模块化设计——小尺度木结构建筑入门教案研究

舒欣/SHU Xin

0 引言

作为新兴的结构体系，以北美、欧洲和日本为代表的现代木结构体系在过去20 年间取得了飞速的发展，在小尺度、高层与大跨度建筑中均得到广泛运用。欧洲的瑞士苏黎世联邦理工大学建筑学院、德国斯图加特大学建筑学院、英国AA 建筑联盟学院等均设置了木结构建筑的教学课程[1]；日本拥有世界一流的木结构建筑技术，强调木结构实践课程教学，其中东京大学和京都大学甚至将木结构课程纳入日本一级建筑士的考试科目。北美的加拿大一直将木结构作为主要的建筑结构体系，在木结构建筑相关高等教育方面也处于世界领先水平。加拿大英属哥伦比亚大学在林学院环境资源科学系设置了木质构造科学专业，课程涵盖了木结构构筑物、木结构住宅和木质家具等相关的各项内容，并涉及到抗震构造、室内热湿环境的性能分析，以及木质材料的物理性质和新材料开发等工程技术手段的传授，培养了大批优秀的木结构工程技术人员。

与此同时，国内的现代木结构设计和研究方兴未艾，为了提升大学生对现代木结构建筑的认知和创作能力，各高校也逐步开展木结构建筑设计教学。南京林业大学于2007 年设立全国第一个木结构建筑工程本科专业，北京林业大学、西南林业大学等林业学院也随后成立了相关专业，并主要承担了我国木结构建筑技术人才的培养任务。同时，哈尔滨工业大学、同济大学、东南大学和上海交通大学等一些设有建筑学专业的高校也相继开设了相关课程，然而木结构课程一般设置为选修课，大约20个课时左右，通过学习，学生仅能了解木结构的一些基本概念和知识，而不能深入掌握木结构设计和分析计算方法，导致学生在木结构方面的整体设计与实践能力薄弱。这与我国逐步推进木结构建筑发展的社会需求存在一定脱节。木结构建筑设计教学需要融合功能、结构、形式和节点等诸多元素，从而实现建构技法和美学表达的平衡。

1 木结构建筑教案的设定

1.1 教学对象定位与教学内容分析

木结构建筑学科作为建筑学的分支，应当注重综合性的知识培养，既需深厚的人文艺术底蕴，又应具备扎实的工程技术知识。不同于国内多所院校将木结构作为通识课程设置在二三年级的做法，南京工业大学建筑学专业将木结构建筑设计课程安排在建筑系大四上半学期开设。大四学生对建筑结构、建筑构造、建筑材料等技术主干知识，以及建筑美学、环境行为学和景观生态学等相关学科知识都具有较为完备的认知基础，但要将这些知识融会贯通地运用于木结构建筑设计中，仍需进行系统的课程建构。

自2015 年以来，经过与加拿大英属哥伦比亚大学林学院的持续性交流学习，建筑系开始引入木结构设计相关教学体系。教学体系围绕木结构理论和木结构建筑设计两个模块展开。其中，衔接设计课程的理论教学课程分为木结构材料、木结构构件、木结构连接、梁柱式木结构设计、胶合木框架结构设计、胶合木空间结构设计、轻型木框架结构设计、施工工法及构造、木结构防护等9 个教学板块，从而形成完整的知识结构体系，引导学生设计思维的扩展与延伸（表1）。在授课过程中注重不同专业的多元化交叉教学，建筑系教师负责木结构建筑设计方面的教学，而涉及木材性能则由木材加工专业背景的教师授课，多学科的融合取得了良好的教学效果（图1）。

表1 木结构建筑理论教案课程安排

1 木结构理论课程中木结构构件加工与性能测试的实操教学

结合木结构建筑特点，设计教学课程设置了包含概念生成、方案设计、材料选择、结构设计和性能分析的整合教学体系，教师对整个设计过程进行全程指导。同时，结合每年举办全国木结构设计邀请赛进行课题设置，以赛代练，激发学生的创造灵感和创新精神，提升专业技能，并与其他高校共同搭建良好的木结构建筑设计学习和互动平台。

1.2 从大尺度到小尺度的转变

现代木结构是由各种工程木材料装配建造形成的一种新型木结构体系。在材料层面，其采用的层板胶合木（Glulam）、正交胶合木（CLT）和钉接胶合木（NLT）等复合材料具有自重轻、强度大的特点，集成了工业创新的智慧[2]，其全过程的工厂预制性彰显了装配式建造的多项优点，具备广泛的适应性。现代木结构体系对“大尺度”建筑可谓情有独钟。作为钢材和混凝土的有效替代结构，现代木结构不断拓展其应用边界，屡屡以装配式木结构空间形式出现在游泳馆、滑雪场、会展建筑等大跨度建筑中[3]。在这些建筑中，木结构设计更偏向于木材特性的优化和结构体系的选配，建筑设计介入其中的深度和发挥的空间存在一定的局限性。

因此，结合建筑教学特点，设计课程进行了相应的教学改革，从大尺度建筑转向小尺度建筑，从复杂结构体系的设定转为系统设计方法的置入，同时明确了以模块化设计为主线的教学方法。设计教案设定3 种建筑类型——智慧书屋、度假小屋和公交站亭，建筑场地兼顾城市和景区，面积控制为100m2以内，学生需运用模块化设计手法将建筑形态和空间有机结合，同时兼具结构的合理性与可靠性，通过突出木材料、木结构和木构造技术等木建筑特征表达建筑的文化感、自然感及生态性（图2）。在这种条件下，建筑功能和环境的差异赋予了木结构设计多种可能性。

2 通过实体模型推敲小尺度木结构建筑的模块化设计（1.2摄影：舒欣）

作为木结构建筑的入门教案，它回应了结构设计与建筑设计相结合的问题，并置入于小尺度建筑中，学生须以建筑师的视角通过贯穿始终的模块化设计操作不断优化建筑结构、空间、造型、表皮和节点表达[4]。小尺度设计能够突显建筑与结构要素的关系，引导学生关注空间、表皮、结构等本体元素的操作[5]，培养综合解决设计问题的能力（表2）。同时以小见大，利用小尺度建筑的全要素训练理解大尺度木结构建筑设计[6]。

表2 小尺度木结构建筑设计教案内容

2 以模块化设计介入的小尺度木结构建筑教学

模块化设计需要将建筑划分为不同的模块单元，通过模块构件之间的组合连接形成建筑整体[7]。现代木结构建筑是以装配式体系为基础的，模块化设计能够实现木材资源的有效利用。在此课程中，模块化设计的介入不仅意味着装配式建筑基本要素的设定，同时还要以建筑设计构思为出发点发展设计[8]。这对学生综合解决设计问题的能力而言，是一个新的要求和挑战（图3）。木结构建筑的模块化设计主要可以从结构模块化、表皮模块化和空间模块化3 个层面展开。

3 木结构建筑教学中的模块化设计练习（绘制：袁亦）

2.1 从建筑美学出发——结构模块化设计

结构作为木结构建筑的关键要素，是其艺术化表达的物质体现。木结构体系一方面为空间塑造提供了载体和力学支撑，也对建筑形式产生了约束作用[9]。从建筑美学出发，结构模块通过叠加组合能够创造完整的建筑造型，并借此实现室内空间、光影效果和功能塑造，从而引发生动的建筑体验[10]。

该木结构智慧书屋选址于北京朝阳公园，其公共性的要求使设计聚焦于建筑形式美学的创造，试图用极简的几何形态展现书屋高雅的文化气息。经典的三角形构图被选做原型，以充分展现木结构建筑的结构与材料之美。作为形态本体的三角形结构体系在保证自身稳定性的前提下，能够打破以往规整建筑的统一感，给人带来精致典雅的感受（图4）。

4 三角形结构体系组成的木结构书屋（绘制：柏君来）

在结构设计中，建筑选用预制正交胶合木（CLT）作为独立的承重构件，将相互对称的CLT折板搭接形成三铰拱结构模块单元，通过12 榀相同模块单元的组合成为建筑整体；同时考虑到预制装配的便捷性，在地基铺设完成的基础上，只需将CLT 模块插入柱脚预埋金属件即可完成模块单元的组建，并在保证自身稳定的情况下进行下一榀的搭建（图5）。木结构模块组成了建筑的结构体系，与之相连的磨砂玻璃则赋予了室内空间曼妙的光影体验，散发出无穷的艺术魅力。

5 木结构书屋的结构模块分解与装配（绘制：柏君来）

公交站亭设计则选址于风景秀丽的UBC 校园内，需要包含凉亭、等候室和卫生间等功能空间。设计的愿景是提供能够捕捉周围景色的休息空间，并以简洁的结构形式表达出公交站亭伸展而流动的形态。同学们从V 型柱这一原型出发，通过连续的排列组合形成空间网架结构，拟态出极具动势的流动空间。V 型木构架在塑造极简的室内空间的同时，也巧妙地限定了周围的环境，实现了框景效果（图6）。

6 以V型柱为原型的木结构空间网架结构公交站亭

在节点设计上，所有V 型柱结构体系的木柱断面为矩形，与主梁相连接。木梁柱构件之间的连接节点均采用内插T 型钢板并用螺栓与销钉固定，这种连接方式能够避免构件连接节点的工业感，从而保证木结构整体形式的抽象感。同时利用过渡铁件连接混凝土基础墩柱和木柱，以实现对柱脚节点的有效防护（图7）。

7 公交站亭木结构体系与节点设计（6.7绘制：吴长荣，邵逸凡）

2.2 从气候条件出发——表皮模块化设计

除了形式与空间，表皮无疑是学生最为熟悉的建筑元素[11]。作为自然界与室内之间的物质界面，建筑通过表皮塑造内部空间，过滤外部气候环境。事实上，表皮的气候适应性设计与模块化设计相辅相成：气候条件为表皮模块的设计和组合提供了逻辑与依据，表皮模块的设计和组合又为应对气候环境提供了物质基础与技术支撑[12]。

度假木屋位于黑龙江大兴安岭地区的原始森林景区，严寒的气候与施工装配化需求一方面成为制约设计的主要问题，同时也为设计概念提供了创意来源。设计将切入点定位于建筑表皮，运用解构与重组赋予木材适宜环境的建构意义[13]，集中解决木结构建筑的装配性与保温性问题。同学们创造性地将传统井干式住宅的承重方式与现代轻型木结构的墙体构造手法相结合，设计出集承重、保温、防火及饰面等多种功能于一体的复合型木结构表皮模块。作为承重结构，墙体模块采用规格材，内填EPS 保温层，外覆饰面板，并结合钢材墙骨柱增加结构稳定性；屋顶模块则以CLT 屋架作为支撑结构，其间铺设屋面板、石膏板和保温层形成整体屋面（图8）。

8 木结构度假木屋表皮模块与构造

依照规格材性能与人居适宜尺度，墙体设定了从220mm～5400mm 不同尺度的10 种基本模块，及30°和45°两种坡度的屋顶模块。模块设计充分考虑木结构的装配性与灵活性，可根据不同需求进行设计和拼装以缩短建筑搭建时间与成本。设计同时提供了3 种表皮模块组合形式的可能性，包括单坡式木屋、双坡式木屋和单坡变式木屋，多种模块的设置能够灵活适应不同的建筑造型需求，丰富建筑类型（图9）。

9 木结构度假木屋表皮模块类型及组合方式（8.9绘制：程惠南）

智慧书屋则以一种架空的姿态附着在场地上，留出了足够的休憩与娱乐空间。通过抬高，可以提供各种空间配置、多种功能及活动。室内木构架完全暴露，暖色调产生的膨胀感加强了建筑的庇护性，这是一种适合阅读、休憩的良好空间氛围（图10）。整栋书屋皆由木构组成，展示了木质产品的多功能性，是对木结构建筑可能性的探索。

10 全木构体系组成的智慧书屋

书屋是围绕被动式气候设计开发的，为了满足北京的气候需求，建筑中心设置采光井，夏季在引入光线的同时能够促进烟囱效应带走多余的热量；建筑表皮采取木格网框架为外围护支撑结构，其中填充木构砌块实现冬季保温。砌块采用规格材，内填玻璃钢纤维棉保温层，外覆饰面板，并结合木墙骨柱以增加结构稳定性（图11）。木制表皮既符合建筑热工要求，也有呼应结构、技术的意义。

2.3 从功能需求出发——空间模块化设计

现代木结构建筑创作超越了建筑形式的刻画，专注于空间意境的营造[14]。以人本主义和功能需求为核心，空间建构整体呈现出简朴凝练、抽象几何化的特征。对于学生而言，“水平”和“垂直”空间模块的有机结合成为探究木结构三维空间体系的有效手段。

该度假小屋设计聚焦于微空间模块的组合方式研究，以少量的构件营造趣味空间，以简洁的空间单体创造丰富的组合方式。为了应对单人、双人以及三口之家的不同居住需求，将木屋划分为4 种不同类型的模块单元（图12），每个模块的平面轴线均为4m×4m，A、B 模块属于木屋首层，B、C 模板属于木屋二层。首层以公共性的客厅、餐厅、卫生间、储藏、厨房、休息室等空间为主；二层则为卧室和观景平台等私密性空间，多种模块的设置可以满足一人及多人居住的需求。

12 木结构度假木屋的空间模块单元（绘制：吴长荣，王安）

双人木屋由AB 模块水平组合而成，形式最简单，但功能齐备，淋漓尽致地体现了装配式理念；单人木屋，由A、C 模块垂直叠加组成，屋顶阁楼尺度适合独自睡眠休憩；三口之家单元，由A、B、C、D 模块拼接而成，低层满足日常需求，屋顶则一侧可供休憩，另一侧便于观景或冥想。木屋单元之间可以进行连接与组合，通过附加院落或走道在森林中建成独特的秩序感（图13）。

13 木结构度假木屋的空间模块单元组合方式（绘制：吴长荣，贺川）

公交站亭作为促进城市微生活的容器，包含了凉亭、等候室、阅览室和卫生间等复合功能空间。设计诉求源于适应性的空间体系营造，概念则取自蜂巢结构，试图建构空间丰富、结构稳定的木构系统。区别于传统六边形结构边对边的组合方式，采取点对点的重合交叠推导出单元体、2 联体、3 联体和4 联体等丰富多样的空间组合模式，其灵活性能够有效应对公交站亭的各种功能需求（图14）。

14 六边形公交站亭的空间组合模式

公交站亭主体结构采用CLT 这种强度大、能够自承重的木制产品，便于各种空间模块的组合与安装。在节点设计上，整个建筑均采用隐式连接，以保证木结构整体形式的纯粹性与抽象性。CLT 墙板之间利用LVL 夹板实现无缝衔接，并用螺栓与销钉固定；为了对柱脚节点进行有效防护，连接混凝土基础墩柱和木柱之间的过渡铁件则成为唯一暴露的金属杆件（图15）。

15 六边形公交站亭的节点设计分析（14.15绘制：王安，丁文）

3 小尺度木结构建筑设计教学的评估与反思

3.1 回归设计本源

小尺度木结构建筑设计课程教学强调对建筑设计理念的研究，扭转了大尺度设计局限于木结构力学特征和自然属性的设计逻辑。针对3 个不同的设计课题，教学过程中学生均能从建筑概念构思入手，并结合木结构技术特点，形成了兼具创意与完成度的设计成果。但小尺度建筑在功能和结构上应对的问题较为简单，在训练学生解决复杂设计问题的层面仍存在一定局限性，需要在后续教学中探索中大尺度结构体系与建筑构思结合的设计策略。

同时，木结构体系的选择和构件设计如何与建筑的形式、表皮和空间相结合，一直是设计教学的难点[15]。为了探寻木结构与建筑设计相融合的设计模式，教案基于现代木结构建筑的装配式特性，将模块化设计方法介入设计全过程，所有设计方案均进行了模块化木构件的深入设计，与后续的工厂生产、装配形成有机联系，强化了设计的落地性。

3.2 拓展教学内容

在教学过程中，学生普遍对木结构工程技术掌握不够扎实，然而木结构技术不仅是建筑构思得以实现的支撑要素，更是设计创作的灵感来源。应当进一步拓展理论教学内容，还需要涵盖木结构建筑规范、木结构工程学、建筑概预算、室内装饰技术等方面的课程；学生在进行木结构构件设计时，构件形式和尺寸与工厂预制装配的要求并不完全契合。因此除了基础的建筑绘图和建模软件外，还应适当增加MiTek、Cadwork、Softplan 等木结构建筑设计软件的教学，以提升学生对木结构建筑深化设计的能力。

就现有课程计划而言，教学环节是以相关理论课程、模型设计制作和建筑设计课程为主。由于学院试验场地和设备的限制，难以展开系统的木结构建筑综合实践教学。因此，可以在后续的教学中拓展实践教学内容，依托学校近4000m2现代木结构研究中心作为实训基地，使学生通过驻厂实习，能够对木结构的建筑设计、结构设计、耐久性设计、材料使用及施工维护的全过程形成整体的认知。

3.3 重构教学体系

在拓展教学内容的基础上，还应将教学体系进行重构。首先，理论教学模块需进一步优化，可分为教学和自学两大模块，在两大模块下，分设下一层级的专业模块，包括二年级的基础知识模块，三年级的木结构与技术模块，以及四年级的建筑表皮、木结构房屋、工程和木材建造、室内装修等多个模块。通过更为系统的理论学习，掌握从木结构表皮、造型、室内装修，到木材构造、工艺、产品、节点及其具体实现方式等方面的综合知识。

设计教学模块也需优化为工程实地调研、模型设计制作、设计专题讲座与设计综合实践等4 个模块。其中，国内优秀木结构建筑案例的实地调研能够开拓学生的眼界；依托现代木结构研究中心，学生能够制作等比例足尺模型大样进行教学研究；开展木结构建筑专题讲座，邀请业内知名专家指导学生设计课程；同时在教学过程中进一步引入合适的实际工程案例，提供学生综合运用木结构技能进行设计实践的机会，从而全方位地提升学生的设计实践能力。

4 结语

作为木结构建筑的入门教案，模块化设计教学本身已经暗示了某种双重性的内涵：它既是一种基于预制装配的设计方法，也为建筑构思提供了可操作性。在此设定下，将设计置入小尺度木结构建筑体系中，引导学生回归建筑设计的本源，学习模块化设计操作方法，通过理论教学与设计教学的有机结合建立起建筑构思与结构设计之间的关联，由此步入木结构建筑设计之门径。□