西部生土低技民居建筑的再生设计研究-以南疆新型石膏土坯墙结构房屋为例.pdf

2 9 8 四川建筑科学研究 Si c h u a n Bui l di ng S c i e n c e 第 3 6卷第 3期 2 0 1 0年 6月 西部生土低技民居建筑的再生设计研究 以南疆新型石 膏土坯墙 结构房屋 为例 黄金城 1 ． 西安建筑科技大学建筑学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ； 2 ． 西安科技大学建工学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 介绍了一种适宜南疆民居建设的新型绿色生土建筑； 石膏土坯墙结构具有 良好的保温和抗震性能。文中对该结构的 构造特点、 工程实践也作了简要叙述 ， 说明该结构形式在我国干旱少雨地区有一定的推广价值。 关键词 石膏； 土坯墙； 保温抗震性能； 工程实践 中图分类号 T U 2 4 2 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 0 0 3 2 9 8 0 6 Re s e a r c h o n r e g e n e r a t i o n o f l o w- t e c h t r a d i t i o n a l i mm a t u r e s o i l dwe l l i n g s i n we s t e r n Ch i n a I n t r o d u c t i o n o f n e w t y p i c a l s t r u c t u r e b u i l d i n g p r o j e c t o f g y p s u m a n d a d o b e wa l l s i n s o u t h Xi n j i a n g HU ANG J i n c h e n g ’ 。 1 ． S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e ， X i ’ a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ； 2 ． S c h ool o f Arc h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， X i ’ a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’ an 7 1 0 0 5 4 ， C h i n a A b s t r a c t T h e p a p e r i n t r o d u c e s a n e w t y p e of g r e e n d w e l l i n g s w h i c h s u i t f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f c i vi l i an r e s i d e n c e i n s o u t h X i n j i a n g ， Ch i n a ． T h e gyp s u m a d o b e wa l l s t ruc t u r e h a s b e t t e r i n s u l a t i o n an d s e i s mi c p e r f o r man c e ． T h e p a p e r a l s o a n a l y z e s t h e c o n s t r u c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s u c h d w e ll i n g s a n d d i s c u s s e s p r o j e c t p r a c t i c e ， s u g g e s t i n g t h a t i t i s o f s i fi c a n c e t o e x t e n d t h i s t y p e o f d w e l l i n g s t o t h e d r y r e g i o n s i n C h i n a ． Ke y w o r d s g y p s u m a d o b e w a l l ； i n s ula t i o n and s e i s m i c p e rf o rmanc e ； p r e c t p r a c t i c e 0 引 言 目前 ， 我国每年建筑量接近 2 0亿 m ， 农村住宅 占8 ～ 1 0亿 m ； 我国有 8亿农村人 口， 他们的居住 状况如何， 其重要性不言而喻 ； 而在我国省域范围最 大的新疆南部地区， 却面临着更大的困难。 新疆以天山为界 ， 在地域上分为南疆和北疆 ； 由 于天山的阻隔和来 自大西洋 的暖湿气 流影 响， 北疆 属于中温带半干旱 区和干旱 区气候 ； 南疆则属于暖 温带干旱区气候 。 南疆存在以下几种状态 1 常年干旱 、 少雨 、 多沙尘 ， 自然条件恶劣 ， 贫 困人口集中； 冬季多北风， 住宅设计必须考虑建筑物 的防寒保温及节省燃料 的问题。 2 现有 土坯 民居 建筑， 就地取材、 造价低廉 ， 收稿 日期 2 0 0 8 1 1 -0 7 作者简介 黄金城 1 9 7 7一 ， 男， 湖南永胜人， 在职博士研究生， 讲 师， 研究方向 地域建筑学及大遗址保护与规划。 基金项目 新疆维吾尔 自 治区建设厅科技攻关项 目 E m a i l 8 0 0 6 0 0 c a d 1 6 3． t o m 但结构 的安全性不够 ； 而砖混等结构 隔热保温性能 不够 ； 同时 ， 当地缺乏砖 、 石、 木材甚至砂子等房屋 的 主要建筑材料 ， 钢筋、 水泥 等多数都要靠外地运进 来 ， 建筑材料 的运距 大都在几百公里 以上 ， 每运送 1 0 0 k m， 成本就增加 5 0元左右 ， 于是砖的运费几乎 使成本增加了 1 倍 ， 运费过高 ； 这些均导致砖房主体 结构的房屋造价相对较高。 3 这是我国现今 内陆地震 活动最频繁 、 强烈 的地区之一 ； 农 民群众住在砖块房 、 土块房里 ， 没有 安全感 ， 一旦遇到暴风雨天气或地震 ， 将直接面临着 房屋倒塌、 牲畜死伤等严重危害。地震灾害中， 农村 建筑倒塌较多。倒塌的农村建筑中， 大部分属随意 施工， 半墙承重， 构造不到位， 砂浆不按比例等。 4 南疆是 以农为 主的地 区， 棉花种植 面积较 大， 有丰富的作物秸秆； 同时， 石膏矿等资源丰富。 1 新型适应性 民居的构成和建造 1 ． 1 材料选择与建造革新 资源问题始终是农村建筑建造的关键。建筑史 2 0 1 0 N o ． 3 黄金城 西部生土低技民居建筑的再生设计研究以南疆新型石膏土坯墙结构房屋为例 2 9 9 上的能工巧匠们总是 能因地制宜地建造适应 当地气 候变化的建筑， 营造居住舒适的室内环境； 在广袤的 南疆建造乡土民居 ， 人们必须考虑以最小 的用量来 获取最大的利益。 农村建筑最主要的成本 ， 从 3个方面来考虑 原 料 运输 施工 。 1 ． 1 ． 1 材料选择 1 ． 1 ． 1 ． 1 土坯墙体 对于一块农村宅基地， 泥土是仅有的免费的建 筑材料； 土壤特性也决定了应该选择何种建造技术， 必须因地制宜 ， 而南疆 便很适合土坯 图 I 一类 的 砌体承重结构 ； 土坯是 自然风干的 ， 不需火烧 ， 既节 省了能源， 又没有污染 ， 也节约了建筑成本。 图 1 土坯墙体 Fi g．1 Ado be wa l l 土坯墙体具有结构性 良好、 较大热稳定性和舒 适性、 对环境友好性、 施 工技术灵 活性和可再生性 拆除后回收可作为农 田肥料 等特点 ； 正是 由于上 述独有的特点， 长期以来， 土坯墙体建筑一直作为南 疆人民建造房屋的主要结构材料； 但由于房屋建造 不规范 ， 没有采取保温和加强防震措施 ， 因而抗震性 能差， 倒塌率高， 主要原因表现以下几个方面。 1 土坯的成型不规则 这种土坯砌筑 的墙体 ， 在竖 向地震和水平地震 作用下 ， 极易产生局部应力集中， 从而导致墙体 的抗 侧承载力下降 ， 最终房屋产生裂缝甚至于倒塌。 2 木构架与墙体的连接差 在房屋的抗震性能中， 墙体的变形能力和房屋 的整体性能是提高房屋抗倒塌 的重要指标 。反之， 如果没有有效连接 ， 相当于分割了墙体 ， 墙体的高宽 比增加， 反而削弱了墙体， 在水平地震作用下产生应 力集中， 降低了土坯墙体的抗侧承载力及变形能力。 3 土坯的砌筑方式差 ， 竖向灰缝不饱满 土坯墙体中有立砌土坯， 而且竖向灰缝不饱满。 这些砌筑方式 ， 严重影响了土坯砌体的抗侧承载力 ， 从而影响了其抗震性能。 4 土坯房屋的屋面荷载过大、 纵横墙体之间 的联结差 由于纵横墙体之间的联结差， 在地震时， 墙体发 生平面外倒塌 ， 加之屋面质量过大 ， 地震力加大 ， 最 终导致整个房屋的倒塌。 从多次震后经验得知 ， 凡是违背了这些基本原 则的土坯房屋， 在强震灾害中无一保持完好， 但不能 因为上述原因而把土坯房屋全盘否定。如何加强土 坯墙房屋的整体性、 改善土坯砌体砌筑方式并降低 造价呢 1 ． 1 ． 1 ． 2 石膏 土坯 棉秆 一 般来说 ， 在一块建筑用地 中， 只有泥土是仅有 的免费建筑材料； 然而， 南疆境内石膏矿资源十分丰 富 ， 主要 由4层厚 l 6 6 0 m 的石膏矿层组成， 平均 总厚度为 1 0 1 m， 长度约 6 0 0 m。 石膏学名硫酸钙 ， 化学性质稳定 ， 不会产生任何 有毒有害物质。众所周知， 石膏材性怕水、 怕热、 怕 冻， 热胀冷缩后， 房子物理性能会发生变化， 自然也 不能抗震 。一位 叫刘 夏宁 的研究员并 没有知难而 退， 他大胆探索， 改进制作方法， 把石膏制成浆体作 粘合剂， 墙体的土坯间放置棉秆 图2 ， 石膏浆灌注 于土坯墙 内、 外侧 、 土坯缝隙中。次 日锯开砌好的墙 体， 发现石膏、 土坯、 棉秆粘合异常紧密， 墙体柔韧度 和抗震性能超过预期设想 。 图2 棉秆 F i g ． 2 Ro d e o o n 在这种砌块 中， 石膏的作用是保温及粘结 ， 而棉 秆主要起两个作用 首先 ， 它起到一个架立作用 ， 通 过把土坯架立起来， 土坯和土坯之间就存在缝隙， 便 于石膏浆的全部注入； 其次， 棉秆还起到拉接作用。 除了棉秆 ， 水平放置一条编织带， 也是为了增强水平 拉接， 这些措施都会提高石膏墙的抗震性能。虽然 3 0 0 四川建筑科学研究 第 3 6卷 棉秆直接是包在墙体里面 ， 因为南疆地 区比较干旱 ， 很快水分基本就干透， 便不会出现因腐朽而失去作 用等问题。 1 力学性能 石膏土坯墙 图 3 作为一种新 型复合墙体 ， 目 前还没有可供参考的受压力学性能指标 ， 所以， 有必 要对其受压力学性能进行分析和研究， 以便为后续 的计算和理论模型的建立提供依据。 图3 石膏土坯墙 F i g ． 3 Gy p s u m a d o b e wa l l 首先 ， 西安建筑科技大学结构与抗震教育部重 点实验室对石膏土坯墙体抗压性 能进行 了试验研 究 ， 得出以下结论 ①通过试验可以观测到石膏土坯墙体的受压破 坏特征与一般砌体基本上一致 ， 破坏时， 两侧石膏层 与土坯同时破坏 ， 在土坯形成贯通裂缝 的同时， 石膏 层也破坏、 脱落 ， 说明石膏和土坯是共 同工作 、 共 同 受力的。 ②通过试验数据计算得到了石膏土坯墙体的抗 压强度 为 0 ． 2 8 M P a ， 弹性模量值 E为 8 8 9 M P a N ／ m m ， 以及泊松 比平均值为 0 ． 1 1 ， 为今后 的理 论研究及计算提供 了依据。 其次 ， 开展低周反复荷载下石膏土坯墙体抗震 性能试验研究 。通过试验 ， 研究 了石膏土坯墙在竖 向和水平低周反复荷载作用下 的受力性能， 通过分 析可以得到以下几点结论 ①从开裂到破坏 ， 石膏层都只是表面轻微脱落 ， 没有明显的鼓凸， 也没有与土坯大面积脱离， 说明现 浇石膏土坯墙整体性较好 ， 石膏与土坯粘结 良好 ， 可 以保证共同工作、 共同受力。 ②石膏土坯墙体的破坏形态属于剪切破坏模 式， 裂缝主要通过土坯块， 墙体破坏时， 裂缝形态以 X形斜裂缝为主。 ③墙体在开裂前后 的刚度差别 比较大 ， 开裂后 刚度迅速下降， 位移迅速增大。 ④墙体开裂后位移突然变大 ， 表 明墙体是脆性 破坏 ， 耗能能力较差， 在今后的改进 中可 以尝试在石 膏中加入一些纤维材料 ， 以增强其 塑性变形及耗能 能力。 最后 ， 进行 了新型石膏土坯墙结构房屋模型振 动台试验研究。根据试验数据 的分析 ， 可得 出以下 结论 ①加速度随着高度的增加， 呈放大现象， 且这种 放大现象随着输入加速度峰值的增大而减小。 ②从结构位移反应看出， 模型位移反应随着加 速度峰值的增加而增大， 一侧位移反应较另一侧滞 后 ， 房屋出现扭转现象。 ③模型结构地震反应测试结果及破坏特征表 明， 采用该结构形式建造 的单层 小开 间住宅房屋整 体性较好 ， 基本能够满足新疆抗震安居工程的要求。 ④层问相对位移角较小， 房屋破坏不剧烈。 2 节能保温性能 南疆地区昼夜温差较大 。现浇石膏土坯墙建筑 利用了石膏材料的储 热性能 ， 在墙体两侧现浇石膏 层 ， 较砖木、 砖混结构节能效率达 5 0 ％ ； 大大改善了 建筑的隔热保温性能。另外 ， 石膏和土坯还具有呼 吸功能 ， 可以调节室 内舒适度 ， 无污染 ， 属绿色生态 材料， 被形象地称 为“ 会呼吸的环保房 屋” ； 新 型石 膏土坯民居的建造 ， 农 民的居住环境可 以得到较大 的改善。 于是 ， 一个全新 的结构型式 以石膏、 土坯、 棉秆为主体建材的新型现浇石膏土坯墙结构 ， 原生 态、 具备抗震性能的生土建筑浮现出来。而且 ， 这种 结构的建筑材料的加工技术非常有限， 只需将砖坯 放在太 阳下暴晒， 石灰石和白垩烘焙成水泥和石膏 。 因此 ， 材料的准备 以及建筑构件 的生产 只需要“ 低 技术” 和极少量的能源消耗。 3 有待研究的问题 新 型石膏土坯墙 结构作为一个全新的结构型 式 ， 后续还需要进行大量 的理论 与试验研究。主要 有 ①石膏土坯墙体物理力学性能试验研究。不同 掺合料及配合 比的石膏块体物理力学性能试验研 究； 石膏一土坯共同工作机理研究； 石膏土坯墙体防 水防潮、 抗渗、 耐水性能试验研究； 石膏土坯墙体纤 维增强技术开发研究等。 ②石膏土坯墙片及整体房屋伪静力、 拟动力试 验研究 。 2 0 1 0 N o ． 3 黄金城 西部生土低技民居建筑的再生设计研究以南疆新型石膏土坯墙结构房屋为例 3 0 1 ③新型石膏土坯墙结构设计与构造研究。新型 石膏土坯墙结构体系实用设计计算方法研究 ； 新型 石膏土坯墙结构设计规程研究 ； 新型石膏土坯墙结 构构造研究与标准图集编制等。 ④新型石膏土坯墙结构施工技术与施工机具开 发 。新型石膏土坯墙结构施工质量评定标准与施工 规程编制 ； 适宜石膏土坯墙结构建造的低造价小型 施工设备及施工机具开发等。 ⑤采用石膏土坯墙技术对既有土坯墙房屋的抗 震加 固设计、 施工、 验收标准研究。 1 ． 1 ． 2 建造革新 1 ． 1 ． 2 ． 1 建筑设计 震后调查发现 ， 平面布置简单的建筑损坏少 ， 平 面布置复杂的建筑破坏严重。尤其是过于复杂的悬 挑的塔楼、 女儿墙倒塌较严重。同样结构体系的住 宅， 平面为 L形的破坏严重， 因为 L形平面其重心 在平面内， 而其形心在平面外， 二者产生了偏心距， 偏心距大， 则破坏加大。因此， 尽可能选择简单对称 的建筑平面， 限定建筑的高度， 比如墙的宽度、 高度 不能超过多少 ， 限定它的结构形式。 1 ． 1 ． 2 ． 2 结构加强 作为一种全新的结构形式， 将两种低强度的材 料 土坯与石膏结合， 现浇形成受力复合墙体， 国内外尚无先例。新疆维吾尔 自治区建设厅与西安 建筑科技大学、 伽师县政府 、 新疆建筑材料科学研究 院合作 ， 通过实验室试验并根据结果及理论分析 ， 得 到以下加强土坯墙体整体性能的措施。 1 土坯 内掺人直径较大 的碎石 、 砖块等杂质 会降低土坯砌体 的整体力学性能。在制作土坯时 ， 应对土过筛 ， 去除块体杂质。 2 改变砌体配方 ， 添加一些纤维物质 ， 在土坯 内添加松针、 麦秸、 杂草等植 物纤维 ， 提高土坯的延 性 ， 改善土坯的受力性能和变形性能。 3 改变砌筑方式、 改变土坯制作模 型或 在砌 体中增加荆条等方法 ， 提高土坯砌体的抗剪强度。 4 泥浆 的粘结强 度过低 ， 应在泥浆里加入水 泥、 石膏、 牛马等食草类 动物粪便、 杂草或糯 米等外 加料来提高泥浆的粘结强度 ， 改善土坯砌体 的力学 性能。 5 土 的抗拉屈服 强度要 远低 于抗 压屈 服强 度， 不适宜单独制作为受弯构件。 6 改造土坯的模具， 增强砌筑建筑物整体性。 1 ． 2建造 1 ． 2 ． 1 基本形态 图4 根据南疆农村建房 的实际情况 ， 采用南疆 当地 小窑烧制的普通建筑石膏 ； 棉秆直径在 46 mm之 间； 木檩条采用新疆杨木制作。房屋原型为单层、 两 开间， 开间轴线尺寸为 3 ． 3 m和 3 ． 6 m， 进深 5 ． 1 m， 房屋净高 2 ． 6～ 2 ． 8 m； 墙体内外侧浇筑石膏层厚度 均为 5 0 mm； b 墙厚 4 3 0／ ／ I I T I ， 内墙厚 2 6 0 mm。屋面 采用木屋架， 木檩条， 屋面抹麦草泥保温。 图 4平面 Fi g ． 4 Pl a n 1 ． 2 ． 2 房屋建造过程 房屋建造过程见表 1 。 1 ． 3 造价 石膏一 土坯墙结构通过村 民采取 自己投工 、 投 劳方式 ， 自己动手打土块 ， 利 用 当地在 自建 的基 础 上 ， 动员 自己的亲朋好友互帮互助共建石膏房 。 由统计 结 果可 以看 出 表 2 ， 石木 结构 与石 膏～土坯墙结构单位建筑面积造价均低于 2 0 0元 ， 按 5 0 m 计算， 建房费用基本在 1 万元以内， 差不多 比当地砖混结构房屋节省 0 ． 8～1 ． 1万元左右。这 对于南疆地区刚刚解决温饱 问题 的低收入贫困人 口 来讲， 极其重要， 省下来的钱可以充分改善基本生 产、 生活条件 。 2 推 广 虽然石膏 的防水效果较差 ， 多雨地区不适宜使 用 ， 而现浇石膏土坯墙房屋结构以本 土绿色生态材 料的应用为特征， 并且施工简便、 保温抗震性能好， 适宜南疆地 区及我国其他干旱少雨地 区农村建房使 用， 对于我 国其他贫 困地 区解决农村住房问题具有 很好的借鉴意义 。 这种新型通用砌块现浇石膏结构房屋施工工艺 简单， 操作灵活， 既可以由施工队建造， 也可以由建 房户自建。无任何专业技术基础的农民只要 2～ 3 天培训， 学会打地基、 立模板、 垒土坯、 盖屋顶， 即可 互助合作建房。一般 5至 8人一星期就可建一套现 黄金城 西部生土低技民居建筑的再生设计研究以南疆新型石膏土坯墙结构房屋为例 3 0 3 表 2 工程量和造价 比较 T a b l e 2 Q u a n ti fi e s a n d c o s t c o mp a r i s o n 浇土块石膏抗震房； 建房户家人 自行就可建房 ， 不误 农时 ， 而且可以节约成本 。 从南疆的新型现浇石膏土坯墙民居房屋结构实 践中 ， 我们了解到 ， 中国广大农村甚至更为生态脆弱 地区的建筑实践， 应该立足于关注如何结合中国农 村当下的低技特点及民间智慧设计属于此时此地 的 建筑。当然， 作为一种全新的房屋结构形式， 还有 很多问题需要进一步完善。目 前， 课题组正在进行 后续科研试验工作 ， 并对已建房屋进行跟踪监测。 参 考 文 献 [ 1 ] 周铁钢， 等． 新疆自治区抗震安居工程振动台试验报告[ R ] ． 西安 西安建筑科技大学， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 新疆建设网， w w w ． x j j s ． g o v ． c n ． [ 3 ] 于文． 新疆喀什生土房屋模型振动台试验研究[ D] ． 北京 中国建筑科学研究院 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 周铁钢， 胡昕， 余长霞． 新疆石膏土坯墙民居抗震试验与工 程实践 [ J ] ． 地震学报 ， 2 0 0 8。 5 ． 上接 第 2 9 7页 作为一个整体对区域色彩景观规划进行科学有效的 统筹 ， 并对规划后区域色彩建设进行监控 ， 使区域 的 统一色彩规划有效执行。要避免当下出现的两种趋 势 一是千村一面而导致地域特色的消减 以及 区域 色彩面貌的趋同， 造成 区域文化 特色及其个 性形态 的缺失 ； 二是五彩缤纷， 对流行色彩和风格不加分析 和选择一味抄袭、 各 自为阵， 而导致区域环境色彩混 乱。从局部看， 每一座建筑与其周边小环境可能都 作 了精心色彩设计 ， 从区域整体角度来看， 出现了区 域主体色调的缺乏以及局部色彩的零乱。 目前 ， 各地均拟定 了区域色系 ， 如北京、 武汉、 成 都等大城市已经明确了各自的区域色彩。我国台湾 地区在进行 区域改造时， 要求 制定 出改造区域环境 色彩的规划及其详细设计 。在 日本 ， 小区规划 中要 求新建的居住小区必须作出成套的色彩组配计划， 以利于区域整体环境色彩 的协调 ，并在这个基础上 塑造有特色和个性的区域色彩环境 。由此可见 ， 在 城乡一体化的今天 ， 农村要成为和谐城市色彩环境 的一部分 ， 农民新村建筑屋顶色彩规划在强调整体 统一性 的基础 上 ， 色 彩要从 属 于乡村 所属 区域 的 “ 区域主导色 ” ， 并辅 以突显 鲜明个性 、 具有强烈地 域特性 的地方色彩， 这就需要政府发挥主导作用 ， 统 筹规划 、 监控执行。 5 结 语 目前 ， 在区域景观中较多讨论 的是建筑和景观 两者关系 ， 从建筑 的第五面屋顶色彩来谈 区域 印象的文章较少。地区的个性和魅力来源于有形 的 物质景观 ， 农 民新村建筑屋顶色彩设计对 乡镇形象 塑造起着举足轻重的作用 ， 是创造乡村个性 和魅力 行之有效 的手段 ， 因此 ， 加强农 民新村建筑屋顶色彩 研究是十分必要和迫切的。 参 考 文 献 [ 1 ] 昌亚龙． 高层建筑美学价值研究[ D ] ． 中国博士学位论文全文 数 据库 ． [ 2 ] 尹思谨． 城市色彩景观 的规划与设计[ J ] ． 世界建筑， 2 0 0 3 ， 9 6 8 - 7 2 ．