寒地現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)屋頂氣候適應(yīng)性研究

蘇雨晴 張成龍

(吉林建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，長春 130118)

0 引言

我國地域遼闊，東西經(jīng)度范圍超過60度，南北緯度區(qū)間約達(dá)50度，并形成多樣性氣候區(qū)。北方寒冷氣候區(qū)的季節(jié)性特征明顯，冬季漫長而寒冷，夏季酷熱，春秋兩季氣候干燥且常有風(fēng)沙天氣。這些地域性氣候特征是建筑材料和技術(shù)選擇方面所必須應(yīng)對的自然條件。木結(jié)構(gòu)建筑具有可持續(xù)發(fā)展、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，因此，在嚴(yán)寒地區(qū)推廣使用木結(jié)構(gòu)建筑形成趨勢，而建筑屋頂采用木結(jié)構(gòu)形式，在提高建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對氣候的適應(yīng)性和豐富建筑形象景觀等方面具有特殊意義。

2017年1月，國家住房城鄉(xiāng)建設(shè)部為響應(yīng)黨中央和國務(wù)院辦公廳等要求，頒布《裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，為規(guī)范裝配式木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、制作、施工及驗(yàn)收等方面制定出系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)入新時(shí)代，裝配式木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)符合建筑全壽命周期的可持續(xù)性原則，應(yīng)從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、制作工廠化、施工裝配化、裝修一體化、管理信息化和應(yīng)用智能化等方面，進(jìn)一步研究發(fā)展裝配式木結(jié)構(gòu)建筑。

屋頂是覆蓋建筑物最頂層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并且在整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中所占的面積比重較大，對適應(yīng)變化性氣候的作用顯著，并直接影響建筑的舒適度，因此，在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)特別關(guān)注屋頂部分的設(shè)計(jì)。屋頂又是建筑形象的重要組成部分，而且由于常規(guī)視野的美學(xué)要求，屋面形態(tài)及材料技術(shù)方面的選擇與創(chuàng)新往往被忽略，僅僅被動(dòng)滿足防水、保溫、隔熱等方面的技術(shù)要求。開展寒地現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)难芯?，具有技術(shù)和美學(xué)方面的雙重意義，也是亟待探索實(shí)踐的課題。

1 寒地現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)屋頂形態(tài)研究

1.1 中國木結(jié)構(gòu)屋頂形態(tài)

中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)屋頂形式主要有四種基本類型，包括廡殿頂、歇山頂、懸山頂和硬山頂。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)屋頂形態(tài)的最大特點(diǎn)就是其反宇的屋面和翹起的檐口，在功能、技術(shù)、審美等方面形成統(tǒng)一整體。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)屋頂以榫卯節(jié)點(diǎn)為主要連接技術(shù)。我國傳統(tǒng)屋頂構(gòu)造技術(shù)具有整體的“韌性”特征，能化解部分地震力作用，以及因溫度變化引起的“脹縮”變化。屋頂形態(tài)飄逸，構(gòu)造節(jié)點(diǎn)精準(zhǔn)，體現(xiàn)了我國古代文明的智慧。雖然屋頂形態(tài)是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，卻成為傳統(tǒng)建筑的代表性特征。

進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)，由于受材料來源、構(gòu)造設(shè)計(jì)以及建造技術(shù)等方面的制約，傳統(tǒng)木建筑形態(tài)特征沒有得到傳承和發(fā)揚(yáng)。在新形勢下，我們應(yīng)繼承和發(fā)揚(yáng)古代智慧中的精華，從傳統(tǒng)木建筑中汲取營養(yǎng)，創(chuàng)新現(xiàn)代本土、地域性建筑文化。

1.2 國外現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)屋頂形態(tài)

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展以北美和歐洲為代表，而且利用木結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)造出豐富多彩的屋頂形態(tài)。在材料選擇上多采用“膠合木”等人工復(fù)合材料，形成“工程木”系列，這種工程木或板材不受天然原木尺寸的限制，也可以避免木材中木節(jié)、裂縫等的不良影響，經(jīng)工廠預(yù)制成各種形狀的截面以滿足工程設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方面的需要，從而提高木材的使用率和力學(xué)性能。采用金屬構(gòu)件或螺栓等連接方式形成整體。這類人工復(fù)合材料應(yīng)用范圍很廣，特別是應(yīng)用到屋頂建筑形態(tài)后，對現(xiàn)代建筑產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

國外現(xiàn)代建筑的屋頂大量使用木結(jié)構(gòu)，不僅常見于住宅或小型公共建筑當(dāng)中，在單層大跨度建筑、文化類建筑中也屢見不鮮。木材具有易加工性，通過工業(yè)化生產(chǎn)、裝配式組合可以形成各種豐富的形態(tài)，滿足各種優(yōu)美的曲線屋頂造型的需要。盡管傳統(tǒng)觀念中認(rèn)為木材在防火、防潮和防腐等方面有顯著缺陷，但是經(jīng)過現(xiàn)代技術(shù)的加工處理后，木材在這些方面的性能已經(jīng)得到改善與提高。

隨著木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，屋頂形態(tài)更加豐富。例如日本坂茂建筑事務(wù)所（Shigeru Ban Architects）與德國讓·德·加斯蒂訥建筑事務(wù)所（Jean de Gastines Architecte DPLG）合作設(shè)計(jì)的蓬皮杜中心梅斯分館(Centre Pompidou-Metz)，坂茂曾在訪談中提到：“我們采用了與竹編工藝相仿的方式，讓木構(gòu)件彼此穿插疊加在一起，這個(gè)概念受到我1999年在巴黎一個(gè)古董店里找到的一頂中國傳統(tǒng)編制草帽的啟發(fā)”。宛如“帽檐”的木屋頂出挑并覆蓋下部展廳，用木結(jié)構(gòu)構(gòu)成起伏的屋頂形態(tài)。膠合木板材經(jīng)過加工形成一定形態(tài)，通過縱橫交織連接方式形成一種空間結(jié)構(gòu)，形成通透的大跨度空間。板材之間通過相互連接、交織發(fā)揮出空間力學(xué)性能，使得整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，而且可以達(dá)到更大的跨度和彎曲度。這種“編織”的木質(zhì)結(jié)構(gòu)體系跨度可達(dá)50多米。從交叉網(wǎng)格之間攝入的光線在室內(nèi)產(chǎn)生斑駁的光影效果，形成一種獨(dú)特的光環(huán)境，同時(shí)令人感到親切樸實(shí)。起伏的屋頂外觀給人以獨(dú)特的印象，木結(jié)構(gòu)屋頂本身與它的光影效果相映成趣，共同增添該建筑的藝術(shù)魅力。

進(jìn)入21世紀(jì)，人類更強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展理念，同時(shí)也更注重節(jié)能環(huán)保以及城市美學(xué)特征。在這種趨勢下，我國建筑師需要充分汲取中國古代建筑屋頂形態(tài)的精華，并借鑒國外現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，綜合利用現(xiàn)代建造手法與技術(shù)創(chuàng)造豐富的現(xiàn)代建筑屋頂形態(tài)。近些年全國各地越來越注重城市風(fēng)貌建設(shè)，試圖打造城市新形象，導(dǎo)致短期內(nèi)許多城市盛行“平改坡”之風(fēng)。但是，由于缺乏對建筑形態(tài)與城市風(fēng)格的研究，只是在既有建筑上用混凝土材料簡單設(shè)計(jì)坡屋頂形態(tài)，導(dǎo)致原有結(jié)構(gòu)荷載增加。短時(shí)期內(nèi)增加的大量坡屋頂建筑，同時(shí)也暴露出許多現(xiàn)實(shí)的問題：如在既有建筑屋頂改造后使用效果不佳，極易產(chǎn)生保溫、防水等問題，而且建筑屋頂形態(tài)千篇一律，造成城市天際線的混亂。

目前，城市中大量的坡屋頂形式都是以鋼筋混凝土作為承重結(jié)構(gòu)，其形態(tài)笨重、形體僵硬、形式單調(diào)，而且施工過程對環(huán)境產(chǎn)生較大污染，有悖于當(dāng)前提倡的可持續(xù)發(fā)展理念。因此我們要積極發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑屋頂，特別是在既有建筑的改造上可以采用木屋頂形式，不僅可以使既有建筑產(chǎn)生新形象，同時(shí)還可以豐富城市天際線，并可以降低原有建筑上建造屋頂?shù)暮奢d。此外，在新建公共建筑中也應(yīng)發(fā)揮木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)膬?yōu)勢，創(chuàng)造出符合功能性要求的大跨度、獨(dú)特形式特征的屋頂形態(tài)。我們應(yīng)大力提倡采用木結(jié)構(gòu)屋頂，不僅為既有建筑的改造提供一種新思路，而且也為新建建筑屋頂形態(tài)的設(shè)計(jì)提供新方法。

2 寒地現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)屋頂氣候適應(yīng)性研究

本文從現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)谋睾头浪阅軆煞矫嬷?，研究寒地現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)氣候特征。

2.1 保溫性能

基于嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)谋匦阅苁且粋€(gè)需要重視的方面。木結(jié)構(gòu)屋頂需要采用性能良好的保溫材料，同時(shí)根據(jù)計(jì)算應(yīng)該適當(dāng)增加保溫層厚度。保溫材料通?？梢凿佋O(shè)在木結(jié)構(gòu)板之上，再上浮防水材料，或直接鋪設(shè)在木結(jié)構(gòu)屋面板下。常見的木結(jié)構(gòu)屋頂保溫材料有軟性絮棉型保溫材料、松填型保溫材料、剛性保溫板和輻射隔離層。

在嚴(yán)寒地區(qū),由于冬季室內(nèi)外溫度相差較大,當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí),水蒸氣易通過屋面板慢慢滲入保溫層，導(dǎo)致其形成結(jié)露、受潮的現(xiàn)象，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)受損并導(dǎo)致保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)增大,從而降低保溫性能。因此，通常在安裝有保溫材料的木結(jié)構(gòu)屋頂中設(shè)置隔汽層，一方面可以阻擋潮氣從建筑外部滲入保溫層從而破壞屋面結(jié)構(gòu)；另一方面可解決木結(jié)構(gòu)屋頂因構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致局部溫差過大產(chǎn)生的“冷橋”問題，在嚴(yán)寒地區(qū)表現(xiàn)為在屋面檐口處等局部“結(jié)冰”現(xiàn)象，進(jìn)一步對屋頂熱工造成影響。常用三種方法防止冷橋現(xiàn)象產(chǎn)生：1）使保溫層足夠厚從而在源頭處防止產(chǎn)生冷橋現(xiàn)象；2）保溫層完全包住構(gòu)造層；3）設(shè)置通風(fēng)間層，利用空氣流動(dòng)帶走多余熱量。

寒冷氣候區(qū)木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)乃魵庵饕嬖谟诮Y(jié)構(gòu)內(nèi)部，因此如何利用空氣流動(dòng)帶走結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)的濕氣就尤為重要。常見的做法是當(dāng)保溫材料放在屋面板以下時(shí)，其上方應(yīng)留有一定的空氣通腔來保持干燥，并在屋脊、屋面、屋檐等部位設(shè)通風(fēng)口。若屋面坡度小于1/6時(shí)，所需暢通的通風(fēng)總面積為吊頂面積的1/150；若屋面坡度大于1/6時(shí)，所需暢通的通風(fēng)總面積為吊頂面積的1/300。進(jìn)風(fēng)口宜在屋檐下底部，排風(fēng)口宜在屋脊或屋面。

2.2 防水性能

屋頂設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要問題是防水性能。影響防水性能的關(guān)鍵是木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)钠露?，合理的屋頂坡度能迅速將水排出，防止屋面發(fā)生漏水現(xiàn)象，并破壞屋面構(gòu)造。而坡度是由當(dāng)?shù)氐慕涤杲笛┝?、所處地理位置情況和建筑造型等因素共同作用的結(jié)果。寒冷地區(qū)建筑所處的位置緯度越高，降雪量越大，則所需坡度越大。

圖1 閣樓通風(fēng)的位置和面積

圖2 老虎窗與屋面連接處

圖3 屋谷處泛水板防水做法

寒地現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)屋頂防水材料的選擇，不僅要考慮夏季雨水的作用，而且要考慮冬春季冰雪融化的影響。原則上，降水量越多、積雪量越大，則需要的屋頂?shù)钠露仍蕉?，以便能保證排水的順暢，減少對屋面的荷載壓力。隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，新材料逐漸增多，在選擇合適的防水材料時(shí)應(yīng)著重注意到材料的使用壽命、可回收性、以及是否可以再生性。目前常用的防水材料為SBS改性瀝青卷材，可以通過自粘、機(jī)械加固或著施加熱瀝青或冷膠的方法安裝，同時(shí)應(yīng)注意接縫處要搭接100mm，邊緣處搭接150mm。

針對寒地木結(jié)構(gòu)屋頂，在防水性能上應(yīng)該以提高封閉性能、抗老化性能為根本。雖然木結(jié)構(gòu)本身為柔性結(jié)構(gòu)體系，但在裝配式木結(jié)構(gòu)中為組合型結(jié)構(gòu)體系，板材間有很多節(jié)點(diǎn)和縫隙。在防水性能方面更需要注重防潮、防腐問題，并高度重視節(jié)點(diǎn)處理，施工方面也更為嚴(yán)格。因此首先應(yīng)當(dāng)對構(gòu)造節(jié)點(diǎn)予以高度重視，采用標(biāo)準(zhǔn)化等技術(shù)使得木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)恼w性更強(qiáng)，保證節(jié)點(diǎn)處構(gòu)造的密閉性和耐久性。常用的方法有：在屋面鋪設(shè)防水卷材或防水透氣膜作為屋面第一道防水層；在屋頂與墻面連接處以及屋頂特殊部位如老虎窗、坡谷等處位置安裝泛水板，且應(yīng)使用耐腐蝕材料制作泛水板；當(dāng)屋面鋪設(shè)瓦時(shí)，應(yīng)注意瓦的搭接方式。

3 結(jié)論

寒地現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)屋頂?shù)臉?gòu)造設(shè)計(jì)，應(yīng)特別重視防水性能與保溫性能。在防水性能方面，需要注意防水材料的選擇、以及特殊部位的節(jié)點(diǎn)連接做法；在保溫性能方面，應(yīng)注意防止產(chǎn)生“冷橋”現(xiàn)象，并排出保溫層與結(jié)構(gòu)層中的濕氣。同時(shí)，嚴(yán)寒地區(qū)與其他氣候區(qū)最大的不同之處在于，嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)外溫差較大，應(yīng)綜合應(yīng)對這種溫差所帶來的技術(shù)問題。寒地現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)屋頂構(gòu)造的氣候適應(yīng)性是一項(xiàng)具有理論與實(shí)踐雙重意義的研究課題，是需要不斷探索如何將木結(jié)構(gòu)屋頂與寒地極端特殊氣候相適應(yīng)。因此，我們應(yīng)借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)造出適合我國嚴(yán)寒地區(qū)氣候的屋頂做法，改善寒地城市的居住環(huán)境。