木結構在人居環境中的建筑物理策略研究

赫 亮

(遼寧省林業科學研究院，遼寧 沈陽 110032)

盡管科技合成復合材料飛速發展，但木材仍在人類的日常生產、生活中扮演著極為重要的角色，是建筑裝潢裝修和家具生產的主要材料。這歸因于木材特有的優勢，即在木材構成的空間內具有調節室內小環境及增加身心舒適度的功能。木材及其制品是經濟建設和社會生活不可缺少的材料，木質材料能為人類生活創造美好居住環境，而居住環境直接關系到人們生理、心理健康。宜居舒適的環境可以提高人們的工作和學習效率，提高生活質量。隨著社會的發展，人們對建筑物理環境(熱、光、聲等)與人體健康的關注日趨凸顯。較其他結構建筑而言，木結構建筑作為一種綠色環保建筑，具有顯著優勢，在我國建筑行業有廣闊的市場前景[1-2]。

1 建筑物理環境

建筑物理環境是通過人的感官反應評價建筑當中的聲、光、熱環境帶來的舒適度，目的在于優化宜居環境、增強建筑質量、改善人與自然和諧共生關系。

1.1 熱環境

我國溫帶大陸性氣候對建筑熱環境影響極為明顯，舒適的熱環境已成為人們對高生活品質的一種追求。建筑熱環境是研究室內外熱環境以及建筑材料的物理化學熱性能，研究建筑熱環境可以支持綠色節能建筑、綠色家居環保理念的發展[3]。

1.2 光環境

光是生活環境中必不可少的組成部分，通過光獲取的信息量可達到87%以上。建筑光環境會影響人們的工作效率，因此對建筑光環境研究，可適當提高勞動效率。

1.3 聲環境

建筑聲環境是室內外建筑質量的重要組成部分，主要包括風雨聲、動物鳴叫聲等自然聲音，交通、工廠等機械聲音，休閑娛樂的各種樂器音響聲等。音樂聲會使得人們身心放松愉悅，提高工作效率；噪聲使人心情躁動，降低勞動效率，長時間處于高分貝噪聲之下會使聽力衰退甚至喪失，因此研究建筑聲環境可加快我國建設生態宜居環境的腳步。

2 木結構建筑物理優勢

木材作為當今四大材料(鋼材、水泥、木材和塑料)中唯一可再生、循環使用的生物材料，一直備受青睞，各種木制家具、工藝品都是裝飾裝修的必備品。綠色宜居理念的推廣，更吸引了人們對木結構建筑的關注。木結構建筑發展歷史悠久，因其良好的使用體驗受到了國內外很多人的喜愛。中國古代就有使用木結構建筑的歷史，近現代因木材資源的短缺，認可度降低，但隨著生態環保意識的提高，人們重新接納了木結構建筑，所以研究木結構建筑的建筑設計理念、用材規范和建造工程技術尤為重要。

2.1 保溫隔熱性

相對于其他材料，木材的熱擴散率低、傳播速度慢，熱量穿透材料的能力差[4-6]。木質結構住宅在夏季具有隔熱性，在冬季具有保溫性，木質建筑墻壁的室內溫度比絕熱墻壁建筑夏季低2.4 ℃，冬季高4.0 ℃，比鋼混建筑冬季高1 ℃[7]。所以使用木材作為裝飾材料的房間，可適當地改善鋼混結構保溫隔熱性不足的問題，提高居室環境舒適性。

2.2 優良的抗震性

現代定向爆破技術拆除違規建筑時，只需要將鋼混建筑的底部破壞，就可解體整棟建筑。這是因為鋼混建筑受力屬于直立型，只要建筑發生受力傾斜就會坍塌。而木結構建筑受到沖擊力時可以減緩沖擊力，使得整體建筑紋絲不動，即使受力發生傾斜也會因木材自身延展性確保木建筑完整無損，大地震中幸存下來絕大部分為木質結構房屋[8]。

中國古代木結構建筑最有名的代表是山西大同懸空寺和朔州應縣木塔。山西大同恒山懸空寺始建于北魏時期(公元491年)，距今已經有1500多年的歷史，全寺背靠陡峭的絕壁，巧用巖石為托，梁柱寺廟以及棧道皆為木質框架式結構，經歷過多次戰爭、地震，仍巍然屹立。懸空寺木結構建筑的抗震原因為巧用榫卯結構，牢牢抓住整體結構，即使木梁斷裂，也不會從石卯中脫落[9]。擁有高達65.84 m塔身的山西朔州應縣木塔始建于北魏，重建于900多年前的宋朝，是中國現存最高最古的一座木結構塔式建筑。應縣木塔抗震的主要原因是其斗栱托檐分力消能、錐形向心力、等面積對稱柱、逐層遞減層高的木結構設計，提高了應縣木塔結構的向心穩定性、整體穩定性[9]。

2.3 環保性能

2.3.1 節能減排

與鋼混結構建筑相比，木結構建筑具有較好的生態經濟效益，其溫室氣體釋放量低、建造能耗低、對建造地土壤的破壞性較小，基本上不會影響土壤的品質，是一個具有節能減排優勢的建筑工程。趙勇[10]通過模擬軟件分析發現，在相同條件下木結構住宅的舒適度優于鋼混結構建筑。木結構墻體的冷熱耗散低于鋼混結構，同溫度下，木結構墻體內部溫度高，所以供暖時能耗消耗降低，節約能源、減少溫室氣體排放。

2.3.2 居室空氣質量

木材本身向空氣中釋放揮發性有機化合物，會影響室內空氣質量，而空氣質量問題是目前建筑物理環境中的難點問題。因此對于木結構的物理研究，必須研究其對室內空氣質量的影響機制。新建木結構住宅釋放一些氣味化合物，產生的味道可以給人舒適感。絕大部分氣味化合物來源于木材內部的可揮發性物質的散發作用，有很多木材的揮發成分具有醫療功效，有的還可以防腐抑菌、凈化空氣。此外，有研究表明：木材釋放的揮發性有機化合物(VOCs)濃度過高也會嚴重降低室內空氣質量，影響身心健康。我國木制品材料對室內空氣質量的研究較多，但對木結構建筑整體的空氣質量研究則相對較少[11]。

2.4 防火性

國內外對建筑結構防火性進行了大量研究[12-17]，對比耐火實驗發現：木結構建筑在發生火災時，主體框架結構仍能牢固完整，為逃生滅火留有充足時間。蔣瞻等[18]發現葡萄牙軟木板保護下的木鋼混合結構防火性能優于木柱自身結合的復合結構件，且在火災中不會產生高溫滴落物，可防止其對人身財產造成危害。

2.5 吸聲性

建筑及城市聲環境是健康建筑質量的重要組成部分[19]，木結構建筑對聲音的影響機理和主動調節機制值得深入研究，為健康的聲環境提供設計理論。

吸聲是聲波在撞擊到物體表面后一種能量損失現象，萬物皆有吸聲之力，只是吸聲的能力大小不同而已。一般材質堅硬、表面光滑、內部結構緊密的材料對聲波反射能力強、吸聲能力差，而表面粗糙、材質松軟且具有內部結構疏松多孔的材料對聲波反射能力弱、吸聲能力強。木材作為多孔吸聲材料受到了音樂藝術家的重視，在木結構建筑的木材空氣層中填放多孔材料，會使木結構的吸聲系數增加。夏燦芳[20]發現木質穿孔板能夠吸收中低頻聲音，通過改變穿孔板的孔深、孔徑、孔面積可獲得不同頻率的吸聲效果。劉鵬輝等[21]通過對不同厚度的木材進行聲波檢測，發現在其他相同條件下，板材厚度增加，聲波在板材內部作用時間延長，損失的能量增加，吸聲性能隨之提高。木材含水率從平衡到接近或高于纖維飽和點，吸聲性能大幅度下降[22]。

3 展 望

木結構建筑在國外已經實現了工業化，我國木結構建筑行業起步較晚，但發展潛力巨大，未來木結構發展應側重以下幾方面。

3.1木結構建筑物理研究涉及多學科交叉，需要通過跨領域多學科的合作研究協同攻關。培養一系列的關于木結構建筑物理的研究人員，包含木結構建筑的設計、生產、加工、裝飾以及維護，每一環節都充分體現木結構建筑的物理職責與能力。

3.2作為建筑物理的三大主要環境，室內光環境、聲環境和熱環境的質量問題就需要得到根本保證，因此應制定和頒布木結構建筑環境相關的質量標準與規范。

3.3優先鼓勵木結構文旅項目，宣傳木結構建筑獨特的優勢，增強我國生態文明建設的基礎。