小型装配式木塑建筑设计体系研究*

席 飞 唐道远 孙友富

（1.南京财经大学艺术设计学院，江苏 南京 210023；2. 安徽森泰木塑集团股份有限公司，安徽 广德242200；3. 南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037）

装配式建筑以工厂预制化构件为建筑材料，采用现场安装的施工模式完成搭建，具有施工流程简便，施工周期短等优势，满足绿色建筑发展要求。装配式建筑主要涉及产品研发、构件设计、生产制造、施工建造等环节。自2016 年出台《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》以来，我国开始大力推进装配式混凝土结构、钢结构和现代木结构等装配式建筑的发展[1-2]。学者们从不同角度展开了相关研究，取得一定成果。郝建秀[3]等对木塑复合材料作为模板用材的独特优势进行解析，为其在装配式建筑等更加宽广的建筑领域应用奠定基础。周丽红[4]研究了木塑复合材料作为建筑墙体的内外装饰板、木塑复合墙板的性能及技术，实现了其在装配式建筑中的应用。李珺杰[5]等对现代木造建筑工法与装配式建筑的对应关系进行了梳理，促进了构件与结构设计的统一。李艳敏[6]分析了以正交胶合木为结构体系的装配式建筑的受力性能，为促进我国多高层木结构建筑的发展奠定基础。刘杰[7]等对原木结构、轻型木结构、胶合木结构、正交胶合木结构在当代建筑中的装配式应用作了综述。

木塑复合材料是以聚乙烯等塑料与木粉等木质材料按一定比例混合，热压成型的一种绿色环保材料。若作为装配式建筑的外装饰材料，形成木塑小屋的自主安装体系，则可突破现有结构的限制，为装配式木塑建筑在微型、小型建筑中的应用打下理论基础[8-15]，促进装配式建筑在我国的普及。本文将小型装配式木塑建筑结构拆分为梁柱单元、墙体单元、屋面单元，并开展3 个模块内部及之间连接节点的研究，对适应该结构体系的建筑外观进行设计，探索小面积木塑建筑由1～2 位非专业人员根据安装图纸快速完成自主搭建的可行性。

1 小型装配式木塑建筑梁柱单元设计

在进行小型装配式木塑建筑梁柱单元设计时，需按照以下原则进行：1）简化梁柱构件种类、连接件种类和数量，从而简化安装步骤及难度；2）选择相对轻质的材料作为结构支撑材料，以满足1～2 人轻松移动的重量为宜[16-20]。

1.1 材料

按照以上设计原则，选用安徽森泰木塑集团研发的铝塑共挤产品（图1）作为小型装配式木塑建筑梁柱结构的原材料。在制备过程中，将木塑和铝合金共同挤出，并根据使用要求，形成不同截面尺寸和形状，挤出成型后的产品既具有轻质铝合金材料的力学特征，同时表面又赋有木塑材料特有的木色纹理。根据试验分析，将铝塑共挤产品作为梁柱单元的主要材料，能够满足小型木塑建筑的力学要求，而其相对轻质的特点又为自主安装打下了基础。此外，由于木塑的包裹，该材料在室外暴露时既保持了装饰性，又具有较好的耐候性，使用寿命较长。

图1 铝塑共挤材料Fig.1 Aluminum-plastic co-extruded materials

1.2 梁柱连接节点设计

传统梁柱连接件存在数量繁多、形状多样、安装工艺复杂、实际安装位置不明显等缺点。如图2 所示，本研究中采用1 种螺栓连接件将横梁连接到立柱上，甚至可以将多个横梁同时连接到一个立柱上，这种结构简化了连接关系。在垂直方向上，立柱和连接件在纵向的受力关系中形成直接传导；在水平方向上，横梁的重量可通过凸起位置，有效地转移到立柱上，使整体结构更加稳定。在连接件正确安装后，构件本体可隐藏在立柱和横梁内部，保持了精简美观的视觉效果。通过该连接件的设计，可实现以1 种连接件种类，8 个连接件数量，完成8 个梁柱节点的连接，为非专业人士快速自主安装打下了基础。在此基础上，为了适应更多类型的小型装配式建筑梁柱节点的连接，又分别设计完善了 “T、十、一”3 种连接节点形式，如图3 所示。

图2 梁柱节点设计Fig.2 Design of beam-column joint

图3 其他类型梁柱节点设计Fig.3 Design of other beam-column joints

1.3 横梁构件设计

小型装配式建筑的横梁不仅需要满足基础的支撑功能，还需具有一定的防水性。然而目前的横梁设计不具备排水功能，因此常使用外墙打胶的方式进行防水，当胶体到达使用年限后，会出现老化开裂等问题，造成外墙面与横梁连接处渗水。本研究在横梁设计时，通过铝塑共挤产品挤出成型的优势，对其进行了隐形的自排水构造处理。首先在横梁的外侧设置挡水沿，并在挡水沿和横梁本体之间设置斜向排水槽。当墙面遇水时由于重力的作用，水会沿着墙面流至该自排水斜坡，而不会向室内渗透，形成防水设计。在此基础上，为了与连接件结合，在横梁的左右两侧进行了开口处理；为了与墙体单元结合，在上横梁的下方与下横梁的上方进行了开槽处理，具体构造如图4 所示。

图4 横梁设计Fig.4 Beam design

1.4 立柱构件设计

立柱设计也采用了铝塑共挤产品为原料，为了便于与节点连接，对其截面进行了设计改造，如图5。通过上述1 种连接节点以及与之匹配的各1 种类型的立柱和横梁设计，实现8 个梁柱节点的4 根立柱和8 根横梁的同时安装，从而简化了安装流程，缩减了安装时间。

图5 立柱设计Fig.5 Column design

2 墙体单元设计

2.1 墙体构造

在进行墙体单元设计时，原料由内到外分别选择9 mm定向刨花板（OSB）、20 mm 挤塑保温板（XPS）、9 mm定向刨花板、6 mm木塑墙板4种材料。如图6所示，材料之间通过环氧树脂胶连接，组合后的墙体模块宽度设置为400 mm，墙体高度根据建筑高度进行设计，最高不超过3 000 mm。由于小型装配式建筑墙体本身基本不受力，主要起围护作用，因此选用两层相对轻质的木质复合材料作为墙体的支撑材料，中间添加XPS保温板起到一定的保温隔热作用，而在最外侧使用木塑墙板，不仅起到装饰作用，还具有较好的耐候性能。

图6 墙体构造Fig.6 Wall construction

2.2 墙体模块与梁柱连接节点设计

墙体模块的水平截面尺寸为400 mm × 44 mm，垂直截面尺寸为墙体高度 × 44 mm。在梁柱设计时，已在上横梁的下立面与下横梁的上立面，以及各个立柱朝向室内的2 个立面，根据墙体的截面尺寸作了开槽处理。因此，在进行墙体模块与梁柱单元连接安装时，只需将墙体模块沿着上下梁卡槽位置准确推入到立柱卡槽位置即可完成，操作简便。

2.3 墙体模块连接节点设计

经试验证明，将单个墙体模块宽度设置为400 mm，高度不超过3 000 mm，可实现1～2 人的轻松移动，并通过节点设计简化了其与梁柱的连接，实现了单个墙体模块的快速安装。墙体模块与模块之间的连接，也是墙体单元设计需要重点解决的问题之一，本研究共设计3 种墙体模块连接方式。

2.3.1 公母榫式墙体连接节点

公母榫式墙体连接节点是将公母榫式的卡扣预埋在墙体垂直截面，一个墙体模块右侧垂直截面上下各预埋2 个公榫，左侧垂直截面上下各预埋2 个母榫，当2 个墙体模块依次被推入梁柱卡槽时，将第一个墙体模块右侧的公榫打开一定角度，插入到第二个墙体模块左侧的母榫之中，形成墙体模块间的连接，具体结构如图7所示。公母榫式墙体连接节点的优点在于连接件隐藏于墙体截面之间，不影响墙体的整体美观程度，且易于安装；而缺点在于连接件的力学强度有限，当使用过程中墙体模块发生变形时，墙体模块之间有出现缝隙的可能性。

图7 公母榫式墙体连接节点Fig.7 Female and male tenon wall joint

2.3.2 工字钢式卡扣墙体连接节点

工字钢式卡扣是将工字钢左右2个垂直立面设计为与墙体垂直截面同样的尺寸，安装时，先将一个墙体模块顺梁柱卡槽推入，然后放置工字钢，将墙体右侧垂直截面与工字钢左侧垂直立面扣紧，最后将下一块墙体推入，其墙体左侧垂直截面与工字钢右侧垂直立面扣紧，完成2块墙体的安装，具体结构如图8所示。工字钢式卡扣墙体连接节点的优点在于当墙体模块完成安装之后，如因气候变化，出现变形情况时，利用工字钢本身的力学强度以及工字钢本身，可以在一定程度上阻挡或遮挡墙体模块的变形；而缺点在于工字钢式卡扣作为独立的连接构件，无法预埋在墙体内，导致安装步骤增多，安装难度增加。此外，安装后工字钢暴露在建筑立面，影响外表美观；同时如果墙体在安装前出现一定变形时，会出现无法卡入工字钢式卡扣连接件的情况。

图8 工字钢式卡扣墙体连接节点Fig.8 I-steel buckle wall joint

2.3.3 方钢墙骨柱式墙体连接节点

如图9 所示，方钢墙骨柱式墙体连接节点是将方钢预制在墙体模块的XPS保温板处，具体来说是将原本400 mm宽的保温板在宽度方向切除掉方钢水平截面宽度的一半，以便将一半的方钢置入墙体之中，然后利用外露于墙体的另外一半方钢作为连接构件，连接下一个墙体模块。方钢在墙体模块与墙体模块之间起到墙骨柱的作用，无论墙体在安装前还是安装后出现变形，都可以利用方钢墙骨柱的力学性能进行纠正，并且方钢墙骨柱预置在墙体模块内，隐蔽性较强，安装步骤简化，有利于实现墙体单元非专业人士的快速安装。

图9 方钢墙骨柱式墙体连接节点Fig.9 Square steel wall joint

通过上述墙体单元及其连接节点的设计，以400 mm为宽度模数，一层建筑层高3 000 mm为高度模数，可实现建筑尺寸及面积的模块化增减，适应不同的建筑类型。后期可通过试验，研究3 种墙体连接节点的保温性能和防水性能，确定适宜的墙体单元设计。

3 屋面单元设计

小型装配式木塑建筑的屋面单元设计，原料选择由内而外依次为9 mm定向刨花板、20 mm 挤塑保温板（XPS）、9 mm定向刨花板（OSB）、改性沥青（SBS）防水卷材和沥青瓦，既满足了屋面单元基础的力学性能，又起到了防水和保温的效果，并通过Z字形连接件，完成了屋面单元与梁柱单元的连接以及屋面模块之间的连接，具体构造如图10 所示。在此基础上，为了适应装配式建筑非专业人员快速安装的模式，将屋面单元分为2 个部分，第1 部分由内而外依次由定向刨花板、XPS保温板、定向刨花板、防水卷材和常规位置铺贴的沥青瓦组成；第2 部分根据沥青瓦使用位置的不同，将剩余位置铺贴的沥青瓦做成几种模块形式，如屋顶正面折弯件、屋顶后面收口折弯件、屋顶左右侧面收口折弯件、模块拼缝收口折弯件等，如图11 所示。通过几种模块化沥青瓦的组合，可以将原本需要专业人员完成，且耗时较长的沥青瓦安装步骤简化，非专业人员只需在快速完成第1 部分的安装后，将剩余位置的沥青瓦模块放置在屋面对应区域，即可完成屋面单元的安装。

图10 屋面单元设计Fig.10 Roof unit design

图11 沥青瓦模块设计Fig.11 Design of modular asphalt shingle

4 外观功能设计

小型装配式木塑建筑的梁柱单元、墙体单元和屋面单元设计，是以小面积建筑，1～2位非专业人员，根据安装图纸，快速完成自主搭建为目标，而适应该结构体系的建筑类型。主要面向单层建筑、临时或中小型建筑，有拆卸需求、可重复安装的建筑，对建筑热环境要求较低的建筑等，如工具房、门卫室和景区售货亭等[21-25]。以下将分别对这几种建筑外观进行设计。

4.1 工具房外观设计

工具房木塑小屋的主要使用位置为家庭别墅住宅的庭院或大型办公建筑的一角，其面积不能过大，外观设计不能过于复杂，否则会影响与主体建筑的协调性。因此，将该类型建筑，室内面积设定为4 m × 2.8 m，以满足基本的工具摆放功能。在建筑立面设计时，以浅木色木塑外墙板和木塑包裹的铝塑共挤梁柱为主要装饰材料，配以竖向和横向的玻璃长窗加以点缀，体现现代主义的设计风格；屋面设计为以沥青瓦模块铺贴的单坡屋顶，造型简单，便于排水。具体外观设计如图12所示。

图12 工具房木塑小屋外观设计Fig.12 Design of wood plastic tool room

4.2 门卫室外观设计

门卫室木塑小屋的主要使用位置为景区或企业大门，相对于工具房而言，其面积相对扩大，以满足2～3人同时使用，而外观设计也需在一定程度上体现使用方的档次。因此，将其室内面积设定为4.8 m × 4 m。在建筑外观设计时，以深木色木塑墙板和木塑包裹的铝塑共挤梁柱为主要外立面装饰，配合欧式木方窗加以点缀。通过双坡屋顶挑檐设计，向两侧挑出1 m的连廊，连廊四角以木柱支撑围合，既方便雨天站岗巡逻，又起到一定装饰作用，木塑外立面与木柱的结合，也体现了木塑小屋绿色建筑的发展方向。具体外观设计如图13所示。

图13 门卫室木塑小屋外观设计Fig.13 Design of wood plastic guard room

4.3 景区售货亭外观设计

景区售货亭的外观设计需要起到吸引人群、刺激顾客购买欲的作用，面积设定需满足景区的基本流量。因此，将其使用面积设定为6 m × 4 m。建筑立面设计以木色木塑墙板为主，配以纯白色木塑墙板作为间隔点缀，体现了木塑材料的丰富性，然后再利用各个立面大小不等的灰色金属框架门窗，增强建筑整体的通透感。屋顶设计中，以双坡屋顶为基础，前方挑檐1 m，后方挑檐延伸覆盖整个建筑后立面，以增强建筑视觉冲击力，吸引游客注意力。具体外观设计如图14所示。

图14 景区小卖部木塑小屋外观设计Fig.14 Design of wood plastic snack bar

5 结语

本文对以木塑复合材料为主要装饰材料的小型装配式建筑进行了梁柱单元、墙体单元和屋面单元的构件及连接节点设计。通过3个单元的设计可实现小型木塑建筑由1～2位非专业人员的快速自主搭建，打破了我国装配式建筑原有结构限制，有利于促进装配式建筑在我国的普及。

本文所述装配式木塑建筑设计体系，还需根据具体的建筑类型，设计与之匹配的具体模块，以推进小型装配式木塑建筑在更多场合和地区的应用。