自承重式秸稈建筑的建造與節(jié)能研究

劉崇，譚令舸/LIU Chong, TAN Lingge

1 建成后的瓦格林生態(tài)旅館（攝影：Klaus Hirrich）

2 平面圖

3 剖面圖

山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳課題（批準(zhǔn)號：2156102）

4 對工廠預(yù)制的秸稈砌塊進(jìn)行再加工（作者自攝）

引言

在我國秸稈材料及其建造技術(shù)正成為實(shí)現(xiàn)建筑低能耗的一種有效途徑。通過一系列示范建設(shè)，草磚房在北方已經(jīng)初步形成一套適合于廣大鄉(xiāng)村的建造技術(shù)及其工具系統(tǒng)。上海世博會(huì)萬科館運(yùn)用秸稈作為設(shè)計(jì)的主角引發(fā)廣泛關(guān)注，其富有感染力的麥垛建筑造型和外掛秸稈板材的創(chuàng)新應(yīng)用，為人們提供了親近自然的可能?，F(xiàn)階段充分發(fā)揮秸稈建筑節(jié)能、保溫、低造價(jià)、就地取材的性能，對改變當(dāng)前趨同的鄉(xiāng)村面貌具有深遠(yuǎn)意義。自承重式秸稈建筑作為生態(tài)化的鄉(xiāng)土建筑的營建方式，是一種通過秸稈砌塊本身來構(gòu)成承重體系的建筑形式。這種體系的優(yōu)點(diǎn)在于不使用或較少使用混凝土、鋼材或者木材作為承重骨架，自重輕，施工方便，生態(tài)環(huán)保。在秸稈資源豐富的廣大鄉(xiāng)村地區(qū)和旅游景區(qū)，這種結(jié)構(gòu)形式有著較高的推廣價(jià)值。

1 工程概況

由歐洲生土建筑學(xué)校建設(shè)的秸稈生態(tài)旅館位于德國北部的瓦格林小鎮(zhèn)，建筑面積215m2，共4個(gè)開間，總長26.5m，高4.5m?？ㄈ麪柎髮W(xué)赫爾諾特·明克 (Gernot Minke)教授主持設(shè)計(jì)并擔(dān)任施工監(jiān)理，來自德國、荷蘭、比利時(shí)、波蘭、西班牙、中國和日本等國家的教師與志愿者共同組成施工團(tuán)隊(duì)。這座旅館建筑的基本單元是由秸稈砌塊建造而成的拱券，拱券采用了懸鏈線（catenary）型曲線，目的是依靠秸稈拱券垂直于地面的壓應(yīng)力保證建筑的穩(wěn)定。重復(fù)的秸稈拱單元既降低了施工的復(fù)雜性，又使建筑在外部形象上富有動(dòng)感和韻律，美觀大方。秸稈拱給人以厚重、舒適和安全的感受，南側(cè)的落地窗保證了室內(nèi)足夠的光照，另外對于旅館建筑，秸稈磚墻具有良好的隔音效果，秸稈拱形成的凹面可以延伸聲效，進(jìn)一步提高空間的吸聲特性。旅館屋頂采用種植屋面，種植佛甲草等植物，加強(qiáng)建筑的保溫和隔熱性能（圖1-3）。

2 施工準(zhǔn)備

施工現(xiàn)場需要由具有秸稈或夯土建筑施工經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員擔(dān)任監(jiān)理，其職責(zé)是負(fù)責(zé)現(xiàn)場的調(diào)度、質(zhì)量檢測和氣象防護(hù)，對施工安全和材料中的水汽含量進(jìn)行監(jiān)測，并記錄施工日志。在施工現(xiàn)場散落的秸稈是一個(gè)重要的火險(xiǎn)源，所以現(xiàn)場應(yīng)該定期打掃，嚴(yán)格按照規(guī)范布置滅火設(shè)備，嚴(yán)禁明火作業(yè)。

構(gòu)成連續(xù)拱券的秸稈砌塊由工廠預(yù)制，由小麥秸稈作為原材料經(jīng)過高壓捆扎而成，需要保證密度不小于90kg/m3，砌塊含水率不超過其總重量的15%[1]。進(jìn)入現(xiàn)場的秸稈砌塊，需用帆布進(jìn)行嚴(yán)密的保護(hù)，防止雨淋與受潮。貯存時(shí)將秸稈砌塊按長度進(jìn)行標(biāo)記，分開堆放在干燥的厚木板上。項(xiàng)目選用了標(biāo)準(zhǔn)厚度為365mm、導(dǎo)熱系數(shù)為0.045W/m2的預(yù)制砌塊。

在工作車間內(nèi)，鏈鋸工作臺把工廠預(yù)制的秸稈砌塊的截面加工成砌筑拱券所需要的梯形截面。工作臺由“切割單元”和“輸送單元”組成：安裝在左右兩側(cè)的鏈鋸組成切割單元，用以把秸稈砌塊的側(cè)邊切割成砌筑拱券所需要的角度；安裝在底部的平臺是輸送單元，用以向鏈鋸構(gòu)成的切割面輸送砌塊（圖4）。

3 建造流程及技術(shù)要點(diǎn)

3.1 地面與基礎(chǔ)

地面與基槽開挖之后，施工人員需要用三七灰土對槽體進(jìn)行防潮和夯實(shí)處理。然后技術(shù)小組成員需要鋪設(shè)350mm厚的泡沫玻璃墊層，并再次夯實(shí)，之后設(shè)PE箔片隔汽層，這樣有助于阻隔地面的水分通過毛細(xì)作用進(jìn)入基礎(chǔ)上方的墻體，抑止秸稈砌塊的腐爛。搗實(shí)的碎泡沫玻璃處于高度密實(shí)狀態(tài)，它的導(dǎo)熱系數(shù)λ在0.06～0.08W/(m·K)之間[2]，具有良好的冬季保溫和夏季隔熱性能。秸稈墻與基礎(chǔ)和地面的下部連接需要保證不會(huì)形成熱橋，并且這個(gè)區(qū)域的秸稈和抹灰需要考慮防濺水保護(hù)，通常在泥土抹灰外再設(shè)置一道防水石灰抹面。另外在條形基礎(chǔ)與墻體之間使用防潮砂漿，防止地基中的水分滲入墻體內(nèi)部（圖5）。

3.2 墻體砌筑

5 墻體與基礎(chǔ)、地面連接圖（2.3.5設(shè)計(jì)：赫爾諾特·明克，作者改繪）

生態(tài)旅館整個(gè)北立面和南立面的拱形雨棚由加氣混凝土砌塊砌筑而成。在進(jìn)深方向，基礎(chǔ)的上方首先砌筑1.20m高的加氣混凝土矮墻，它對秸稈拱券起到支撐作用。混凝土矮墻完成后，即在矮墻之間插入預(yù)先制作的拱形模板，在模板上方進(jìn)行拱券的施工（圖6、7）。上下層秸稈砌塊之間以木條垂直插入的方式進(jìn)行加固，木條插入的深度約為砌塊厚度的兩倍半。5個(gè)相同跨度、高度的秸稈拱共同構(gòu)成重復(fù)的空間單元。

6.7 秸稈拱的砌筑（作者自攝）

8 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人參與對秸稈拱施加預(yù)應(yīng)力

9 砌筑秸稈墻體

10 墻內(nèi)不利的窗戶位置

11 墻與窗結(jié)合位置構(gòu)造

12 不同抹灰材料的蒸汽擴(kuò)散系數(shù)（圖片來源：赫爾諾特·明克等，2007）

13 對秸稈拱頂進(jìn)行噴涂抹灰（作者自攝）

14 旅館內(nèi)部空間 （攝影：Klaus Hirrich）

表1 不同配合比的石灰抹灰的蒸汽擴(kuò)散系數(shù)μ值（數(shù)據(jù)來源：赫爾諾特·明克等，2007）

在完成每個(gè)拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)施工后，需安裝預(yù)應(yīng)力拉索，對拱頂施加預(yù)應(yīng)力，以提高其屋頂結(jié)構(gòu)的承載力、加強(qiáng)其穩(wěn)定性。拉索在開間方向環(huán)繞秸稈拱的上方，兩端通過棘輪拉緊器和混凝土矮墻中預(yù)埋的錨栓相連。每個(gè)秸稈拱需要多個(gè)拉索共同施加預(yù)應(yīng)力，拉索的間距是根據(jù)拱頂所需預(yù)應(yīng)力和拉索材料的類型來確定的（圖8）。

為保證結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，秸稈承重墻的墻高與墻厚的比值一般不應(yīng)超過5∶1，自承重式秸稈拱的實(shí)際高度與墻厚的比例應(yīng)通過結(jié)構(gòu)軟件的計(jì)算確定。如窗凹進(jìn)秸稈墻內(nèi)較深，容易產(chǎn)生熱橋并在冬季蓄積冰雪殘留物（圖10）。理想的構(gòu)造方法是將窗戶置于窗洞中央并附加隔熱材料來阻斷可能的熱橋效應(yīng)（圖11）[1]。

3.3 抹灰

抹灰既阻隔水汽進(jìn)入秸稈砌塊，又是秸稈結(jié)構(gòu)防火的主要屏障，它還可以提高建筑的蓄熱性能。在秸稈拱內(nèi)外表面抹灰之前，砌塊局部突出室內(nèi)墻面的秸稈，需要用電動(dòng)修剪機(jī)等工具進(jìn)行修剪，將墻面修整平滑，然后用混合了秸稈的輕質(zhì)粘土，填實(shí)墻面的所有縫隙和孔洞，采用玻纖網(wǎng)連接不同材料表面的接合處和墻面的轉(zhuǎn)角處，以加固灰漿的作用，防止產(chǎn)生裂紋。

室內(nèi)和室外一側(cè)的抹灰材料的選擇應(yīng)依據(jù)“入難出易”的原則，以防止過多水蒸氣滲入秸稈砌塊內(nèi)部，而已進(jìn)入砌塊內(nèi)部的水蒸氣可方便地逸出，避免砌塊內(nèi)部水汽聚積，造成結(jié)構(gòu)損傷。抹灰的材料可以選用粘土、石灰以及石灰與水泥的混合物。粘土有能夠吸附水汽的特性，對調(diào)節(jié)室內(nèi)空間的空氣濕度起到積極的作用。在空氣濕度可能超過70%的浴室，用粉刷乳膠或亞麻籽油清漆等防護(hù)層的方法增加抹灰材料對水蒸氣擴(kuò)散的抵抗能力。

抹灰工作需進(jìn)行3遍。第一遍使用壓力泵進(jìn)行噴涂，灰漿中粘土含量較高，目的是保證秸稈砌塊外表面纖維和抹灰層緊密連接，同時(shí)進(jìn)行表面的初步找平。第二遍抹灰較薄，需要使用含細(xì)沙量和麻纖維混合物較多的灰漿，以減少干燥過程中產(chǎn)生的裂紋。第三遍抹灰的灰漿應(yīng)嚴(yán)實(shí)而牢固，形成總厚度50mm的平整面層。

秸稈拱的室外抹灰原料由1份石灰與3～4份砂組成，并在石灰中額外添加5%的水泥以加速抹灰的硬化。底層抹灰仍采用高壓噴射的方法使砌塊中的桿莖充分濕潤，而在第二層涂層中需要設(shè)置加固網(wǎng)以阻止裂隙的產(chǎn)生。添加憎水劑、刷油漆面層或設(shè)置濺水板可以滿足秸稈外墻對于濺水防護(hù)的要求。

3.4 屋頂種植

覆蓋有植被和種植土的屋頂可加強(qiáng)建筑的保溫隔熱性能，有助于使室內(nèi)保持適宜的溫度。進(jìn)行施工作業(yè)之前，需要使拱頂外表面的抹灰完全干燥。在抹灰層上方，由外到里應(yīng)完全覆蓋過濾層、蓄排水層和和防水層。秸稈拱之間采用暗溝排水的方式：兩個(gè)連續(xù)秸稈拱之間的水平排水溝與覆蓋拱頂?shù)呐潘畬酉啻罱樱绊敺N植土中多余的水分通過過濾層滲入蓄排水層，然后匯集到秸稈拱間的水平排水層、進(jìn)入落水管并流入地下的雨水管井。種植土的厚度決定于結(jié)構(gòu)承載力、建筑的保溫要求和所種植物種類，項(xiàng)目中的種植土厚度為250mm。土壤中的養(yǎng)分不宜過于充足，以避免植物生長繁茂，扎根過深而破壞屋面的防水層。

4 節(jié)能分析

在相同氣候環(huán)境下，將生態(tài)秸稈旅館與等同節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的磚混結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行對比計(jì)算，保證磚混房屋的形狀、體量、朝向、內(nèi)部的空間劃分和使用功能與生態(tài)秸稈旅館完全一致,以分析兩種體系圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能[3]。

4.1 建筑熱工性能計(jì)算

4.1.1 秸稈拱K值計(jì)算

旅館連續(xù)拱券的結(jié)構(gòu)單元由秸稈砌塊組成，砌塊通過壓縮機(jī)預(yù)制生產(chǎn)而成，標(biāo)準(zhǔn)厚度為365mm。秸稈砌塊采用垂直砌筑，形成隔熱層，這樣可以使熱傳遞方向垂直于秸稈莖，綜合測算其導(dǎo)熱系數(shù)為λ=0.045W/m2。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-2016[4]，秸稈拱的傳熱系數(shù)（k值）計(jì)算如表2。

秸稈拱的計(jì)算傳熱系數(shù)k=0.105W/m2·K，達(dá)到了被動(dòng)式超低能耗建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)不大于0.15 W/m2·K 的要求[5]。

表2 秸稈拱傳熱系數(shù)K值計(jì)算

15 秸稈拱圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱失熱計(jì)算模擬圖

16 粘土多孔磚圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱失熱計(jì)算模擬圖

17 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各月模擬計(jì)算比較圖（15-17圖片來源：作者自繪）

4.1.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱失熱模擬計(jì)算

圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性是指在周期的熱作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身抵抗溫度波動(dòng)的能力。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱失熱能力是影響房間熱穩(wěn)定性的重要因素。運(yùn)用Ecotect軟件，建立秸稈生態(tài)旅館熱環(huán)境模型，對其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱失熱進(jìn)行模擬分析，情況如下：藍(lán)色到黃色為由失熱到得熱的過程，失熱越多，藍(lán)色范圍越大，顏色越深，反之亦然。

由圖10可以看出，秸稈拱結(jié)構(gòu)從10月到次年3月處于失熱狀態(tài)，最冷月1月圍護(hù)結(jié)構(gòu)月平均失熱量為21.14kWh；最熱月7月圍護(hù)結(jié)構(gòu)月平均得熱量為0.306kWh。在相同環(huán)境，秸稈拱與等同節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的磚混圍護(hù)結(jié)構(gòu)：厚度為490mm的粘土多孔磚墻，15mm厚的石灰抹灰，275mm厚的EPS板和15mm厚的石膏板[6]，由被動(dòng)房分析軟件PHPP計(jì)算得到墻體傳熱k=0.105W/(m2·K)。分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)的k值可以發(fā)現(xiàn)：磚混結(jié)構(gòu)達(dá)到與秸稈拱相同的傳熱系數(shù)時(shí)，粘土多孔磚和保溫層構(gòu)成墻體系統(tǒng)的厚度約為秸稈拱的2倍，在室內(nèi)空間利用和材料經(jīng)濟(jì)性等方面，秸稈拱體系較磚混結(jié)構(gòu)具有一定優(yōu)勢。

將兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，圖12數(shù)據(jù)表明：最冷月秸稈拱結(jié)構(gòu)的失熱量是磚混結(jié)構(gòu)的20.66%，最熱月秸稈拱結(jié)構(gòu)的得熱量是磚混結(jié)構(gòu)的2.97%，說明秸稈拱較磚混圍護(hù)結(jié)構(gòu)而言，在冬季能更好地保溫，而在夏季又能夠減少熱量進(jìn)入，起到隔熱的作用。

4.2建筑節(jié)能效率與碳排放

運(yùn)用Ecotect分析軟件，對秸稈拱生態(tài)旅館進(jìn)行年能耗計(jì)算（圖14），得到建筑采暖年能耗為42.54kWh/m2。對比德國現(xiàn)行節(jié)能條例（EnEV）中規(guī)定的典型新建建筑的采暖熱耗限值：45kWh/(m2·a)[7]，秸稈拱旅館年采暖熱耗小于限值，屬于低能耗節(jié)能建筑。秸稈拱旅館與等同節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的磚混建筑相比，建筑全年采暖、制冷的能耗值僅為后者的24.93%.

針對秸稈拱旅館進(jìn)行連續(xù)72小時(shí)區(qū)域模擬測溫，選取時(shí)間為瓦格林鎮(zhèn)年平均最冷時(shí)段2月2-4日，測試周期內(nèi)室外平均溫度為零下1.6℃，設(shè)置測試期間旅館門窗均處于關(guān)閉狀態(tài)[8]。在冬季無人居住且無供暖的條件下，測量數(shù)據(jù)整理如圖15所示，室內(nèi)溫度與室外溫度變化趨勢基本呈正相關(guān)，但兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比較秸稈拱旅館的室內(nèi)溫度變化趨勢受室外溫度變化的影響較小。在自然條件下0∶00～24∶00的24個(gè)小時(shí)中，年最冷日2月4日室外溫差為6.4℃，而秸稈拱室內(nèi)保持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度范圍日溫差僅為1.8℃。同時(shí)秸稈拱室內(nèi)溫度比磚混結(jié)構(gòu)平均高4℃左右，說明秸稈拱結(jié)構(gòu)具有良好的熱惰性同時(shí)室內(nèi)更為舒適。

如圖16所示，藍(lán)色多邊形表示熱舒適區(qū)域，青色區(qū)域代表被動(dòng)式太陽能采暖的得熱量。計(jì)算秸稈拱旅館的窗墻比為0.21，根據(jù)焓濕圖分析得出：設(shè)計(jì)中采用被動(dòng)式太陽能采暖策略，能夠提高建筑4月、5月和9月大部分時(shí)間的室內(nèi)舒適度。

建筑材料因加工和運(yùn)輸導(dǎo)致的碳排放是影響建筑全生命周期內(nèi)生態(tài)效益的另一關(guān)鍵因素，依據(jù)建筑碳排放計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)（中英文對照）和碳排放計(jì)量方法的相關(guān)文獻(xiàn)，了解主要建筑材料的生產(chǎn)過程、能源消耗情況，歸納匯總結(jié)兩種結(jié)構(gòu)相關(guān)的建筑材料碳排放系數(shù)（圖17）。依據(jù)不同建筑材料生產(chǎn)階段的碳排放因子，對磚混、秸稈拱兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行碳排放定量比較，建筑材料生產(chǎn)階段的碳排放計(jì)算公式為：

其中：

Eei為第i種建材的碳排放系數(shù)；

Mi為第i種建材的使用量；

S0為屋面表面積。

根據(jù)秸稈拱旅館測算數(shù)據(jù)（表3），其全部材料的碳排放總量為6380.46kg，相比于等同節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的磚混結(jié)構(gòu)房屋的磚混結(jié)構(gòu)建筑（圖18），其全部材料的碳排放僅為后者的16.20%。因此合理使用秸稈建材可以有效減少建筑溫室氣體的排放。

18 德國現(xiàn)行條例中規(guī)定的新建建筑采暖能耗限值

19 建筑逐月能耗分析

20 建筑室內(nèi)外溫度變化圖

表3 秸稈旅館與參照建筑比較

21 采用被動(dòng)式太陽能供暖焓濕圖

22 歐洲建材加工階段的碳排放因子（kg CO2kg）（數(shù)據(jù)來源：http//www.greenspec.co.uk）

23 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)碳排放比較（18-21,23圖片來源：作者自繪）

5 結(jié)語

現(xiàn)階段，我國正處于城鎮(zhèn)化不斷加速發(fā)展的歷史節(jié)點(diǎn)上，秸稈材料在建筑中的應(yīng)用，有助于改善我國鄉(xiāng)村居民居住環(huán)境，促進(jìn)鄉(xiāng)村建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。秸稈建筑以其良好的熱工性能，突出的生態(tài)性價(jià)比及低廉的造價(jià)，在新農(nóng)村建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。在我國，秸稈建筑建造技術(shù)的研究和推廣尚處于起步階段，希望能拋磚引玉，為秸稈建筑的營建與發(fā)展提供借鑒。

[1] 赫爾諾特·明克，弗里德曼·馬爾克編著，劉婷婷譯，秸稈建筑[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2007:56-60,36-37,44-45.

[2] 劉加平.建筑物理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2009.8:164-165.

[3] 河北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.DB13(J)/T177-2015,被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2015.8.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50176-2016,民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2016.8.

[5] 中國建筑科學(xué)研究院.GB50189-2015,公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2005.4.

[6] 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.06J123,墻體節(jié)能建筑構(gòu)造[S].北京：中國計(jì)劃出版社,2007.3.

[7] 德國能源署，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑節(jié)能中心.中國建筑節(jié)能簡明讀本—對照德國經(jīng)驗(yàn)的全景式概覽[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2009:22-23.

[8] 劉崇，張睿，譚良斌.魯?shù)榈貐^(qū)傳統(tǒng)夯土建筑的節(jié)能與發(fā)展初探[J].世界建筑,2017.01:101-102.