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新常态下的中国钢结构住宅思考,基于谢英俊的“轻钢龙骨体系”(上篇)
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本文限于篇幅,分上下两部分。上篇主要介绍谢英俊轻钢龙骨体系的相关建构技术和此技术的应用判断。下篇主要探讨通过具体的案例来展望其应用的前景。上下篇内容互为表里。已经了解谢英俊轻钢体系的读者可以直接从“(3)适用性的思考”章节开始阅读。
POST©每筑建文

编者按:本文是一份来自每筑建文栏目的海外读者投稿。2014年云南地震频发,孙宏斌在德国进行了关于中国钢结构住宅的研究,同时他对比台湾建筑师谢英俊的建筑实践,提出让业主参与自有产权房屋建设的设想。我想,这种建设构想的提出虽然是概念性的,但还是有它在中国农村实践中有较广阔用武之地,也恳请同行们多多指教。

作者 孙宏斌

建筑师谢英俊,台湾台中县和平乡客家人。1977年毕业于淡江大学建筑系后服军官役,在部队中从事建筑工程工作。退伍后做了一年的事务所建筑师,但感到图纸脱离实践,于是做了八年实际营造工作后才重新开始做设计。他针对现在城市乡村建筑都出现的“同质化”困境提出了“互为主体”这个概念:由建筑师来发展一种独立的 架构体系,作为“平台”,让使用者自由 的把自己的想法加载到这个平台上,自己把自己的生活理念贯彻为现实。他们能够自己根据 自己的想象在塑造房屋的形体,这个理念对于具有特殊文化、宗教背景或者地理环境条件的地区,具有非常深远的意义。业主自己参与自有产权房屋的建设过程,实施绿色建筑技术,而且更加难能可贵的是基于自己的生活经验在建筑作品里表达出的特别的文化背景。

针对这样的目标,他提出了一个对于国内来说全新的建筑技术:轻钢龙骨体系。

图片1: 谢英俊和他的“协力建房”

图片1: 谢英俊和他的“协力建房”
image©孙宏斌

(图片1来源:http://www.autodesk.com.cn/adsk/servlet/item?siteID=1170359&id=12551961)

首先,谢的轻钢体系是在国际上已有的轻钢结构住宅体系的基础上,针对国情优化的产物。国际上轻钢住宅起源于欧洲工业化程度较高的国家,如芬兰、瑞典、丹麦、法国,具有自重轻,外形美观,节能环保,节水节地,不破坏森林资源,抗震性能强,防火防虫、得房率大幅提高(使用面积可达92%),材料回收率高达80%以上,工期周期短等诸多优点,最高可以造7层楼(参见《钢结构》2001年02期的《低层居住建筑中的轻钢龙骨体系》),被公认为未来低层建筑发展的方向之一。

虽然在北欧、美国、澳大利亚、日本,轻钢体系已经成熟,而且非常普及,但是因为中国国情不同,国外的先进经验并不适合直接拿来运用。比如,从建构技术上来说,欧美的轻钢龙骨体系设计灵活性低下,组装工序复杂、工具要求很高,对操作技术也提出了很大的挑战,相对于国内依旧难以实施;而且墙体中空,内部采用石膏板,并不耐敲打。从经济成本角度考虑,欧美的轻钢住宅造价高昂,虽然有缩短工期简化施工环保节能的优势,但是造价和传统的钢筋混凝土相差无几甚至更贵,不具有很高的性价比。所以考虑到中国国情,以及中国传统建筑与欧美的区别,在中国必须对轻钢结构进行有针对性的简化优化,轻钢的应用性从技术上才有得到大范围实现的可能性。

谢英俊发展出的一种介于现场湿作业建筑、模块化设计建筑、和预制装配式设计建筑之间的全新建构方法。不同于欧美目前热门的模块化建筑设计的基本标准(在工厂内完成制造过程从而严格控制成品质量,在工地现场仅完成组装),但却同样使用了模块化设计的初衷理念(用模块化的替换、组装理念设计,并大规模批量生产降低成本,缩短工期,赋予建筑未来灵活的可变性,便于拆卸回收利用或异地重建),并且达到了更实际更惊人的效果(更好的可运输性,不需要大规模储藏空间,简化施工,更多元化的产品和更低的研发成本)。

1 谢英俊的轻钢住宅体系结构特点

1.1轻钢龙骨较之更厚。

轻钢龙骨作为主体承重结构,由两侧斜撑共同支持,比欧美轻钢体系更厚同时更轻。

图片2:材料的简化

图片2:材料的简化
image©孙宏斌

图片3:材料的简化

图片3:材料的简化
image©孙宏斌

(图片2、3来源:http://www.atelier-3.com/2004/2_Concepts/2004.02_UN-M/4/index.html)

1.2谢英俊的乡村轻钢体系需要更少的交接点。此外,交接点的咬合更为简化(得益于其比美式更厚实的材料处理)

交接方法:

步骤1

图片4:构法的简化

图片4:构法的简化
image©孙宏斌

步骤2

图片5:构法的简化

图片5:构法的简化
image©孙宏斌

步骤3

图片6:构法的简化

图片6:构法的简化
image©孙宏斌

步骤4

图片7:构法的简化

图片7:构法的简化
image©孙宏斌

(图片4、5、6、7来源:http://download.autodesk.com/largefiles/cn/maerkang/video/aboutus_maerkang_video_v3.avi)

基本上钢材在现场组装时不需要焊接,只需要铆钉铰接,通过这种设计,非建筑专业的从业人员也可以轻松参与其中。

1.3.简化的轻钢龙骨构架的卓越性能

轻钢龙骨的最早诞生就是针对地震的灾后重建而设计的体系,这套架构的结构承重性能和抗震性能已经经过了全方位验证,安全性在这套架构的各项设计中是第一位的任务要求。

1.3.1稳定的结构
地面层具有两套约束,当上层的地面板面由水泥以外的材料构成时,抗剪强度由拉锁提供。通过砌墙或者水泥浇铸来加固轻钢在侧边轴线斜向比较薄弱的受力位置。

图片8:运用Autodesk Revit所展现的房屋设计、抗震受力分析、建造过程。

图片8:运用Autodesk Revit所展现的房屋设计、抗震受力分析、建造过程。
image©孙宏斌

(图片8来源:http://www.autodesk.com.cn/adsk/servlet/item?siteID=1170359&id=12552084)

1.3.2 钢材在土壤里面的部分由水泥覆盖掩埋,抗腐蚀涂料镀膜,所以不会生锈。

图片9:运用Autodesk Revit所展现的房屋设计、抗震受力分析、建造过程。

图片9:运用Autodesk Revit所展现的房屋设计、抗震受力分析、建造过程。
image©孙宏斌

(图片9来源:http://www.atelier-3.com/gallery2/main.php?g2_view=core.DownloadItem&g2_itemId=30008&g2_serialNumber=3)

对于轻钢材料镀膜后的耐久性,美国人已经有过相关的研究。根据美国钢铁协会的研究资料,轻钢建材经过如此处理可以使用325年至1000年。(http://www.steelframing.org/PDF/sustainability/TN-D001-07.pdf  中3.1章节)

项目:汶川地震灾后重建“马尔康”行动。

图片10:汶川地震灾后重建“马尔康”行动。

图片10:汶川地震灾后重建“马尔康”行动。
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(图片10来源:http://www.atelier-3.com/2004/2_Concepts/2004.02_UN-M/4/01.jpg)

图片11:汶川地震灾后重建“马尔康”行动。

图片11:汶川地震灾后重建“马尔康”行动。
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(图片11来源:http://www.autodesk.com.cn/adsk/servlet/item?siteID=1170359&id=12552084)

1.3.3屋顶,墙体,地板的就地取材:主要使用附近的土壤填充,兼用当地其他材料
施工现场轻钢龙骨体系的建造方法绝对让村民耳目一新。这种半组装半现场施工的建造方法和传统方法与西方模块化建筑都不同,更准确的说,是两者的美妙结合。用模块化建筑的设计和生成方式,在工厂完成易于运输的轻钢龙骨以后,在施工现场就地取材,使用由草土混合或者斑竹泥土混合物来做墙体填充材料。这很显然是一种经济上很理想的方法,但其实性能上也有惊人的表现。

草泥、竹板等组合的结构强度,其实并不像听起来那么差,事实上大块的草土混合物在干燥后和砖石并无两样,和岩石一样坚硬。填充物通过填入事先和轻钢龙骨结构附着的细致网格或横向密栏空隙,从而加固整体结构受力体系。

这种墙体的填充不但可以增强墙体钢材的抗腐蚀性和防火耐火性(干燥的草土混合物阻燃性非常高,有的项目用到斑竹的时候还可以用金属膜外包提高防火性),更可以对墙体产生皮肤一样的张力效果,让墙体中的钢材彼此侧向更牢固的连接在一起。

图片12:轻钢结构搭配草泥墙的构法

图片12:轻钢结构搭配草泥墙的构法
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图片13:轻钢结构搭配草泥墙的构法

图片13:轻钢结构搭配草泥墙的构法
image©孙宏斌

(图片12、13来源;http://www.atelier-3.com/mediawiki/images/0/0c/BDW67.jpg)

图片14:轻钢结构搭配草泥墙的构法

图片14:轻钢结构搭配草泥墙的构法
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(图片14来源;http://images.autodesk.com/apac_grtrchina_main/images/caishu_090217.gif)

图片15:轻钢结构搭配草泥墙的构法

图片15:轻钢结构搭配草泥墙的构法
image©孙宏斌

(图片15来源:http://www.atelier-3.com/gallery2/main.php?g2_view=core.DownloadItem&g2_itemId=29993&g2_serialNumber=3)

另一方面,草泥墙还具有很好的隔音效果和隔热效果。

“对于朝南的墙,50厘米厚的草泥墙的保温性能与有7.5厘米厚绝热层的绝热混凝土墙的保温性能一样。如果50厘米厚的草泥墙上再加上5厘米厚的保温层,那么它的保温性能和有15厘米厚绝热层的绝热混凝土墙的保温性能一样。因此,草泥这样传统材料可以用在现代的建筑中。此外,草泥还是一种惰性材料,通过分解完全可以再利用。因此草泥材料是对环境无害的。”(参见法国研究人员 F. Collet等 对草泥墙 的性能研究:

http://www.cutech.edu.cn/cn/gjkj/jxygcjs/webinfo/2006/03/1180315714918272.htm)

如果调整好各部分杂草和泥土的比例,墙体自身因为比热容差异导致产生气流对流,完全不耗能的形成天然空调,草木填充物比例越多的部分,质量更轻,比热容更高,隔热性能更佳。所以在墙体上下部位因地制宜的使用不同的混合比例草土混合物做墙,在不知不觉间就控制好了温度和气流。(参见台湾《優生活》杂志第335期对谢英俊草泥墙专题的报道《現代土角厝重現古工法》)

更进一步来说,结合常见的被动式节能设计中的双层屋顶、双层墙的理念,形成中间空气层对流,噪音和内外温度能被更好的隔离。谢英俊在某些项目里也已经实施了这个理念。

除此以外,防虫害工作也是相当重要的。但再次和想像不同,草图墙并不会滋生蚊虫,反而有很好的驱虫效果,也许是因为本能对繁殖环境的严格要求,昆虫天生讨厌干燥硬化的土壤。谢英俊还更进一步的提出,可以在草土搅拌时加入少量的硼砂,确保万无一失。

1.3.4谢英俊的轻钢龙骨体系的设计特点和建造步骤
按照谢英俊的设想,建筑师只需提供一个和传统建筑形式非常相似的但又同时具有开放性的全新钢结构体系,在多种不同的文化地区都能适用,而且保持当地的原有的特色。

图片16:中国传统建筑的穿斗式构架

图片16:中国传统建筑的穿斗式构架
image©孙宏斌

(图片16来源:http://www.baike.com/wiki/%E7%A9%BF%E6%96%97%E5%BC%8F%E6%9E%84%E6%9E%B6)

图片17:谢英俊轻钢住宅的开放式构架

图片17:谢英俊轻钢住宅的开放式构架
image©孙宏斌

(图片17来源:http://www.atelier-3.com/gallery2/main.php?g2_view=core.DownloadItem&g2_itemId=30014&g2_serialNumber=3)

建造方法和流程与传统的竹木编织板,竹木架构体非常相似,广大农民都容易接受和熟练操作。建筑师需要先从当地的建筑风格中提炼出一种或几种“原型房”,在工厂中生产出设计中的结构部分,这部分也可以适当改变,在架构基本确定的基础上,村民依旧有很大的发挥空间,来自己塑造未来住所的形态细节。

原型房的设计是重中之重,表面上,这些形式结构是由地貌,气候,区位,居住习惯,交通,经济要求所限定的成品,虽然看似架构简单,但事实上原型房的意义在于,留给住户自行打造住所多样性的潜力空间,同时降低入门门槛。最终的成品是千变万化,各具特色的。这种丰富的外部并不单单是一两个设计师的个人成果。而是当地群体经年累月自由发展逐步形成的当地住房特色,是原汁原味的群体智慧结晶。

如图就是一个原型房的若干拓展:

图片18:一个原型房的若干拓展

图片18:一个原型房的若干拓展
image©孙宏斌

(图片18来源:http://www.atelier-3.com/gallery2/main.php?g2_itemId=30164&g2_imageViewsIndex=1)

在马尔康计划中,谢英俊和Autodesk 公司合作,原本的方案得到了进一步优化。“在设计方法上,采用参数化、变量化设计,平立剖面和工程量统计双向关联,用参数化控制房间开间进深,相关图纸协调一致,保证图纸的准确性……工作效率得到了极大的提高……经过理论计算,这套方案的房屋造价每平方米约500元…… 实现建筑节能50%,并且该方案具有可扩展性,适用于夏热冬冷地区、冬季严寒地区以及不同气候条件的灾区。”

出处:http://www.autodesk.com.cn/adsk/servlet/item?siteID=1170359&id=12552084

2.乡村模块化建筑设计的具体案例不完全统计

根据史建先生粗略的统计,谢英俊的项目,台湾921震灾重建300多户,四川512震灾500多户,台湾88水灾1000多户,“其为灾后重建贡献极大,用简单、环保、科学的方法解决了大量农民居住问题。目前,杨柳村已经是阿坝州政府重要的震后重建及新农村建设的典范,是“规划最好,运用材料最新,建设最美的社会主义新农村”的示范村。”(来源:http://wenku.baidu.com/view/b3dcacf704a1b0717fd5dd3f.html)

图片19:杨柳村重建项目

图片19:杨柳村重建项目
image©孙宏斌

(图片19来源http://www.atelier-3.com/mediawiki/images/5/53/01_20101124-00_%28Custom%29.jpg)

3.适用性思考

3.1 作为一门应用科学,轻钢住宅体系必须找到适用场所。谢英俊选择从乡村开始实践,依据其本人发表的文献和演讲资料,笔者总结为以下的几个理由:

1. 他强调全球超过70%的人口居住在乡村,所以市场潜力巨大。(但这个数字并不准确,根据笔者核实,03年全球农村人口就只剩52.6%了,且中国台湾在08年农村人口仅有不到30%,中国大陆30年前城市人口确实只有25%,但在2012年城市人口已经达到了51.27%)

2. 中国乡村具有复杂的风土人情、地方特色,与我国已经被新城改造粗暴破坏的大多数城市具有巨大的区别,但是还非常缺少建筑师对乡村建筑实际问题的深入探索。谢英俊更倾向于通过轻钢强大的造型可塑性能力,来保留地方文化原本的辨识度。

3. 目前乡村住宅盲目模仿城市流行的钢筋混凝土、砖墙等现代主义建筑形式,明明价格高昂且不抗震不环保,和自然环境更是格格不入。谢英俊认为可以绕过西方制定的节能标准,走出一条全新的低碳建筑模式。

3.2 对此,笔者经过调查,对谢本人提供的信息有所补充,笔者认为应该大力发展轻钢住宅的原因是:

1.虽然全球农村人口并非70%,但社会转型需要大力发展轻钢住宅。
首先城市化是人类发展的必经之路。根据联合国09年的人口趋势预测,2007年至2050年期间,发展中国家城市人口比例预计将从44%增至67%,而发达国家将可能从74%增至86%。而城市化其实包括两个不同的类型,即乡村人口往都市迁移和乡村转变为都市。尽管我国公布的城镇化率已经超过51%,但是这个统计数字背后代表的发展路线是“不科学的”(厉以宁语)。当城市集中过多的人口时,会超过环境最高的承载能力,并造成拥堵、就业、居住等各种“都市病”的社会问题和区域发展不平衡的问题,加剧社会不稳定因素。对此最近由北大的厉以宁教授着重提出的“就地城镇化”概念,让农民工回故乡,农村本身社区化,有非发展不可的必要性。

因此笔者判断,无论是在已有的城市还是在即将城镇化的乡村,都在国家经济结构转型的前提下会加大对轻钢结构的需求。除了上文介绍的谢英俊的大量乡村轻钢住宅实践,轻钢结构在城市则可以参与大量的室内改建和室外加建项目。相关的内容在“下篇”详细展开。

另一个会对钢结构产生大量需求的是“一带一路”对外战略。“一带一路”沿线地区大多是发展中国家,资源较为丰富,劳动力成本较低,且处于工业化、城镇化的初中期阶段,基础设施建设尚不完善,经济社会发展对钢铁、水泥、玻璃等基础原材料产品需求大。普通的钢结构住宅,成本高,施工技术难度大,并不适合在这些发展中国家推广,但以谢英俊实践为代表的经过优化的非整体工业化轻钢结构生产体系,就很适合配合一带一路战略进行推广。相关内容在“下篇”详细展开。

2,谢英俊基于轻钢住宅开辟的“开放体系”非常有参考价值和紧迫意义。
谢英俊的乡村房屋建筑开放体系要求自身设计必须具有灵活性,建筑产品必须具备能够反映出其所处的不同的地区的独特文化。随着居民在建造时自行对设计修改并直接实施,最终成品属于建筑师和居民共同的设计成果,更准确的反应当地的文化。

随着就地城镇化的步伐,乡村原本的风土人情会受到新生活习惯和产业结构转变带来的冲击。为了不再重复已有的千城一面的这种丧失城市个性的发展路线,一方面需要更多更好的设计师,另一方面就必须管好不该管的手,把一部分的设计权适当的交给市场。其实这样让公民参与设计的理念已经引起业界长期的关注,并有许多建筑师和开发商进行了不懈的实践,但是效果甚微,还停留在理论阶段。原因在于缺乏适合的建筑技术。无论是采取纯现场湿作业的传统建筑技术还是在工厂里高质量完成的预制或模块化设计,都客观的增加了使用者参与设计的难度。没有合适开放体系真正实施的建筑技术,开放体系的理念也终难以实际推广。

3,钢结构住宅有利于环境治理,特别有助于解决雾霾现象。
钢结构在住宅建筑领域的应用具有很大的优越性,自重轻、建设速度快、性能好、节能、节材、节水、节地、抗震,对城市环境影响最小,更可以重复利用(我国每年建筑垃圾高达4亿吨,已占到城市垃圾总量的40%),因此,钢结构是绿色建筑最理想的实现方式,推广钢结构住宅意义重大。

发达国家钢结构住宅用钢量占钢产量的10%~30%,而在我国比例只有3%左右。上海钢贸商会副会长任庆平认为,钢结构住宅在国内没有规模化发展的主要原因是目前还没有推广使用建筑结构用钢的鼓励政策,缺乏相应的政策支持。这个原因进一步造成开发商只考虑眼前利益,不顾及长远社会效益。参见:http://www.chinairn.com/news/20141125/170053940.shtml

笔者认为,也许在过去政策支持的缺失是令人遗憾的,但在未来会得到大力改善。因为我国的体制决定了,一旦政府下决心做一件事,此事就会得到极速的发展。李克强总理2014年3月就公开表示5年内改善空气质量。参见http://news.qq.com/a/20140313/015140.htm 2014年3月中旬,国务院印发《国家新型城镇化规划(2014—2020)》,其中提到城镇绿色新增建筑比例要从2012年的2%提高到2020年的50%。而2013年时仅仅设立了2020年30%的目标,可见本届政府加大了对绿色建筑的重视。

新常态时代,笔者大胆预言,钢结构建筑的春天也即将到来。

注:
孙宏斌,德国布伦瑞克工业大学建筑系研究生。

©每筑建文

更多内容详见中国建筑纪实网官方网站:http://www.archi-nonfiction.com
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2015.02.12
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