趙東霞 姚利宏*

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)俄蒙進(jìn)口木材加工利用工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

隨著木材技術(shù)的發(fā)展及林業(yè)資源的增加，我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑不斷發(fā)展，其設(shè)計(jì)與建造也成為研究熱點(diǎn)。木材因具有易加工、隔熱、抗震等特點(diǎn)，在建筑材料中被廣泛應(yīng)用[1]?！洞龠M(jìn)綠色建材生產(chǎn)和應(yīng)用行動(dòng)方案》[2]的提出，加快了現(xiàn)代城市木結(jié)構(gòu)體系的建設(shè),加速了重點(diǎn)區(qū)域木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。

呼倫貝爾地區(qū)氣候復(fù)雜多樣，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，全年低于5 ℃的天數(shù)超過(guò)145 d，屬于我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)[3]。由于氣候寒冷，當(dāng)?shù)厝送ǔ＞偷厝〔?，建造木結(jié)構(gòu)房屋抵御嚴(yán)寒。因此，該地區(qū)的木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展較早。呼倫貝爾林業(yè)資源豐富，是該地木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的基礎(chǔ)。據(jù)呼倫貝爾市林業(yè)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020 年全市森林蓄積量總計(jì)12.7 億m3[4]。

近年來(lái)，隨著木材科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，木材的改性與應(yīng)用水平逐步提高，裝配式現(xiàn)代化木結(jié)構(gòu)建筑形式在該地逐漸興起。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近代以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的提升，日本、瑞典、芬蘭、美國(guó)、加拿大等寒冷地區(qū)的木結(jié)構(gòu)建筑在材料選擇、建筑結(jié)構(gòu)、建造技術(shù)、建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格及藝術(shù)形態(tài)等方面均具有獨(dú)特的地域特征[5]，并在世界上占據(jù)著重要地位。

Puukuokka建筑是芬蘭木結(jié)構(gòu)建筑的代表作，在設(shè)計(jì)中將取暖設(shè)施等安裝在走廊中[6]，不僅有效控制建筑內(nèi)能源分配，也靈活應(yīng)用了建筑空間。加拿大木質(zhì)材料工廠采用數(shù)控機(jī)床與智能設(shè)施相結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)木構(gòu)件高精度預(yù)制[7]，國(guó)外木結(jié)構(gòu)建筑的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也隨著相關(guān)技術(shù)的改革提升不斷更新，為木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展提供了理論支撐，如《Technical Guide for the Design and Construction of Tall Wood Buildings》 《Wood Handbook》等[8]。技術(shù)的革新與新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施相輔相成，促進(jìn)了國(guó)外木結(jié)構(gòu)建筑的快速發(fā)展。

我國(guó)是世界上最先發(fā)展應(yīng)用木結(jié)構(gòu)的國(guó)家。在我國(guó)寒冷地區(qū)，木結(jié)構(gòu)早已出現(xiàn)在民居建設(shè)中[9-13]。針對(duì)寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑的研究也在不斷發(fā)展。董力瑋[14]梳理了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的種類(lèi)、建構(gòu)方式、美學(xué)和技術(shù)特征，并對(duì)材料和構(gòu)造進(jìn)行了歸納。杜弘陽(yáng)[15]結(jié)合國(guó)內(nèi)外木結(jié)構(gòu)建筑實(shí)例，探索并歸納了寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑細(xì)部的藝術(shù)性表達(dá)。劉月[16]以現(xiàn)代大跨度木結(jié)構(gòu)建筑為主要研究對(duì)象，結(jié)合寒地氣候特征，提出了寒地大跨度木結(jié)構(gòu)建筑策劃程序與方法。

我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久，但寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用及發(fā)展尚處于初級(jí)階段，尤其缺乏地域性木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、建造模式等方面的研究。由此，對(duì)我國(guó)寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用進(jìn)行調(diào)研探索十分必要。

2 寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)發(fā)展影響因素

2.1 自然因素

大興安嶺自東北向西南貫穿呼倫貝爾地區(qū)[17]，盛產(chǎn)北方優(yōu)質(zhì)木材，林量?jī)?chǔ)備豐富，是呼倫貝爾的林業(yè)資源主體。呼倫貝爾市森林活立木蓄積量占自治區(qū)93.6%，盛產(chǎn)紅松、樟子松、黑樺等[18]，是“北國(guó)生態(tài)屏障”資源性經(jīng)濟(jì)示范區(qū)，為該地木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展提供了原料保障。

呼倫貝爾地區(qū)的氣候類(lèi)型多樣，空間溫度差異明顯[19-20]。木材優(yōu)異的保溫隔熱性能使得木結(jié)構(gòu)建筑能夠適應(yīng)該地復(fù)雜多變的寒冷氣候。采用呼倫貝爾市1961—2019年冬季平均氣溫、極寒天數(shù)和降雪量等數(shù)據(jù)，分析該地區(qū)冬季氣溫的時(shí)空分布。

1961—2019年呼倫貝爾市冬季的平均氣溫為-21.8 ℃，冬季降雪量平均為0.4 mm[21]，呼倫貝爾地區(qū)極寒天氣在根河市、額爾古納市、牙克石市較多出現(xiàn)，特別是在根河市，最低氣溫可達(dá)-50 ℃以下。

2.2 文化因素

呼倫貝爾市屬于多民族聚集地，蒙古族、俄羅斯族等42個(gè)民族居住于此[22]。受地理環(huán)境和氣候的影響，這里的地域文化展現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，民居建筑因生產(chǎn)生活方式的不同而有所差異。例如，大興安嶺東南部是傳統(tǒng)的稻作區(qū)和漁獵區(qū)，這里的達(dá)斡爾族主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，其民居建筑“雅曾格日”（見(jiàn)圖1）[23]形式多樣。生活在大興安嶺北麓地區(qū)的鄂溫克族早期以狩獵為生，禁獵條令頒發(fā)后轉(zhuǎn)產(chǎn)半農(nóng)業(yè)半牧業(yè)，其民居建筑具有獨(dú)特的文化特征。鄂倫春族生活在大興安嶺南麓，現(xiàn)以農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)為主，其民居建筑“斜仁柱”（見(jiàn)圖2）[24]極具特色[25]。蒙古族的穹廬帳頂民居結(jié)構(gòu)展現(xiàn)獨(dú)特蒙元文化。不同地域文化衍生出不同木結(jié)構(gòu)民居建筑形式，這使得該地區(qū)的木結(jié)構(gòu)建筑具有強(qiáng)烈的地域性特征。

圖1 達(dá)斡爾族傳統(tǒng)“雅曾格日”復(fù)原圖Fig.1 Restoration of Daur people traditional "Yazenggeri"

圖2 鄂倫春族民居“斜仁柱”Fig.2 Traditional residence of Oroqen people "Xierenzhu"

3 寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)形式

3.1 梁柱式

梁柱式木結(jié)構(gòu)體系是我國(guó)的傳統(tǒng)建筑形式?？缇噍^大的梁、柱結(jié)構(gòu)組合起來(lái)作為縱向垂直荷載與橫向水平荷載的主要傳力體系。梁柱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得室內(nèi)不需增設(shè)承重墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)更為靈活，室內(nèi)凈高也因此提升，擴(kuò)大了內(nèi)部空間。

膠合木的材料利用率高且性能穩(wěn)定，是現(xiàn)代梁柱結(jié)構(gòu)中的首選用材。隨著GB/T 51233—2016《裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)的相繼實(shí)施，我國(guó)相關(guān)建筑體系對(duì)梁柱式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[26]。

呼倫貝爾大草原陳巴爾虎旗牧云山頂酒店建造采用梁柱式木結(jié)構(gòu)形式，梁柱式木結(jié)構(gòu)風(fēng)格清新、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約、古樸自然。應(yīng)用具有良好保溫隔熱性能的原木建造于草原視角點(diǎn)，不僅能夠適應(yīng)寒冷地區(qū)復(fù)雜多變的氣候，且兼具節(jié)能性和環(huán)保性，滿(mǎn)足觀賞及應(yīng)用需要。

3.2 井干式

井干式木結(jié)構(gòu)建筑早在遠(yuǎn)古時(shí)期就已出現(xiàn)，一直發(fā)展至今。此類(lèi)民居建筑主要分布在我國(guó)云南與東北地區(qū)。

東北長(zhǎng)白山地區(qū)的井干式木結(jié)構(gòu)建筑（見(jiàn)圖3）[27]通常選用當(dāng)?shù)氐乃赡窘ㄔ?，防風(fēng)抗雪，防腐防潮，建筑表面覆蓋木板、羊草、碎石及泥土以增加牢固性[28]。為適應(yīng)寒冷氣候環(huán)境，東北木結(jié)構(gòu)民居建筑的建造充分利用當(dāng)?shù)亓帜举Y源，展現(xiàn)出該地區(qū)勞動(dòng)人民的智慧。

圖3 長(zhǎng)白山錦江村木結(jié)構(gòu)建筑Fig.3 Timber structure building in Jinjiang village,Changbai Mountain

呼倫貝爾地區(qū)至今仍保留井干式建筑形式（見(jiàn)圖4）[29]，在民居建筑、商業(yè)建筑中應(yīng)用廣泛。恩和俄羅斯民族鄉(xiāng)的井干式木結(jié)構(gòu)民居建筑在建造時(shí)通常選用直徑約20 cm的順紋落葉松木作為其主體結(jié)構(gòu)材料。圓木壘疊在房子四框，外形渾厚樸實(shí)，大氣簡(jiǎn)約，其中細(xì)部的雕刻極其精美、細(xì)膩，富有美感。俄羅斯族會(huì)在建筑室內(nèi)外的各部位雕刻具有象征意義的裝飾并漆上藍(lán)、綠等顏色以尋求大自然的庇護(hù)。這里的井干式木結(jié)構(gòu)民居建筑因地制宜、就地取材，建造設(shè)計(jì)中與民族習(xí)俗相融合，展現(xiàn)出強(qiáng)烈的地域性和文化性，是該地區(qū)居民精神內(nèi)涵的外在體現(xiàn)。

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

東北及呼倫貝爾地區(qū)同屬?lài)?yán)寒及寒冷地區(qū)，在這里生活的人們，要在較大程度上利用自然資源，以滿(mǎn)足生產(chǎn)生活的需要。兩地木結(jié)構(gòu)民居建設(shè)形式與建造方法相似，一般就地取材[30]。民居建筑也能反映當(dāng)?shù)鼐用裆罘绞脚c生產(chǎn)力水平。運(yùn)用新的科學(xué)技術(shù)手段對(duì)井干式木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行生態(tài)性改造，對(duì)促進(jìn)資源可持續(xù)發(fā)展、建造適宜的人居環(huán)境、提高寒冷地區(qū)人民生活水平具有積極作用。

4 建筑材料使用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑原料往往選用當(dāng)?shù)亓帜举Y源，而木材的天然缺陷對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度具有顯著影響[31]。由于缺乏先進(jìn)有效且實(shí)用的木材防護(hù)與加固工藝，原材料構(gòu)件在建造過(guò)程中易開(kāi)裂變形。現(xiàn)代裝配式木結(jié)構(gòu)建筑材料以松木為主，大多使用經(jīng)過(guò)處理的松木、楊木、樺木、膠合木等。松木中的樟子松耐寒耐旱，抗逆性強(qiáng)，工藝價(jià)值較高，被廣泛應(yīng)用于呼倫貝爾地區(qū)的木結(jié)構(gòu)建筑。紅松色彩清新自然，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，耐腐能力強(qiáng)，在板材中應(yīng)用較多。落葉松結(jié)實(shí)堅(jiān)固，是該地區(qū)木材加工的主要原材料[32-35]。

如今，呼倫貝爾地區(qū)出現(xiàn)用石材或磚材做外墻，木材做框架的混合建筑結(jié)構(gòu)形式。堅(jiān)硬的石材或磚材可以阻擋寒冷，起到良好的圍護(hù)作用。木桁架重量較輕、長(zhǎng)度可控，能夠滿(mǎn)足屋頂建設(shè)需求。鋼材強(qiáng)度高、可塑性好，同時(shí)具備良好的抗拉、抗壓能力，多用作建筑承重材料。相較于傳統(tǒng)木質(zhì)建筑材料，鋼材的設(shè)計(jì)也更為靈活。

我國(guó)北方井干式木結(jié)構(gòu)建筑墻體間使用苔蘚進(jìn)行填充，苔蘚作為保溫材料，不僅能夠提高氣密性，同時(shí)苔蘚吸水膨脹，可以密封防潮。后多采用纖維素質(zhì)保溫板與保溫抹面層作為內(nèi)外集成保溫系統(tǒng)，不僅有效隔離內(nèi)外部環(huán)境差異，還具有環(huán)保性[36-40]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以呼倫貝爾地區(qū)的木結(jié)構(gòu)建筑為研究對(duì)象，對(duì)寒冷氣候條件下木結(jié)構(gòu)建筑的建造特點(diǎn)、材料選擇進(jìn)行分析，總結(jié)了寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展現(xiàn)狀。通過(guò)對(duì)呼倫貝爾地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用調(diào)研，主要得出以下結(jié)論：

1）寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑的建造和發(fā)展受自然因素與文化因素的影響，建設(shè)往往就地取材。建筑材料以原木、膠合木為主，具有原料豐富，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、環(huán)保、節(jié)能等特征。

2）寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑大多采用井干式結(jié)構(gòu)，其營(yíng)造快捷，結(jié)實(shí)耐用。井干式建筑防風(fēng)抗雪，御寒性強(qiáng)，適宜該地區(qū)的建筑建造。

3）寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑制作簡(jiǎn)易，抗寒力強(qiáng)，獨(dú)具地域文化特色。隨著科技的發(fā)展，搭接技術(shù)的多樣迸發(fā)新的活力。但由于寒冷地區(qū)木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展仍處于初級(jí)階段，木結(jié)構(gòu)建筑聚集地區(qū)皆為旅游經(jīng)濟(jì)區(qū)，在當(dāng)前的建筑語(yǔ)境下還不能大量生產(chǎn)應(yīng)用。

4）在寒冷地區(qū)的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)建造中，不僅要充分考慮物質(zhì)性、社會(huì)性需求，還應(yīng)考慮包括地域文化在內(nèi)的精神性需求?？衫矛F(xiàn)代裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)，創(chuàng)造出既滿(mǎn)足人居自然適宜性，又獨(dú)具地域性特色的建筑空間實(shí)體。