李哲鋒 張 維 青 龍

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

近年，隨著人們環(huán)保意識的提高和居住環(huán)境的改善，木結(jié)構(gòu)建筑逐漸受到關(guān)注。將木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用到環(huán)境景觀中，既能實現(xiàn)資源的可循環(huán)利用，又能推動建筑文化發(fā)展，提升人文生態(tài)景觀品質(zhì)。木材長期暴露于室外環(huán)境中，受光輻射、風(fēng)霜、雨雪、沙塵、真菌等因素影響發(fā)生劣化，導(dǎo)致木材產(chǎn)生變色、開裂、損毀等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響木結(jié)構(gòu)建筑的美觀性和實用性。因此，為了提高木結(jié)構(gòu)建筑的耐久性，通常會在木材表面使用涂料，起到保護(hù)和裝飾的作用。在特定的地域條件下，探究建筑表皮材料的表征與地域環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)，既有利于促進(jìn)建筑與環(huán)境的融合，提升建筑的美觀度，豐富建筑的內(nèi)涵，又可以輔助工程的設(shè)計規(guī)劃，從而有效改善人居環(huán)境。

目前，關(guān)于風(fēng)化作用的研究普遍集中于地質(zhì)、巖土、文物保護(hù)等方面[1-4]，對于木結(jié)構(gòu)建筑風(fēng)化的研究則側(cè)重于木材的耐候性[5-8]。喬冠峰[9]在研究中提到傳統(tǒng)古建的風(fēng)化現(xiàn)象是其戶外老化的表現(xiàn)之一。郭夢麟等[10]闡述了木結(jié)構(gòu)建筑中木材的風(fēng)化過程及處理方法，但僅提到了木質(zhì)建材的外觀易產(chǎn)生開裂、腐朽、變色等特點的表面缺陷，并未繼續(xù)就形貌特征進(jìn)行深入分析。近年來，對于木結(jié)構(gòu)建筑的研究多側(cè)重于建筑材料、結(jié)構(gòu)、文化特色[11-15]、防火抗災(zāi)與綠色環(huán)境等方面[16-21]，而對木結(jié)構(gòu)建筑表面視覺特征的論述則相對較少，特別是缺乏由風(fēng)化作用引起的木結(jié)構(gòu)建筑表面特征的相關(guān)研究。因此，在特定地域環(huán)境條件下，探討帶有自然風(fēng)化缺陷的木結(jié)構(gòu)表征則具有一定的現(xiàn)實意義。本文通過對內(nèi)蒙古中西部地區(qū)景觀木結(jié)構(gòu)建筑外壁表面常見的殘損形貌進(jìn)行研究，以期為干旱多風(fēng)沙地區(qū)中景觀木質(zhì)設(shè)施的視覺表現(xiàn)設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)域概況

本文以呼和浩特市為研究地域，該市地處我國北疆地區(qū)，位于內(nèi)蒙古中西部。年均氣溫3.5～8 ℃，年均降水量337～418 mm，呼和浩特以西的鄂爾多斯高原風(fēng)沙區(qū)年均風(fēng)速4.5 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)29 m/s，≥5 m/s的揚沙風(fēng)全年可達(dá)200～371 次之多[22-23]。總體而言，其氣候特點為日照強，日間溫差較大，屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。

呼和浩特市是國家歷史文化名城[24]，具有豐富的旅游資源[25]，在城區(qū)及周邊存有不少有價值的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑。此外，在近年來開發(fā)的公園中，也興建了各種類型的木結(jié)構(gòu)建筑。本研究的調(diào)查對象是以磚木結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)為主的景觀建筑。以傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的單間建筑為例，其結(jié)構(gòu)體系可分為四個部分，由上至下為屋蓋體系、梁與斗拱、墻與柱子、臺基。由于屋蓋（瓦片遮蓋）、臺基（磚石砌塊）和梁（建筑內(nèi)部）較少涉及木質(zhì)材料的風(fēng)化現(xiàn)象，因此本研究主要選擇斗拱/額枋部位、門/窗部位以及柱子進(jìn)行調(diào)研，并針對其外觀形貌、色彩變化及表面開裂的現(xiàn)象進(jìn)行觀測考察。

2 表面形貌及其類型歸納

由于自然風(fēng)化的時間較長，研究依視覺表征效果，選擇了建造時間較久的傳統(tǒng)古木結(jié)構(gòu)建筑及木質(zhì)景觀構(gòu)造物進(jìn)行觀測。經(jīng)實地考察，將木構(gòu)件表面的特征歸納為表面脫色、表面開裂、表面粗糙、涂層表面起皺、翹曲等類別，如圖1～4 所示。

圖1 主要表征為顏色變化的示例Fig.1 Examples of color change

2.1 顏色變化

顏色變化包括表面褪色、變色、蒙塵、污漬等。如圖1所示，門窗因裸露程度不同造成其上下部的色彩脫色顯著。額枋處的彩繪退色明顯，色彩飽和度明顯降低，垂花柱頭同樣退色嚴(yán)重。

2.2 線狀開裂

線狀開裂包括開裂、裂縫、裂紋等現(xiàn)象，如圖2所示。主要形成部位在木構(gòu)件的表面及端口處，表面部位的裂縫長度方向多與木材的纖維走向平行，端口處裂縫多沿木射線徑向擴散。

圖2 主要表征為線狀開裂的示例Fig.2 Examples of linear cracking

2.3 片狀剝離

片狀剝離包括表面涂層起泡、皺褶、卷曲、掉皮等。如圖3所示，與前兩者不同，片狀剝離主要發(fā)生在表面有涂飾的部位，表面涂層部分成片的開裂、卷曲并逐漸形成片狀剝蝕、脫落。

圖3 主要表征為片狀剝離的示例Fig.3 Examples of flaky peeling

2.4 風(fēng)蝕磨損

風(fēng)蝕磨損一般伴隨裂紋（未形成通直裂縫）產(chǎn)生于木質(zhì)基層或未經(jīng)涂飾的木材表面，形成表面粗糙度變化，以及明顯的凹凸、風(fēng)沙侵蝕等質(zhì)感，如圖4 所示。

圖4 主要表征為風(fēng)蝕磨損的示例Fig.4 Examples of wind erosion

3 色彩變化及分析

景觀木結(jié)構(gòu)建筑長時間暴露在戶外必然會發(fā)生風(fēng)化，這些變化都是由光、水分、溫度和其他環(huán)境因子共同作用造成的。在這些環(huán)境因素之中，太陽光能最具破壞力，能在木材表面引發(fā)一連串的化學(xué)變化[26]，引發(fā)明顯的變色、褪色現(xiàn)象。

3.1 變色的研究方法及內(nèi)容

觀察戶外木質(zhì)景觀構(gòu)筑物并進(jìn)行色差檢測分析，以確定木結(jié)構(gòu)表面的變色現(xiàn)象及程度。使用色差儀（3nh NR10QC）對研究對象進(jìn)行檢測，并基于CIE Lab色彩系統(tǒng)確定顏色的數(shù)據(jù)信息[27]。

如圖5 所示，分別選取暴露于戶外的向陽面與背陰面，以及室內(nèi)的近似部位、相同高度的表面作為檢測區(qū)域（圖中示意部位，相同太陽高度角，同一建筑部位且朝向相同）。共選取3 個目標(biāo)區(qū)域，并在區(qū)域內(nèi)任取6 點進(jìn)行檢測。

圖5 取樣區(qū)域的位置示意（檐柱及門板部位）Fig.5 Location of the sampling area（peripheral column & door plank）

3.2 結(jié)果與分析

顏色測試結(jié)果如圖6 所示。L、a和b值分別代表一種顏色的亮度、紅綠色度和黃藍(lán)色度。對明度（L值）而言，外側(cè)構(gòu)件的L值皆大于內(nèi)側(cè)，而L值越大表示越趨向白色，因此室外檐柱部位的表面色彩發(fā)白，是表面褪色的明顯特征。

圖6 不同位置的表面CIE Lab值及彩度坐標(biāo)圖（門板部位）Fig.6 CIE Lab values of surface at different positions and chromaticity coordinate diagram（door plank）

門板戶外一面（外側(cè)）的a值明顯小于門板背面（內(nèi)側(cè)），表明在同一門板部位內(nèi)側(cè)的紅色色彩更為鮮艷、飽和度大。而外側(cè)的a、b值雖然靠近中心原點，但其b值變化程度大且有明顯的分散趨勢。

從圖7 檐柱的a、b值分布看，室內(nèi)與室外陰面的黃紅色度基本處于相似區(qū)域。考慮到建筑屋檐的遮蔽功能，推測直接日射是影響色彩變化最主要的因素。同時，室外陽面的紅黃色度小，但其分散程度大，這可能與戶外環(huán)境因素的不穩(wěn)定性有關(guān)，使得色度值離散較大，紅色度尤為明顯。

圖7 不同位置的ab值分布（檐柱部位）Fig.7 Distribution of ab values at different positions（peripheral column）

4 表面開裂及分析

景觀木結(jié)構(gòu)建筑的表層形貌除色彩變化外，開裂也是最為常見的特征之一。

4.1 裂縫的研究方法及內(nèi)容

為有效評價裂縫的發(fā)育特征，研究首先確定了取樣區(qū)域內(nèi)裂縫發(fā)育的數(shù)量，其次明確了裂縫的發(fā)育特征，包括形態(tài)、產(chǎn)狀、寬度以及長度等參數(shù)。

在取樣觀測時，主要觀測非構(gòu)造裂縫，因木材自身構(gòu)造引起的裂縫不計入統(tǒng)計，如節(jié)疤、枝丫、早晚材（年輪）、木射線位置產(chǎn)生的開裂?？紤]戶外環(huán)境和木材材質(zhì)的綜合影響，選取大面積裸露在外的檐柱為考察對象，取樣位置方式同3.1。選取通直、視覺特征明顯的裂縫，注意避開僅發(fā)生在表面涂層，而非木質(zhì)基層的裂縫。

觀測選定區(qū)域內(nèi)的裂縫，考察裂縫的產(chǎn)狀要素，如走向（方位）、傾角；以及裂縫的規(guī)模要素，如長度、開度（寬度）、分布密度等，并依據(jù)裂縫的空間參數(shù)特征進(jìn)行量化。

4.2 結(jié)果及分析

4.2.1 表征裂縫幾何形態(tài)特征

為了建立裂縫特征與樣本空間之間的關(guān)聯(lián)，將樣本的裂縫數(shù)表示為裂縫頻率，樣本為二維的面積S（m2），相對應(yīng)的裂縫頻率則為面頻率P0（條/m2）。如圖8 所示，該樣本中裂縫的走向以WS （西南向）、W（西向）為主，其次為E（東向）、ES（東南向）以及S（北）向，少量的N（北）向。根據(jù)傾角（裂縫面與其水平投影面之間的夾角）的不同，可以發(fā)現(xiàn)，考察對象的裂縫幾乎都為直立縫（75～90°），這主要與木材自身的材質(zhì)有關(guān)，檐柱的纖維走向為沿原木的髓心上下方向，因而幾乎與地面垂直。受此影響，低角度縫和斜角縫的數(shù)量自然相對較少。此外，就開裂的差異化而言，僅N向傾角明顯較小，但其差值變化≤3%，可以認(rèn)為裂縫傾角的分布具有一致性。

4.2.2 表征裂縫發(fā)育規(guī)模要素

裂縫密度也是常用的有效評價裂縫的表征參數(shù)，結(jié)合上面裂縫幾何形態(tài)的表征方式，對裂縫發(fā)育規(guī)模進(jìn)行近似一維（線）模型設(shè)定。

裂縫頻率表示樣本上的裂縫數(shù)，樣本為一維的線L（m）模型，相對應(yīng)的裂縫頻率為線頻率P1，那么裂縫密度為P2（條/m）。

如圖9 所示，裂縫開度的變化與密度變化的趨勢大致吻合，但在S向上開度明顯增大，與趨勢不符。由圖10 可以看出，裂縫長度也顯示出同樣的變化，這可能與木材的個體差異大有關(guān)。相同的密度對應(yīng)著開度和長度相似的變化趨勢，說明裂縫的開度與長度存在定量關(guān)系。另外，E向、ES向的裂縫密度較大，即垂直于E向、ES向的單位長度上的裂縫條數(shù)較多，筆者認(rèn)為這與氣候環(huán)境有關(guān)。呼和浩特市處于內(nèi)陸季風(fēng)帶，夏季雨季東南方向會帶來水氣形成降雨，因此木構(gòu)建筑中E向和ES向的木構(gòu)件，會因雨淋而導(dǎo)致含水率上升，導(dǎo)致木材反復(fù)發(fā)生干縮濕脹現(xiàn)象，進(jìn)而引起木構(gòu)件內(nèi)在應(yīng)力的變化，最終導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

圖9 裂縫開度分布特征Fig.9 Distribution characteristics of crack aperture

圖10 裂縫長度分布特征Fig.10 Distribution characteristics of crack longitudinal length

木結(jié)構(gòu)建筑的表面風(fēng)化是干旱多風(fēng)沙地區(qū)的常見現(xiàn)象。風(fēng)化直接作用于建筑表層促使外觀發(fā)生變化，人們可以通過目視觀察對受損形貌進(jìn)行判斷。其中裂縫的分布極其復(fù)雜，利用現(xiàn)有的裂縫識別、預(yù)測技術(shù)對裂縫分布進(jìn)行研究，是深化研究裂縫的重要方向。

5 結(jié)論

本文通過對干旱多風(fēng)沙地區(qū)景觀木結(jié)構(gòu)建筑表層的風(fēng)化形貌進(jìn)行特征考察，主要得出以下結(jié)論：

1）景觀木結(jié)構(gòu)建筑的表面風(fēng)化形貌大致可分為顏色變化、線狀開裂、片狀剝離以及風(fēng)蝕磨損4 種基本形式。

2）室外側(cè)的明度（L值）大于內(nèi)側(cè)，外側(cè)表面色彩發(fā)白，退色特征明顯。門板正面的紅色度（a值）明顯小于背面，同時黃色度（b值）變化程度大且有明顯的分散趨勢。檐柱的室內(nèi)與室外陰面的黃紅色度基本處于近似區(qū)域，室外陽面的紅黃色度小，但其分散程度大。風(fēng)化現(xiàn)象中表面顏色的變化較大且視覺表征的差異明顯。

3）以檐柱為考察樣本，其裂縫走向以WS、W為主，其次為E、ES以及S向，少量的N向。裂縫幾乎都為直立縫（75～90°），且裂縫傾角分布具有一致性。裂縫開度的變化與密度變化的趨勢大致吻合，僅在S向上開度明顯增大許多，長度也顯示同樣的變化趨勢，E向、ES向的裂縫密度較大。

4）關(guān)于片狀剝離、風(fēng)蝕磨損的表征現(xiàn)象，與環(huán)境間的關(guān)聯(lián)性量化分析還需進(jìn)一步研究探討。