秸稈材料的建筑空間建構研究
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摘要:農作物秸稈具有良好的生態價值，在建筑領域有廣泛的應用前景。針對秸稈材料和秸稈建筑發展的現狀問題，研究基于設計視角，導入建構理論，采用兩個主題實驗，從概念和實踐層面探索秸稈材料的表現潛力，研究材料如何與現代設計與建造技術結合，更好地實現秸稈材料推廣，促進秸稈建筑的發展。
1材料實驗的緣起
秸稈(Straw)，是農作物成熟脫粒剩下的莖，又稱農作物纖維。秸稈分兩類:糧食作物秸稈(麥秸、稻秸、玉米秸稈和高粱秸稈等)與經濟作物秸稈(棉桿、甘蔗桿、麻桿、蘆葦桿、豆秸等)［2］。秸稈在收割時節通常以焚燒處理，這引發了嚴重的環境污染問題。為了減少秸稈焚燒，多個領域對此開展了研究。秸稈很早就應用于建筑領域，國外草磚建筑使秸稈建材進入人們的視野。相較于國外，目前國內對秸稈的認知度不高。在倡導可持續發展的低碳時代，農業廢棄物秸稈依靠現代加工技術可形成新型的生態建材，不僅可以替代部分木質板材，節約林業資源;還能憑借出色的保溫隔熱性減少建筑能耗，具有良好的生態價值。現有秸稈材料主要有草磚和秸稈人造板，人造板以OSSB定向結構麥秸板和壓縮稻秸纖維板為代表。鑒于材料當前的應用問題，研究嘗試采用設計實驗的方式，探索秸稈材料和秸稈建筑的發展方向。
2建構實驗的目標與方法
2．1實驗的目標
本次實驗基于秸稈材料，目標是探索材料的表達潛力和尋求秸稈建筑的發展方向。建構實驗將開展兩個概念化建筑設計，主題由小到大，從設計角度探討秸稈材料的性能、表現和建筑應用的策略。
2．2實驗的方法
實驗以建構理論為指導，美國建筑理論家肯尼斯•弗蘭姆普敦在《建構文化研究》一書中對建構解釋為“詩意地建造”。建構關注形成空間的物質材料和建造技術。因此，本實驗在掌握秸稈材料性能的基礎上，按照材料→設計→建造的過程逐步推演，重點關注設計與技術問題，目標是實現秸稈建筑“詩意地建造”。
3材料實驗的課題與主題
材料實驗設定秸稈單元屋與青年公寓兩個主題，兩者具有相關性，前者是后者的基礎。首先探討秸稈材料如何應用于現代微型建筑，而后結合更多現實問題，探討秸稈材料如何與現代建造技術結合，形成大尺度、優質的生活空間，滿足多元化的使用需求。
3．1實驗一:秸稈單元屋構建
實驗以微型盒體建筑為研究對象，視其為一個標準化生產的模塊單元。實驗設定單元屋尺度為3m×3m×3m，功能開放且有獨立的支撐體系。基于OSSB板和草磚兩種材料，使用輕鋼結構、梁柱木結構和平臺式木結構設計三個方案，前兩種屬于框架結構，后者為承重墻結構。以上三種都具備高度工業化、建造便捷和輕質的特點。秸稈屋以草磚或壓縮稻秸纖維板作為填充材，以OSSB板作為覆面材。其中，在平臺式木結構中，秸稈人造板替代木材，還充當單元體的結構龍骨材料，密肋排布生成建筑的框架系統，結構材之間使用金屬連接片和螺紋圓釘連接。需要指出的是，由于實驗一未給空間設定功能和場地，僅研究材料與結構的關系，因此秸稈屋各立面不受太多限制且形態自由。
3．2實驗二:青年公寓設計與建造
基于實驗一的探索，實驗二將融入更多現實考量，綜合場地、功能、建造等多個因素，以南京高新技術產業園青年公寓為虛擬設計的對象。之所以選擇住宅建筑類型來推廣秸稈材料，一是基于國內青年人群嚴峻的住房問題。集合住宅因其高容積率、經濟性而備受青睞，是推廣秸稈材料的有效途徑。它不僅能夠消耗大量秸稈材料減少焚燒，還能提高材料在城市中的影響力。二是由于住宅與人關系密切，是人們感知材料的有效渠道。場地環境分析:該青年公寓坐落于南京浦口區高新技術產業園內。基地周邊多為規整的多層建筑，環境開闊。基地本身對青年公寓限制較少，這給建筑設計帶來很大的自由度。設計概念確立:本次青年公寓以集合住宅設計為參考標準，借鑒國內外經典的集合住宅案例，如柯布西耶的馬賽公寓、黑川紀章的中銀艙體大樓。此外，標準化的集裝箱建筑也為設計提供了啟發。在分析與比較之后，本次實驗確立了兩個設計概念:一是采用生態材料與技術，二是模塊化設計與建造體系。設計立足于現實，利用多樣化空間組合、工業化建造手段，來實現緊湊并舒適的現代居住空間，滿足多種使用需求，成為根植于場地的生態建筑。從而使建筑具有良好的環境和社會價值，促進秸稈材料在當代的推廣。秸稈材料的選用:本次青年公寓設計基于秸稈材料，主要以OSSB定向結構麥秸板為飾面材料、壓縮稻秸纖維板和草磚作為填充材料。空間形態的生成:設計采用模塊化手段，由多個獨立的居住單元模塊和附加構件組成集合住宅系統。居住模塊以實驗一中3m×3m×3m的盒體秸稈物為最基本的構形單元，進行雙倍與四倍組合，生成四種小戶型。在每個戶型中嵌入預制的開放式廚房和2．6m2衛生間，其余空間可靈活分隔。公寓平面為橫長的折線形，以此獲得更多的光照。內部空間采用“內廊式”的線性組織方式，設置采光中庭和高側窗，并列排布居住單元體，四種戶型兩兩穿插。公寓中每層都設有公共空間，與樓梯、天橋共同構成內部集散區.結構形式的配置:居住單元為平臺式木結構，以OSSB板為骨架。為了便于建造，統一設定了幾種帶洞口的立面形式。公寓整體采用鋼框架結構，支撐居住單元體和建筑的頂面、樓板部分。表皮覆層的圍透:單元體和建筑表皮綜合采用深色鋁塑板、秸稈“條板”、塑料波紋板和玻璃四種形式，形成了從不透明到半透明的視覺層次。塑料波紋板和機器切割的秸稈條板可視為半透明表皮，用于居住單元體外覆層，滿足視線和光線的穿透。鋁塑板則用于整體建筑東西立面，包裹框架結構內填充的草磚。構造細部的處理:構造是構件間的連接，即節點細部。青年公寓由居住單元體組合而成，建筑構造包括單元體自身、建筑整體以及單元體與整體之間的連接。單元體木骨架包括組合柱與組合梁，由2片～4片板材通過疊加和錯位釘接而成。托梁以450mm間距緊密排列，頂部、底部和轉角處采用80mm斜釘連接。骨架內填充壓縮稻秸纖維板起保溫隔熱的作用，外部覆蓋麥秸板基層，最外側表皮則采用塑料波紋板或秸稈條板。其中，以塑料波紋板為覆層的需要依靠Z形鋁條與麥秸板連接。虛擬建造的流程:建造是本次建構實驗的重要環節。青年公寓方案在實施建造的過程中，借鑒“模塊化預制組裝”的制造業生產方式，依次按部件、模塊、建造的程序，將各居住單元體作為獨立模塊首先制造。居住單元體的結構可被拆分為多個部分，這些子模塊在工廠組裝，運抵現場后整體裝配。建筑鋼結構直接在現場搭建，工廠內僅完成草磚墻模塊和玻璃幕墻的制作。現場施工中，由于單元和整體相互獨立，因此兩部分可以同時組裝。建造中的難點是居住單元與建筑整體鋼結構的連接問題。在解決這一問題時，柯布西耶在馬賽公寓設計之初所提出的模擬“酒瓶架”的插入式構想給本設計帶來了啟示。因此，青年公寓在建造過程中，參照馬賽公寓建造模式，采用懸吊機械和平滑裝置來實現居住單元體插入框架結構的構思。兩者連接處予以加固，并做密封處理，加強整體牢固性，從而形成完整的建筑4材料實驗的結果與分析本次建構實驗共分為兩個部分，實驗一秸稈單元屋側重于研究秸稈材料與輕型結構的組合;實驗二青年公寓設計著眼于現實，更關注秸稈建筑設計的合理性與建設性。作為概念性設計方案，青年公寓設計突破了現有秸稈建筑的呈現方式，挖掘了秸稈材料作為表皮的表達潛力，探索了模塊化與裝配化建造模式運用于秸稈建筑的可能性，提升了秸稈建筑空間的品質。兩個實驗共同推動秸稈材料的推廣，促進未來秸稈建筑的發展，改善秸稈焚燒的現狀。可以預見，未來秸稈材料將擁有更豐富的表現形式，秸稈建筑更能融入到綠色建筑營造體系，朝著量產、優質的方向不斷邁進。
參考文獻:
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作者:成果 單位:南京藝術學院