王毅超，周 庆（天津城建大学 建筑学院，天津 300384）



建筑与规划

木质建材在当代建筑中的发展趋势

王毅超，周 庆
（天津城建大学 建筑学院，天津 300384）

木质建材以其节能环保、可再生、可循环利用的材料特征成为当代最具发展前景的建材之一，然而其在当代的发展依然面临着资源环境和应用思维上的问题.本文针对这些问题，对木质建材资源和技术上的情况进行了简要分析，表述了当代木质建材的应用需要思维上的转变，解除人们对它的误解，建立对其再认识的观点.通过介绍基于当代建筑思想和技术下木质建材的特性，本文对木质建材在当代建筑中的应用现状和发展前景做出了分析和展望.

木质建材；当代建筑；思维转变；再认识

在建筑发展史上，人们对木质建材的认识有两次大的转变.一次是开始于18世纪60年代工业革命时期，曾经作为世界最普遍建筑材料的木材，由于自然的不稳定和不规整性，无法融入建筑的工业化潮流终被钢筋混凝土所取代的转变［1］.另一次是20世纪末开始的，面对过度使用混凝土和钢材所造成的资源、环境和人文破坏，木质建材的优势被再次重视而有望回归的转变.在2004年《京都议定书》签订后，可持续发展和绿色建筑理念骤然升温的背景下，建筑与建材的热点再次转向节能环保的木材——这个正以新的姿态被人们重新认识，展开建筑舞台回归趋势的材料［2-3］（见图1）.

要做到对当代木质建材重新认识的关键点有两个：①转变思维：尊重木质建材的固有材性，消除误解，发挥木材应有的建筑优势；②技术支持：利用木材工业技术对木材进行改性和重组，加强力学强度，提高防火耐腐能力，突破尺寸极限，优化建筑经济效益.

图1 富有现代感的汉诺威博览会木质展棚

1 木质建材的材性

1.1 木质建材的优势

与其他建材相比木质材料有突出的优势，作为一种高性能、可再生且节能环保的建筑材料，它不仅可以满足建筑力学和美学特征的需要，更是绿色建筑与可持续发展思想的重要组成部分.

1.1.1 结构的质强比

木材作为结构用材的优势不在于木材的绝对强度，而在于其相对于重量的强度，也就是质强比.在建筑中，大部分结构用木材的密度在450～675，kg/m3之间，而混凝土在2，350～2，450，kg/m3之间，为满足相同跨度结构的力学需求，混凝土需要2倍于木材的重量.也就是说，木结构虽然约是混凝土弹性模数的1/3，但重量却只有它的1/8［1］.

1.1.2 生态环保的绿色建材

台湾成功大学的陈启仁教授曾说：“21世纪木材的复兴不靠建筑美学，不靠传统情节，靠的是环保效益.”［1］陈启仁很凝练地表达出了木质建材的突出优势.这一优势通过建材的生产和回收过程得到体现.

从建材的“生产”过程来说：木材作为唯一的可再生建材，其“再生”形式就是树木的生长过程.树木通过植物的光合作用以“固碳”的形式生长，每生长1，m3木材约能吸收1，t的CO2，并释放出0.75，t的O2［4］，不仅“生产”了木材，也是保障环境质量、维系大气平衡的关键.与其他需要消耗化石能源的现代材料相比，木材不仅没造成污染，还对环境质量的改善做出了贡献.以搭建跨距为7.5，m的梁为例（见图2），用铝、钢筋混凝土，钢材及木材为材料，所需构件的自重比为5∶216∶15∶29，制材过程的耗能比为16.5∶5∶3.8∶0.3，二氧化碳释放量之比为327∶101∶76∶6，而且最后一项还是在忽略木材“固碳”的基础上，通过树木的光合作用，大气中的二氧化碳不仅不会增多还有减少［1］.

图2 制造7.5，m横梁各种建材的CO2释放量和耗能比值

从建材回收与再利用的角度：由于木材在建筑中主要是以节点的方式连接（见图3-4），一座木质建筑可以以拆除节点的方式回收大部分材料用于其他建筑，或者利用工业木材技术进行分解与重组后再利用；即使某些木质构件因破坏严重不可再利用，也可以采用深埋或燃烧的方式，让材料回归到自然界，既环保也省去了混凝土材料建筑为处理建筑垃圾而消耗的资源.

图3 木质建材的回收优势的范例——瑞士馆［5］

图4 木结构的金属节点示意［6］

1.1.3 人情化建材

从汉诺威瑞士馆的内景（见图5）可以看出木质建材是创造舒适空间、亲和人类情感的材料［7］.首先，木质建材有出色的保温隔热性，它的导热系数只有红砖的1/4.35，混凝土的1/8.69［8］.据清华大学的一项研究表明，实现同样的建筑保温效果，木质材料需要的厚度只有混凝土的1/15，钢材的1/400［9］；由于木质纤维的吸水性，木质建材可以自动调节室内湿度，维持一个恒定的湿度环境，这对人体健康非常有利.

图5 瑞士馆内温暖的氛围［10］

有人很形象地用汉字“休”来解释木材与人身心健康、心情愉悦的文化含义.日本东京大学的信田聪和岛根大学的中尾哲也教授分别有研究表明：人居住在木造住宅中要比住在混凝土住宅中平均延长寿命约9年，而且后者还证明了建筑的木造成分比例与人体患癌症和因癌症而死亡的几率成非线性反比［11］.在“人体接触木材的生理指标反馈研究测试”中，研究人员发现木质材料生活空间对人体各项生理指标——心率、血压、体温和脑电波的功率图谱变化等都有积极影响，远优越于金属、石材等现代材料.国外木材科学的学者曾对木材的色调与人心理图像之间的关系进行了深入研究，结果表明：“木材表面所呈现的1/f 波谱的性状会给人以自然、舒适的心理感觉，从而让人感到轻松［12］”.

1.2 木质建材的缺陷

木材是一种由管状纤维素聚合的多孔天然材料，其天然有机和纤维的特性让木质建材具有与生俱来的多样且复杂的缺陷（见图6）.

图6 木材的显微构造

1.2.1 可燃性与虫腐性

木材是自然界的植物组织，是有机生命体的一部分，相对的也不可避免地具有可燃、易腐和虫霉的特征.

中国北魏时期的永宁寺塔大火，英国伦敦大火，罗马大火，都带来了巨大人员伤亡和经济损失.出于安全性和经济性的考虑，人们都一直视这些属性为木质建材的最大缺陷，但由于一直没有更适合的建材，古代人不得不在接受这个建筑风险的前提下组织建设活动和使用建筑，直到无机现代建材诞生带来的颠覆性转变.

1.2.2 木质纤维特性

木材中的木质纤维具有湿胀干缩特性，从被砍伐开始，木材的含水率会因水分的蒸发逐渐降至与环境相适应的固定值.当含水率低于“纤维饱和点（Fsp）”［6］时，木材会随着含水率的增减在尺寸上有不规则胀缩的现象.在建筑应用中，与环境相适应的含水率固定值（10%，左右）几乎都在Fsp以下，这意味着，木质建材的胀缩性会一直伴随建筑存在.

纤维特性不仅体现在尺寸变化上，作为建材更让人关注的是力学强度的异向性，即木材沿着纤维方向的抗压抗拉强度远大于垂直方向［1］，其比值甚至高达20∶1.木质纤维的力学不稳定性，被视为不符合工业时代的另一大缺陷.

2 对当代木质建材的再认识

提到当代建筑材料，人们还是比较倾向于混凝土、钢材和玻璃，而不看好木质材料.建筑师之所以回避木质建材出于很多原因，除了天然缺陷外，更多的原因来自对木质建材长期的主观认识与偏见.随着现代工业木材技术的推广，木质建材的先天缺陷也正在逐步地得到改善，此时，正是到了对木质建材重新认识的时刻.

2.1 木质建材的燃烧与安全性

易燃性或许是木材给人的最大印象，这可能由于人类文明自古以来都将木材视为建材和能源的双重身份所致.“木材的存在就是为了燃烧”的印象在人们头脑中根深蒂固.

其实作为建材来讲，木材并不像想像中的那么易燃.在欧洲，木质建材被定义为不易燃的准燃烧材料.木材燃烧的过程是由外向内的木质纤维氧化碳化的过程，外表经过燃烧后产生碳化层，可以有效地阻隔氧气与内部木质纤维的继续接触，从而抑制木材的进一步燃烧.若木质构件的断面足够大，燃烧将是一件十分困难和缓慢的过程（见图7）.

图7 木材表面燃烧与碳化过程示意［1］

图8 广重美术馆纤细的木质构件

在建筑中，木质建材构件不可能都是大断面的，日本建筑师隈研吾的代表作品广重美术馆，为了营造日本浮世绘艺术中“雨”的意向和满足空间层次感的表达，他采用了断面为3，cm×6，cm极小的八沟衫木方木（见图8）.如此小断面的木构件，意味着建筑非常易燃，经过多方探索，隈研吾最终确定引用工业木材技术的方案：即利用加压注射方式，在杉木中加入化学阻燃试剂以达到防火要求［13］.广重美术馆的成功并非个案，这种木材的防火处理方法，在当代建筑中已经得到推广，木质建筑易燃不安全的标签也正在被摘去.

2.2 木质建筑的耐久性

腐朽被视为木质建筑的又一缺陷.这个由来已久的印象究其根源可能与纪念性建筑的选材有关，历史上的纪念碑或陵墓之所以选择石材，原因就在于石材的耐腐能力高于木材.其实在设计合理和维护得当的情况下，木质构件的腐朽是一个很漫长的过程.中国的应县木塔，日本的法隆寺和北欧随处可见的18世纪木建筑的屹立就证明了这一点［14］.就算是未经化学处理的天然木材也完全可以满足70年的使用年限，再加上当代木材改性技术的发展，可以将防腐剂通过加压的方式渗入木材，只要有必要的维护，多数木建筑即使在最恶劣条件下也能保持50年不腐［15］.

值得一提的是，如果从整座建筑的角度来看，即使木质材料不耐久，也不意味着木质建筑不耐久.最典型的实例就是日本的神社，全木质的建筑之所以保持几个世纪常新的关键就是每两年一次修缮的“替造”制度.其实质就是定期拆解和替换腐朽或不能维持建筑特征的构件，以保证建筑的正常使用.可见，木质建筑的持久性，并不在于木质建材的“永恒性”，而在于其“可持续性”（见图9）.

图9 日本传统纯木质建筑——神社

2.3 突破生理外形和尺寸极限

木材曾一直因生理尺寸的限制而不能用于大跨度建筑的建造.直到19世纪，工业木材中的胶合层积材和复合材技术的成熟给木质建材带来了革命性的变化.通过将原木分解再用胶黏剂沾合的方式，木质材料不仅可以增加强度，还可以被重新塑形为更多形状和更大体量（见图10）.如果说生态环保是当代木质建筑发展的第一决定性因素，工业木材胶合技术的诞生就是仅次于它的第二决定性因素.

图10 大跨度木质胶合曲梁［5］

木质材料在尺寸极限上的突破，是创造大空间大体量木质建筑的必要条件，它让木质建筑走向当代建筑先锋设计成为可能，自此，大跨度再也不是钢结构的专利（见图11）.

图11 当代木质建筑在外形和尺寸上的突破［1-2］

2.4 树木砍伐与木质资源的枯竭

木质材料的前景不被当代建筑看好的原因之一是森林资源的稀缺和林地破坏.在中国，持续了千年的森林砍伐已经使木材资源几近枯竭，加上木质建材限用政策更将建筑几乎变为混凝土的专利.其实在这个不利的时候，更需要发展木质建筑.

20世纪木建筑盛行的欧洲也曾有过木材紧缺的状况，但经过几十年的林木恢复，基本上实现了建筑需求和自然环境的平衡.甚至相比之前，欧洲的荷兰、挪威、瑞士等木建筑盛行国家的森林覆盖区域还增长了3%，［16］.这种不断砍伐与林地增多现象并不矛盾，隈研吾曾这样描述日本的雪松：“木材有需求，只有不断地用，才能保持并继续生长出覆盖陆地面积60%，的森林资源［17］.”发达国家将木材视为可再生的建材商品，这其实是一条商业产业链，人们会在市场需求的驱使下主动培育树木，只要严格管理，木建筑的发展不仅不会造成森林资源的减少，甚至还会使它增加.例如美国的木材生产和采伐就会严格受到联邦环境条例和土地管理法的约束，虽一直砍伐，但同时也做到了年平均种植10亿棵的指标，种植量甚至超过砍伐量的27%，［18］.

2.5 木质建材的经济性

当对木质建材有所了解之后，会发现木质建筑并没有之前认为的那么昂贵，特别是在木质材料的工业化趋势下，木质建筑的建造成本已经大幅降低.

在中国，华东地区的精装木结构房屋的建造成本约为1，500元/m2，虽然看上去比普通砖混住宅造价800～1，000元/m2要高，但是需要考虑到：木结构住宅的得房率要比砖混住宅的高8%～10%，；木结构自重轻，不需要打很深的地基，节省了地基成本；木结构房屋大量采用预制构件，施工工人数量少，节省了人力成本；施工时间短，且不受恶劣天气影响，相比于砖混结构6～10个月时间，木建筑只需45，d即可交付使用，节省了时间成本［2］.若寻求更准确的数据，在木结构住宅体系成熟的日本，建筑界给出了木质住宅的最终成本对比，即相对于钢筋混凝土住宅70～100万日元/坪和钢结构住宅50～80万日元/坪，木造房屋的造价只有30～50万日元/坪（1坪约为3.3，m2）［11］.

木质建筑的经济优势不仅体现在建造过程，更体现在使用过程中（见图12），据美国林产品协会（American Forest Products Association）一项对比研究数据显示，在供暖房屋中，木结构房屋的运行能耗比混凝土结构的房屋能耗低 23 %，［2］.这意味着在70年的木质建筑寿命中，因能源的节省将大幅度降低建筑的运行费用.

图12 205住宅（木质建筑）及其与标准混凝土建筑的耗能对比分析［6］

3 我国木质建材的发展

在中国，需要接受木质建筑与建材技术长期被冷落的事实，振兴木质建材市场，挑战与机遇并存，需要物质和思想上的双重准备.

在持续的森林砍伐和战争破坏后，至20世纪80年代，我国可用于建筑行业的木材所剩无几.因资源的稀缺，我国不得不放弃木质建材的开发与应用，而经历了20余年的技术空白时期［19］.这一时期恰恰是西方绿色建筑大力发展木质建材的时期，我国对木质建材的研究已远落后于西方.至20世纪末，国内掌握木结构技术的研究人员仅有7人，其中超过60岁的6人，超过70岁的3人，木质建筑没有健全的标准和规范作为建筑设计的参考和依据［20］.然而，除了技术的缺失，思维的误解也很严重，中国大多数人对木质建材还是缺乏理性的认识，人们会由于木质建材不坚固、易燃、伐木不利环保的认识，对木质建材有所抵触，建筑从业者和研究人员也会认为没有前景而放弃其商业开发和项目研究.

20世纪90年代，形势有所缓解，中国现代木质建筑的最早发展就在这时开始，只不过这些存在于北京和上海极少数的木质建筑大都是面向国外人士的别墅，从建材到方案几乎都来自海外.因此，如此稀少且价格昂贵的建筑并没有发展成潮流.

我国木质建材形势的全面改善，是进入21世纪之后.一方面我国20世纪80年代开始种植的人工林逐渐迎来了砍伐期，年增量2，500万m3左右［21］；另一方面则是2001年中国加入世贸组织后，进口木材的零关税制度，中国可以以优惠的价格向俄罗斯、新西兰等国购买木材［20］.2002年，木质建筑技术发达的北欧木业协会开始了对中国的木结构技术推广工作，并协助中国完善了木建筑设计规范，编写完成了《木结构设计规范手册》，2004年我国通过了《木结构设计规范》标准；2005年3月24日，由中国林科院木材工业研究所承担的北美轻质木结构示范建筑在北京门头沟落成（见图13）.

近几年，木质公共建筑也开始了快速地发展，在落成的建筑中浙江美丽洲教堂和云南高黎贡造纸博物馆算得上具有时代性特征的代表作品（见图14）.

图13 北京门头沟轻质木结构住宅［2］

图14 我国当代木质公共建筑［22-23］

4 结 语

当代木质建筑与建材正在快速发展，在可持续发展理念、绿色建筑理论、木材工业技术的支持下，在合理种植和木材国际市场贸易的推动下，木质建材正在逐渐地被越来越多的国家和地区所接受.其所创造的当代建筑除环保舒适的共性之外，也不乏让人望而惊叹的艺术性杰作.

对木质建材的认识是结合时代发展的不断认识过程.即便是在木质建筑和建材技术比较落后的我国，如果有对建材的客观认识，再加上政策引导和相关技术支持，当代木质材料将可打破被建材边缘化的局面.

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Development Trend of Wooden Building Materials in Contemporary Architecture

WANG Yichao，ZHOU Qing
（School of Architecture，TCU，Tianjin 300384，China）

Wooden building materials have become one of the most promising materials due to the characteristics of energy conservation， environmental protection， renewability and recyclability. However， in modern times the development of the wooden building materials still face the problems of resources and environment and the thinking patterns of application. In order to solve these problems this paper analyzes wooden building material resources and technical conditions， expresses the view that a change of thinking is required in the application of wooden building materials， that it is important to relieve people's misunderstanding of wooden building materials， and that people should reconsider the value of this material. Through the introduction of the characteristics of the wooden building materials based on contemporary architecture thoughts and technologies， this paper briefly analyzes the application status and development trend of wooden building materials in contemporary architecture.

wooden building material；contemporary architecture；change in thinking； reconsideration

建筑与规划

TU531.1

A

2095-719X（2016）02-0086-06

2015-10-12；

2015-10-19

天津市艺术科学规划项目（2014E14061）

王毅超（1987—），男，天津人，天津城建大学硕士生.