更新改造模式对大理传统白族民居整体性能的影响

赵 静，李筱琪

（大理大学工程学院，云南大理 671003）

大理传统白族民居是大理地区白族传统的以木构架为主的合院式民居，经济发展和功能需求的改变，传统民居的更新改造不可避免。

1 传统的民居形式及存在的问题

大理传统白族民居是带厦廊的合院式民族建筑，平面布局形式有一正一耳、一正两耳、两房一耳、三坊一照壁、四合五天井和六合同春等。传统白族民居承重结构为木构件承重，木构架一种是由山架、穿斗式构架，设有中柱；另一种是中间的两榀的中间架，为便于室内空间的灵活使用皆不设中柱，用抬梁式构架〔1〕。各榀屋架间搭以纵向的承重檩条，以及联系用的枋木，檩条上钉上椽条，传统民居的墙体主要有夯土墙、土坯墙、砖墙、卵石墙等。白族传统民居的屋面主要构件是筒瓦和板瓦〔2〕。

根据文献〔3〕研究，传统民居在现代社会环境中主要存在以下的问题：

（1）传统普通民居设计和功能上的缺陷，无法满足居民的现代生产生活方式，导致对传统普通民居的满意度远低于现代钢筋混凝土建筑。

（2）传统普通民居建筑材料的耐久性不足和施工过程的不可控因素，直接影响了民居的结构性能。

2 目前传统民居更新改造的模式

民居是活态的建筑，不断的更新发展是民居的基本属性，并且更新改造的实践是通过民居使用者自发地进行，形成不同的更新改造模式。

2.1 以提升功能空间为目的的更新改造模式随着社会经济水平的提高和生产生活方式的改变，传统民居在空间布局和使用功能上都不适应现代的居住需求。与此同时大理地区旅游业发达，在旅游蓬勃发展的地区，许多民居还兼具旅游服务的功能，空间功能增加，导致民居的更新改造发展迅速，实际施工案例较多。

如图1 所示，大理传统民居营造的居住环境与现代的审美要求区别较大，在更新改造的过程中，居住环境的改造是重点，主要改造的是院落地面铺地，增加水景，布置照明系统，建造符合市政排放要求的给排水系统，人畜生活区分离，极大地改善了居住空间的卫生环境，使得传承几百年的传统民居融入了现代居住环境的风格。

传统民居的平面布局主要为满足居住和农耕生产活动等，然而现代生产生活方式发生了巨大的变化，农业生产不再是主要的生产方式，生活模式也在发生着巨变。从图1 中可以看出，传统民居的二层空间，一般都是作为储存、祭祀的空间，而在现在的民居更新中被改造为具有现代生活设施的起居室和卧室等。

图1 大理传统民居的布局更新（摄于王家院）

传统民居原来的使用者，从事的主要是农耕活动，往往人畜共居，在居住空间内部完全没有考虑排污和给水等问题，而具备卫浴设施是现代居住空间中一个非常重要且必不可少的部分，如图1 所示对传统民居中的卫浴设施更新改造，普遍存在于所有的民居更新改造中，区别在于不同使用者采用不同的改造方案。

综上所述，传统民居存在的所有不能够满足现代居住需求的缺陷，在目前已完成的更新改造的工程实例中，都进行了更新改造，使得传统民居具备现代居住必需的电气系统、给排水系统等，这是传统民居原本不具备的功能，为了实现这些功能在更新改造的过程中必须采用新的材料，采用原本不会用于传统民居的建造构造材料和措施。

如图2所示的更新改造模式主要是针对功能空间的改造模式，此种类型的改造能够提升传统民居的居住品质，在旅游业发达的地区和经济较发达的地区需求较大，完成的工程实例较多。而在经济欠发达地区，更新改造的模式的重点并非是提升空间功能，而是保证传统民居正常使用而进行的更新改造模式。

2.2 以加固性能为目的的改造模式大理木结构民居多采用穿斗木构架形式，这种木构架每榀构架有3～5 根木柱，木柱顶部、中部由穿枋连接，构架上部的短立柱也用穿枋连接〔3〕。其结构的承载能力取决于木材性能、构造质量和使用环境。然而自建传统民居未纳入国家建设管理程序，既无图纸，也无正规的施工单位，多数民居是由亲戚和村民参照别家的房屋搭建而成的，施工质量难以得到保证，会出现新房即危房的情况〔2〕。

如图2所示，为了保证民居的结构性能，所以传统民居会进行针对构架系统及维护系统的更新改造工程，尤其在高烈度区，这类更新实践必须做到既达到技术要求，也要利用农村当地的工匠，总结相关的经验，进而应用于当地的建设。

对于普通民居木构架加固性能改造模式主要有铁件加固、斜撑加固和替木加固〔4-5〕等，而在实际施工过程中，介于地方技术力量薄弱的问题，改造后的结构性能无法达到预定加固要求，更严重的会因破坏原有结构体系的整体性而破坏木结构原有的结构性能。

图2 大理传统民居的结构性能的更新（作者自摄）

3 目前传统民居主要的更新改造模式产生的问题

传统民居通过更新改造后，功能发生了变化，使用了新的材料，采用新的构造方式进行建造，民居结构在承担新的功能的同时也需要面临新的材料、新的构造方式带来的问题。

3.1 新材料和新使用环境对传统民居性能的影响传统民居建筑材料主要以土木为主，承重结构为木构架，外围护结构为夯土墙或土坯墙，以粘土烧制的筒板瓦敷设屋面，以木格栅和木面板做楼板，木隔断做内部空间分隔。如图3 所示，在更新改造的过程中，当地的工匠会采用现在主流的材料混凝土、砖砌体、钢筋、水泥砂浆等，使用这类材料与传统材料性质有明显区别。

在建造和建成使用期间，新的材料会改变木结构所处的酸碱环境，木材的酸碱性质是木材的重要化学性质之一，研究表明，绝大多数木材呈弱酸性，这是由于木材中含有醋酸、蚁酸、树脂酸以及其他酸性物质，木材在存储的过程中也会不断地产生酸性物质〔6〕。木材和木构件在长期储存、加工或使用时对外界酸或碱的平衡或者抵制能力，这种能力为木材的缓冲容量。当采用了大量的碱性材料，会改变传统木结构所处外部环境的酸碱度，会消耗木材本身的缓冲容量。木材是天然形成的有机高分子材料，外部化学环境的改变一旦超过材料本身能够承载的限制，会严重地影响木结构的性能。

如图1、3 所示，更新改造的传统民居在施工和使用过程中，处于潮湿环境的比例变大且湿度大，而原有传统民居在使用的过程中基本上不涉及有水环境，在建造的过程中木结构需要保证接触环境的相对稳定，过分潮湿和过分干燥对木结构的性质稳定均不利。

图3 大理传统民居的结构性能更新的施工过程（来自营造笔记）

木材有从空气中吸收水分或向空气中蒸发水分的性质，木材中水分含量的多少和周围环境空气中的相对湿度和温度有很大关系。对木结构建筑用材来说，木材吸湿性是一个重要的性质，是在木结构建筑设计和木构件加工时应考虑的一个因素。在相同的大气温度和相对湿度条件下，干燥的木构件在吸湿过程中所能够达到的最大含水量总是低于潮湿的木构架在解吸过程中所能达到的最小含水量，它们的平衡含水率曲线之间总是不相吻合，存在木材吸湿滞后现象〔7〕。木材在空气中吸收水分和散失水分的速度相等，达到动态平衡、相对稳定时的含水率即木材平衡含水率〔5〕。木材平衡含水率在木结构设计和木构架加工中具有重要意义，木结构在加工前，必须将木材干燥到与使用地区相适应的平衡含水率，才能保证质量。

在使用过程中，如果使用环境中的湿度、温度和酸碱度不稳定，木结构材料就会长时间处于物理和化学不稳定的环境，加之长期荷载作用下，会加速木材的化学腐蚀和降低木构架的承载能力，导致传统民居结构的整体性能下降，甚至无法满足使用的要求。

3.2 新构造做法对传统民居性能的影响如图3所示，为了达到更新改造的功能要求，在建造的过程中，会用砖砌体、混凝土楼面等替代原有的简单的木隔墙和木楼板等，这样产生的直接影响就是作用于木构架的荷载发生了巨大改变。荷载统计〔8〕见表1。

表1 荷载统计表

在结构设计中，需要考虑同一时间出现的各种荷载的情况，考虑的主要荷载组合情况为承重能力极限状态计算时的基本组合和正常使用状态下的标准组合。传统民居的开间为3 m。GB 50068-2018《建筑结构可靠性设计统一标准》〔9〕，恒1.3，活1.5。见表2。

表2 楼面荷载计算统计表

木结构中的木构件在长期承受静荷载时，变形将逐渐增加，若荷载很小，经过一段时间后，变形就不再增加，当荷载超过某极限值时，变形不但随时间而增加，甚至使木构件破坏，所以必须考虑木构件在长期荷载下产生应力的情况。变形随时间而增加的性质，即弹性和黏性这两个性质在木构件承受荷载时，应同时予以考虑。

在恒定的应力下，木构件应变随时间而增加，如果梁承受的恒载为最大瞬时恒载的60%，受蠕变的影响，大约一年就破坏了〔7〕。木构件使用时承受不超过比例极限的荷载，由于蠕变而形成持续的、速度是递减的变形，直到破坏时所发生的变形量大约是前一种情况的变形的2倍〔6〕。所以木构架在使用过程中承受的荷载不能够超过限值太多，新的构造做法会大幅度地增加木结构的承载力，导致木构架的破坏。

建筑木构件长期承受较高的荷载，木材含水率的变化对于木构件的长期变化是有影响的，特别是在高含水率的情况下，传统民居常用的云南松等针叶树材在含水率不发生变化的条件下，施加静力荷载小于木材比例极限强度的75%时，可以认为是安全的。但是含水率变化条件下，大于比例极限强度的20%时，就可能产生蠕变，随时间延长最终会导致木构架破坏。

木材产生塑性变形需要的荷载比产生黏弹性变形要大，当塑性变形出现后，纤维素的结构破坏，因此，荷载超出木材的持久强度，木构件会破坏，超过越多，破坏越快〔7〕。

木材这类黏弹性材料在外力作用下产生变形，长时间观测就会发现，如果变形不变，对应此恒定变形的应力会随着时间延长而逐渐减小，木材这种恒定应变条件下应力随着时间延长而逐渐减小的现象称之为应力松弛现象〔6〕。木材的应力松弛是木材承受静荷载后，在应变为常数的情况下，应力损失的时间速度〔6〕。开始的荷载要大，借以产生应变，但是为了保持应变为常数，必须使荷载随时间而递减。如图3所示，在民居的更新改造过程中，为了改善功能，加固性能，木构架的荷载不仅不递减，还大幅度地增加。

在实际的更新改造过程中，潮湿的环境、不稳定的酸碱度、荷载增加对于民居传统木构架的性能都提出了新的挑战，需要有可靠的措施解决其带来的不利影响。

3.3 不同结构形式组合使用对传统民居性能的影响如图3所示，传统民居在更新加固的过程中，为达到提高性能的目的，会利用钢结构框架与原有的木结构共同工作，两种截然不同的结构形式组合使用，是否能够协同工作以及对结构性能提高的贡献，是需要科学验证的。从理论上，钢结构框架是刚性结构，而传统木结构的木框架是柔性结构，各节点体现的是半刚性的结构性能，所以在水平荷载等作用下，两者抵抗荷载的途径截然不同。将两者组合，没有可靠的设计分析和解决连接问题，不仅没有办法提高结构性能，甚至反而削弱传统民居木构架原本的柔性结构的抗侧力性能。

4 可能的解决措施

（1）针对更新改造过程中带来的使用环境的改变，在改造前必须对原有的木构架提前进行处理，需要对木材料的表面缺陷进行嵌补，采用高分子材料进行防腐处理，以提高木结构材料抵抗新环境带来的不利影响的能力。

（2）提升空间功能方面应在保持原有材质的前提下，采用对原有木构架整体性能影响较小同时又能够实现功能的构造方式，比如采用隔音棉夹层木板墙、轻型木结构墙体等。

（3）通过可靠的理论分析计算和实验分析，明确更新改造过程中对原有木构架性能的不利影响，提出可靠的改造方案以及标准构造图集以指导传统民居更新改造的工程实践。

（4）用现代工程管理和质量控制的方式来指导工程施工，才能够保证传统民居结构的更新改造后的安全性。需要对原有的业主和工匠组合进行更新改造的工程实践的模式进行变革，以解决传统民居建造工匠因知识储备和经验不足带来的更新改造过程中的技术问题，一味地以满足功能性要求而对传统民居进行野蛮的破坏性改造是对传统民居的破坏，特别是一些建造年代久远的传统民居。

5 结语

大理传统白族民居在现代化更新改造之路的实践中，为了解决功能需求采用了原本传统民居不曾使用的新材料和新的构造方式，为民居的发展探索出新的方向，然而在实践中，更新过程中的措施也改变了传统民居的使用环境和构造形式，对更新改造带来的不利影响进行定性的分析，提出可能的解决措施，为大理传统白族民居的更新改造之路提供科学的技术支持。