基于传统榫卯节点的装配式纯木结构构造节点简化研究*

贾 东 张一承

(北方工业大学建筑与艺术学院,100144,北京)

智能建造、数字建造研究在实践中与建造过程的装配化密切相关。 在今天,现存装配式建筑的主要材料是钢材和混凝土,其碳排放系数远高于木材。 木材凭借自身可再生的特点,在合理调配森林资源的情况下,是可持续的“生态”材料。随着我国在1970—1980 年代大量种植的人工林进入成材期,国内木结构建筑市场会逐渐达到可持续发展的良性循环。 充分运用当今技术手段,特别是数字化建造之计算机编程和数控机床加工,进行以木材为主要结构材料和构造材料的装配化建造研究势在必行,这也将在木结构领域为智能建造的研究和实施打下基础。

现代木结构按照材料种类的不同,可以分为纯木结构和混合木结构。 相关研究成果表明,常见的现代木结构所采用的金属连接紧固的节点形式,因金属导热系数较大且节点处的开槽和孔洞增大了构件受火面积,导致节点处防火性能较薄弱。[1]此外,如地震灾区使用的临时建筑等特殊建筑,一般较为简陋,金属连接件暴露在外,容易产生冷热桥,降低木结构建筑的保温性能。 而且金属热涨系数比木材大得多,容易导致节点松动,影响结构的稳定性。 所以在无需高强度节点的小尺度木结构中,改良应用、创新发展传统纯木结构,或是更优的选择。

制约传统纯木结构发展的主要因素之一,是其形式复杂的榫卯节点,无法适应工业化生产要求。 因此,推广纯木结构,首先应实现榫卯节点构造的简化实用以满足构件加工工业化的需求。

1 传统榫卯节点形式及构造特点

在林木繁茂的古代,木结构建筑在取材、加工、建造周期方面具有自身特点和独特的优势,这是中国大多数地域的大多数建筑采用木结构作为其基本结构形式的主要原因之一。[2]经过几千年的积累和发展,中国传统木构架建筑形成了独特而庞大的营造体系,其营造思想、营造制度、营造范式、建造程序、实施过程、节点构造等等,都值得珍惜和不断重新认识研究。 在中国传统木构架建筑营造体系中,榫卯节点作为一种加工方便、便于组合、实用可变的基本节点形式,被广泛应用于各种大小木结构木构件连接,并据此发展出包括斗拱在内的各种丰富多变的节点组合。本文仅论述榫卯节点的基本形式。

1.1 基本形式

在传统矩形框架体系中,榫卯节点多应用在垂直构件与水平构件的连接处[3],在受力工况下,依靠构件之间的阻力和摩擦力实现结构的稳定。 不同的节点类型具有不同的受力效能,例如：馒头榫,可以防止水平构件的水平位移,见图1(a)；燕尾榫,在使用过程中不易出现拔榫现象,见图1(b)；箍头榫,对垂直构件具有一定的稳定作用,见图1(c)；透榫,大进小出,减少对柱子的破坏,见图1(d)；半榫,易出现拔榫,需附加固定构件——雀替,图1(e)；十字刻和十字卡腰榫,两个水平构件的咬合固定,见图1(f)(g)。

还有一些榫卯节点,与上述节点构造原理相似,但可以依靠自身构造实现结构稳定,如“车知栓继仕口四方差”,包含了4 种构件,结合最牢固,在日本一些地区依然在使用,但其构造复杂,不适合批量化的工业生产模式,见图2；还有“三方组仕口”,是三根孔明锁的节点名称,包含2 种构件,构造较前者简单,见图3。

1.2 构造特点

首先,传统榫卯节点构造是传统营造庞大体系中一个分支体系,其用材规格、制作加工、现场组合都有一套以数据及模数关系为基本要素的逻辑支撑,既有其严密性,又会在实际建造过程中,因地因势因材进行调整和变通。

在形体组合上,传统榫卯节点构造的基本组合方式是一种凸凹吻合方式,凸者为榫,凹者为卯,这是两个构件之基本的吻合方式,而随受力功效要求变化及构件个数的增加,凸凹的形式变化变得丰富,并反过来促进构件个数的增长和构件尺寸的变化。[4]在受力功效上,传统榫卯节点构造的基本受力方式包括构件凸凹之间形成的阻力和构件接触面形成的摩擦力,来抵消构件组合所受到的垂直力和顺向力。 而在实际的构件组合受力工况下,构件本身和构件之间的受力关系变得非常复杂,实际上可以承受来自多个方向的应力。[5]在构件成型方面,传统榫卯节点构造的基本构件尺寸很大程度上依赖于天然生长木材的可取材尺寸及其纹理走向、自然质量和保养质量等因素。[6]

在构件加工和组合方面,传统榫卯节点构造需要由通晓材料特性、理解建造程序、掌握工具及加工技能、可以进行现场组装乃至通晓维护做法的专门匠人操作,工程越大越复杂周期越长,则对匠人的专业素质、人员数量、组织效率要求越高。而传统手工工具,如锯、刨、凿等,比较适合加工平整的表面,只有少数工具,如牵钻,可以加工出曲面,但也费时费力,精确度也很难保证。 电动机和定制化刀头的出现,在一定程度上提高了木构件的加工效率,但是,传统榫卯构件形式复杂、组合过程严苛,很难使用现代加工设备直接加工,无法实现高效机械生产,只能采用手工或半手工的加工方式,加工周期长、加工效率低、人工成本高。

综合而言,传统榫卯节点构造本身就是一个独特的集合形体、受力、成型、加工、组合、维护为一体的建造体系,具有规格逻辑严密、构件加工有序、现场调节组装的鲜明特点,而这一些千百年来形成的鲜明特点,与当今建筑建造的装配化、数字化乃至智能化要求不谋而合。 同时,传统榫卯节点构造对于天然木材及维护的材料要求、对于匠人个人及群体的技能和素质要求实际上是很高的,其本身也就具有一定的局限性,而且随着构件组合趋向复杂,其构造原理上的可拆解可重组等灵活性实际上已经无法实现。 而在今天,数字建造、智能建造等专业研究与行业发展,落实在节点构造层面,就是重复构件的精准复制、异形构件的精细加工、不同构件的精确组合。

如何基于传统榫卯节点构造,进行木结构营造体系的发展研究,应该有两个原则：在基本理念方面充分认识到传统榫卯节点构造与当今数字建造、智能建造研究发展有递进基因；在材料选用、构件加工、装配流程等技术层面则应该有深刻而具体的创新和发展,这些创新和发展是丰富多样的,本文重点研究装配式纯木结构构造节点简化,目的在于满足工业化、批量化、装配式、数字化、智能化建造的需要。

2 纯木结构构造节点简化设计

传统建筑木构架体系和传统家具体系基本上属于纯木结构及构造的范畴(竹本、草本等或可归入)。 纯木体系因其材料的膨胀系数基本一致、便于同一工具工艺进行加工、植物环保特性等因素,在过去和在今天都具有独特的优势。 本文聚焦纯木结构构造节点简化设计,也包含对于重组竹新型竹本材料的尝试应用。 而纯木结构发展到今天,按照所用材料几何形态的不同,又可以分为使用线形(杆状构件)材料的框架结构和使用板形(一般是合成木)的板式结构两种,本文主要探讨的是杆状构件的框架结构。

从榫和卯的断面与凹槽的方圆形态去划分,可以把纯木结构构造节点形态划分为榫圆卯节点和方榫方卯节点两种类型。

2.1 方榫方卯节点

传统木结构建筑和传统家具,因加工工具和加工技术的限制,常使用榫和卯的接触面都是平面、断面多为矩形的方榫方卯节点。 在装配式木结构建筑中,此类节点是梁、柱之间最常见的节点形式,也是最主要的传统榫卯节点形式,因其性能优良而沿用至今,其主要优点可概括为三个方面：有明确且高效的荷载传递面,“榫”与“卯”的摩擦面积大,充分发挥木材顺纹受压的特性。

对于手工操作而言,方榫方卯节点的一个平面是比较简易且容易做到准确加工,而一个最简单的方榫方卯由10 个平面构成,形体稍加复杂,就需要加工更多个不同角度的面,也就带来了更多的加工次数,增加了重复准确度的难度。 虽然一些方卯加工可以使用定制刀具,如方孔钻头、燕尾刀等,仍有部分节点无法通过单一刀具来实现,如图1(b)所示燕尾榫等。 而且,定制刀具的适用性一般较差,在机器数量有限的条件下,换刀频繁也会降低加工效率。 原理上简单明确的方榫方卯构造节点,在传统建筑或家具构件加工过程中存在很多问题,在今天其局限性更加明显。

2.2 圆榫圆卯节点

在传统建筑与家具木构架体系中,形式简易、具有圆柱形榫头的圆榫节点表现并不突出,但实际上起着重要作用,尤其在一些辅助部位。

圆榫在木框架中的受力工况主要分为两种：一种是沿构件轴向受力,如圆木拉结节点中的圆木构件,图4 中1 号构件；另一种是作为锚固构件承受剪力,如圆木拉结节点中的圆榫锚固件,图4 中2 号构件,二者常配合使用。 使用该节点进行框架空间拓展时,有错位连接和扩大连接两个常见形式[7],如图5 所示。

较之方榫方卯节点,圆榫圆卯节点有三个主要特点：

1)加工难度大：特别在使用手工工具时,其入卯方向,也难掌握。

2)节点强度不足：圆榫与圆卯的接触面是圆沿法线方向线性延展的规则曲面,之间只是简单的插接关系,易发生旋转,用来抵消沿圆榫轴线方向荷载的应力只有摩擦力,因此在使用过程中易出现拔榫现象。 在小尺度家具构架中,有胶黏剂的加持下,力学性能尚可,当其尺度扩大到建筑结构尺度后,会出现结构不稳定的情况。

3)加工面大大减少,一个最简单的圆榫圆卯由4 个面构成。 但是当圆榫之间成一定角度时,则难以加工。

以电动工具为代表的机械加工工具在木制品加工领域的应用,促进了圆榫圆卯节点在更大范围内的应用。 在电动工具钻孔、铣削等加工工艺中,可实现刀的最短路径,不仅节省材料,还能极大地提高加工效率。 圆榫圆卯节点的装配也十分简易,不同构件的功能易识别,且只需用胶黏剂粘结加固。 此类节点现已广泛应用于家具板材之间的拼接、板件或构件之间的连接,成为一种原理与燕尾榫功能相似,但操作更为简易的“新式”榫卯节点。[8]

辩证地看待圆榫圆卯节点的三个特点,特别是积极发挥其加工面少的优势,将其与现代工具工艺特别是数字建造技术相结合,进行计算机编程和数控设备的综合应用,圆榫圆卯节点及其衍生研究具有构造研究意义和建造实践意义。

2.3 “方-圆”节点与“节点组”验证方法的提出

“方-圆”组合节点是本文提出的一种新型节点(下文统称方-圆节点)：使用方榫方卯作为母版并简化,与圆榫圆卯加工面个数少、便于快速加工、便于装配优势相结合,充分利用计算机编程和数控设备的精确操作和重复的特点而探索实做的一系列组合节点。 本文仅以“三方组仕口”的简化为例,展示方-圆节点的设计过程,整个过程可分为“工序简化”“节点拓展”“节点组”三个步骤：

1)工序简化。

选取“三方组仕口”作为简化母版,制作了简易“三方组仕口”实物模型,见图6,以检验实际几何形状操作性能。 在加工组合的过程中,我们发现图3 中的竖向构件形状较难适应快速简便标准加工。 此外,当构件尺寸更变为数倍的实际尺寸时,将会造成图3(b)到(a)组装过程种移动产生的摩擦力过大,降低装配效率和精确度。

根据所出现的实际问题,设计了第一代“方-圆”组合节点,如图7 所示：竖向件分为上下两段,中间通过独立的圆榫连接,避免了安装过程中的竖向构件转动所产生的摩擦力；底部竖向件的顶面内收成台,与两根相互搭接、夹角为90°的水平构件形成凹凸吻合关系,传递竖向荷载的同时增大接触面；顶部竖向件与水平件搭接处设置45°斜面,受压工况下可增强稳定性；竖向圆榫连接附件的上下两端,利用小直径圆榫锚固,较大程度保证了木材顺纹受压。 节点利用常见的打孔、镗孔、铣切工艺即可实现快速加工,以此节点可实现单体框架的搭建,如图8 所示。

2)节点拓展。

借鉴“车知栓继仕口四方差”原理,将主要的构件断开,在节点处实现拼接,形成第二代“方-圆”组合节点,见图7。 以此为基础的可拓展方形框架和多边形框架如图8 ～9 所示。

3)“节点组”验证方法的提出。

为了高效的研究各方-圆节点的不同特征,笔者将不同节点整合至一个方形框架中,称之为“节点组”,为后续加工实验提供一个前期方案。

在“节点组”中,各节点以图12 所示构件标号进行编号(例如将标号为1、2、10 的三个构件相交的节点编为2001-02-10),2001-02-10 节点为“三方组仕口”,其他7 个节点属于方-圆节点,每个节点的受力工况和拆装难易程度因其与空间斜撑、平面斜撑的相对位置变化而各不相同。

3 “节点组”加工装配

3.1 实验平台概况

实验平台为北方工业大学建筑营造研究团队(North China University Of Technology—Architecture System Of Technology,简称NAST)的智能建造机器人实验室。[9]实验过程使用的硬件设备主要是KUKA KR60-3 型号机械臂,使用的软件包括Rhino、Grasshopper 及其插件Karamba 和KUKA|prc,分别负责节点推敲、参数化建模、整体受力模拟和可视化编程。

实验基本遵循NAST 数字建造基本工艺流程：利用Rhino 和grasshopper 参数化生形；借助karamba 插件和遗传算法,在材料抗拉、抗压性能和弯曲变形能力已知的情况下,模拟构件最优截面尺寸；使用KUKA |prc 插件,对机械臂的刀路进行编写并模拟,以保证加工过程中的安全性；将程序导入机械臂,进行构件加工；构件拼装。

主要的加工材料——榉木,在明清传统家具中应用较广,坚固、抗冲击、蒸汽下易于弯曲,且含油量少,在原生木材中属于较理想的实验材料。 此外,在实验中还使用了少量的工程材料——重组竹,与传统材料进行对照。

3.2 “圆榫圆卯节点”组装检验

“节点组”中方-圆节点所包含的圆榫圆卯,在实际建筑结构中使用不多。 我们设计了四脚方椅和三脚圆凳加工实验,分别验证其锚固性能和连接性能。 之所以选择家具的形式,是因为具有较强的可操作性和可重复性,并且与装配式木结构建筑具有很多相似之处：都可以分为竖向承重构件和水平承重构件,两者都有其限定的空间,工序都是预制装配。

1)四脚方椅,见图13：椅腿之间使用水平圆杆拉结,圆榫锚固,其他的连接用更牢固的燕尾榫替代,以排除其他因素干扰。 最终实物模型如图14 所示。 在外力作用下,方椅整体性良好,但构件会在节点处以圆榫为轴,发生轻微的旋转,导致结构框架变形。

2)三脚圆凳,见图15：凳面和凳腿之间仅使用三组不平行的圆榫连接,凳腿和水平杆之间、水平杆和水平杆之间使用构件咬合、圆榫锚固的连接方式。 加工出的构件以及最终完成的实体模型如图16 所示。 在实际测试中,凳面和凳腿在不使用胶黏剂的情况下易发生脱落,其他两处节点表现良好。

实验结果表明,圆榫难以满足独立连接件的功能要求,只作为锚固件是可行的,但在结构中不宜平行布置。 因此,笔者对“节点组”框架中圆榫锚固件进行了改进设计,将圆榫空间交错设置,防止竖向构件发生角度偏转,如图17 所示。

3.3 “节点组”框架加工组装

在“节点组”框架实物模型加工之前,首先进行了多次模拟拆装,排除可能的设计失误导致的未知问题,见图18。 此外,为了探索工程材料和传统材料在铣切工艺中的差异以及工程木在方-圆节点中应用的可能性,标号为5、6 的两个构件改用重组竹材料。

重组竹是一种将竹材重新组织并加以强化成型的一种竹质新材料,其密度、硬度远高于传统材料。 它在铣切加工过程中需要采取降低刀头移动速度、减少每次铣切厚度等措施来减少震动,以提高加工精度,见图19。 重组竹材料难以被压缩,导致其节点容错率低于传统材料,对加工的精度要求更高。 可见,使用工程材料会大幅限制加工效率,当传统材料的性能满足需求时,尽量使用传统材料。

在实物框架的组装过程中,方-圆节点虽然比“三方组仕口”构件多,但装配更简易,效率更高。 圆榫锚固的简易节点形式使装配效率得到明显的提升,各简化节点的稳定性和拆装的简易性得到验证,平面和空间斜撑对整体装配的效率稍有影响,但框架稳定性得到明显的增强,拼装完成框架如图20 所示(由于加工与模拟有一定的差异,因此实物模型的节点分布略有调整)。

3.4 节点简化程度分析

由于木构件采用“减材”成形的加工形式,当材料种类、质量要求、加工工具等条件不变时,加工过程中机械臂姿态的调整次数和节点处所需“减”去的最小体积是影响加工时间的主要因素,这在实际加工中得到了验证。 因此,本文选取这两项指标作为判定各节点简化程度的标准,各取0.5 的权重值,计算结果如表1 所示。

4 方-圆节点体系应用构想

表1 节点简化程度统计

我国疆域辽阔,是世界上遭受自然灾害最频繁的国家之一。 自然灾害期间,一般会有大量的应急建筑被用来满足灾民的基本生存需求,应急建筑也因此成为灾民的临时避难所。 现以地震灾区应急建筑为例,对本文所研究的方-圆节点的实际应用方式做一些的研究性的设计。

应急建筑一般是指在自然灾害时期提供的庇护场所。 我国目前使用最多的应急建筑类型为活动板房,它具有运输、储存较方便,节点较简化,建造较迅速等优点。 但是,板房类建筑只能满足灾民最基本的生存需求,缺乏人性化的关怀,在建设过程中需要组织专业的施工人员来搭建,也会对周边环境造成破坏。 而且在灾后交通暂时中断的情况下,在森林资源丰富的地区,使用木材作为应急建筑的建造材料,不仅符合就地取材的原则,还能够利用木结构优越的抗震性能减少地震的二次伤害,具有非常重要的现实意义。

4.1 应急建筑特点简析

在世界范围内,有不少优秀的建筑师在应急建筑领域作出了突出的贡献。 坂茂于1995 年日本神户大地震灾后重建期间设计的纸管屋、纸教堂,于2006 年设计的多次使用在地震灾区的纸隔间,藤本壮介设计的新型软质应急建筑“空气拉伸屋”等都是具有代表性的作品。 由此可总结出应急建筑的一些典型特点：

1)结构轻量化。

应急建筑采用小型、轻质的构件,不仅具有节约材料、便于加工、方便运输、快速装配的优点,在资源有限的情况下,也能为人们提供尽可能多的室内可利用空间,轻量化的结构在面临余震和不稳定地质条件的威胁时具有天然的安全优势。

2)构造简约化。

构造的简约化设计,有效提高了构件加工的效率,也在施工设备缺少的地震灾区,使更多的人在未参加专业培训的情况下参与建造,是提高建造效率的必要条件之一,可以为灾民的紧急安置赢得宝贵的时间。

3)环保可持续。

以活动板房为代表的应急建筑仍然为我国的主流选择。 为了给临时居住区提供平整的场地,常常在城市之外的耕地或绿地区域使用大量的混凝土材料建造地坪,可能造成环境污染。 因此,新的应急建筑类型应考虑其全生命周期内的能耗以及对环境造成的破坏,这就要求材料可回收,并尽可能适应环境现状,减少人工干预。

4.2 基于方-圆节点的概念设计

参考应急建筑特点,以表1 数据为依据,选取简化程度最高的2003-04-12 节点和2007-08-12 节点(2005-08-09 节点的横向受剪构件截面过小,不满足在建筑中应用的要求)进行休息单元和校舍单元的概念设计,见图21 ～23。

这两项设计,都使用纯木结构形式,其柔性体系的特性可以在一定程度上避免余震带来的安全问题。 采用方-圆节点和规则几何形态的建筑构件,可以满足建筑构件的快速加工、运输和装配。 低技术的搭建方式,建造者不需要经过专门的培训就可以参与。 建筑整体架空处理,能适应地形变化,尽量减少对环境的破坏。 空间分隔使用软质半透明树脂等有机材料,以消除沉重、封闭的砖石、混凝土给灾民带来的恐惧感。 建筑内部使用暖色的灯光,经有机材料隔墙散射到外部,营造出宁静、温暖、安详的氛围。

5 结语

本文综合方榫方卯节点构造稳定性和圆榫圆卯节点构造高效性,设计并验证了具有实践意义的“方-圆节点”及“节点组”框架,是对传统榫卯节点构造的深入学习和积极发展,从数字建造层面对纯木结构构造领域研究具有创新意义,为今后的节点构造应用设计和实物实验打下了基础；从智能建造、装配式建造层面对探索和推进我国装配式木结构建造体系具有实践意义。