基于现代木结构技术的乡镇民居设计探讨——以宜兴市张渚镇茶亭村示范农房建设为例/ 符飞，杨晓林，吕红医
——以宜兴市张渚镇茶亭村示范农房建设为例
Discussion of Residential Building Design in Chinese Villages and Towns Based on Modern Timber Structure Technology: A Case Study of the Design of the Demonstration Project in Chating Village, Zhangzhu Town, Yixing city
摘要 现代木结构技术在我国乡镇民居建设中有广阔的应用前景。文章解析了现代木结构的基本概念与特点，比较了现代木结构与传统木结构的异同，提出二者的融合有利于我国乡镇人居环境的改善及建筑风貌的提升。以此为基础，通过一次项目实践的梳理，分析了现代木结构技术介入乡镇民居建设的设计流程，以及建筑方案设计、构件设计、专业协同等方面的设计要点，即模数化、精确化、一体化。以期为当下建设具有中国传统特色乡镇民居提供多一种思路，促进中国乡镇建设多元化发展。
关键词 现代木结构；乡镇；民居；设计；建造
AbstrAct Modern timber structure technology has broad application prospects for residential building construction in Chinese villages and towns. Beginning with an analysis of the basic concepts and characteristics of modern timber structure technology, the article compares the similarities and differences between modern timber structures and Chinese traditional wooden structures for vernacular dwellings. We propose that a combination of the two approaches is beneficial to the improvement of the habitation environment and architectural features of Chinese villages and towns. Through a case analysis of Chating Village, this paper analyzes the design process of modern timber structures for residential building construction in Chinese villages and towns, and examines key points such as architectural design, component design, and professional coordination, i.e., modularization, precision, and integration . This paper is expected to provide more than one philosophy for the construction of vernacular dwellings with traditional characteristics and will promote the diversified development of construction in villages and towns in China.
Key Words modern timber structure; villages and towns; vernacular dwellings; design; construction
*基金项目 “十二五”国家科技支撑计划课题（2015BAL03B03）：传统农房建造技术改良与应用示范。
中图分类号 TU247.4文献标志码 A
DOI 10.3969/j.issn.1000-0232.2018.06.029 文章编号 1000-0232(2018)06-0029-06
作者简介 1硕士研究生；2讲师；3 教授，通信作者，电子邮箱：492399472@qq.com；1&2&3 郑州大学建筑学院 引言
《周礼·考工记》有云“天有时，地有气，材有美，工有巧。合此四者然后可以为良”。中国传统文化中，木材便是这通天接地，感应时气，材美更可巧工的良材，是中国传统建筑营造的理想之材[1]88。其历史悠久，应用 广泛，在不同地域环境及民族文化的影响下呈现出多样的风格特点。然而在中国近现代文明进程中，随着新的建筑材料建造技术的涌现，传承发展数千年的木结构体系在中国逐步淡出，广大乡镇居民也转为采用砖、混凝土等材料建造新的居所。
当今世界在生态与可持续发展的要求下，木材又成为建造材料而受到全世界的重视[2]19，木结构在欧美及日本等国家快速发展，形成了低碳、环保、预制装配化程度高的现代木结构体系。20世纪 90年代末，现代木结构体系由北美、北欧及日本引入中国，主要运用于园林景观、旅游度假、高端别墅等领域的建设，建筑样式多照搬国外，缺乏本地特色。而中国传统木构营造体系，作为我们建筑文化的本源，是可以在现代木结构中找到契合因素的 [2]19。
随着国家乡村振兴战略的实施以及装配式建筑的推广，中国特色乡镇建设与现代木结构都迎来了较好的发展时机。现代木结构技术应用于我国乡镇民居的建设将具有广大的发展前景。
1基于现代木结构技术的乡镇民居建设
1.1现代木结构概述
现代木结构主要以各种标准化的工程木或经过处理的原木为主要材料，使其具有防潮防腐、防虫防蚁、防火的性能，经过建筑模数化设计、工厂预制化生产、现场装配化施工而建造的房屋，又被称为装配式木结构。现代木结构还融合了现代化生态节能及智能信息技术，实现一体化集成设计，使房屋更加舒适、安全、可靠、耐久。依据房屋承重构件所用材料的不同，现代木结构可分为轻型木结构（图1）、胶合木结构（图2）、方木原木结构及木混合结构等4种形式 [3]6，具有不同的特点和适用范围。
轻型木结构材料成本低，标准化、装配化程度高， 施工便捷，适用于低成本、大规模的生产建造。但由于其结构构件被围护体包裹隐匿，木结构本身的表现力相对较弱。而胶合木结构不受天然木材强度及尺寸限制，可以满足各种结构构件的形态及尺寸，灵活多变，为木结构建筑形态的多样性提供了可能；另一方面，其承重结构与围护体相分离，可裸露于外，更能突显木结构的力与美。但由于其木构件产品的多样性以及现阶段市场规模所限，与轻型木结构相比，胶合木结构的模数化标准化程度较低，更适合小批量定制化的项目采用。方木原木结构则是传统井干式木结构体系的传承和发展，木混合结构建筑主要用于高层木构建筑的建造。
1.2现代木结构与中国传统木结构的比较
由于对木材的认知与理解不同，现代木结构与中国传统木结构在材料运用和结构逻辑上有着不同的智慧[1]88。现代木结构源于现代轻型结构体系[1]89，利用科学技术对木材进行改造，减少木材无法控制的缺陷影响，使其更加优化。同时，基于木材和钢材在建筑结构中的力学特性及使用方法上的相似性[4]19，引进现代力学分析、计算方法及钢结构的节点连接方式[4]20，提高结构强度的精确性，使其更加安全可靠，耐久高效。中国传统木结构则顺应木材自身特性，通过原始智慧及经验积累，充分了解和掌握木结构构件加载后的变形规律，在木结构营建中给予一定的“结构预设”[5]，以减弱不利影响，满足结构上的需要。同时这种“结构预设”影响了中国传统木结构的形态特征，使其富有极强的感染力，又表现出木材天然朴拙的意趣。具体表现在材料运用、结构体系、构造形式、空间形态、装饰美学、施工方式等6个方面（表1）。
现代木结构与中国传统木结构在用材、结构以及艺术表达等方面有着各自的逻辑，各有优劣，但二者皆是运用木材为人类营造庇护之所，终是殊途同归。首先，中国传统木结构秉承天人合一，向法自然的思想，而现代木结构建筑也是当下绿色环保型建筑的典范。其次，中国传统木结构与现代木结构，都是可装配可拆卸，极具灵活多变性的轻量化结构[1]86。再次，中国传统木结构规范化模数化的用材制度，具有现代木结构预制加工和模块化的影子，而以“间”为基本单元的空间通用式设计又与现代木结构开放可变的弹性设计相类似[1]90。综上所述，二者具备相互借鉴、协同发展的条件。
1.3现代木结构技术应用于乡镇民居建设
2013年以来，国务院及相关部委依次发布《绿色建筑行动方案》、《促进绿色建材生产和应用行动方案》、《关于大力发展装配式建筑的指导意见》等文件，旨在转变城乡建设模式和建筑业发展方式，大力发展绿色建材，推动建筑工业化，最终实现生态文明建设。相较于其他装配式建筑，现代木结构建筑更加节能环保，预制装配率高且更加精细化，施工运输也都更为方便，具有一定的灵活机动性，更易推广应用。
目前我国国家标准规定木结构建筑不能高于3层 [6]，因此在我国城市建设中，木结构建筑发展空间较小，然而与较低的人口密度相适应，低层建筑适宜在我国乡镇推广[7]70。特别是在乡村振兴战略背景下，现代木结构特有的美观舒适、亲近自然的表现力，在乡镇旅游业及特色小镇建设领域，更具有应用前景。
2现代木结构的设计流程及要点
装配式建筑的标志是设计标准化、生产工厂化、施工机械化、装修一体化、组织管理科学化、应用智能化[8]。现代木结构建造的预制和装配化程度较高，对项目设计、生产、施工等各环节的协同工作要求更加全面、精细，设计流程也有别于传统建造方式，增加了前期技术策划及木构件拆分与加工图设计两个阶段[9]12。
项目方案设计前，需先进行前期技术策划，制定合理的技术路线，提高预制构件的标准化程度，为后续的设计工作提供设计依据[9]13。在传统的方案设计、扩初设计及施工图设计阶段之后，进行木构件拆分与加工图设计。该设计过程的成果是木构件预制加工的直接依据，是现代木结构建筑设计阶段的关键。决定了木构件加工生产的准确性，进而影响后续现场装配化施工的顺利进行。在同样的装配率条件下，木构件不同的拆分方案会带来木材用料的不同，以及连接点个数的差异，这直接导致了项目建设成本的上下浮动。整个设计过程要满足 建筑设计的模数化，构件拆分设计的合理化以及构件加工设计的精确化。同时，各专业还要协同合作，确保建筑主体与设备的一体化集成。
目前，我国在专业的建筑设计领域中，对现代木结构技术还比较陌生。一些成熟的现代木结构生产建造企业，在长期项目积累的过程中，拥有自己的建筑设计团队，从项目设计前期就开始参与，提供技术支持和经验指导，确保建筑师的设计概念最终得以实现。
3基于现代木结构技术的乡镇民居设计实践
3.1项目缘起与背景
位于宜兴的木构农房绿色改良技术集成与示范项目，隶属于郑州大学主持的“十二五”国家科技支撑计划课题“传统农房建造技术改良与应用”（2015BAL03B03）。项目运用现代木结构技术，改善传统木构民居在结构安全、房屋节能、居住舒适度、建造方式等问题。笔者在郑州大学研究生在读期间有幸参与了项目设计建造的全过程。
宜兴市张渚镇古称桃溪， 位于苏浙皖三省交界， 是江苏省著名山水城市“陶都宜兴”的区域重镇。也是一个有着2500 多年开发史、1700多年建镇史的江南古镇。近年来张渚镇以“茶、竹、洞”为核心资源，打造旅游休闲乡镇[10]。示范项目位于宜兴市张渚镇茶亭村葛山脚下，紧邻悦禧玫瑰园，四周风景宜人（图3），总占地面积约 89.6m2，建筑面积 163 m2 [11]86。项目应用现代木结构技术，建造当代乡镇特色民居，有机融入当地环境及文化，采用工厂预制化生产及现场装配式施工建造，是一次现代木结构应用于乡镇民居建设的有益尝试。
3.2 项目设计
3.2.1 建筑设计
宜兴传统民居多为砖木结构，以朴素简洁为特色。项目建筑设计为传统民居中最为常见的三开间，两层双坡顶硬山式，正立面保有传统民居的外廊及美人靠，将传统样式的花格门窗、勾片栏杆、楣子简化后用以装饰，
而山墙面的处理则较为朴实（图4、5）。
3.2.2 木结构体系设计
传统砖木结构民居以木构架为主要承重体系，多为抬梁及穿斗式，围护体系则用砖砌筑，墙倒屋不塌。项目选用与之相似的胶合木梁架结构体系，木构架承重体系外露于围护体系，展现木材自身的表现力。梁柱尺寸综合考虑结构强度，以及围护体系的厚度。后期考虑结构的安全性，跨度为6m的结构柱之间增设一根尺寸略小的胶合木柱，包裹于围护体系之中，不影响原本的建筑立面设计。屋架采用现代木结构常用的平面桁架体系，紧邻山墙面的桁架，模仿抬梁式木构架山墙面形式设计，外露于围护体系，与外露的胶合木梁柱一同完成建筑立面造型（图6）。
3.2.3 建筑设备一体化集成设计
现代木结构围护体系由木龙骨及各种板材组成，内部为中空，可以加以利用。一方面，墙体构造设计将保温措施及各种设备管线隐藏于墙体中空层，实现墙体自保温及建筑设备一体化集成设计（图7）。另一方面，利用屋盖系统的中空层实现屋面的通风隔热设计。
在我国南方许多地区的民居，为了降低夏季炎热， 在坡屋顶构造中也有相似的设计，比较普遍的做法是屋面采用双层瓦屋顶，在两层瓦片中形成的空气间层作为屋面的通风隔热层，在屋檐设置进气口，在屋脊处设置出气口，形成空气流动带走一部分屋面的热量，达到隔热的目的[12]。与此原理相同，项目利用屋盖系统形成的中空层作为自然通风散热的通道，同样在坡屋顶檐口处预留通风条作为气流入口，在靠近屋脊处安装通风帽作为通风口 [11]93，利用气体热压实现通风隔热（图 8）。此外，宜兴地区属夏热冬冷地区，屋盖系统也做了保温措施，既考虑到屋面的夏季隔热，也兼顾到冬季保温，以适应各季节的气候条件，居住更加舒适。
3.2.4 木构件拆分与加工图设计
待建筑、结构、设备多专业设计协调完成后，需经过专业的木构件拆分与加工图设计，方可交付工厂进行备料及预制化生产，进而运至现场安装建造。
项目梁柱构架及屋架木构件采用胶合木构件，通过销轴类紧固件连接，经专业人员拆分编号后，对各个构件进行精细化设计。依据施工图纸确认各构件数量及尺寸，定位连接点，再根据连接件确认开孔的具体位置、形状及大小，完成后方交由工厂备料、制作生产（图9）。
围护体系，如墙体、楼盖，其重要的承重材料为木龙骨及其两侧的木基覆面板或防火石膏板，共同构成围护体系的基础。其选材均为国际通用尺寸的规格材及板材。为保证围护体系整体强度，同时确保板材之间均可拼接固定于木龙骨之上，需要专业人员根据施工图纸对围护体系进行拆分编号，然后依据木结构建筑相关设计规范及选材的模数要求进行龙骨布置图设计（图10、11）。 如若龙骨布置过疏，则强度较弱，不利于围护体系的安全性；如若龙骨布置过密，则会造成规格材及板材的浪费。
3.3项目预制化生产与装配化建造
现代木结构建筑的预制装配化生产建造，与传统建筑施工方式相比较，劳动强度较低，施工速度快，现场较为洁净且消耗较少。完成所有设计任务以后，图纸交由工厂预制加工，同时现场开挖浇筑基础。待所需材料及构件运至现场后，依次进行结构框架搭建、维护结构制作安装、机械设备安装、外部装修、内部装修，此过程共由6位工人完成 [11]95，整个项目大约施工持续 9 周 （不包含因雨雪停工的时间），除去内外装修，从加工制作到建筑主体完工，约26天左右（图 12、13）。此次项目规模较小，考虑到生产和运输成本，胶合木构件、订制的门窗和装饰构件交由专业工厂预制生产，围护体系则在现场制作安装，与前者相比预制装配化程度相对较低，如若建造规模大，体量多，且方便运输，围护体系也可在工厂预制，装配化程度更高。
此次项目建造成本约为3776 元/m2，低于传统方式建造同等规模的木构民居（根据当地调研，建造成本约为 5081 元 / m2）。虽高于我国目前乡镇住宅平均造价（1776.6 元 / m2 [7]72），但其生产、建造、装修一体化的特点，节约了居民二次装修的资金及人力，同时各种节能措施改善了居住舒适性，也节省了后期运营费用。加之大规模建造必然会带来生产运输成本的降低，而未来工程木材国产化的不断努力，也会进一步推动现代木结构在中国的普及。因此现代木结构在造价方面依然具有一定的竞争优势。
3.4项目设计实践的反思
此次项目实践验证了现代木结构在我国乡镇民居建设中的优势及潜力，但在项目施工过程中出现的一些状况也反映了前期项目设计中存在的问题，值得反思。
3.4.1 建筑设计的模数化
现代木结构建筑设计应遵循模数协调原则，建立标准化结构体系，优化建筑空间尺寸[13]。项目建筑设计未严格遵循选材的模数要求，在项目围护体系制作过程中，材料出现多次裁剪，造成了一定的浪费。通过项目实践深切体会到，模数化是建筑工业化的基础，实现预制构件和内装部品的标准化、系列化和通用化[9]13，有利于组织生产、提高效率、降低成本。
3.4.2建筑与设备的一体化集成设计
现代木结构建筑与设备一体化集成设计要求各专业较早进入建筑设计过程，相互协调，使管线排布更加合理，减少预留孔洞对木结构强度的影响，避免后期建造发生返工或破坏结构的现象。
3.4.3 构件设计及加工的精确化
木构件拆分与加工图设计的准确性，决定了后续现场安装的成功率。项目实践中由于构件加工图纸有误，造成个别构件返厂重新制作，影响了工期。对于生产加工过程中产生的误差，建造人员需现场对无法准确安装的预制构件进行二次加工，反而降低了建造效率。建筑设计方面可采用BIM技术，提高预制构件设计完成度与精确度[9]12。而生产加工方面，计算机数控加工技术，可以实现预制构件生产与参数化设计的无缝对接[14]，减小生产中的误差，避免手工生产出现的错误。
现代木结构预制化程度越高，则装配建造精度越高，操作越简便，建造时间越短，这就对预制构件的精准性有极高的要求，如果出现误差，甚至需要重新加工生产，反而会影响工期，纠错成本高，现场灵活性较差。一方面，要保证建筑设计的合理性，构件拆分设计的准确性，预制生产的精确性；另一方面，要根据项目的具体情况选择不同程度的装配率，以发挥现代木结构预制装配建造的优势。
4基于现代木结构技术的乡镇民居设计展望
现代木结构应用于乡镇民居建设，既有利于我国乡镇人居环境的改善及建筑风貌的提升，又有利于中国现代木结构的发展。现代木结构应运用自身的技术优势，从中国传统木构民居中汲取营养，充分挖掘地域特征及乡土文化，同时还要满足当地居民的生活习惯和审美标准。
首先，可以从传统木结构民居中提取建筑元素，化繁为简，使其更有利于建筑构件的标准化、装配化，适 合工业生产及快速建造[15]。其次，将传统民居空间尺度及形式与现代木结构的模数化设计相结合，既满足现代木结构设计建造要求，又可以使中国传统空间文化得以更好地延续。再次，传统民居在气候适应性方面的智慧，为现代木结构的生态策略提供了宝贵的经验。
相信在不久的将来，现代木结构建筑已不仅仅服务于高端别墅、旅游、园林景观等小众领域，在广大乡镇民居建设中也有一席之地。乡镇风貌也得以恢复，居民不用在现代生活与传统住居之间踌躇不决，人们不用担心只能在记忆中寻找逝去的乡愁。
图、表来源
图1、2：参考文献 [6]；
图 3 ～ 5、7 ～ 10、13：课题组拍摄或绘制；其余图、表均由作者拍摄或绘制。
参考文献
[1] 谭刚毅.中国传统“轻型建筑”之原型思考与比较分析[J].建筑学报，2014（12）：86-91.
[2] 赵辰.关于“土木/营造”之“现代性”的思考[J].建筑师， 2012（4）：17-22.
[3] 杨学兵.我国装配式木结构建筑体系发展趋势[J]. 建设科技，2018（5）：6-11.
[4]邢大鹏.现代木建筑技术及建筑表现[D].南京：东南大学， 2005.
[5] 朱向东.中国早期木构建筑中的“结构预设”及其对建筑形态的影响 [J]. 山西科技，2013,28（2）：35-38，143.
[6]中国建筑标准设计研究院.国家建筑标准设计图集 14J924木结构建筑 [M]. 北京：中国计划出版社，2014.
[7] 张爱华.木结构建筑在我国小城镇的应用研究[J]. 小城镇建设，2016（9）：69-74.
[8] 国务院办公厅.国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见 [J]. 住宅产业，2016（10）：10-12.
[9]赵中宇，郑姣.预制装配式建筑设计要点解析[J].住宅产业， 2015（9）：10-16.
[10] 张敏 .张渚镇创建苏西南生态旅游核心区的思考[J]. 江南论坛，2015（8）：49-50.
[11] 吕红医.传统农房建造技术改良与案例[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2018.
[12] 肖坚 .夏热冬冷地区住宅坡屋顶隔热保温构造研究[D]. 长沙：湖南大学，2006.
[13]高颖，吴玉璇，张颖，等.现代轻型木结构住宅模数与标准化体系研究 [J]. 北京林业大学学报，2017，39（8）：111-118. [14] 华好 .数控建造——数字建筑的物质化[J]. 建筑学报， 2017（8）：72-76.
[15] 赵晗聿，廖琴.浅析传统民居建筑元素在木结构装配式建筑中的传承 [J]. 建筑与文化，2018（6）：237-239.