更新改造模式對大理傳統白族民居整體性能的影響

趙 靜，李筱琪

（大理大學工程學院，云南大理 671003）

大理傳統白族民居是大理地區白族傳統的以木構架為主的合院式民居，經濟發展和功能需求的改變，傳統民居的更新改造不可避免。

1 傳統的民居形式及存在的問題

大理傳統白族民居是帶廈廊的合院式民族建筑，平面布局形式有一正一耳、一正兩耳、兩房一耳、三坊一照壁、四合五天井和六合同春等。傳統白族民居承重結構為木構件承重，木構架一種是由山架、穿斗式構架，設有中柱；另一種是中間的兩榀的中間架，為便于室內空間的靈活使用皆不設中柱，用抬梁式構架〔1〕。各榀屋架間搭以縱向的承重檁條，以及聯系用的枋木，檁條上釘上椽條，傳統民居的墻體主要有夯土墻、土坯墻、磚墻、卵石墻等。白族傳統民居的屋面主要構件是筒瓦和板瓦〔2〕。

根據文獻〔3〕研究，傳統民居在現代社會環境中主要存在以下的問題：

（1）傳統普通民居設計和功能上的缺陷，無法滿足居民的現代生產生活方式，導致對傳統普通民居的滿意度遠低于現代鋼筋混凝土建筑。

（2）傳統普通民居建筑材料的耐久性不足和施工過程的不可控因素，直接影響了民居的結構性能。

2 目前傳統民居更新改造的模式

民居是活態的建筑，不斷的更新發展是民居的基本屬性，并且更新改造的實踐是通過民居使用者自發地進行，形成不同的更新改造模式。

2.1 以提升功能空間為目的的更新改造模式隨著社會經濟水平的提高和生產生活方式的改變，傳統民居在空間布局和使用功能上都不適應現代的居住需求。與此同時大理地區旅游業發達，在旅游蓬勃發展的地區，許多民居還兼具旅游服務的功能，空間功能增加，導致民居的更新改造發展迅速，實際施工案例較多。

如圖1 所示，大理傳統民居營造的居住環境與現代的審美要求區別較大，在更新改造的過程中，居住環境的改造是重點，主要改造的是院落地面鋪地，增加水景，布置照明系統，建造符合市政排放要求的給排水系統，人畜生活區分離，極大地改善了居住空間的衛生環境，使得傳承幾百年的傳統民居融入了現代居住環境的風格。

傳統民居的平面布局主要為滿足居住和農耕生產活動等，然而現代生產生活方式發生了巨大的變化，農業生產不再是主要的生產方式，生活模式也在發生著巨變。從圖1 中可以看出，傳統民居的二層空間，一般都是作為儲存、祭祀的空間，而在現在的民居更新中被改造為具有現代生活設施的起居室和臥室等。

圖1 大理傳統民居的布局更新（攝于王家院）

傳統民居原來的使用者，從事的主要是農耕活動，往往人畜共居，在居住空間內部完全沒有考慮排污和給水等問題，而具備衛浴設施是現代居住空間中一個非常重要且必不可少的部分，如圖1 所示對傳統民居中的衛浴設施更新改造，普遍存在于所有的民居更新改造中，區別在于不同使用者采用不同的改造方案。

綜上所述，傳統民居存在的所有不能夠滿足現代居住需求的缺陷，在目前已完成的更新改造的工程實例中，都進行了更新改造，使得傳統民居具備現代居住必需的電氣系統、給排水系統等，這是傳統民居原本不具備的功能，為了實現這些功能在更新改造的過程中必須采用新的材料，采用原本不會用于傳統民居的建造構造材料和措施。

如圖2所示的更新改造模式主要是針對功能空間的改造模式，此種類型的改造能夠提升傳統民居的居住品質，在旅游業發達的地區和經濟較發達的地區需求較大，完成的工程實例較多。而在經濟欠發達地區，更新改造的模式的重點并非是提升空間功能，而是保證傳統民居正常使用而進行的更新改造模式。

2.2 以加固性能為目的的改造模式大理木結構民居多采用穿斗木構架形式，這種木構架每榀構架有3～5 根木柱，木柱頂部、中部由穿枋連接，構架上部的短立柱也用穿枋連接〔3〕。其結構的承載能力取決于木材性能、構造質量和使用環境。然而自建傳統民居未納入國家建設管理程序，既無圖紙，也無正規的施工單位，多數民居是由親戚和村民參照別家的房屋搭建而成的，施工質量難以得到保證，會出現新房即危房的情況〔2〕。

如圖2所示，為了保證民居的結構性能，所以傳統民居會進行針對構架系統及維護系統的更新改造工程，尤其在高烈度區，這類更新實踐必須做到既達到技術要求，也要利用農村當地的工匠，總結相關的經驗，進而應用于當地的建設。

對于普通民居木構架加固性能改造模式主要有鐵件加固、斜撐加固和替木加固〔4-5〕等，而在實際施工過程中，介于地方技術力量薄弱的問題，改造后的結構性能無法達到預定加固要求，更嚴重的會因破壞原有結構體系的整體性而破壞木結構原有的結構性能。

圖2 大理傳統民居的結構性能的更新（作者自攝）

3 目前傳統民居主要的更新改造模式產生的問題

傳統民居通過更新改造后，功能發生了變化，使用了新的材料，采用新的構造方式進行建造，民居結構在承擔新的功能的同時也需要面臨新的材料、新的構造方式帶來的問題。

3.1 新材料和新使用環境對傳統民居性能的影響傳統民居建筑材料主要以土木為主，承重結構為木構架，外圍護結構為夯土墻或土坯墻，以粘土燒制的筒板瓦敷設屋面，以木格柵和木面板做樓板，木隔斷做內部空間分隔。如圖3 所示，在更新改造的過程中，當地的工匠會采用現在主流的材料混凝土、磚砌體、鋼筋、水泥砂漿等，使用這類材料與傳統材料性質有明顯區別。

在建造和建成使用期間，新的材料會改變木結構所處的酸堿環境，木材的酸堿性質是木材的重要化學性質之一，研究表明，絕大多數木材呈弱酸性，這是由于木材中含有醋酸、蟻酸、樹脂酸以及其他酸性物質，木材在存儲的過程中也會不斷地產生酸性物質〔6〕。木材和木構件在長期儲存、加工或使用時對外界酸或堿的平衡或者抵制能力，這種能力為木材的緩沖容量。當采用了大量的堿性材料，會改變傳統木結構所處外部環境的酸堿度，會消耗木材本身的緩沖容量。木材是天然形成的有機高分子材料，外部化學環境的改變一旦超過材料本身能夠承載的限制，會嚴重地影響木結構的性能。

如圖1、3 所示，更新改造的傳統民居在施工和使用過程中，處于潮濕環境的比例變大且濕度大，而原有傳統民居在使用的過程中基本上不涉及有水環境，在建造的過程中木結構需要保證接觸環境的相對穩定，過分潮濕和過分干燥對木結構的性質穩定均不利。

圖3 大理傳統民居的結構性能更新的施工過程（來自營造筆記）

木材有從空氣中吸收水分或向空氣中蒸發水分的性質，木材中水分含量的多少和周圍環境空氣中的相對濕度和溫度有很大關系。對木結構建筑用材來說，木材吸濕性是一個重要的性質，是在木結構建筑設計和木構件加工時應考慮的一個因素。在相同的大氣溫度和相對濕度條件下，干燥的木構件在吸濕過程中所能夠達到的最大含水量總是低于潮濕的木構架在解吸過程中所能達到的最小含水量，它們的平衡含水率曲線之間總是不相吻合，存在木材吸濕滯后現象〔7〕。木材在空氣中吸收水分和散失水分的速度相等，達到動態平衡、相對穩定時的含水率即木材平衡含水率〔5〕。木材平衡含水率在木結構設計和木構架加工中具有重要意義，木結構在加工前，必須將木材干燥到與使用地區相適應的平衡含水率，才能保證質量。

在使用過程中，如果使用環境中的濕度、溫度和酸堿度不穩定，木結構材料就會長時間處于物理和化學不穩定的環境，加之長期荷載作用下，會加速木材的化學腐蝕和降低木構架的承載能力，導致傳統民居結構的整體性能下降，甚至無法滿足使用的要求。

3.2 新構造做法對傳統民居性能的影響如圖3所示，為了達到更新改造的功能要求，在建造的過程中，會用磚砌體、混凝土樓面等替代原有的簡單的木隔墻和木樓板等，這樣產生的直接影響就是作用于木構架的荷載發生了巨大改變。荷載統計〔8〕見表1。

表1 荷載統計表

在結構設計中，需要考慮同一時間出現的各種荷載的情況，考慮的主要荷載組合情況為承重能力極限狀態計算時的基本組合和正常使用狀態下的標準組合。傳統民居的開間為3 m。GB 50068-2018《建筑結構可靠性設計統一標準》〔9〕，恒1.3，活1.5。見表2。

表2 樓面荷載計算統計表

木結構中的木構件在長期承受靜荷載時，變形將逐漸增加，若荷載很小，經過一段時間后，變形就不再增加，當荷載超過某極限值時，變形不但隨時間而增加，甚至使木構件破壞，所以必須考慮木構件在長期荷載下產生應力的情況。變形隨時間而增加的性質，即彈性和黏性這兩個性質在木構件承受荷載時，應同時予以考慮。

在恒定的應力下，木構件應變隨時間而增加，如果梁承受的恒載為最大瞬時恒載的60%，受蠕變的影響，大約一年就破壞了〔7〕。木構件使用時承受不超過比例極限的荷載，由于蠕變而形成持續的、速度是遞減的變形，直到破壞時所發生的變形量大約是前一種情況的變形的2倍〔6〕。所以木構架在使用過程中承受的荷載不能夠超過限值太多，新的構造做法會大幅度地增加木結構的承載力，導致木構架的破壞。

建筑木構件長期承受較高的荷載，木材含水率的變化對于木構件的長期變化是有影響的，特別是在高含水率的情況下，傳統民居常用的云南松等針葉樹材在含水率不發生變化的條件下，施加靜力荷載小于木材比例極限強度的75%時，可以認為是安全的。但是含水率變化條件下，大于比例極限強度的20%時，就可能產生蠕變，隨時間延長最終會導致木構架破壞。

木材產生塑性變形需要的荷載比產生黏彈性變形要大，當塑性變形出現后，纖維素的結構破壞，因此，荷載超出木材的持久強度，木構件會破壞，超過越多，破壞越快〔7〕。

木材這類黏彈性材料在外力作用下產生變形，長時間觀測就會發現，如果變形不變，對應此恒定變形的應力會隨著時間延長而逐漸減小，木材這種恒定應變條件下應力隨著時間延長而逐漸減小的現象稱之為應力松弛現象〔6〕。木材的應力松弛是木材承受靜荷載后，在應變為常數的情況下，應力損失的時間速度〔6〕。開始的荷載要大，借以產生應變，但是為了保持應變為常數，必須使荷載隨時間而遞減。如圖3所示，在民居的更新改造過程中，為了改善功能，加固性能，木構架的荷載不僅不遞減，還大幅度地增加。

在實際的更新改造過程中，潮濕的環境、不穩定的酸堿度、荷載增加對于民居傳統木構架的性能都提出了新的挑戰，需要有可靠的措施解決其帶來的不利影響。

3.3 不同結構形式組合使用對傳統民居性能的影響如圖3所示，傳統民居在更新加固的過程中，為達到提高性能的目的，會利用鋼結構框架與原有的木結構共同工作，兩種截然不同的結構形式組合使用，是否能夠協同工作以及對結構性能提高的貢獻，是需要科學驗證的。從理論上，鋼結構框架是剛性結構，而傳統木結構的木框架是柔性結構，各節點體現的是半剛性的結構性能，所以在水平荷載等作用下，兩者抵抗荷載的途徑截然不同。將兩者組合，沒有可靠的設計分析和解決連接問題，不僅沒有辦法提高結構性能，甚至反而削弱傳統民居木構架原本的柔性結構的抗側力性能。

4 可能的解決措施

（1）針對更新改造過程中帶來的使用環境的改變，在改造前必須對原有的木構架提前進行處理，需要對木材料的表面缺陷進行嵌補，采用高分子材料進行防腐處理，以提高木結構材料抵抗新環境帶來的不利影響的能力。

（2）提升空間功能方面應在保持原有材質的前提下，采用對原有木構架整體性能影響較小同時又能夠實現功能的構造方式，比如采用隔音棉夾層木板墻、輕型木結構墻體等。

（3）通過可靠的理論分析計算和實驗分析，明確更新改造過程中對原有木構架性能的不利影響，提出可靠的改造方案以及標準構造圖集以指導傳統民居更新改造的工程實踐。

（4）用現代工程管理和質量控制的方式來指導工程施工，才能夠保證傳統民居結構的更新改造后的安全性。需要對原有的業主和工匠組合進行更新改造的工程實踐的模式進行變革，以解決傳統民居建造工匠因知識儲備和經驗不足帶來的更新改造過程中的技術問題，一味地以滿足功能性要求而對傳統民居進行野蠻的破壞性改造是對傳統民居的破壞，特別是一些建造年代久遠的傳統民居。

5 結語

大理傳統白族民居在現代化更新改造之路的實踐中，為了解決功能需求采用了原本傳統民居不曾使用的新材料和新的構造方式，為民居的發展探索出新的方向，然而在實踐中，更新過程中的措施也改變了傳統民居的使用環境和構造形式，對更新改造帶來的不利影響進行定性的分析，提出可能的解決措施，為大理傳統白族民居的更新改造之路提供科學的技術支持。