寒冷地区木结构建筑发展现状

2023-10-01赵东霞姚利宏

林产工业 2023年9期

赵东霞姚利宏*

（1.内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区俄蒙进口木材加工利用工程技术研究中心，内蒙古呼和浩特 010018）

随着木材技术的发展及林业资源的增加，我国木结构建筑不断发展，其设计与建造也成为研究热点。木材因具有易加工、隔热、抗震等特点，在建筑材料中被广泛应用[1]。《促进绿色建材生产和应用行动方案》[2]的提出，加快了现代城市木结构体系的建设,加速了重点区域木结构建筑的发展。

呼伦贝尔地区气候复杂多样，冬季严寒漫长，全年低于5 ℃的天数超过145 d，属于我国严寒地区[3]。由于气候寒冷，当地人通常就地取材，建造木结构房屋抵御严寒。因此，该地区的木结构建筑发展较早。呼伦贝尔林业资源丰富，是该地木结构建筑发展的基础。据呼伦贝尔市林业局统计数据，2020 年全市森林蓄积量总计12.7 亿m3[4]。

近年来，随着木材科学技术的不断进步，木材的改性与应用水平逐步提高，装配式现代化木结构建筑形式在该地逐渐兴起。

1 国内外研究现状

近代以来，随着经济的发展和技术的提升，日本、瑞典、芬兰、美国、加拿大等寒冷地区的木结构建筑在材料选择、建筑结构、建造技术、建筑设计风格及艺术形态等方面均具有独特的地域特征[5]，并在世界上占据着重要地位。

Puukuokka建筑是芬兰木结构建筑的代表作，在设计中将取暖设施等安装在走廊中[6]，不仅有效控制建筑内能源分配，也灵活应用了建筑空间。加拿大木质材料工厂采用数控机床与智能设施相结合方式，实现木构件高精度预制[7]，国外木结构建筑的相关标准也随着相关技术的改革提升不断更新，为木结构建筑的发展提供了理论支撑，如《Technical Guide for the Design and Construction of Tall Wood Buildings》《Wood Handbook》等[8]。技术的革新与新标准的实施相辅相成，促进了国外木结构建筑的快速发展。

我国是世界上最先发展应用木结构的国家。在我国寒冷地区，木结构早已出现在民居建设中[9-13]。针对寒冷地区木结构建筑的研究也在不断发展。董力玮[14]梳理了现代木结构的种类、建构方式、美学和技术特征，并对材料和构造进行了归纳。杜弘阳[15]结合国内外木结构建筑实例，探索并归纳了寒冷地区木结构建筑细部的艺术性表达。刘月[16]以现代大跨度木结构建筑为主要研究对象，结合寒地气候特征，提出了寒地大跨度木结构建筑策划程序与方法。

我国木结构建筑历史悠久，但寒冷地区木结构建筑应用及发展尚处于初级阶段，尤其缺乏地域性木结构建筑结构形式、材料选择、建造模式等方面的研究。由此，对我国寒冷地区木结构建筑应用进行调研探索十分必要。

2 寒冷地区木结构发展影响因素

2.1 自然因素

大兴安岭自东北向西南贯穿呼伦贝尔地区[17]，盛产北方优质木材，林量储备丰富，是呼伦贝尔的林业资源主体。呼伦贝尔市森林活立木蓄积量占自治区93.6%，盛产红松、樟子松、黑桦等[18]，是“北国生态屏障”资源性经济示范区，为该地木结构建筑的发展提供了原料保障。

呼伦贝尔地区的气候类型多样，空间温度差异明显[19-20]。木材优异的保温隔热性能使得木结构建筑能够适应该地复杂多变的寒冷气候。采用呼伦贝尔市1961—2019年冬季平均气温、极寒天数和降雪量等数据，分析该地区冬季气温的时空分布。

1961—2019年呼伦贝尔市冬季的平均气温为-21.8 ℃，冬季降雪量平均为0.4 mm[21]，呼伦贝尔地区极寒天气在根河市、额尔古纳市、牙克石市较多出现，特别是在根河市，最低气温可达-50 ℃以下。

2.2 文化因素

呼伦贝尔市属于多民族聚集地，蒙古族、俄罗斯族等42个民族居住于此[22]。受地理环境和气候的影响，这里的地域文化展现出不同的特点，民居建筑因生产生活方式的不同而有所差异。例如，大兴安岭东南部是传统的稻作区和渔猎区，这里的达斡尔族主要从事农业生产，其民居建筑“雅曾格日”（见图1）[23]形式多样。生活在大兴安岭北麓地区的鄂温克族早期以狩猎为生，禁猎条令颁发后转产半农业半牧业，其民居建筑具有独特的文化特征。鄂伦春族生活在大兴安岭南麓，现以农牧业生产为主，其民居建筑“斜仁柱”（见图2）[24]极具特色[25]。蒙古族的穹庐帐顶民居结构展现独特蒙元文化。不同地域文化衍生出不同木结构民居建筑形式，这使得该地区的木结构建筑具有强烈的地域性特征。

图1 达斡尔族传统“雅曾格日”复原图Fig.1 Restoration of Daur people traditional "Yazenggeri"

图2 鄂伦春族民居“斜仁柱”Fig.2 Traditional residence of Oroqen people "Xierenzhu"

3 寒冷地区木结构建筑结构形式

3.1 梁柱式

梁柱式木结构体系是我国的传统建筑形式。跨距较大的梁、柱结构组合起来作为纵向垂直荷载与横向水平荷载的主要传力体系。梁柱结构的结构特点使得室内不需增设承重墙结构，内部空间的设计更为灵活，室内净高也因此提升，扩大了内部空间。

胶合木的材料利用率高且性能稳定，是现代梁柱结构中的首选用材。随着GB/T 51233—2016《装配式木结构建筑技术标准》、GB 50005—2017《木结构设计标准》等标准的相继实施，我国相关建筑体系对梁柱式结构的应用也越来越广泛[26]。

呼伦贝尔大草原陈巴尔虎旗牧云山顶酒店建造采用梁柱式木结构形式，梁柱式木结构风格清新、结构简约、古朴自然。应用具有良好保温隔热性能的原木建造于草原视角点，不仅能够适应寒冷地区复杂多变的气候，且兼具节能性和环保性，满足观赏及应用需要。

3.2 井干式

井干式木结构建筑早在远古时期就已出现，一直发展至今。此类民居建筑主要分布在我国云南与东北地区。

东北长白山地区的井干式木结构建筑（见图3）[27]通常选用当地的松木建造，防风抗雪，防腐防潮，建筑表面覆盖木板、羊草、碎石及泥土以增加牢固性[28]。为适应寒冷气候环境，东北木结构民居建筑的建造充分利用当地林木资源，展现出该地区劳动人民的智慧。

图3 长白山锦江村木结构建筑Fig.3 Timber structure building in Jinjiang village,Changbai Mountain

呼伦贝尔地区至今仍保留井干式建筑形式（见图4）[29]，在民居建筑、商业建筑中应用广泛。恩和俄罗斯民族乡的井干式木结构民居建筑在建造时通常选用直径约20 cm的顺纹落叶松木作为其主体结构材料。圆木垒叠在房子四框，外形浑厚朴实，大气简约，其中细部的雕刻极其精美、细腻，富有美感。俄罗斯族会在建筑室内外的各部位雕刻具有象征意义的装饰并漆上蓝、绿等颜色以寻求大自然的庇护。这里的井干式木结构民居建筑因地制宜、就地取材，建造设计中与民族习俗相融合，展现出强烈的地域性和文化性，是该地区居民精神内涵的外在体现。

图4 恩和村民用住宅木刻楞效果示意图Fig.4 Schematic diagram of wooden carving effect for civil residential buildings in Enhe Village

东北及呼伦贝尔地区同属严寒及寒冷地区，在这里生活的人们，要在较大程度上利用自然资源，以满足生产生活的需要。两地木结构民居建设形式与建造方法相似，一般就地取材[30]。民居建筑也能反映当地居民生活方式与生产力水平。运用新的科学技术手段对井干式木结构建筑进行生态性改造，对促进资源可持续发展、建造适宜的人居环境、提高寒冷地区人民生活水平具有积极作用。

4 建筑材料使用现状

传统木结构建筑原料往往选用当地林木资源，而木材的天然缺陷对建筑结构的强度具有显著影响[31]。由于缺乏先进有效且实用的木材防护与加固工艺，原材料构件在建造过程中易开裂变形。现代装配式木结构建筑材料以松木为主，大多使用经过处理的松木、杨木、桦木、胶合木等。松木中的樟子松耐寒耐旱，抗逆性强，工艺价值较高，被广泛应用于呼伦贝尔地区的木结构建筑。红松色彩清新自然，结构坚固，耐腐能力强，在板材中应用较多。落叶松结实坚固，是该地区木材加工的主要原材料[32-35]。

如今，呼伦贝尔地区出现用石材或砖材做外墙，木材做框架的混合建筑结构形式。坚硬的石材或砖材可以阻挡寒冷，起到良好的围护作用。木桁架重量较轻、长度可控，能够满足屋顶建设需求。钢材强度高、可塑性好，同时具备良好的抗拉、抗压能力，多用作建筑承重材料。相较于传统木质建筑材料，钢材的设计也更为灵活。

我国北方井干式木结构建筑墙体间使用苔藓进行填充，苔藓作为保温材料，不仅能够提高气密性，同时苔藓吸水膨胀，可以密封防潮。后多采用纤维素质保温板与保温抹面层作为内外集成保温系统，不仅有效隔离内外部环境差异，还具有环保性[36-40]。