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秸秆材料的建筑空间建构研究

摘要:农作物秸秆具有良好的生态价值,在建筑领域有广泛的应用前景。针对秸秆材料和秸秆建筑发展的现状问题,研究基于设计视角,导入建构理论,采用两个主题实验,从概念和实践层面探索秸秆材料的表现潜力,研究材料如何与现代设计与建造技术结合,更好地实现秸秆材料推广,促进秸秆建筑的发展。

关键词:秸秆材料,建筑空间,建构实验

1材料实验的缘起

秸秆(Straw),是农作物成熟脱粒剩下的茎,又称农作物纤维。秸秆分两类:粮食作物秸秆(麦秸、稻秸、玉米秸秆和高粱秸秆等)与经济作物秸秆(棉杆、甘蔗杆、麻杆、芦苇杆、豆秸等)[2]。秸秆在收割时节通常以焚烧处理,这引发了严重的环境污染问题。为了减少秸秆焚烧,多个领域对此开展了研究。秸秆很早就应用于建筑领域,国外草砖建筑使秸秆建材进入人们的视野。相较于国外,目前国内对秸秆的认知度不高。在倡导可持续发展的低碳时代,农业废弃物秸秆依靠现代加工技术可形成新型的生态建材,不仅可以替代部分木质板材,节约林业资源;还能凭借出色的保温隔热性减少建筑能耗,具有良好的生态价值。现有秸秆材料主要有草砖和秸秆人造板,人造板以OSSB定向结构麦秸板和压缩稻秸纤维板为代表。鉴于材料当前的应用问题,研究尝试采用设计实验的方式,探索秸秆材料和秸秆建筑的发展方向。

2建构实验的目标与方法

2.1实验的目标

本次实验基于秸秆材料,目标是探索材料的表达潜力和寻求秸秆建筑的发展方向。建构实验将开展两个概念化建筑设计,主题由小到大,从设计角度探讨秸秆材料的性能、表现和建筑应用的策略。

2.2实验的方法

实验以建构理论为指导,美国建筑理论家肯尼斯•弗兰姆普敦在《建构文化研究》一书中对建构解释为“诗意地建造”。建构关注形成空间的物质材料和建造技术。因此,本实验在掌握秸秆材料性能的基础上,按照材料→设计→建造的过程逐步推演,重点关注设计与技术问题,目标是实现秸秆建筑“诗意地建造”。

3材料实验的课题与主题

材料实验设定秸秆单元屋与青年公寓两个主题,两者具有相关性,前者是后者的基础。首先探讨秸秆材料如何应用于现代微型建筑,而后结合更多现实问题,探讨秸秆材料如何与现代建造技术结合,形成大尺度、优质的生活空间,满足多元化的使用需求。
3.1实验一:秸秆单元屋构建

实验以微型盒体建筑为研究对象,视其为一个标准化生产的模块单元。实验设定单元屋尺度为3m×3m×3m,功能开放且有独立的支撑体系。基于OSSB板和草砖两种材料,使用轻钢结构、梁柱木结构和平台式木结构设计三个方案,前两种属于框架结构,后者为承重墙结构。以上三种都具备高度工业化、建造便捷和轻质的特点。秸秆屋以草砖或压缩稻秸纤维板作为填充材,以OSSB板作为覆面材。其中,在平台式木结构中,秸秆人造板替代木材,还充当单元体的结构龙骨材料,密肋排布生成建筑的框架系统,结构材之间使用金属连接片和螺纹圆钉连接。需要指出的是,由于实验一未给空间设定功能和场地,仅研究材料与结构的关系,因此秸秆屋各立面不受太多限制且形态自由。

3.2实验二:青年公寓设计与建造

基于实验一的探索,实验二将融入更多现实考量,综合场地、功能、建造等多个因素,以南京高新技术产业园青年公寓为虚拟设计的对象。之所以选择住宅建筑类型来推广秸秆材料,一是基于国内青年人群严峻的住房问题。集合住宅因其高容积率、经济性而备受青睐,是推广秸秆材料的有效途径。它不仅能够消耗大量秸秆材料减少焚烧,还能提高材料在城市中的影响力。二是由于住宅与人关系密切,是人们感知材料的有效渠道。场地环境分析:该青年公寓坐落于南京浦口区高新技术产业园内。基地周边多为规整的多层建筑,环境开阔。基地本身对青年公寓限制较少,这给建筑设计带来很大的自由度。设计概念确立:本次青年公寓以集合住宅设计为参考标准,借鉴国内外经典的集合住宅案例,如柯布西耶的马赛公寓、黑川纪章的中银舱体大楼。此外,标准化的集装箱建筑也为设计提供了启发。在分析与比较之后,本次实验确立了两个设计概念:一是采用生态材料与技术,二是模块化设计与建造体系。设计立足于现实,利用多样化空间组合、工业化建造手段,来实现紧凑并舒适的现代居住空间,满足多种使用需求,成为根植于场地的生态建筑。从而使建筑具有良好的环境和社会价值,促进秸秆材料在当代的推广。秸秆材料的选用:本次青年公寓设计基于秸秆材料,主要以OSSB定向结构麦秸板为饰面材料、压缩稻秸纤维板和草砖作为填充材料。空间形态的生成:设计采用模块化手段,由多个独立的居住单元模块和附加构件组成集合住宅系统。居住模块以实验一中3m×3m×3m的盒体秸秆物为最基本的构形单元,进行双倍与四倍组合,生成四种小户型。在每个户型中嵌入预制的开放式厨房和2.6m2卫生间,其余空间可灵活分隔。公寓平面为横长的折线形,以此获得更多的光照。内部空间采用“内廊式”的线性组织方式,设置采光中庭和高侧窗,并列排布居住单元体,四种户型两两穿插。公寓中每层都设有公共空间,与楼梯、天桥共同构成内部集散区.结构形式的配置:居住单元为平台式木结构,以OSSB板为骨架。为了便于建造,统一设定了几种带洞口的立面形式。公寓整体采用钢框架结构,支撑居住单元体和建筑的顶面、楼板部分。表皮覆层的围透:单元体和建筑表皮综合采用深色铝塑板、秸秆“条板”、塑料波纹板和玻璃四种形式,形成了从不透明到半透明的视觉层次。塑料波纹板和机器切割的秸秆条板可视为半透明表皮,用于居住单元体外覆层,满足视线和光线的穿透。铝塑板则用于整体建筑东西立面,包裹框架结构内填充的草砖。构造细部的处理:构造是构件间的连接,即节点细部。青年公寓由居住单元体组合而成,建筑构造包括单元体自身、建筑整体以及单元体与整体之间的连接。单元体木骨架包括组合柱与组合梁,由2片~4片板材通过叠加和错位钉接而成。托梁以450mm间距紧密排列,顶部、底部和转角处采用80mm斜钉连接。骨架内填充压缩稻秸纤维板起保温隔热的作用,外部覆盖麦秸板基层,最外侧表皮则采用塑料波纹板或秸秆条板。其中,以塑料波纹板为覆层的需要依靠Z形铝条与麦秸板连接。虚拟建造的流程:建造是本次建构实验的重要环节。青年公寓方案在实施建造的过程中,借鉴“模块化预制组装”的制造业生产方式,依次按部件、模块、建造的程序,将各居住单元体作为独立模块首先制造。居住单元体的结构可被拆分为多个部分,这些子模块在工厂组装,运抵现场后整体装配。建筑钢结构直接在现场搭建,工厂内仅完成草砖墙模块和玻璃幕墙的制作。现场施工中,由于单元和整体相互独立,因此两部分可以同时组装。建造中的难点是居住单元与建筑整体钢结构的连接问题。在解决这一问题时,柯布西耶在马赛公寓设计之初所提出的模拟“酒瓶架”的插入式构想给本设计带来了启示。因此,青年公寓在建造过程中,参照马赛公寓建造模式,采用悬吊机械和平滑装置来实现居住单元体插入框架结构的构思。两者连接处予以加固,并做密封处理,加强整体牢固性,从而形成完整的建筑4材料实验的结果与分析本次建构实验共分为两个部分,实验一秸秆单元屋侧重于研究秸秆材料与轻型结构的组合;实验二青年公寓设计着眼于现实,更关注秸秆建筑设计的合理性与建设性。作为概念性设计方案,青年公寓设计突破了现有秸秆建筑的呈现方式,挖掘了秸秆材料作为表皮的表达潜力,探索了模块化与装配化建造模式运用于秸秆建筑的可能性,提升了秸秆建筑空间的品质。两个实验共同推动秸秆材料的推广,促进未来秸秆建筑的发展,改善秸秆焚烧的现状。可以预见,未来秸秆材料将拥有更丰富的表现形式,秸秆建筑更能融入到绿色建筑营造体系,朝着量产、优质的方向不断迈进。

参考文献:

[1][德]赫尔诺特•明克,弗里德曼•马尔克.秸秆建筑[M].刘婷婷,余自若,杨雷,译.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]周定国,张洋,徐永兰,等.农作物秸秆人造板研究———机理与工艺[M].北京:中国林业出版社,2008.

[3]顾大庆,柏卫庭.空间、建构与设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[4][瑞士]安德烈•德普拉泽斯.建构建筑手册:材料•过程•结构[M].任铮钺,袁海贝贝,李群,等译.大连:大连理工大学出版社,2007.

[5]史永高.材料呈现———19和20世纪西方建筑中材料的建造—空间双重性研究[M].南京:东南大学出版社,2008.

[6][美]斯蒂芬•基兰,詹姆斯•廷伯莱克.再造建筑———如何用制造业的方法改造建筑业[M].何清华,祝迪飞,谢琳琳,等译.北京:中国建筑工业出版社,2009.

作者:成果 单位:南京艺术学院

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