纸材料在临时性建筑中的应用研究——以帐篷为例

文／田亚男 广州城市理工学院建筑学院 建筑设计教研室副主任 讲 师 硕 士

韩芷莹 华南理工大学建筑设计研究院有限公司 助理工程师

引言

20 世纪70 年代，随着环境问题的日益严重，可持续发展的理念终被提出[1]。如今，“低碳”一词已经成为新的流行元素，低碳环保的理念越来越深入人心，进入了人们生活的每一个角落。2020 年9 月22 日，习近平总书记在第75 届联合国大会一般性辩论上宣布，中国二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现“碳中和”。实现“碳达峰”“碳中和”，是中国对世界的庄严承诺，也是中国贯彻新发展理念、构建新发展格局、推动高质量发展的内在要求，事关中华民族的永续发展。

建筑业作为碳排放“大户”，围绕“低碳”主题对设计与建造展开了积极的思考和探索。低碳设计与建造将成为未来建筑发展的趋势。通过优化设计与精致建造，跨学科整合现有建筑技术，系统更新现有建筑体系，将对改善人居环境具有重要的战略意义[2]。

纸质材料由于其经济性、灵活性、安全性和可持续性的特点，在建筑设计中的应用由来已久，是一种值得探索的新型绿色建筑材料。

1 纸材料在建筑中的应用

纸材料作为建筑材料是从日本建筑师坂茂开始的。坂茂在“纸建筑”领域是当之无愧的引导者和开拓者，取得了令人瞩目的成就。纸材料首次应用于建筑是在1986 年，从美国留学归国的坂茂，在阿尔瓦·阿尔托（Alvar Aalto）日本特展的会场设计中，因经费有限，以纸管作为展馆的内墙、天花板及展示台，成为了孕育“纸建筑”的创作原点。在这之后，纸建筑在日本以及欧美发达国家等地区快速发展。1989 年坂茂设计的名古屋设计博览会馆，让他第一次实现了“纸建筑”的梦想。坂茂坚持不懈地对纸建筑进行探索实验和研发，研究纸的强度，纸管的防水、防火性能及加固处理方式等。经过严格的强度测试，最终解决了纸管作为建筑材料的耐久性等问题。1995年，纸管结构获得了日本建设大臣颁发的永久性建筑认证，被正式认定为建筑构件，可以替代钢筋水泥[3]。2014 年坂茂获得普利兹克建筑奖时，评委会对坂茂的评价特别强调了他对纸管材料的实验性运用。由此可见，纸材料作为建筑结构材料是完全可以应用于临时性建筑甚至于永久性建筑之中的。

纸作为建筑材料在中国也早有尝试。2008年，李兴刚工作室的作品“纸砖房”在第十一届威尼斯国际建筑双年展中国馆内展出。“纸砖房”使用的建造材料主要是设计院存放图纸的纸箱，以及打印图纸剩余的纸轴。将纸箱作为“纸砖”，以此砌筑“纸墙”，将打印图纸剩余的纸轴作为“纸梁”搭建门窗过梁和楼板、屋顶，共同围合限定出一个可供起居坐卧、休闲会客的建筑空间[4]。

2 纸材料的特点

随着经济技术的发展，纸材料已经深入到人们生活的方方面面。纸材料作为一种天然可再生的绿色材料，具有经济性、环保性等一系列特性。

（1）纸材料来源丰富，质量轻：造纸的原料主要是植物纤维，植物纤维天然生长，来源丰富，且成本低廉，易于大规模生产。纸的重量一般为32 ～80g/m2，比一般建筑材料质地轻。

（2）纸材料的可塑性强：纸材料富有弹性，硬度小，可以在外力作用下轻松折叠或切割，并保持折叠或切割后的形态。通过对纸材料的合理折叠与切割，可以实现纸材料的自由伸缩，充分发挥纸材料的弹性，同时，折叠纸材料可以节省存储和运输空间，降低成本。

（3）纸材料具有吸水性：纸的原材料及其加工工艺决定了纸张具有良好的吸水性能。纸材料吸水后会发生形变，最主要影响纸材料的强度和稳定性。

（4）纸材料环保易回收：废旧的纸材料可以直接回收或再制造，即使废弃后也能在短时间内自然降解，不会污染环境。纸的原料在自然界是可循环的，取之不尽、用之不竭，是可持续发展的绿色材料。

3 一种纸材料快速搭建的临时帐篷

从古代游牧部落到今天的信息时代，帐篷一直伴随着人类社会发展。帐篷作为一种简易、可快速搭建的构筑物，在临时性建筑中扮演着重要角色。帐篷因其变换灵活、可拆卸移动、运输组装方便等特点，一直被广泛应用于工业、商业、展览、旅游、体育等各个领域[5]。故本文提出一种利用纸材料快速搭建临时帐篷的设计实施方案。

3.1 技术方案

该临时帐篷由支座、支柱、折叠梁架和顶棚四部分组成（图1、图2）。

支座1 包括固定块11 和安装导管12。固定块11 包括若干个大小逐级递减的底板111，底板111 从大到小逐级向上排列设置，且各底板111 的几何中心与支柱2 的轴线位于同一直线上。安装导管12 竖直固定连接在固定块11 上，固定块11 的外侧壁向安装导管12 方向逐渐向内倾斜设置，安装导管12 的内径对应支柱2 下端的外径设置，支柱2 的下端插设在安装导管12 内。

折叠梁架3 包括一个以上的第一板体31、一个以上的第二板体32 和圆筒；圆筒包括第一圆筒331、第二圆筒332 和第三圆筒333；第一板体31 和第二板体32 的一端转动设置在第二圆筒332 上，且第一板体31 位于在第二板体32 水平高度上的上方；第一圆筒331 设置在第一板体31 在远离第二板体32 的一端；第三圆筒333 设置在第二板体32 远离第一板体31 的一端；第一板体31 和第二板体32 的两端分别对应圆筒设有通孔；圆筒的内径对应支柱2 的外径设置，支柱2 的远离支座1 的一端插设在圆筒内。

顶棚4 包括第一雨板41、第二雨板42 和折叠部43。第一雨板41 与第二雨板42 通过折叠一体成型，第一雨板41 与第二雨板42 形成等腰三角形，折叠部43 为该等腰三角形的一中位线折叠形成，且折叠部43 将第一雨板41 和第二雨板42 分成两个相等的三角形，第一雨板41 和第二雨板42之间通过折叠部43连接相互倾斜设置；帐篷通过第一雨板41 和第二雨板42 与折叠梁架3 可拆卸固定连接。

支柱2 的一端与支座1 可拆卸固定连接，支柱2 的另一端与折叠梁架3 固定连接。

一个帐篷单元包括3 个支座、3 个支柱、2个折叠梁架和一个顶棚。当需要搭建临时帐篷时，将顶棚通过一个板体折叠形成，可将至少3 个以上的支柱对应插设在支座的安装导管内；将顶棚固定设置在折叠梁架上，随后，将支柱在远离支座的一端插设在折叠梁架的圆筒内，完成临时帐篷的搭建。为了提高帐篷的防水性，顶棚的顶面可涂设防水层。由此可见，帐篷的搭建简单，且可进行拆卸拼接；方便移动、搭建和存放运输，在不同场合下都可以实现快速搭建。

3.2 具体实施

案例选用瓦楞纸板和纸管对技术方案加以实施。其中，纸管做支撑结构（支柱），瓦楞纸板做顶棚围护结构，瓦楞纸板和纸管组合制成支座及折叠梁架。本实施方案选用的纸管为4mm厚的圆形牛皮纸管，选用的纸板为五层AB 瓦楞纸板，厚度为6mm，该型瓦楞纸板强度高，硬度大。

在本实施案例中，共计搭建七个帐篷单元。其中，支座的数量为9 个，支柱的数量为9 个，折叠梁架的数量为7个，顶棚的数量为7个（图3）。

3.3 稳定性

案例中支座的固定块由若干个大小逐级递减的瓦楞纸板叠合构成，瓦楞纸板从大到小逐级向上排列设置，且各纸板的几何中心与支柱的轴线位于同一直线上，以保证支座的稳定性，使帐篷不易侧翻。同时，渐变递减的瓦楞纸板叠加，在稳定柱子的同时可增大与地面的接触面积，增强其抗倾覆能力。

折叠梁架的板体由瓦楞纸板制成，圆筒由纸管制成。其中，圆筒上设有用于对板体进行限位的板体限位件，这样能够防止板体在圆筒上滑动，同时，支柱在靠近折叠梁架的一端也设有用于对圆筒进行限位的圆筒限位件（图4），这样能够防止圆筒在支柱上滑动，提高帐篷的整体稳定性。在本实施案例中，板体限位件和圆筒限位件均为螺钉或螺丝。

支柱由4mm 厚的圆形牛皮纸管制成。支柱在上端设有通孔，顶棚在靠近支柱的一侧设有通孔，支柱与顶棚通过固定带固定连接，固定带分别穿过支柱和顶棚上的通孔设置。在本实施案例中，固定带为扎带。第一帐篷单元的顶棚在远离折叠部位的一端设有通孔，通过固定带与圆筒固定连接；第二帐篷单元的顶棚在靠近折叠部位的一端设有通孔，通过固定带与圆筒固定连接，以此类推，以保证顶棚的稳固性（图5、图6）。

3.4 防水性

由于纸材料具有吸水性，吸水后的纸材料力学性能大大降低，帐篷很容易整体坍塌，给方案实施带来很大风险。故防水处理是本案实施的技术关键点，本设计遵循“一排二防”的防水处理原则。

排水方面，帐篷搭建时，一个帐篷单元的第二支柱高于或低于第一支柱和第三支柱，使得顶棚与第二支柱连接的一侧，高于或低于顶棚与第一支柱和第三支柱连接的一侧，使得相邻顶棚之间的折叠线所在的直线与水平面所在的平面形成2°～3°的排水坡度，便于下雨天及时将顶棚间隙的积水排出。

防水方面，为了提高瓦楞纸板及纸管的防水性能，在瓦楞纸板和纸管表面涂饰防水涂料，以防止水分快速渗入纸板或纸管中，从而起到防水、防潮等功效，且成本低廉。

通过以上手段，能够有效加强帐篷的防水性能，在阴雨天气下，能够保障一定时间内帐篷的强度，满足使用功能。

3.5 模块化

为了满足快速搭建的需求，临时性建筑常常采用标准化和模块化的设计理念。在本设计中，支座、支柱、折叠梁架和顶棚均为标准化构件，尺寸统一，方便快速搭建、拆卸和运输；帐篷搭建以模块为基本单元，一个帐篷至少包括一个基本单元，也可以根据使用功能需要，在横向上无限延伸加建（图7）。

顶棚可以通过折叠一体成型，当不使用帐篷时，相邻的顶棚能够错位相互折叠，便于收纳运输（图8）；当需要调整顶棚的遮雨范围时，可根据需要调整支柱之间的距离，进而改变顶棚在俯视方向上的投影面积，从而调整顶棚的覆盖范围。

当顶棚的数量设置为一个时，顶棚可以通过等腰三角形ABC 板体折叠形成，折叠部为该等腰三角形的中位线，且折叠部将顶棚分成两个相等的三角形；当顶棚的数量设置为两个时，顶棚可以通过平行四边形ABDC 板体折叠形成：首先沿对角线BC 对折，形成两个等腰三角形ABC和DCB，再将两个等腰三角形分别沿中位线对折，折叠部将顶棚分成四个相等的三角形；当顶棚的数量设置为三个时，顶棚可以通过等腰梯形AEDC 板体折叠形成：首先将等腰梯形AEBD 沿中线对折，形成单元2 的折叠部位，确认AE 中点B，再沿BC、BD 对角线折叠，形成三个等腰三角形，最后将ABC、BED 两个等腰三角形沿中位线对折，折叠部将顶棚分成六个相等的三角形（图9）。以此类推，本设计能够保证在任何情况下，顶棚都可以通过折叠实现一体成型，且操作方便，结构简单可靠。通过折叠形成的顶棚设有敞口，相邻顶棚的敞口方向相互交错，形成一定的韵律美。

综上所述，本案例中的帐篷完全由AB 瓦楞纸板和空心纸管制成，使得帐篷重量较轻；标准化、模块化的设计，使得帐篷易于拆卸和移动，可在不同情况下实现快速搭建；所有构件可循环再利用，低碳环保，不会污染环境；顶棚表面涂设有防水层，有效增强了帐篷的防水性能，减少了阴雨天气对帐篷使用的影响。

结语

近年来，建筑师热衷于探索建筑材料，尤其是低碳环保材料在建筑设计中的运用。纸作为一种绿色建筑材料，由于其成本低、可塑性强、通过技术手段能够达到一定的受力强度等特点，被越来越多地应用于临时建筑甚至永久性建筑中。展望未来，希望通过对纸材料的更深入研究和合理利用，将纸与其他传统建筑材料结合运用，促进纸材料在建筑中的应用达到系统、全面的程度，充分展现建筑与自然环境融合的智慧。