基于重组竹材料的轻系统建构研究

2023-01-16曹晓昕王天莲任存智

建筑技艺 2022年9期

曹晓昕王天莲任存智

“系统”一词来源于古希腊语，是指由各个部分集合构成整体。在通常的语境下，把系统定义为各类子要素以一定的组织模式组成含有复合功能的有机整体。建筑由多种构件组成，构件之间彼此关联、互相影响，甚至会互相牵制，最终构成复合且极其复杂的整体，从形式上我们称之为空间，从建造的角度被视为系统的建构。除此之外，建筑作为一个由材料、结构、功能、空间等要素构成的集合体，具有极其复杂和多变的系统特性。

在传统建筑学的发展历程中，新材料的引入和结构技术的不断更新优化，都使得建筑系统的建构不断改变。例如，伦敦水晶宫为砖石建筑打开了一扇“轻质建造”的大门，轻质的玻璃取代了厚重的砖石成为现代建筑的主要材料；又如密斯用钢和玻璃取代了敦实的混凝土，创造出高层建筑轻盈的范本[1]。越来越轻的材料介入、渗透、融合进建造之中，不断冲击着传统建筑学坚守的价值领域，进而延伸出一种新的系统形态——轻系统。

1 轻系统的建构意义

建筑的轻量化是现代建筑运动和可持续性建造实践共同的追求。从建筑学本体的视角，“轻”意味着材料质量更轻、结构性能更强、空间秩序更明确、建造逻辑更清晰等。延伸到社会层面，“轻”拥有更多的文化意义，例如具备更加开放和透明的特性、更加多样可变、更具有技术的普及性等。从某种程度上来说，“轻”是建筑发展的必然趋势，也是技术进步和社会文明程度提高的必然结果。

1.1 轻系统的发展历史

近年来，在建筑学领域，不乏对轻系统的理论研究和以实现轻型建筑为主要策略的建造实践。在理论研究层面，《建筑学报》曾在2014—2015年出版4期特辑，聚焦“轻型建筑系统：理论、开放与应用”。这一系列讨论包含对“轻”的光谱、质量、重量和原型与演化的研究[2-5]，将轻型建筑从简单的建筑系统层面上升到设计的立场和价值层面，并赋予轻系统社会价值。谭刚毅教授在《中国传统“轻型建筑”之原型思考与比较分析》[6]一文中，从材料物性的视角对轻与重进行辨析，并不断发掘材料的物性，即材料自身形态和物理性能等因素对轻型建造的影响。在此之后，史永高教授在《面向环境调控的建构学及复合建造的轻型建筑之于本议题的典型性》[7]一文中，通过总结归纳建构学观念的演变，从建造方式和环境视角对轻型建筑发展进行梳理，并明确指出现代轻型建筑因其自身轻质高强和叠合建造的特点，对拓宽建构学理论研究的范围有重要价值。

在建造实践层面（图1），富勒（Suckm Inster Fuller）早在1946年Dymaxion House设计中，将“少费多用”作为轻型建造的核心思想。香港中文大学朱竞翔团队在2009年开发出“新芽系统”[8]，利用轻型钢框架和木基墙板形成复合受力系统，其建造实例包括四川下寺新芽小学重建（2009年）等各种乡村振兴项目，逐步演变为乡土重建的典范和乡村民居的原型。清华大学宋晔皓团队从2010年开始展开对近零能耗轻质装配式建筑的相关研究，建立了“设计—实践—测试”的反馈式研究路径[9]。台湾建筑师谢英俊在汶川地震灾后重建中，利用轻钢结构构建出“开放式构造系统”[10]，可以和不同材料结合，具有很大的弹性建造空间和余地，其快速建造和低成本的特点在震后重建项目中得到了广泛运用。OPEN建筑事务所创始人李虎和黄文菁在2016年设计了“六边形体系”（HEX-SYS）[11]，利用轻型装配式探索出一个具有单元化、可替换和可复制特点的灵活再生体系。

1.2 轻建造反传统重建造的意义

在传统建筑学发展的过程中，轻建造与传统重建造的对立，与其说是材料和技术上的差异，不如说是两种截然不同的设计态度，更是不同建造环境之下面对不同场地限制的态度。例如，北京胡同内的城市微更新（图2），胡同宽处不到5m，窄处仅1m左右，乱停的车辆、堆放的杂物给改造带来很大的技术限制，重型机械设备难以施展，传统重建造的钢筋混凝土模式难以适应局促的场地环境。又如在乡土营建的过程中，村落小尺度的传统肌理、多样又独具特色的自然环境都激发轻建造的更多潜能，相较于传统重建造的方式，“轻”不仅指质量本身，更重要的是重新审视建筑与自然之间的联系，并不断拓宽创造的边界，最终形成以“轻”为核心的新模式。

通过以上对轻系统的研究和项目实践的总结可以发现，无论是在乡土营建还是在城市更新领域，无论是临时性建筑还是灾后项目，轻系统都有着绝对优势和广阔的发展前景。

首先，“轻”意味着高效经济。所有构件全部在工厂预制，通过物流运送至现场组装，建造过程更加高效快速，并能实现高标准的品质要求和开放的系统建构。其次，“轻”意味着更加关注真实的建造逻辑。在满足功能需求的前提下，以结构技术和建造逻辑作为激发建筑创作思维的方法和手段。再次，“轻”意味着对材料物性的真实表达。轻系统关注材料本身的内在属性、工艺属性和感官属性，也就是对材料属性能量的秩序建构。最后，“轻”是在不同的现实语境中提出与解决设计问题的求实观念。在不断迭代更新的建造实践中，持续优化结构、改善材料物理性能，最终实现系统的完善与整合[12]。

1 轻系统建造实践项目

1.3 轻系统的结构体系及发展困境

在轻系统的建构中，结构组织占据核心地位，同时也是识别建造系统的主要依据。当材料的因素被过滤，或者一种材料可以被其他材料替换，建筑系统就变成为结构系统。在目前已有的建筑实践项目中，多采用轻型钢结构和轻型木结构作为轻系统的主要结构类型。

相比于重钢而言，轻型钢结构体系自重轻、标准化程度高、灵活性大。施工以干作业为主，主要使用绿色环保可持续材料，通过环境管理体系认证标准。建筑结构构件质量轻、强度高，构件都在工厂内生产，然后运至现场安装，与传统重钢结构相比施工速度快。轻型木结构同样具备工业化材料所拥有的全部特质（如标准化、装配化等），除此之外，木材本身的感观属性也给予轻木结构更多生活化与人情化特质，被视为温暖、舒适的代表。

然而无论是轻钢结构还是轻木结构，除了材料和结构本身的优势之外，也存在不可避免的缺陷，成为轻体系发展的瓶颈和困境。首先，在材料真实性表达方面，目前的轻钢结构或轻木结构，尚未把材料建造真实性表达放在首要位置，材料的“本性”和“真实性”难以在现有的系统中得到体现。材料是建构学理论研究的重要内容之一，建筑的建造是物质性活动，无法脱离对材料的认知和对材料属性的研究。其次，在当下城市建设中，存量更新已经取代增量发展占据主要地位。城市中已不再拥有大片空地供建筑师们“大展宏图”，取而代之的是呈散点状分布的城市旧区改造和更新优化。面对越来越复杂的地块条件与越来越低的成本要求，如何实现更轻、更快、更省？或许当下的轻钢和轻木结构难以很好地解决这个问题，亟需建筑师探索出新的材料，构建更为完善和全面的轻系统。

2 重组竹材料研究

2.1 重组竹材料及性能优势

重组竹是以竹束或纤维化竹单板为主要结构单元，按顺纹组坯、胶合、挤压而成的板材或方材，是一类通过对竹制材料进行组合加工后进一步优化形成的新型竹质材料（图3）。重组竹是中国第一个独立研制且具有自主知识产权，并实现工业化的竹材制品，其原料主要为自然资源丰富的竹材。重组竹材作为新型建筑材料，在物理性能、低碳环保性、预制工业化和材料真实性上具有绝对优势。

（1）物理性能

经国家有关单位检测，重组竹材料的物理性能如表1所示。首先，其强度高、结构承载力大、自重轻，展现出更优于钢材的强重比，具备承受荷载和建造大跨度结构的要求。其次，重组竹抗弯性能优越、弹性较好、材质均匀，具有较强的稳定性。此外，重组竹合理利用竹纤维的原始特性，其表面平整度、强度、刚度指标均优于木材，在保证强度的同时减轻结构自重，具有更轻的特质。对比轻钢，重组竹耐火时间可达2.5h以上，内部为实心结构，避免了空心竹受热爆炸的缺点，安全性能更佳[13]。

（2）低碳环保性

2 城市空间街巷尺度（以北京白塔寺片区为例）

3 重组竹材料生产工艺流程

我国拥有居于世界第一的竹材产量，丰富的竹材资源为重组竹作为建筑材料的开发和利用奠定了坚实的基础。竹材的生长速度极快，“以竹代木，竹木结合”可以有效缓解木材原料的供需矛盾，并促进创建资源节约型社会和环境友好型城市。对比水泥材料在加工制造过程中排放大量的超临界二氧化碳，竹制材料有强大的固碳性能，能吸附二氧化碳。与其他建筑材料相比，重组竹碳排放因子较小，建造同等面积的建筑，能耗仅相当于混凝土的1/8，钢材的1/50，回收利用率达92%，具有很好的环保节能和可持续特性（表2）。

（3）预制工业化

作为工业集成化材料，重组竹可在工厂内按照标准化尺寸预制，通过物流快速运至现场施工组装，装配化和工业化程度较高，可以大量缩短施工周期。其各个建筑构件的连接方式和工艺做法，如柱与地面的连接、柱与梁、主次梁之间的连接、加固构件等，均有较为成熟和标准化的工艺做法。材料—节点—细部表达在工业化建造过程中得以真实地体现。

（4）材料真实性表达

重组竹材料保留了竹纤维独特的表面肌理，给人以自然而有力、亲和而有质感的感官体验，实现了材料的真实性表达，并具有更加“人情化”的特质。若将重组竹的感官属性扩大到社会意义范畴之中，即对中国传统竹文化的延续，“宁可食无肉，不可居无竹”，伴竹而居不仅是中国文人实现审美理想的生活需求，更是志向、气节、情趣等精神层面的理想境界。

2.2 重组竹材料实践项目运用

在目前的实践项目中，对于重组竹材料的使用较为有限，主要包含3种使用方式（图4）：1）以重组竹拱架为屋顶结构支撑方式；2）将重组竹与钢材结合，作为建筑中的局部构件（如雨篷，廊架等）；3）将重组竹用于建筑外立面幕墙，作为做装饰性部件。

表1 重组竹与传统结构材料性能对比

4 重组竹材料实践项目

表2 常用建材的碳排放因子

在川西蒲麦地野营基地项目中，建筑师采用细杆件构成支撑结构，并进行密集排布，充分发挥重组竹材料良好抗压、抗弯性能，同时满足快速建造需求，并与周围自然环境相融合。在昭君博物馆项目中，重组竹材料被用于入口雨篷处，由立柱、斜撑与桁架组成的主体结构单元呈阵列式排布，重组竹材料的抗拉物理性能通过隐藏的金属连接构件得到充分体现，实现了材料真实的物性表达。

总结以上实践项目，对于重组竹材料的使用多以感官视觉表达效果为主，其结构建造逻辑并不清晰，难以较好地统筹材料、结构体系和设备等子系统，尚未在系统中建立秩序并实现建造的真实表达。因此，如何将重组竹材料纳入整个轻系统的建构之中？如何实现轻系统清晰的建构秩序？笔者在何各庄93号实验宅中做出了进一步探索。

5 方案整体轴测图

3 轻系统中的要素重组与空间形态研究——以何各庄93号实验宅为例

何各庄93号实验宅项目属于城市更新的实验性项目（图5），基地位于北京朝阳区崔各庄乡何各庄村93号地块，用地面积210m2，建筑面积430m2。方案以重组竹为材料，探索轻系统的要素重组与空间形态。

3.1 要素重组的建构意义

建筑系统涉及材料运用、结构组织、设备家具等要素，任何一个层次要素的变化都会引发建筑系统的建构改变。要素重组的意义在于将零散的要素或看似独立无关联的要素进行重新组合，最终实现效能与功能的提升，即各个要素之间相互作用、相互补充，实现“整体大于部分之和”，从而达到最优效能。

在这一重组过程中，我们秉持整体性原则——集成化和模块化设计。这一概念来源于工业设计，但在建筑学领域中同样适用。模块化设计是指通过分析不同产品的性能、规划和功能，延伸设计出一系列模块化产品，不同数量的模块可以自行组合，形成新的产品类型。模块化产品设计的目的是以少变应多变，强调系统的分解与组合，主要描述要素或子功能块，而集成化强调要素的整合性、融合性，主要描述系统。

当新材料出现，寻求建构逻辑的一种方式是从建筑的几种基本形式开始尝试，并优化、发展至最明确的关系，包括材料、结构、空间、建造的合理表达，建构物质性层面的合理性得以体现。重组竹的材料属性与建构逻辑相互作用，作为载体传达出对建筑的直观感受，激发审美感知。基于对重组竹材料性能的探究和对轻系统的建构研究，我们将从结构要素、围护要素、设备要素和家具要素进行重组，以期实现对建筑整体系统的建构。

（1）结构要素

为了实现重组竹材料的物性表达，设计采用截面4cm×4cm的杆件，在竖向支撑构件的基础上加入斜向杆件，整体结构形式呈格构式空间骨架（表3）。合理的结构选型充分发挥了重组竹材料的抗拉优势，同时可以使结构杆件进一步小型化与轻量化，让轻系统变得“更轻”。水平和纵向支撑构件采用统一模数，在满足模拟荷载要求的同时，实现了结构单元尺寸的标准化。斜向支撑构件一方面可以承载地震水平荷载，另一方面可以抵抗由于竖向构件在重力荷载以及竖向荷载作用下发生形变产生的拉应力；在地震来临时，墙体会产生水平位移，两侧的竖向杆件也会因形变产生拉应力，重组竹可以充分抵御应力作用（表4）。

（2）围护要素

方案模糊了结构要素和外围护要素的界限，其中围护墙体既是结构支撑构件，又是空间围护要素。墙体采用“层叠建造”的策略，利用格构式结构的空腔，将聚苯颗粒水泥条板与主体结构固定，水泥条板自身可以作为保温材料，同时具备防潮、防水性能。在这里，围护要素和结构要素协同作用，发挥出轻系统更优的综合效能（图6）。

6 层叠建造墙体

表3 格构式结构策略

表4 格构式竹墙荷载分布分析

（3）设备要素

设备要素在以往的建筑实践中一直是被忽视的存在，往往是在方案已经完成，空间效果已经达到之后，再由设备专业提出要求，进而较为随意地规划出合适的空间。如何合理地将设备要素整合到整个系统之中，十分考验建筑师的功力。

在这个实验项目中，我们从设计之初就将设备要素纳入到整个轻系统之中，实现设备要素的物理重组与性能的整合（图7）。利用支撑结构的夹层空间可以容纳建筑所需的设备管道。在本方案中，墙体与梁在构型上均采用格构式体系，使得设备可以在水平和垂直两个方向相互串联，实现设备整合的同时为日后的建筑调整或者变化提供更多灵活性。

（4）家具要素

在轻系统的建构之下，家具要素与建筑要素之间已形成一体化设计。方案利用格构式自身的空隙，设置花池、书架等功能。同时结构横向延伸处的板面，也可作为座椅之用。在这里，没有额外的家具布置，内部空间中的一切都整合在格构式体系之下，家具与空间共同作用形成一个合理高效的体系（图8）。

3.2 更轻、更快、更省

人类建造结构的目的是什么？是空间的获取。与结构实体性的存在相比，空间是其下的虚空部分，是“无中生有”的辩证关系。在完成了对系统中各要素的重组后，自然而然地形成了空间形态的建构。在这一空间中，各要素之间需要依赖彼此获得“存在”，最终构成了结构—空间—界面的“三位一体”，也达到轻系统最佳的整合结果。

基于重组竹材料的轻系统建构，充分发挥了材料的物性，构建出完善的轻体系，在项目的建造中实现了“更轻、更快、更省”。“更轻”是指发挥重组竹材料本身的性能优势，比钢结构和混凝土结构体的自重更小。“更快”是指建造速度更快，施工过程全部采用干作业，没有重体力的湿作业，可以全季节施工，运用场景更广泛。“更省”是指人力、物力成本更低，仅需几个工人用便携式小机械即可完成施工，也是更绿色低碳的建造方式。