王毅超，周 慶（天津城建大學 建筑學院，天津 300384）

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建筑與規劃

木質建材在當代建筑中的發展趨勢

王毅超，周 慶
（天津城建大學 建筑學院，天津 300384）

木質建材以其節能環保、可再生、可循環利用的材料特征成為當代最具發展前景的建材之一，然而其在當代的發展依然面臨著資源環境和應用思維上的問題.本文針對這些問題，對木質建材資源和技術上的情況進行了簡要分析，表述了當代木質建材的應用需要思維上的轉變，解除人們對它的誤解，建立對其再認識的觀點.通過介紹基于當代建筑思想和技術下木質建材的特性，本文對木質建材在當代建筑中的應用現狀和發展前景做出了分析和展望.

木質建材；當代建筑；思維轉變；再認識

在建筑發展史上，人們對木質建材的認識有兩次大的轉變.一次是開始于18世紀60年代工業革命時期，曾經作為世界最普遍建筑材料的木材，由于自然的不穩定和不規整性，無法融入建筑的工業化潮流終被鋼筋混凝土所取代的轉變［1］.另一次是20世紀末開始的，面對過度使用混凝土和鋼材所造成的資源、環境和人文破壞，木質建材的優勢被再次重視而有望回歸的轉變.在2004年《京都議定書》簽訂后，可持續發展和綠色建筑理念驟然升溫的背景下，建筑與建材的熱點再次轉向節能環保的木材——這個正以新的姿態被人們重新認識，展開建筑舞臺回歸趨勢的材料［2-3］（見圖1）.

要做到對當代木質建材重新認識的關鍵點有兩個：①轉變思維：尊重木質建材的固有材性，消除誤解，發揮木材應有的建筑優勢；②技術支持：利用木材工業技術對木材進行改性和重組，加強力學強度，提高防火耐腐能力，突破尺寸極限，優化建筑經濟效益.

圖1 富有現代感的漢諾威博覽會木質展棚

1 木質建材的材性

1.1 木質建材的優勢

與其他建材相比木質材料有突出的優勢，作為一種高性能、可再生且節能環保的建筑材料，它不僅可以滿足建筑力學和美學特征的需要，更是綠色建筑與可持續發展思想的重要組成部分.

1.1.1 結構的質強比

木材作為結構用材的優勢不在于木材的絕對強度，而在于其相對于重量的強度，也就是質強比.在建筑中，大部分結構用木材的密度在450～675，kg/m3之間，而混凝土在2，350～2，450，kg/m3之間，為滿足相同跨度結構的力學需求，混凝土需要2倍于木材的重量.也就是說，木結構雖然約是混凝土彈性模數的1/3，但重量卻只有它的1/8［1］.

1.1.2 生態環保的綠色建材

臺灣成功大學的陳啟仁教授曾說：“21世紀木材的復興不靠建筑美學，不靠傳統情節，靠的是環保效益.”［1］陳啟仁很凝練地表達出了木質建材的突出優勢.這一優勢通過建材的生產和回收過程得到體現.

從建材的“生產”過程來說：木材作為唯一的可再生建材，其“再生”形式就是樹木的生長過程.樹木通過植物的光合作用以“固碳”的形式生長，每生長1，m3木材約能吸收1，t的CO2，并釋放出0.75，t的O2［4］，不僅“生產”了木材，也是保障環境質量、維系大氣平衡的關鍵.與其他需要消耗化石能源的現代材料相比，木材不僅沒造成污染，還對環境質量的改善做出了貢獻.以搭建跨距為7.5，m的梁為例（見圖2），用鋁、鋼筋混凝土，鋼材及木材為材料，所需構件的自重比為5∶216∶15∶29，制材過程的耗能比為16.5∶5∶3.8∶0.3，二氧化碳釋放量之比為327∶101∶76∶6，而且最后一項還是在忽略木材“固碳”的基礎上，通過樹木的光合作用，大氣中的二氧化碳不僅不會增多還有減少［1］.

圖2 制造7.5，m橫梁各種建材的CO2釋放量和耗能比值

從建材回收與再利用的角度：由于木材在建筑中主要是以節點的方式連接（見圖3-4），一座木質建筑可以以拆除節點的方式回收大部分材料用于其他建筑，或者利用工業木材技術進行分解與重組后再利用；即使某些木質構件因破壞嚴重不可再利用，也可以采用深埋或燃燒的方式，讓材料回歸到自然界，既環保也省去了混凝土材料建筑為處理建筑垃圾而消耗的資源.

圖3 木質建材的回收優勢的范例——瑞士館［5］

圖4 木結構的金屬節點示意［6］

1.1.3 人情化建材

從漢諾威瑞士館的內景（見圖5）可以看出木質建材是創造舒適空間、親和人類情感的材料［7］.首先，木質建材有出色的保溫隔熱性，它的導熱系數只有紅磚的1/4.35，混凝土的1/8.69［8］.據清華大學的一項研究表明，實現同樣的建筑保溫效果，木質材料需要的厚度只有混凝土的1/15，鋼材的1/400［9］；由于木質纖維的吸水性，木質建材可以自動調節室內濕度，維持一個恒定的濕度環境，這對人體健康非常有利.

圖5 瑞士館內溫暖的氛圍［10］

有人很形象地用漢字“休”來解釋木材與人身心健康、心情愉悅的文化含義.日本東京大學的信田聰和島根大學的中尾哲也教授分別有研究表明：人居住在木造住宅中要比住在混凝土住宅中平均延長壽命約9年，而且后者還證明了建筑的木造成分比例與人體患癌癥和因癌癥而死亡的幾率成非線性反比［11］.在“人體接觸木材的生理指標反饋研究測試”中，研究人員發現木質材料生活空間對人體各項生理指標——心率、血壓、體溫和腦電波的功率圖譜變化等都有積極影響，遠優越于金屬、石材等現代材料.國外木材科學的學者曾對木材的色調與人心理圖像之間的關系進行了深入研究，結果表明：“木材表面所呈現的1/f 波譜的性狀會給人以自然、舒適的心理感覺，從而讓人感到輕松［12］”.

1.2 木質建材的缺陷

木材是一種由管狀纖維素聚合的多孔天然材料，其天然有機和纖維的特性讓木質建材具有與生俱來的多樣且復雜的缺陷（見圖6）.

圖6 木材的顯微構造

1.2.1 可燃性與蟲腐性

木材是自然界的植物組織，是有機生命體的一部分，相對的也不可避免地具有可燃、易腐和蟲霉的特征.

中國北魏時期的永寧寺塔大火，英國倫敦大火，羅馬大火，都帶來了巨大人員傷亡和經濟損失.出于安全性和經濟性的考慮，人們都一直視這些屬性為木質建材的最大缺陷，但由于一直沒有更適合的建材，古代人不得不在接受這個建筑風險的前提下組織建設活動和使用建筑，直到無機現代建材誕生帶來的顛覆性轉變.

1.2.2 木質纖維特性

木材中的木質纖維具有濕脹干縮特性，從被砍伐開始，木材的含水率會因水分的蒸發逐漸降至與環境相適應的固定值.當含水率低于“纖維飽和點（Fsp）”［6］時，木材會隨著含水率的增減在尺寸上有不規則脹縮的現象.在建筑應用中，與環境相適應的含水率固定值（10%，左右）幾乎都在Fsp以下，這意味著，木質建材的脹縮性會一直伴隨建筑存在.

纖維特性不僅體現在尺寸變化上，作為建材更讓人關注的是力學強度的異向性，即木材沿著纖維方向的抗壓抗拉強度遠大于垂直方向［1］，其比值甚至高達20∶1.木質纖維的力學不穩定性，被視為不符合工業時代的另一大缺陷.

2 對當代木質建材的再認識

提到當代建筑材料，人們還是比較傾向于混凝土、鋼材和玻璃，而不看好木質材料.建筑師之所以回避木質建材出于很多原因，除了天然缺陷外，更多的原因來自對木質建材長期的主觀認識與偏見.隨著現代工業木材技術的推廣，木質建材的先天缺陷也正在逐步地得到改善，此時，正是到了對木質建材重新認識的時刻.

2.1 木質建材的燃燒與安全性

易燃性或許是木材給人的最大印象，這可能由于人類文明自古以來都將木材視為建材和能源的雙重身份所致.“木材的存在就是為了燃燒”的印象在人們頭腦中根深蒂固.

其實作為建材來講，木材并不像想像中的那么易燃.在歐洲，木質建材被定義為不易燃的準燃燒材料.木材燃燒的過程是由外向內的木質纖維氧化碳化的過程，外表經過燃燒后產生碳化層，可以有效地阻隔氧氣與內部木質纖維的繼續接觸，從而抑制木材的進一步燃燒.若木質構件的斷面足夠大，燃燒將是一件十分困難和緩慢的過程（見圖7）.

圖7 木材表面燃燒與碳化過程示意［1］

圖8 廣重美術館纖細的木質構件

在建筑中，木質建材構件不可能都是大斷面的，日本建筑師隈研吾的代表作品廣重美術館，為了營造日本浮世繪藝術中“雨”的意向和滿足空間層次感的表達，他采用了斷面為3，cm×6，cm極小的八溝衫木方木（見圖8）.如此小斷面的木構件，意味著建筑非常易燃，經過多方探索，隈研吾最終確定引用工業木材技術的方案：即利用加壓注射方式，在杉木中加入化學阻燃試劑以達到防火要求［13］.廣重美術館的成功并非個案，這種木材的防火處理方法，在當代建筑中已經得到推廣，木質建筑易燃不安全的標簽也正在被摘去.

2.2 木質建筑的耐久性

腐朽被視為木質建筑的又一缺陷.這個由來已久的印象究其根源可能與紀念性建筑的選材有關，歷史上的紀念碑或陵墓之所以選擇石材，原因就在于石材的耐腐能力高于木材.其實在設計合理和維護得當的情況下，木質構件的腐朽是一個很漫長的過程.中國的應縣木塔，日本的法隆寺和北歐隨處可見的18世紀木建筑的屹立就證明了這一點［14］.就算是未經化學處理的天然木材也完全可以滿足70年的使用年限，再加上當代木材改性技術的發展，可以將防腐劑通過加壓的方式滲入木材，只要有必要的維護，多數木建筑即使在最惡劣條件下也能保持50年不腐［15］.

值得一提的是，如果從整座建筑的角度來看，即使木質材料不耐久，也不意味著木質建筑不耐久.最典型的實例就是日本的神社，全木質的建筑之所以保持幾個世紀常新的關鍵就是每兩年一次修繕的“替造”制度.其實質就是定期拆解和替換腐朽或不能維持建筑特征的構件，以保證建筑的正常使用.可見，木質建筑的持久性，并不在于木質建材的“永恒性”，而在于其“可持續性”（見圖9）.

圖9 日本傳統純木質建筑——神社

2.3 突破生理外形和尺寸極限

木材曾一直因生理尺寸的限制而不能用于大跨度建筑的建造.直到19世紀，工業木材中的膠合層積材和復合材技術的成熟給木質建材帶來了革命性的變化.通過將原木分解再用膠黏劑沾合的方式，木質材料不僅可以增加強度，還可以被重新塑形為更多形狀和更大體量（見圖10）.如果說生態環保是當代木質建筑發展的第一決定性因素，工業木材膠合技術的誕生就是僅次于它的第二決定性因素.

圖10 大跨度木質膠合曲梁［5］

木質材料在尺寸極限上的突破，是創造大空間大體量木質建筑的必要條件，它讓木質建筑走向當代建筑先鋒設計成為可能，自此，大跨度再也不是鋼結構的專利（見圖11）.

圖11 當代木質建筑在外形和尺寸上的突破［1-2］

2.4 樹木砍伐與木質資源的枯竭

木質材料的前景不被當代建筑看好的原因之一是森林資源的稀缺和林地破壞.在中國，持續了千年的森林砍伐已經使木材資源幾近枯竭，加上木質建材限用政策更將建筑幾乎變為混凝土的專利.其實在這個不利的時候，更需要發展木質建筑.

20世紀木建筑盛行的歐洲也曾有過木材緊缺的狀況，但經過幾十年的林木恢復，基本上實現了建筑需求和自然環境的平衡.甚至相比之前，歐洲的荷蘭、挪威、瑞士等木建筑盛行國家的森林覆蓋區域還增長了3%，［16］.這種不斷砍伐與林地增多現象并不矛盾，隈研吾曾這樣描述日本的雪松：“木材有需求，只有不斷地用，才能保持并繼續生長出覆蓋陸地面積60%，的森林資源［17］.”發達國家將木材視為可再生的建材商品，這其實是一條商業產業鏈，人們會在市場需求的驅使下主動培育樹木，只要嚴格管理，木建筑的發展不僅不會造成森林資源的減少，甚至還會使它增加.例如美國的木材生產和采伐就會嚴格受到聯邦環境條例和土地管理法的約束，雖一直砍伐，但同時也做到了年平均種植10億棵的指標，種植量甚至超過砍伐量的27%，［18］.

2.5 木質建材的經濟性

當對木質建材有所了解之后，會發現木質建筑并沒有之前認為的那么昂貴，特別是在木質材料的工業化趨勢下，木質建筑的建造成本已經大幅降低.

在中國，華東地區的精裝木結構房屋的建造成本約為1，500元/m2，雖然看上去比普通磚混住宅造價800～1，000元/m2要高，但是需要考慮到：木結構住宅的得房率要比磚混住宅的高8%～10%，；木結構自重輕，不需要打很深的地基，節省了地基成本；木結構房屋大量采用預制構件，施工工人數量少，節省了人力成本；施工時間短，且不受惡劣天氣影響，相比于磚混結構6～10個月時間，木建筑只需45，d即可交付使用，節省了時間成本［2］.若尋求更準確的數據，在木結構住宅體系成熟的日本，建筑界給出了木質住宅的最終成本對比，即相對于鋼筋混凝土住宅70～100萬日元/坪和鋼結構住宅50～80萬日元/坪，木造房屋的造價只有30～50萬日元/坪（1坪約為3.3，m2）［11］.

木質建筑的經濟優勢不僅體現在建造過程，更體現在使用過程中（見圖12），據美國林產品協會（American Forest Products Association）一項對比研究數據顯示，在供暖房屋中，木結構房屋的運行能耗比混凝土結構的房屋能耗低 23 %，［2］.這意味著在70年的木質建筑壽命中，因能源的節省將大幅度降低建筑的運行費用.

圖12 205住宅（木質建筑）及其與標準混凝土建筑的耗能對比分析［6］

3 我國木質建材的發展

在中國，需要接受木質建筑與建材技術長期被冷落的事實，振興木質建材市場，挑戰與機遇并存，需要物質和思想上的雙重準備.

在持續的森林砍伐和戰爭破壞后，至20世紀80年代，我國可用于建筑行業的木材所剩無幾.因資源的稀缺，我國不得不放棄木質建材的開發與應用，而經歷了20余年的技術空白時期［19］.這一時期恰恰是西方綠色建筑大力發展木質建材的時期，我國對木質建材的研究已遠落后于西方.至20世紀末，國內掌握木結構技術的研究人員僅有7人，其中超過60歲的6人，超過70歲的3人，木質建筑沒有健全的標準和規范作為建筑設計的參考和依據［20］.然而，除了技術的缺失，思維的誤解也很嚴重，中國大多數人對木質建材還是缺乏理性的認識，人們會由于木質建材不堅固、易燃、伐木不利環保的認識，對木質建材有所抵觸，建筑從業者和研究人員也會認為沒有前景而放棄其商業開發和項目研究.

20世紀90年代，形勢有所緩解，中國現代木質建筑的最早發展就在這時開始，只不過這些存在于北京和上海極少數的木質建筑大都是面向國外人士的別墅，從建材到方案幾乎都來自海外.因此，如此稀少且價格昂貴的建筑并沒有發展成潮流.

我國木質建材形勢的全面改善，是進入21世紀之后.一方面我國20世紀80年代開始種植的人工林逐漸迎來了砍伐期，年增量2，500萬m3左右［21］；另一方面則是2001年中國加入世貿組織后，進口木材的零關稅制度，中國可以以優惠的價格向俄羅斯、新西蘭等國購買木材［20］.2002年，木質建筑技術發達的北歐木業協會開始了對中國的木結構技術推廣工作，并協助中國完善了木建筑設計規范，編寫完成了《木結構設計規范手冊》，2004年我國通過了《木結構設計規范》標準；2005年3月24日，由中國林科院木材工業研究所承擔的北美輕質木結構示范建筑在北京門頭溝落成（見圖13）.

近幾年，木質公共建筑也開始了快速地發展，在落成的建筑中浙江美麗洲教堂和云南高黎貢造紙博物館算得上具有時代性特征的代表作品（見圖14）.

圖13 北京門頭溝輕質木結構住宅［2］

圖14 我國當代木質公共建筑［22-23］

4 結 語

當代木質建筑與建材正在快速發展，在可持續發展理念、綠色建筑理論、木材工業技術的支持下，在合理種植和木材國際市場貿易的推動下，木質建材正在逐漸地被越來越多的國家和地區所接受.其所創造的當代建筑除環保舒適的共性之外，也不乏讓人望而驚嘆的藝術性杰作.

對木質建材的認識是結合時代發展的不斷認識過程.即便是在木質建筑和建材技術比較落后的我國，如果有對建材的客觀認識，再加上政策引導和相關技術支持，當代木質材料將可打破被建材邊緣化的局面.

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Development Trend of Wooden Building Materials in Contemporary Architecture

WANG Yichao，ZHOU Qing
（School of Architecture，TCU，Tianjin 300384，China）

Wooden building materials have become one of the most promising materials due to the characteristics of energy conservation， environmental protection， renewability and recyclability. However， in modern times the development of the wooden building materials still face the problems of resources and environment and the thinking patterns of application. In order to solve these problems this paper analyzes wooden building material resources and technical conditions， expresses the view that a change of thinking is required in the application of wooden building materials， that it is important to relieve people's misunderstanding of wooden building materials， and that people should reconsider the value of this material. Through the introduction of the characteristics of the wooden building materials based on contemporary architecture thoughts and technologies， this paper briefly analyzes the application status and development trend of wooden building materials in contemporary architecture.

wooden building material；contemporary architecture；change in thinking； reconsideration

建筑與規劃

TU531.1

A

2095-719X（2016）02-0086-06

2015-10-12；

2015-10-19

天津市藝術科學規劃項目（2014E14061）

王毅超（1987—），男，天津人，天津城建大學碩士生.