小型裝配式木塑建筑設(shè)計體系研究*

席 飛 唐道遠 孫友富

（1.南京財經(jīng)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 安徽森泰木塑集團股份有限公司，安徽 廣德242200；3. 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

裝配式建筑以工廠預(yù)制化構(gòu)件為建筑材料，采用現(xiàn)場安裝的施工模式完成搭建，具有施工流程簡便，施工周期短等優(yōu)勢，滿足綠色建筑發(fā)展要求。裝配式建筑主要涉及產(chǎn)品研發(fā)、構(gòu)件設(shè)計、生產(chǎn)制造、施工建造等環(huán)節(jié)。自2016 年出臺《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》以來，我國開始大力推進裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑的發(fā)展[1-2]。學(xué)者們從不同角度展開了相關(guān)研究，取得一定成果。郝建秀[3]等對木塑復(fù)合材料作為模板用材的獨特優(yōu)勢進行解析，為其在裝配式建筑等更加寬廣的建筑領(lǐng)域應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。周麗紅[4]研究了木塑復(fù)合材料作為建筑墻體的內(nèi)外裝飾板、木塑復(fù)合墻板的性能及技術(shù)，實現(xiàn)了其在裝配式建筑中的應(yīng)用。李珺杰[5]等對現(xiàn)代木造建筑工法與裝配式建筑的對應(yīng)關(guān)系進行了梳理，促進了構(gòu)件與結(jié)構(gòu)設(shè)計的統(tǒng)一。李艷敏[6]分析了以正交膠合木為結(jié)構(gòu)體系的裝配式建筑的受力性能，為促進我國多高層木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。劉杰[7]等對原木結(jié)構(gòu)、輕型木結(jié)構(gòu)、膠合木結(jié)構(gòu)、正交膠合木結(jié)構(gòu)在當代建筑中的裝配式應(yīng)用作了綜述。

木塑復(fù)合材料是以聚乙烯等塑料與木粉等木質(zhì)材料按一定比例混合，熱壓成型的一種綠色環(huán)保材料。若作為裝配式建筑的外裝飾材料，形成木塑小屋的自主安裝體系，則可突破現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的限制，為裝配式木塑建筑在微型、小型建筑中的應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)[8-15]，促進裝配式建筑在我國的普及。本文將小型裝配式木塑建筑結(jié)構(gòu)拆分為梁柱單元、墻體單元、屋面單元，并開展3 個模塊內(nèi)部及之間連接節(jié)點的研究，對適應(yīng)該結(jié)構(gòu)體系的建筑外觀進行設(shè)計，探索小面積木塑建筑由1～2 位非專業(yè)人員根據(jù)安裝圖紙快速完成自主搭建的可行性。

1 小型裝配式木塑建筑梁柱單元設(shè)計

在進行小型裝配式木塑建筑梁柱單元設(shè)計時，需按照以下原則進行：1）簡化梁柱構(gòu)件種類、連接件種類和數(shù)量，從而簡化安裝步驟及難度；2）選擇相對輕質(zhì)的材料作為結(jié)構(gòu)支撐材料，以滿足1～2 人輕松移動的重量為宜[16-20]。

1.1 材料

按照以上設(shè)計原則，選用安徽森泰木塑集團研發(fā)的鋁塑共擠產(chǎn)品（圖1）作為小型裝配式木塑建筑梁柱結(jié)構(gòu)的原材料。在制備過程中，將木塑和鋁合金共同擠出，并根據(jù)使用要求，形成不同截面尺寸和形狀，擠出成型后的產(chǎn)品既具有輕質(zhì)鋁合金材料的力學(xué)特征，同時表面又賦有木塑材料特有的木色紋理。根據(jù)試驗分析，將鋁塑共擠產(chǎn)品作為梁柱單元的主要材料，能夠滿足小型木塑建筑的力學(xué)要求，而其相對輕質(zhì)的特點又為自主安裝打下了基礎(chǔ)。此外，由于木塑的包裹，該材料在室外暴露時既保持了裝飾性，又具有較好的耐候性，使用壽命較長。

圖1 鋁塑共擠材料Fig.1 Aluminum-plastic co-extruded materials

1.2 梁柱連接節(jié)點設(shè)計

傳統(tǒng)梁柱連接件存在數(shù)量繁多、形狀多樣、安裝工藝復(fù)雜、實際安裝位置不明顯等缺點。如圖2 所示，本研究中采用1 種螺栓連接件將橫梁連接到立柱上，甚至可以將多個橫梁同時連接到一個立柱上，這種結(jié)構(gòu)簡化了連接關(guān)系。在垂直方向上，立柱和連接件在縱向的受力關(guān)系中形成直接傳導(dǎo)；在水平方向上，橫梁的重量可通過凸起位置，有效地轉(zhuǎn)移到立柱上，使整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在連接件正確安裝后，構(gòu)件本體可隱藏在立柱和橫梁內(nèi)部，保持了精簡美觀的視覺效果。通過該連接件的設(shè)計，可實現(xiàn)以1 種連接件種類，8 個連接件數(shù)量，完成8 個梁柱節(jié)點的連接，為非專業(yè)人士快速自主安裝打下了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)更多類型的小型裝配式建筑梁柱節(jié)點的連接，又分別設(shè)計完善了 “T、十、一”3 種連接節(jié)點形式，如圖3 所示。

圖2 梁柱節(jié)點設(shè)計Fig.2 Design of beam-column joint

圖3 其他類型梁柱節(jié)點設(shè)計Fig.3 Design of other beam-column joints

1.3 橫梁構(gòu)件設(shè)計

小型裝配式建筑的橫梁不僅需要滿足基礎(chǔ)的支撐功能，還需具有一定的防水性。然而目前的橫梁設(shè)計不具備排水功能，因此常使用外墻打膠的方式進行防水，當膠體到達使用年限后，會出現(xiàn)老化開裂等問題，造成外墻面與橫梁連接處滲水。本研究在橫梁設(shè)計時，通過鋁塑共擠產(chǎn)品擠出成型的優(yōu)勢，對其進行了隱形的自排水構(gòu)造處理。首先在橫梁的外側(cè)設(shè)置擋水沿，并在擋水沿和橫梁本體之間設(shè)置斜向排水槽。當墻面遇水時由于重力的作用，水會沿著墻面流至該自排水斜坡，而不會向室內(nèi)滲透，形成防水設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，為了與連接件結(jié)合，在橫梁的左右兩側(cè)進行了開口處理；為了與墻體單元結(jié)合，在上橫梁的下方與下橫梁的上方進行了開槽處理，具體構(gòu)造如圖4 所示。

圖4 橫梁設(shè)計Fig.4 Beam design

1.4 立柱構(gòu)件設(shè)計

立柱設(shè)計也采用了鋁塑共擠產(chǎn)品為原料，為了便于與節(jié)點連接，對其截面進行了設(shè)計改造，如圖5。通過上述1 種連接節(jié)點以及與之匹配的各1 種類型的立柱和橫梁設(shè)計，實現(xiàn)8 個梁柱節(jié)點的4 根立柱和8 根橫梁的同時安裝，從而簡化了安裝流程，縮減了安裝時間。

圖5 立柱設(shè)計Fig.5 Column design

2 墻體單元設(shè)計

2.1 墻體構(gòu)造

在進行墻體單元設(shè)計時，原料由內(nèi)到外分別選擇9 mm定向刨花板（OSB）、20 mm 擠塑保溫板（XPS）、9 mm定向刨花板、6 mm木塑墻板4種材料。如圖6所示，材料之間通過環(huán)氧樹脂膠連接，組合后的墻體模塊寬度設(shè)置為400 mm，墻體高度根據(jù)建筑高度進行設(shè)計，最高不超過3 000 mm。由于小型裝配式建筑墻體本身基本不受力，主要起圍護作用，因此選用兩層相對輕質(zhì)的木質(zhì)復(fù)合材料作為墻體的支撐材料，中間添加XPS保溫板起到一定的保溫隔熱作用，而在最外側(cè)使用木塑墻板，不僅起到裝飾作用，還具有較好的耐候性能。

圖6 墻體構(gòu)造Fig.6 Wall construction

2.2 墻體模塊與梁柱連接節(jié)點設(shè)計

墻體模塊的水平截面尺寸為400 mm × 44 mm，垂直截面尺寸為墻體高度 × 44 mm。在梁柱設(shè)計時，已在上橫梁的下立面與下橫梁的上立面，以及各個立柱朝向室內(nèi)的2 個立面，根據(jù)墻體的截面尺寸作了開槽處理。因此，在進行墻體模塊與梁柱單元連接安裝時，只需將墻體模塊沿著上下梁卡槽位置準確推入到立柱卡槽位置即可完成，操作簡便。

2.3 墻體模塊連接節(jié)點設(shè)計

經(jīng)試驗證明，將單個墻體模塊寬度設(shè)置為400 mm，高度不超過3 000 mm，可實現(xiàn)1～2 人的輕松移動，并通過節(jié)點設(shè)計簡化了其與梁柱的連接，實現(xiàn)了單個墻體模塊的快速安裝。墻體模塊與模塊之間的連接，也是墻體單元設(shè)計需要重點解決的問題之一，本研究共設(shè)計3 種墻體模塊連接方式。

2.3.1 公母榫式墻體連接節(jié)點

公母榫式墻體連接節(jié)點是將公母榫式的卡扣預(yù)埋在墻體垂直截面，一個墻體模塊右側(cè)垂直截面上下各預(yù)埋2 個公榫，左側(cè)垂直截面上下各預(yù)埋2 個母榫，當2 個墻體模塊依次被推入梁柱卡槽時，將第一個墻體模塊右側(cè)的公榫打開一定角度，插入到第二個墻體模塊左側(cè)的母榫之中，形成墻體模塊間的連接，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。公母榫式墻體連接節(jié)點的優(yōu)點在于連接件隱藏于墻體截面之間，不影響墻體的整體美觀程度，且易于安裝；而缺點在于連接件的力學(xué)強度有限，當使用過程中墻體模塊發(fā)生變形時，墻體模塊之間有出現(xiàn)縫隙的可能性。

圖7 公母榫式墻體連接節(jié)點Fig.7 Female and male tenon wall joint

2.3.2 工字鋼式卡扣墻體連接節(jié)點

工字鋼式卡扣是將工字鋼左右2個垂直立面設(shè)計為與墻體垂直截面同樣的尺寸，安裝時，先將一個墻體模塊順梁柱卡槽推入，然后放置工字鋼，將墻體右側(cè)垂直截面與工字鋼左側(cè)垂直立面扣緊，最后將下一塊墻體推入，其墻體左側(cè)垂直截面與工字鋼右側(cè)垂直立面扣緊，完成2塊墻體的安裝，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。工字鋼式卡扣墻體連接節(jié)點的優(yōu)點在于當墻體模塊完成安裝之后，如因氣候變化，出現(xiàn)變形情況時，利用工字鋼本身的力學(xué)強度以及工字鋼本身，可以在一定程度上阻擋或遮擋墻體模塊的變形；而缺點在于工字鋼式卡扣作為獨立的連接構(gòu)件，無法預(yù)埋在墻體內(nèi)，導(dǎo)致安裝步驟增多，安裝難度增加。此外，安裝后工字鋼暴露在建筑立面，影響外表美觀；同時如果墻體在安裝前出現(xiàn)一定變形時，會出現(xiàn)無法卡入工字鋼式卡扣連接件的情況。

圖8 工字鋼式卡扣墻體連接節(jié)點Fig.8 I-steel buckle wall joint

2.3.3 方鋼墻骨柱式墻體連接節(jié)點

如圖9 所示，方鋼墻骨柱式墻體連接節(jié)點是將方鋼預(yù)制在墻體模塊的XPS保溫板處，具體來說是將原本400 mm寬的保溫板在寬度方向切除掉方鋼水平截面寬度的一半，以便將一半的方鋼置入墻體之中，然后利用外露于墻體的另外一半方鋼作為連接構(gòu)件，連接下一個墻體模塊。方鋼在墻體模塊與墻體模塊之間起到墻骨柱的作用，無論墻體在安裝前還是安裝后出現(xiàn)變形，都可以利用方鋼墻骨柱的力學(xué)性能進行糾正，并且方鋼墻骨柱預(yù)置在墻體模塊內(nèi)，隱蔽性較強，安裝步驟簡化，有利于實現(xiàn)墻體單元非專業(yè)人士的快速安裝。

圖9 方鋼墻骨柱式墻體連接節(jié)點Fig.9 Square steel wall joint

通過上述墻體單元及其連接節(jié)點的設(shè)計，以400 mm為寬度模數(shù)，一層建筑層高3 000 mm為高度模數(shù)，可實現(xiàn)建筑尺寸及面積的模塊化增減，適應(yīng)不同的建筑類型。后期可通過試驗，研究3 種墻體連接節(jié)點的保溫性能和防水性能，確定適宜的墻體單元設(shè)計。

3 屋面單元設(shè)計

小型裝配式木塑建筑的屋面單元設(shè)計，原料選擇由內(nèi)而外依次為9 mm定向刨花板、20 mm 擠塑保溫板（XPS）、9 mm定向刨花板（OSB）、改性瀝青（SBS）防水卷材和瀝青瓦，既滿足了屋面單元基礎(chǔ)的力學(xué)性能，又起到了防水和保溫的效果，并通過Z字形連接件，完成了屋面單元與梁柱單元的連接以及屋面模塊之間的連接，具體構(gòu)造如圖10 所示。在此基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)裝配式建筑非專業(yè)人員快速安裝的模式，將屋面單元分為2 個部分，第1 部分由內(nèi)而外依次由定向刨花板、XPS保溫板、定向刨花板、防水卷材和常規(guī)位置鋪貼的瀝青瓦組成；第2 部分根據(jù)瀝青瓦使用位置的不同，將剩余位置鋪貼的瀝青瓦做成幾種模塊形式，如屋頂正面折彎件、屋頂后面收口折彎件、屋頂左右側(cè)面收口折彎件、模塊拼縫收口折彎件等，如圖11 所示。通過幾種模塊化瀝青瓦的組合，可以將原本需要專業(yè)人員完成，且耗時較長的瀝青瓦安裝步驟簡化，非專業(yè)人員只需在快速完成第1 部分的安裝后，將剩余位置的瀝青瓦模塊放置在屋面對應(yīng)區(qū)域，即可完成屋面單元的安裝。

圖10 屋面單元設(shè)計Fig.10 Roof unit design

圖11 瀝青瓦模塊設(shè)計Fig.11 Design of modular asphalt shingle

4 外觀功能設(shè)計

小型裝配式木塑建筑的梁柱單元、墻體單元和屋面單元設(shè)計，是以小面積建筑，1～2位非專業(yè)人員，根據(jù)安裝圖紙，快速完成自主搭建為目標，而適應(yīng)該結(jié)構(gòu)體系的建筑類型。主要面向單層建筑、臨時或中小型建筑，有拆卸需求、可重復(fù)安裝的建筑，對建筑熱環(huán)境要求較低的建筑等，如工具房、門衛(wèi)室和景區(qū)售貨亭等[21-25]。以下將分別對這幾種建筑外觀進行設(shè)計。

4.1 工具房外觀設(shè)計

工具房木塑小屋的主要使用位置為家庭別墅住宅的庭院或大型辦公建筑的一角，其面積不能過大，外觀設(shè)計不能過于復(fù)雜，否則會影響與主體建筑的協(xié)調(diào)性。因此，將該類型建筑，室內(nèi)面積設(shè)定為4 m × 2.8 m，以滿足基本的工具擺放功能。在建筑立面設(shè)計時，以淺木色木塑外墻板和木塑包裹的鋁塑共擠梁柱為主要裝飾材料，配以豎向和橫向的玻璃長窗加以點綴，體現(xiàn)現(xiàn)代主義的設(shè)計風格；屋面設(shè)計為以瀝青瓦模塊鋪貼的單坡屋頂，造型簡單，便于排水。具體外觀設(shè)計如圖12所示。

圖12 工具房木塑小屋外觀設(shè)計Fig.12 Design of wood plastic tool room

4.2 門衛(wèi)室外觀設(shè)計

門衛(wèi)室木塑小屋的主要使用位置為景區(qū)或企業(yè)大門，相對于工具房而言，其面積相對擴大，以滿足2～3人同時使用，而外觀設(shè)計也需在一定程度上體現(xiàn)使用方的檔次。因此，將其室內(nèi)面積設(shè)定為4.8 m × 4 m。在建筑外觀設(shè)計時，以深木色木塑墻板和木塑包裹的鋁塑共擠梁柱為主要外立面裝飾，配合歐式木方窗加以點綴。通過雙坡屋頂挑檐設(shè)計，向兩側(cè)挑出1 m的連廊，連廊四角以木柱支撐圍合，既方便雨天站崗巡邏，又起到一定裝飾作用，木塑外立面與木柱的結(jié)合，也體現(xiàn)了木塑小屋綠色建筑的發(fā)展方向。具體外觀設(shè)計如圖13所示。

圖13 門衛(wèi)室木塑小屋外觀設(shè)計Fig.13 Design of wood plastic guard room

4.3 景區(qū)售貨亭外觀設(shè)計

景區(qū)售貨亭的外觀設(shè)計需要起到吸引人群、刺激顧客購買欲的作用，面積設(shè)定需滿足景區(qū)的基本流量。因此，將其使用面積設(shè)定為6 m × 4 m。建筑立面設(shè)計以木色木塑墻板為主，配以純白色木塑墻板作為間隔點綴，體現(xiàn)了木塑材料的豐富性，然后再利用各個立面大小不等的灰色金屬框架門窗，增強建筑整體的通透感。屋頂設(shè)計中，以雙坡屋頂為基礎(chǔ)，前方挑檐1 m，后方挑檐延伸覆蓋整個建筑后立面，以增強建筑視覺沖擊力，吸引游客注意力。具體外觀設(shè)計如圖14所示。

圖14 景區(qū)小賣部木塑小屋外觀設(shè)計Fig.14 Design of wood plastic snack bar

5 結(jié)語

本文對以木塑復(fù)合材料為主要裝飾材料的小型裝配式建筑進行了梁柱單元、墻體單元和屋面單元的構(gòu)件及連接節(jié)點設(shè)計。通過3個單元的設(shè)計可實現(xiàn)小型木塑建筑由1～2位非專業(yè)人員的快速自主搭建，打破了我國裝配式建筑原有結(jié)構(gòu)限制，有利于促進裝配式建筑在我國的普及。

本文所述裝配式木塑建筑設(shè)計體系，還需根據(jù)具體的建筑類型，設(shè)計與之匹配的具體模塊，以推進小型裝配式木塑建筑在更多場合和地區(qū)的應(yīng)用。