現代夯土民居的增固策略研究

■ 黃麗瑋 Huang Liwei 王萬江 Wang Wanjiang

0 引言

我國新型城鎮化應是以人為本、城鄉統籌、節約集約、生態宜居、和諧持續發展為基本特色，以城市、城鎮、新型農村社區互促共進、協調發展的城鎮化模式[1]，且必須是以強調民生、可持續發展、提升質量等三策并舉為特征的發展方式[2]。因此，在我國農村土地制度再次改革及宅基地確權后，新型農村社區的建設，尤其是在欠發達的西部農村村莊及山區居民的住宅建造中，尋求低成本、高舒適、堅固耐用的民居建造方法，必將成為未來新型城鎮化發展的必由之路，也能滿足泛廣義建筑節能的理念[3]。

目前，學術研究多聚焦于已有夯土或土坯建筑的保護性加固及新型夯土材料的研發，而對新建夯土建筑的增固卻缺乏認知。本文首先通過對傳統生土建筑的特征及現狀分析，確認其節能性、環保性及舒適性良好，但安全性、耐久性和抗震性差，繼而提出在建造中，改進生土材料和施工技術、優化建筑結構及更新規劃設計理念，探索不同材質框架下現代夯土民居的增固設計方法與策略，為建造舒適、環保、耐久且成本低廉的民居，探索可持續發展的新型城鎮化提供借鑒和參考。

1 夯土民居的現狀與特征

生土建筑是指使用未經焙燒的土壤或簡單加工而成的土坯磚為主體，并輔以木塊、石頭、秸稈等天然材料建造而成的建筑[4]。由于受社會經濟、自然資源等多方面因素的限制，目前，全世界約有1/3的人口，包括我國近億人依然居住在生土建筑中[5、6]，其主要分布在非洲、南美洲、亞洲等一些不發達地區（包括我國西部），甚至還有少量分布在歐、美、日等發達國家及我國中原和西南地區。夯土民居是生土建筑的一種，在傳統建筑中具有十分重要的地位，其總量約占生土建筑的一半以上[7]，其極具特色的建造方式和結構特征，不同于土坯建筑或窯洞居所，是一種建造可控且更能表現藝術魅力的民居建筑。

1.1 材料易得、施工簡單且造價低廉

土壤（泥土）是由地球表面巖石經風化形成的礦物質，動植物及微生物殘體被氧化腐解產生的有機質，以及水分、空氣、土壤生物等所組成，取之不盡、用之不竭，屬于可再生資源。生土建筑拆除后，其主體可被環境吸收，在全生命周期內都不會產生廢棄物，不僅對環境無副作用，還能維持生態平衡。

夯土民居是以杵等簡單工具，將填加在固定模板內的生土材料逐層夯實所營造的建筑物，施工技術簡單易學，建造時所需建筑材料的絕大部分都可就地取材，因此成本低廉。甘肅會寧示范區內團隊所建的新型夯土民居造價僅為600元/m2，而村民自助建設的造價更低，只需280～320元/m2，相比每平方米上千元的磚混結構，其建造成本大約只相當于普通磚混民居的30%～50%[8]。在當今能源危機、生態危機、環境污染、各地霧霾頻現，以及燒磚窯廠廣泛被限的大背景下，這種古老的建造方式必將會隨著科學技術的進步與發展，在各地重新煥發出新的生機。

1.2 環境適應性及保溫節能性良好

（1）通過對我國西部新疆伊寧市“喀贊其”老城區內生土與磚混民居室內熱環境的檢測可知：在晝夜溫差較大的夏季，生土民居室內空氣溫度變化明顯小于磚混民居，而室內空氣濕度卻遠高于磚混民居，具有良好的環境適應性和居住舒適性，其溫濕度變化如圖1所示。

（2）對其圍護結構的熱工性能進行檢測，得出生土民居墻體傳熱系數0.82，磚混民居則為1.68，并粗略地計算出生土民居圍護結構內部不存在冷凝。利用DeST計算軟件動態模擬出采暖季累計耗熱量，發現生土民居比磚混民居低51.5%。這充分說明生土民居的圍護結構節能保溫性能明顯優于磚混民居[9]。

雖然個別試驗有不同結論，但主要是由于測點布局條件不正確等原因所造成，這也說明了合理設計會具有更加良好的節能效果。同等測點布局條件下，生土民居的氣候適應性和保溫節能性均明顯優于磚混民居，具有良好的宜居性；主要活動區采用“向心型”優化空間結構設計，會更有利于節省能源[10]。

1.3 安全性、耐久性和抗震性差

近年來，在我國局部尤其是西南和西部地區的強烈地震中，生土建筑遭受到極其嚴重的破壞甚至出現大面積倒塌，造成大量人員傷亡和財產損失。生土建筑材料抗拉、抗剪、抗彎強度差，整體性能不良及低技術建造是導致房屋抗震性能差的主要原因。其破壞主要表現為：①地基薄弱、施工不良，在地震中容易造成墻體傾斜和倒塌；②墻體與屋頂剛性及變形度差異巨大且連接性差，在地震外力作用下極易滑落；③生土墻承載力低下，容易開裂，裂縫延展導致錯位、滑動、外閃，甚至塌落。從以上表現中，我們不難發現，承重墻體的破壞是導致房屋倒塌的根本原因[11]，這也限制了夯土建筑的使用和發展。同樣地，磚混結構由于建造質量差、建筑層數高、構造措施不力、墻體載力不均、整體性不良等原因，在地震中倒塌也比較嚴重。可見，加固墻基和墻體、增強房屋整體性，是提高生土建筑安全性、耐久性和抗震性的最好辦法，因而對于夯土民居建造中，增固技術與方法的研究也顯得非常必要了。

2 現代夯土民居的建造增固策略

圖1 生土與磚混民居室內外溫濕度測試（2015年7月6～10日）

基于夯土民居特性優良但堅固性差的特點，對生土材料和施工技術進行改進，對建筑結構和規劃設計進行優化，發揮特長、改進缺點，建造堅固耐用且舒適低價的居住場所是完全可行的。

2.1 改進生土材料和建造技術

2.1.1 改進生土材料

生土材料保溫與隔熱性能良好，在加工及房屋建造過程中，能耗極低且無污染，是非常優良的綠色環保建筑材料，但因其強度低、不耐水、穩定性差等缺點，限制了它的廣泛應用。因此，改進生土材料的組織結構，提高其使用性能具有非常重要的意義。通過在生土中加入石灰、礦渣、水泥、石膏、粉煤灰等礦物質，或加入織物、紅薯淀粉、麻草、秸稈等植物纖維，改進生土建筑材料的強度和耐久性、變形能力與傳濕傳熱性能[4、5]。盡管配比方法多種多樣，若改良過度將使生土材料喪失其環保屬性，因此，應根據當地的土質特點、地域環境特性及資源配置等，因地制宜地進行選擇。

2.1.2 改良施工模板

傳統夯土民居所采用的椽筑法和版筑法模板，只能適應于力量較小的手工操作，根本無法滿足現代化的機械夯杵。目前，國內外學者已經對模板進行了改良，如歐美已普遍采用混凝土鋁鎂合金模板，國內則選用竹膠板、型鋼、螺桿等常見材料，設計加工成新型的模板體系。新型模板組裝靈活、操作簡易，而且可重復使用，不僅節省人力和材料成本，也能提高施工效率，還可直接夯筑門窗、洞口、圈梁、常規構造節點等特殊部位的墻體，增強交接處等薄弱環節的結構強度[8]。

2.1.3 運用夯土機械

傳統的手工夯杵，不僅費時費力、效率低下，也無法適應現代夯土民居的建造需要。由于傳統方法夯筑力量小，造成墻體密實度不均、節點部位夯杵不到位等，導致夯土墻體內生土材料結合松散、強度低下、容易開裂、耐久性和抗震性差。因此，應采用攪拌機混勻生土材料，在充分混合的基礎上配合現代新型模板體系，運用現代化的氣動或電動夯土機械，對基礎、墻基、地梁、墻體等牢固夯實，并夯筑加筋及交接處等薄弱節點，增強整體性以提高其堅固耐用性。

2.1.4 強化專業施工

在鄉（鎮）或縣級政府職能部門引導下，組建專業的施工團隊或互助合作組織，選擇適宜當地土質的夯土材料配比，按照鎮（鄉）村建筑抗震技術規程的技術要求對施工人員進行培訓。采用全程全責法設計理念，實行專業化施工，使建造全過程由被動轉為主動[12]。現代夯土民居的專業化施工不僅能重復利用施工設備和模板，降低建造成本，提高施工水平和建造質量，也能使其在設計、建造、使用及拆除的全壽命周期得到管控，體現統一的地域特征，打造獨具特色的新型農村社區。

2.2 優化規劃設計與建筑結構

2.2.1 合理規劃并優化設計

建造房屋，無論在城市還是農村，都應該把堅固性、舒適性、實用性、經濟性及節能環保性放在首位。我國西部農村多為丘陵地貌，在規劃選址時應根據地形、海拔、日照等綜合因素進行選擇，應避開陡坡、洼地、溝底等，不僅要有利于通風和日照，也要有利于防災或出行。單體與群落布局設計應科學合理，僅就單體而言，可根據地形地貌、家庭狀況進行設計，設計成簡單的“一”或“L”型、多功能復合型或四合院型；根據功能需要可為1層也可為多層；體型宜簡單、規整，采用南北或接近南北朝向，開間不宜大于6m，室內凈高不宜超過3m；房間功能布局應合理、緊湊、互不干擾，主要功能區如臥室、起居室等應集中布置在南側或內墻側；合理的窗墻比、適宜的窗戶構造等，以增強采光效果和保溫性能；群落布局宜采用雙拼、聯排或疊拼式集中布局[13]。

2.2.2 加固墻基并構建地梁

基礎處理不善應該是夯土建筑倒塌的主要原因。采用地梁和墻基組合式基礎可使剛度增大，且建材用量不會顯著增多，施工復雜程度和建造成本也不會明顯增高，具有經濟性、適用性和抗震性[14]。①通過加深、加寬墻基，在墻基土料中加入水泥、石灰等夯實構成基礎底層；②其上鋪設碎磚、石塊及經防腐處理的廢舊鋼筋等，夯實并灌漿構成基礎上部；③然后用磚砌或混凝土澆筑構建地圈梁，其剖面如圖2所示。優良的基礎不僅可提升夯土墻基的力學性能，也可提高其防水、防潮、防蛀等耐久性能。基礎地梁（地圈梁）主要發揮聯系功能，不僅可圈起閉合以增強水平剛度和整體性，也兼作底層填充墻的承托梁，還起到了減緩不均勻沉降作用，如與構造柱密接，可構成抗震限裂體系。

2.2.3 增加構造柱設置圈梁

圖2 加強基礎

唐山、汶川及近年來的地震中，多處帶有鋼筋混凝土構造柱且與圈梁組成封閉邊框的多層砌體房屋，其墻體在震后僅出現裂縫，但并未倒塌，因此構造柱及房屋的良好整體性在多層砌體房屋抗震中起到了不可低估的作用[15]。圈梁配合樓板及附加馬牙槎和拉結筋的構造柱形成完整的整體，可增加房屋的穩定性和整體剛度，減輕地基不均勻沉降對墻體和房屋造成的破壞作用，以抵抗地震外力、減少破壞、抗拒倒塌。

2.2.4 墻體加筋及墻面處理

經實驗檢測，加筋夯土墻體試片的抗剪強度可提高6%～42%，延展性可提高35%～92%；采用聚丙烯纖維加筋的墻體試片可提高49%的剛度；平行于夯筑方向的加筋鋼筋與夯土材料間的黏結強度平均至少為7.5 MPa，遠遠大于垂直方向[16]；墻體內加入鋼質、木質、鋼絲網、纖維網、織物等，可大幅提高墻體的抗彎強度和彎曲韌性，以增強墻體的整體性和堅固性。

將Ca(OH)2的過飽和溶液直接噴涂于夯土墻體上，使其與空氣中的CO2碳化形成CaCO3，達到人工鈣化墻面作用[6]，外墻面固化既能防水，又能美化外墻；另外，應對內墻做草泥涂抹等保溫處理，提高民居的熱工性能。

3 框架增固現代夯土民居的設計探討

良好的整體性是房屋堅固耐用的根本保障，采用框架增固是強化整體性的最基本措施。在夯土民居建造中使用木柱、型鋼或鋼筋混凝土構筑框架，并在此基礎上夯筑生土墻體，形成框架下具有良好整體性的堅固夯土建筑。

3.1 木柱或型鋼框架增固

傳統木結構房屋是以穿斗木構架、木柱木屋架及木柱木梁等框架為承重載體的結構形式。在觀察地震后的建筑中，發現帶斗拱且整體性好的木結構建筑具有優良的抗震性和堅固性。如位于伊犁察布查爾縣，始建于1800年的牛錄關帝廟，在歷經200多年的風雨和多次地震后，盡管其生土墻體已經倒塌，但其木質構架依然完好無損（圖3）。木結構承重雖然堅固耐用但過于復雜，木材用量大且與墻體的連接性較差，難以構成整體，使墻體易于損壞。生土結構房屋則是以橫墻為主或縱橫墻體共同承重的結構體系，由于生土的特殊屬性，無論是夯土或是土坯墻均無法抗拒強烈的外力。因此，應采用框架與墻體共同承重的結構形式，即木柱或型鋼為框架，并與生土墻體有機銜接的夯土建筑。

木柱框架是利用木材所具有的天然性、無毒害、無污染、強重比高、保溫性好、易加工等特點，使其融入夯筑墻體形成整體而增固的結構形式；型鋼框架則是利用了鋼材的質輕強度高、塑性韌性好、抗振（震）抗沖擊性強、易于加工和焊接、可準確快速裝配等優點。鋼質框架可廣泛應用于村鎮的平房（墻體高度≤4.0m）和兩層民居（層高≤3.0m）建造，且其造價并不會增加許多。為了便于說明和計算，現以傳統的“一”字型民居為例，加柱位置如圖4所示，市場價格估算成本增量見表1。

3.1.1 框架與墻基連接

當周樸園望著柜子上相片，又望著魯媽時，我覺得甚是諷刺，那口口聲聲說放在心尖上的人，如今站在眼前卻不認識。（許瀅）

3.1.1.1 木柱框架

圖3 牛錄關帝廟遺跡

在我國雨水較多的南部地區，木柱應經防腐、防潮處理后楔入柱腳石（柱礎），并將后者埋入基礎中，以實現末端膨大的錨狀固定；干旱少雨且石料缺乏的北方或西部地區，應使木柱置于由實心磚砌或混凝土筑的地圈梁內側，但不能完全嵌入墻體或基礎內，防潮處理后采用石塊或混凝土做成墊腳，并使其高出地面或與潮濕環境隔離。為了增強其堅固性還應在木柱下端墻體側置桿件，并使交接點牢固結合，同時增加斜掌加固（圖5）。

3.1.1.2 型鋼框架

使用末端焊接桿件且做過防腐措施的角型鋼（6mm）深入至墻基，與墻基及地圈梁的連接如圖6所示。將完整閉環狀角形型鋼置于地圈梁中，并與豎向型鋼焊接或螺絲固定，使其成為一個整體；若建2層或2層以上樓房，應采用10～12#工字鋼作為構造柱和支撐框架。

圖4 墻體加柱平面圖

表1 木柱、型鋼及現澆框架增量成本對比

圖5 木柱交接處增固

圖6 型鋼及墻基與墻體的連接

3.1.2 墻體整體性增固

對于木柱框架，墻體應砌筑在木柱外側，不能全部包入墻體中；在橫縱墻交接處加木構造柱及墻體木柱，并與摻加礦物質或織物的黏土夯實。木柱兩側每升高0.5m，加約1m長的木條或荊條、竹片、樹枝等編織的拉結網，并用鐵絲牢固連接于木柱；墻體豎向中部應加配有水平鋼筋的配筋砂漿帶[14]；墻體頂部應用磚砌或木質圈梁，并與木質構造柱牢固連接，使構造木柱、上圈梁構成完整框架以增加整體性和固位性。

對于型鋼框架，可在做防腐處理后全部包入夯土墻體內；以型鋼為構造柱，在上述部位用鋼絲網或廢舊鋼鐵片與構造柱及型鋼框架牢固連接；墻體頂部應用加型鋼的磚砌或鋼筋混凝土構筑圈梁，形成完整框架。

坡屋頂的天花板是不需要較多承重的結構，可選用木板、刨花板、纖維板等密鋪，或以木質檁條、角型鋼做支撐上覆竹席、蘆葦席；為了增強保溫性，還可以附上草泥等。將木板、檁條或角型鋼置于圈梁之上，并與其牢固連接。需要承重的平屋頂或兩層民居的樓板，可采用預制預應力空心板，板間采用灌縫、吊模加筋澆灌細石混凝土等，以加強板與板之間的連接，并做好空心板與圈梁之間的結合。若條件允許，也可采用現澆樓板，其良好的整體性更有利于防止地震外力所引起的滑落。

3.1.4 屋蓋結構優化

屋蓋是整個民居房屋的最上部結構，宜采用輕質材料且坡度為30°左右的雙坡屋頂，不僅能使積雪容易下落，也能使民居做出美觀的造型增強藝術性。應與承重山墻和圈梁連接牢固，并盡可能使其成為良好的整體。可采用傳統的椽子、檁條、蘆葦席、草泥、小青瓦，并在椽間鋪設秸稈增加保溫層[8]；也可采用輕質彩鋼瓦（泡沫板或巖棉板，市場價格約25～45元/m2）做成彩鋼屋頂。

3.2 鋼筋混凝土框架增固

自1872年世界第一座鋼筋混凝土建筑在美國紐約落成，鋼筋混凝土以其超強的抗拉、抗壓、抗彎曲強度，以及堅固、耐久、防火性能良好等特點，被建筑業和工程界大規模使用。在夯土民居的建造中，引入鋼筋混凝土構造柱及框架，是增固夯土建筑的良好辦法之一。因其建造成本較高，所以主要用于較大型的夯土多層建筑，如村鎮辦公樓、學校、醫院及多功能建筑體等，也可用于建造較復雜的多層民居。

根據建筑的需要，在墻基加深加寬的基礎上采用鋼筋混凝土地圈梁、構造柱及圈梁，構建三位一體的完整框架。房屋四角及縱橫墻體交界處采用現澆法形成構造柱，在地圈梁上夯筑墻體時，用模板夾隔出綁扎好鋼筋，并設置馬牙槎的構造柱位置；同時，每升高0.5m，加0.5～1m長鋼絲網與構造柱中鋼筋綁扎形成拉結筋，以增強墻體的整體堅固性。墻體頂部布置扎接鋼筋及墻體內外模板，待墻體干結后抽出構造柱模板，用拌勻的混凝土澆筑，形成承重墻體內構造柱和上圈梁，形成由地圈梁、構造柱、上圈梁共同構建且整體性良好的堅固框架下的夯筑墻體（圖7）。為了增強墻體的整體抗震性，可在縱墻中部和橫墻的門窗口側加入兩根帶拉結筋的角型鋼，也可為現澆混凝土柱。

整體現澆樓板能顯著提高鋼筋混凝土框架結構的抗連續倒塌性能，這已是無可爭議的事實[17]。因此，屋頂或樓板均可采用整體現澆。由于形成了平頂式堅固屋頂，可在做好充分防水后，在樓頂加土設計成樓頂花園或配置太陽能發電設施等，既能美化環境，又可隔熱保暖、節省能源。

4 結語

高舒適、低造價、低能耗、無污染且堅固耐用，是人類居所建造的必然追求。現代夯土民居的建設是改善貧困農村居住環境和社區面貌的最好選擇；同時，延長房屋使用壽命，節約材料、綠色環保及可持續發展都是最好的體現。通過改進生土材料、改良施工模板、運用夯土機械、強化專業施工、優化規劃設計，對夯土墻體進行加筋、木柱或型鋼框架、鋼筋混凝土框架的應用，可構建新型建筑結構形式，使墻體和房屋都能形成良好整體，達到增固的效果，從而增強民居的堅固性、節能性、舒適性和抗震性，實現農村建筑的節能、節財、耐用之目的，為新型城鎮化建設中農村社區的可持續發展提供保障和支撐。

圖7 構造柱及圈梁與夯土墻體的連接

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