，也要在尽可能保留传统建筑特色的同时结合现代技术改善传统民居存在的突出问题。

建筑工业化时代的到来和现代木结构技术的发展，为传统木构农房的改造找到了突破口，而传统木构农房对现代技术的应用，为木结构，尤其是装配式木结构的因地制宜打开了新思路。SIPs改良的木构传统民居，既保留了传统的文化特色与内涵，也在很大程度上解决了传统民居在热舒适性与节能方面存在的问题，在一定程度上提高了传统木构架的抗震能力，让传统民居更好地适应现代生活。数据显示，仅贵州省共有426个村落列入中国传统村落名录，占全国的16.7%，数量居全国第二，贵州的传统村落以苗族和侗族村寨居多，这表明木结构在贵州地区的需求量巨大，现代木结构技术在农村地区的应用有着广阔的前景。木结构和现代木结构技术将不仅仅为城市建设和旅游产业所推崇，也将在中国广大的农村地区铺开，推动农村建筑向节能环保发展。在不远的将来，木结构也将在中国遍地开花。

致谢：感谢美国工程木材协会（The Engineering Wood Association，APA）为该研究提出宝贵建议与资助。

[1] 朱学莉. 农村建筑节能技术研究及发展综览[J]. 智能建筑,2017(2):61-66.

[2] 田聪, 张伟华, 王文青. 连片木结构村寨火灾早期报警及防控体系研究[J]. 科技通报, 2016, 32(6):209-212.

[3] 刘珊, 闵庆文, 徐远涛,等. 传统知识在民族地区森林资源保护中的作用——以贵州省从江县小黄村为例[J]. 资源科学, 2011,33(6):1046-1052.

[4] 舒尤文. 黔东南州林地资源现状及变化原因分析[J]. 大科技,2017(19):206-207.

[5] 陆步云, 李芳, 周光志. 黔东南传统木结构民居保护与建设项目的研究与实践[J]. 林产工业, 2016, 43(11):10-13.

[6] Michael M. Building with structural insulated panels (SIPs) [M].United States of America:Taunton Press, 2000:1-35.

[7] Medina M A, King J B, Zhang M. On the heat transfer rate reduction of structural insulated Panels(SIPs) outfitted with phase change materials(PCMs) [J].Energy, 2008, 33(4):667-678.

[8] 杜强, 张焕芳, 陆路. 新农村住宅建设应用结构保温板的经济效益分析[J]. 建筑经济, 2012(5):101-103.

[9] Kermani A, Hairstans R. Racking Performance of Structural Insulated Panels[J]. Journal of Structural Engineering, 2006, 132(11):1806-1812.

[10] Jamison J M. Monotonic and cyclic performance of structurally insulated panel shear walls[D]. Blacksburg, virginia: Faculty of the Virginia polytechnic institute and state university, 1997.

[11] Yeh B, Williamson T, Keith E. Development of structural insulated panel standards[C]. Structures Congress, Boston, Massachusetts, 2014.

[12] 谷军明. 村镇木结构房屋建筑抗震构造研究[D]. 昆明:昆明理工大学, 2006.

[13] Vincent J L, Hulme S P, Listemann M L, et al. Fire resistant insulated building panels utilizingintumescent coatings:US, 20070059516[P]. 2007-03-15.

[14] Mcdonald D B. GYPSUM WOOD FIBER STRUCTURAL INSULATED PANEL ARRANGEMENT:WO, 2008124430 [P]. 2008-10-16.

[15] Taniuchi H, Sekino N, Yamauchi G. Fire safety of wooden walls filled with wood shaving insulation panels: Its heat shielding effect and structural safety compared to fiberglass-filled walls[J]. Mokuzai Hozon, 2008,34(2):60-68.

[16] Hopkin D J, Lennon T, Rimawi J E, et al. A laboratory study into the fire resistance performance of structural insulated panels (SIPs)[C]. 6thInternational Conference on Structures in Fire(SIF 10), East Lansing MI,United States，2010.

[17] 阙泽利, 李哲瑞, 等. 交叉层积材（CLT）的开发应用及发展前景[J].木材工业, 2015, 29(6):22-26.

[18] 徐晨. 新型快装板式轻型木结构设计[D]. 厦门:厦门大学, 2014.

[19] Jerry B. Building system for low cost housing[C].Proceedings of the SPI Annual Technical/Marketing Conference, 1984:207-213.

[20] ANSI/APA PRS 610.1 Standard for Performance-Rated Structural Insulated Panels in Wall Applications[S]. Tacoma:American National Standards Institute, US. 2013.

[21] 赵巧艳. 侗族传统民居“象征符号”研究之三 侗族传统民居的指涉性象征符号阐释[J]. 广西民族师范学院学报, 2015(5):8-13.

[22] 李浈. 官尺 营造尺 乡尺——古代营造实践中用尺制度再探[J]. 建筑师, 2014(5):88-94.

[23] Rungthonkit P, Yang J. Behaviour of Structural Insulated Panels (SIPS)under both short-term and long-term loadings[J]. Universiy of Bath the Authors, 2009.

[24] 阙泽利, 陈秋韵, 王菲彬, 等. 一种夹芯保温墙体模块及其与梁、柱的连接结构:中国, 201621492959.2[P]. 2017-07-28.