木结构建筑与健康生活环境

程卓 龚蒙

摘要：木材及其衍生产品是一种高效、环保及可再生的工程建筑材料。在建筑中使用木材及其衍生产品可以减少环境污染，为人类提供更加健康的生活环境。随着“亲生物设计”的兴起，木材作为一种天然的亲生物材料，其对人生理健康的积极作用也受到越来越多的关注。科研人员从触觉、视觉及嗅觉等方面来评估木材及其衍生产品在建筑中刺激神经、降低压力水平的能力，发现木材释放的可挥发性物质或提取出的精油可以缓解精神压力和治疗呼吸道疾病。作为天然的建筑材料，木材对健康有益的部分可以通过建筑物结构或建筑物部件的形式纳入亲生物设计中，即木结构建筑。本文从木材及其衍生产品作为建筑材料对人的生理健康贡献和木材对人的心理健康带来的积极作用两方面简单介绍木结构建筑与健康生活环境的关系。

关键词：木结构建筑，亲生物设计，健康生活环境，心理健康，环境压力水平

1. 引言

随着经济的不断发展，人们对于健康生活环境的需求日益增加。在建筑设计和营造中，使用大尺寸窗户用于采光和种植室内绿色植物添加生气等理念和方式，都反映了人们在现代建筑环境中对自然元素的喜爱和需求。这种设计被称为“亲生物设计（Biophilic Design）”，它在设计中充分考虑了人与自然息息相关的联系，增加诸如日光、植物和天然材料（如木材和石材）的使用（Kellert，2012）。亲生物设计把人类的健康生活环境作为关键因素引入设计和营造中。 如今，木材作为一种可再生的天然材料，已经受到设计师、工程师及建筑商的广泛推崇，在建筑结构和室内装饰中使用木材来创造健康的生活环境已成为一种新趋势。在各种建筑材料中，木材在亲生物设计方面是独特的，因为它既是天然材料又是建筑材料。因此，自然元素中对健康有益的部分可以通过建筑物结构或建筑物部件的形式纳入亲生物设计中（Augustin&Fell，2015）。

木材及其衍生产品，如正交胶合木（Cross-Laminated Timber）和胶合木（Glue-laminated Timber）等，是一种高效的建筑材料。木基产品质轻，易于在现场或工厂切割和加工。 因此，它非常适合用于装配式建筑中，做到在工厂预制、在现场组装。高水平的预制是提高生产效率、减少施工时间和降低运输成本的关键。Brock Commons是一座建造在加拿大温哥华市的18层学生公寓楼，高53 m，总面积1.512万m2，共有305个房间。 现场装配这座高层建筑仅用了2个月，比使用其他材料快得多。

木材是当今世界上一种主要的可再生工程材料。这意味着与其他材料相比，砍伐树木获取材料对环境的影响较小。和传统的砍伐树木会破坏环境的观念不同，合理地使用木材资源对环境是有益的。 据报道，2011年的森林净增长量是同年砍伐量的一倍（Oswalt et al.， 2014），而且这个差距在逐年扩大（APA，2016）。此外，根据联合国粮食及农业组织2015年的全球森林资源评估报告，每年还有约3亿hm2人工林增长，木材砍伐量约30亿m3（Food and Agriculture Organization of the United Nations，2015）。

木材是一种既环保又健康的天然材料。与聚氯乙烯、钢、铝、红砖或混凝土相比，木材是唯一一种可以提供负碳的材料。每一棵树都是一个碳汇，它在整个生长过程中不断吸收和储存大气中导致全球变暖的主要温室气体二氧化碳。据报道，每1 m3的新木材生成会减少大气中1 t二氧化碳（Digitales，2013）。把树木加工成我们所需的木材也只需消耗非常低的能量，因为木材容易被切割和成型，其加工剩余物（如樹皮和木屑）还可以通过燃烧来提供能量。而水泥、钢、铝及砖等其他建筑材料的制作则都需要化石燃料（如煤和石油）来提供非常高的温度进行生产。化石燃料的使用不仅会在燃烧过程中释放大量的二氧化碳，而且也会减少地球上有限的资源储备。据估计，全球每年水泥生产释放的二氧化碳量约占全球总量的7%至8%（Mehta，1998）。大多数化石燃料通常被归类为不可再生资源，因为它们需要数百万年的形成时间，其已知的可使用的储量正以比新储量生成快得多的速度耗尽。另外，工业生产还将产生有毒烟雾、致癌气体，及挥发性有机化合物（VOC），并带来空气污染和水污染。这些都严重影响环境和人们的健康。

当然，木材也有缺点，那就是易燃，这是人们在建造和使用木结构建筑中最关心的问题之一。但其实与传统想法不同，大尺寸木材显示出良好的耐火性。当暴露于高温下时，木材燃烧的表面会形成一层碳化层来充当绝缘体，保护木材的内部。碳化层能抵抗热渗透，从而让木材燃烧得更慢，同时内部可以继续承受载荷（Woodsolutions，2020年）。另外，在木结构建造中，还采取了很多防火阻燃措施，如用防火涂料处理木材、石膏板作为内墙板、烟雾报警、喷水装置等。

本文将从木材本身的多种环保健康特性及其对人的心理的积极作用两个角度讨论木材作为工程材料对健康生活环境的影响。

2. 具有健康生活环境建筑中的木材使用案例

这有两个典型案例来说明木材如何在建筑中发挥健康作用。图1展示的是一幢位于加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华市的妇幼保健医院。这是个综合性的混合木结构建筑。位于院区中心位置的Teck急救中心的主大厅是用胶合木梁和立柱，以及正交胶合木楼板建成。每4根胶合木柱彼此交错以树的形象支撑整个木制楼板，配上墙面淡绿色灯光勾勒的满月、树木、松鼠、小鸟的侧影，栩栩如生地展现了人造森林。同时从上方射出的淡黄色模拟阳光的照明使“树木”看起来更加美观柔和。正如宣传视频所说“我们的宗旨是通过良好的建筑环境来治愈疾病”。医院的整个设计都以自然为主题来给病人及其家属营造温馨、治愈、舒适、充满希望的氛围。负责该医院建造的高级项目工程师Paul Fritz说：“自然的设计可以帮助人们放松身心并帮助患者康复。”他还强调说：“木材非常适合接收光线，也可提供柔和的光线，并可以最大程度地减少压力。”（Staczek，2020）

图2展示的是一幢位于加拿大安大略省米西索加市的Carlo Fidani Peel地区癌症研究中心。建筑师Tye Farrow说“我们决定创造一个看起来充满生机的环境。”因为患者曾告诉他，他们需要更少的酒店式设施，更多生命希望。 该建筑使用胶合木形成的“树”来支撑整个大厅，其大堂/中庭空间将新的地区癌症研究中心与Credit Valley医院现有翻新空间相连接。12 m高的中庭描绘了一个由9根树形木柱形成的森林，它们的胶合木树枝弯曲并彼此交织在一起支撑了整个屋顶框架。这种有机的形式增强了空间的情感品质。大堂顶部和侧面是大片的玻璃设计，将木材和自然有机地结合起来，人们可以透过树枝看到外面的自然风光。从树枝缝隙中洒落的阳光也为建筑提供了自然光照明，给空间增加了温暖感。这种自然的设计获得了患者及其家属的赞赏，他们称这个建筑是“自然又令人振奋的”（Canadian Wood Council，2015）。

3. 木材对人类心理的积极影响

大量研究结果表明，木材可以通过多种人类感知来减少自主神经系统（autonomic nervous）和内分泌系统（endocrine systems）的压力反应，从而起到镇静作用。这是基于木材能够引起积极的情感体验，例如亲近自然、温暖、居家和放松等效果。研究员们通过皮肤电导率、心率和血压等医学测量，证明木材可以很好地降低人类在精神上受环境压力的影响。

3.1木材触觉给人安全感和亲近自然感

研究发现，触摸木质表面可以给人安全感和亲近自然感。芬兰坦佩雷大学心理学博士Marjut Wallenius说：“特别有趣的是，人们认为木材的触感比其他材料都柔软，不仅在真实体验上而且在心理上都如此”（Wallenius，2014）。例如，在研究中，室温下触摸铝、塑料或不锈钢，都会导致血压升高。但是，触摸木质表面就不会引起这种反应。

同时木材的低导热性使其成为天然的绝热材料。如表1所示，木材的导热系数是砖的9%，混凝土的6%—30%，钢材的0.15%，铝材的0.048%（The Engineering toolbox，2014）。低导热系数意味着它可以不受外界温度的影响而保持一个令人舒适的温度。这就是为什么人们更喜欢用木头制作椅、桌、门和其他家具，以及隔热墙的原因。

3.2木材在视觉方面有益身心健康

Tsunetsugu等（2002）研究人员调查了人对在住宅客厅使用木材的反应。 研究人员分别测量了参与者在有木质墙壁设计的测试室中和无木质墙壁设计的测试室中时的心跳和血压，其结果如图3所示。在木质墙壁设计房间中，参与者的心率 （pulse rate）和舒张压（diastolic blood pressure）均降至低于他们进入房间之前所测量的水平。在没有木质墙壁设计的房间中，参与者的心率与他們进入房间之前所测量的水平相比有所增加，血压有所降低，但血压降低的值低于木质墙壁设计测试室水平（Tsunetsugu et al.， 2002）。

Sakuragawa等研究人员（2005）做了类似研究，即住房内使用木材是否对人的情绪有影响的实验。 他们使用带有日本扁柏（Chamaecyparis obtusa）木墙和白色钢墙的实验室（模仿住宅客厅），研究了木墙或白色钢墙通过视觉对人的心理和生理影响，其结果如图4所示。结果发现人们面对木墙时，他们（尤其是本身就喜欢木材装饰的人）的血压会大幅下降，失望、疲惫、紧张等感觉随之降低，活力增加。 但是，人的血压在面对白色钢墙时，血压会增加，失望、焦躁和疲惫等负面情绪增加，活力降低。

Ohta等（2008）研究人员研究了木材如何影响医院隔离室中人们的压力水平情况。 他们将日本雪松（Cryptomeria japonica D. Don）木板和稻草纸添加到医院隔离室的墙壁上，变成重装隔离室，测量了参与人员的压力反应，其主要指标是血液中皮质醇水平（cortisol level）。皮质醇是肾上腺释放的类固醇激素，高水平的皮质醇会带来压力增大、体重增加、难以集中、易怒、疲劳等负面影响。如图5所示，他们发现在该重装隔离室的患者，其皮质醇水平要比住在其他正常混凝土墙壁隔离室中的患者有了显著的降低。

Fell（2010）对在4种不同环境的办公室里工作的119名人员办公期间和之后的自主神经反应作了测试。 图6显示了4种办公室：无木材、无植物、无木材有植物，以及有木材有植物。 测试指标是交感神经系统（sympathetic nervous system），它是自主神经系统（autonomic nervous）的重要组成部分，可以使身体做好应对压力的反应，通常被称为“战斗或逃跑”反应。在压力应激下交感神经系统会被激活，人会产生紧张、焦虑感，心率增快，皮肤中的内分泌腺会分泌汗液，从而降低皮肤的电阻。 在这项研究中，Fell使用皮肤电导反应（F-NS-SCR）来测量压力水平，发现交感神经系统的激活在有木材的房间中较低，能起到具有植物的办公室也不能起到的相同作用，其 结果见表2和表3。

Kelz等（2011）研究人员在奥地利研究了学生在教室里的压力水平。被用来研究的教室分为以木材为主要材料的教室和非木材的传统教室。在整个学年中，他们发现在木制教室学习的学生心率变异性增加。心率变异性的增加表明副交感神经系统（parasympathetic nervous system）被激活，学生的压力水平被降低 。

3.3木材可以释放健康物质

木材味道通常能给人有舒适、沉静的感觉，这种心理感受实际上是木材内部的可挥发性物质导致的。因此，在芳香疗法中多种类的木材被广泛使用。例如黑云杉（Picea mariana）的精油具有消炎、溶解粘液的功效，可用于保持呼吸道通畅，并缓解许多呼吸问题。从香樟（Cinnamomum camphora）提取出来的樟油是使用频率最高的一种广谱性香料（Fenn，1989），樟油的香气非常宜人，还可以防腐、抑菌及净化毒空气。从日本扁柏（Chamaecyparis obtuse）中提取的精油给人带来的嗅觉刺激，可以增强副交感神经活动，并降低前额叶皮层活动。在主观评估中，该刺激被评估为“舒适”（Ikei等，2015）。多种实验证明，人体吸入日本雪松（Cryptomeria japonica）所释放的挥发性有机化合物后，可以抑制唾液中嗜铬粒蛋白A（chromogranin A）的产生，降低精神压力水平（Matsubara和Kawai，2014）。另外，雪松木片带来的嗅觉刺激也能降低人的收缩压和前额叶皮层活动（Tsunetsugu，2012）。

日本雪松中主要揮发性化合物是α-pine烯，它是形成森林气味的主要成分（Lee et al.， 2011）。Ikei等人（2016）在评估副交感神经活动和交感神经活动的基础上，研究了α-pine烯嗅觉刺激对自主神经活动的影响。他们设立了α-pine烯与参照两个组，测定了13名实验参与者在嗅觉刺激90秒期间的每30秒的平均心率和总体平均心率，发现在α-pine烯的气味环境中，心率都比较低，见图7。

木材不仅可以释放出有益健康的气味，而且有些木材也可用作草药。紫杉醇是从太平洋紫杉（Taxus brevifolia）中提取的物质，是已发现的最优秀的天然抗癌药物，可以用来治疗多种癌症（Fischer和Ganellin，2006）。中医在药膏中使用榛树（Corylus avellana）树皮治疗肿瘤和溃疡（Homesteading，2018）。此外，在德国出版的《树木舒缓医学（Die Sanfte Medizin derB?ume）》一书中，比较系统地总结了一些有关木材对健康促进作用的研究成果（Moser和Thoma，2019年）。

4. 结语

木材具有许多独特的优点。木材可以创造健康环境，潜移默化地改善人类的健康。就一种环保的建筑材料而言，在建筑或者建筑构件中更多地使用木材可以减少二氧化碳的排放、有毒有害废物的数量及化石燃料的消耗，为人们的生理健康提供保障。同时许多科学研究证明，木材作为一种亲生物材料，可以给人温暖的感觉，帮助放松身心，减轻压力，对人的心理产生积极影响，以及使患者快速康复。在21世纪，木结构建筑已经得到人们的广泛关注和推广，21世纪为木材在新时代的应用和建筑体系结构的表达方式打开了一扇门。

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