紙材料在臨時(shí)性建筑中的應(yīng)用研究
——以帳篷為例

文／田亞男 廣州城市理工學(xué)院建筑學(xué)院 建筑設(shè)計(jì)教研室副主任 講 師 碩 士

韓芷瑩 華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 助理工程師

引言

20 世紀(jì)70 年代，隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展的理念終被提出[1]。如今，“低碳”一詞已經(jīng)成為新的流行元素，低碳環(huán)保的理念越來越深入人心，進(jìn)入了人們生活的每一個(gè)角落。2020 年9 月22 日，習(xí)近平總書記在第75 屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布，中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”，是中國對世界的莊嚴(yán)承諾，也是中國貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，事關(guān)中華民族的永續(xù)發(fā)展。

建筑業(yè)作為碳排放“大戶”，圍繞“低碳”主題對設(shè)計(jì)與建造展開了積極的思考和探索。低碳設(shè)計(jì)與建造將成為未來建筑發(fā)展的趨勢。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)與精致建造，跨學(xué)科整合現(xiàn)有建筑技術(shù)，系統(tǒng)更新現(xiàn)有建筑體系，將對改善人居環(huán)境具有重要的戰(zhàn)略意義[2]。

紙質(zhì)材料由于其經(jīng)濟(jì)性、靈活性、安全性和可持續(xù)性的特點(diǎn)，在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用由來已久，是一種值得探索的新型綠色建筑材料。

1 紙材料在建筑中的應(yīng)用

紙材料作為建筑材料是從日本建筑師坂茂開始的。坂茂在“紙建筑”領(lǐng)域是當(dāng)之無愧的引導(dǎo)者和開拓者，取得了令人矚目的成就。紙材料首次應(yīng)用于建筑是在1986 年，從美國留學(xué)歸國的坂茂，在阿爾瓦·阿爾托（Alvar Aalto）日本特展的會(huì)場設(shè)計(jì)中，因經(jīng)費(fèi)有限，以紙管作為展館的內(nèi)墻、天花板及展示臺，成為了孕育“紙建筑”的創(chuàng)作原點(diǎn)。在這之后，紙建筑在日本以及歐美發(fā)達(dá)國家等地區(qū)快速發(fā)展。1989 年坂茂設(shè)計(jì)的名古屋設(shè)計(jì)博覽會(huì)館，讓他第一次實(shí)現(xiàn)了“紙建筑”的夢想。坂茂堅(jiān)持不懈地對紙建筑進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)和研發(fā)，研究紙的強(qiáng)度，紙管的防水、防火性能及加固處理方式等。經(jīng)過嚴(yán)格的強(qiáng)度測試，最終解決了紙管作為建筑材料的耐久性等問題。1995年，紙管結(jié)構(gòu)獲得了日本建設(shè)大臣頒發(fā)的永久性建筑認(rèn)證，被正式認(rèn)定為建筑構(gòu)件，可以替代鋼筋水泥[3]。2014 年坂茂獲得普利茲克建筑獎(jiǎng)時(shí)，評委會(huì)對坂茂的評價(jià)特別強(qiáng)調(diào)了他對紙管材料的實(shí)驗(yàn)性運(yùn)用。由此可見，紙材料作為建筑結(jié)構(gòu)材料是完全可以應(yīng)用于臨時(shí)性建筑甚至于永久性建筑之中的。

紙作為建筑材料在中國也早有嘗試。2008年，李興剛工作室的作品“紙磚房”在第十一屆威尼斯國際建筑雙年展中國館內(nèi)展出。“紙磚房”使用的建造材料主要是設(shè)計(jì)院存放圖紙的紙箱，以及打印圖紙剩余的紙軸。將紙箱作為“紙磚”，以此砌筑“紙墻”，將打印圖紙剩余的紙軸作為“紙梁”搭建門窗過梁和樓板、屋頂，共同圍合限定出一個(gè)可供起居坐臥、休閑會(huì)客的建筑空間[4]。

2 紙材料的特點(diǎn)

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，紙材料已經(jīng)深入到人們生活的方方面面。紙材料作為一種天然可再生的綠色材料，具有經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等一系列特性。

（1）紙材料來源豐富，質(zhì)量輕：造紙的原料主要是植物纖維，植物纖維天然生長，來源豐富，且成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)。紙的重量一般為32 ～80g/m2，比一般建筑材料質(zhì)地輕。

（2）紙材料的可塑性強(qiáng)：紙材料富有彈性，硬度小，可以在外力作用下輕松折疊或切割，并保持折疊或切割后的形態(tài)。通過對紙材料的合理折疊與切割，可以實(shí)現(xiàn)紙材料的自由伸縮，充分發(fā)揮紙材料的彈性，同時(shí)，折疊紙材料可以節(jié)省存儲(chǔ)和運(yùn)輸空間，降低成本。

（3）紙材料具有吸水性：紙的原材料及其加工工藝決定了紙張具有良好的吸水性能。紙材料吸水后會(huì)發(fā)生形變，最主要影響紙材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（4）紙材料環(huán)保易回收：廢舊的紙材料可以直接回收或再制造，即使廢棄后也能在短時(shí)間內(nèi)自然降解，不會(huì)污染環(huán)境。紙的原料在自然界是可循環(huán)的，取之不盡、用之不竭，是可持續(xù)發(fā)展的綠色材料。

3 一種紙材料快速搭建的臨時(shí)帳篷

從古代游牧部落到今天的信息時(shí)代，帳篷一直伴隨著人類社會(huì)發(fā)展。帳篷作為一種簡易、可快速搭建的構(gòu)筑物，在臨時(shí)性建筑中扮演著重要角色。帳篷因其變換靈活、可拆卸移動(dòng)、運(yùn)輸組裝方便等特點(diǎn)，一直被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、展覽、旅游、體育等各個(gè)領(lǐng)域[5]。故本文提出一種利用紙材料快速搭建臨時(shí)帳篷的設(shè)計(jì)實(shí)施方案。

3.1 技術(shù)方案

該臨時(shí)帳篷由支座、支柱、折疊梁架和頂棚四部分組成（圖1、圖2）。

支座1 包括固定塊11 和安裝導(dǎo)管12。固定塊11 包括若干個(gè)大小逐級遞減的底板111，底板111 從大到小逐級向上排列設(shè)置，且各底板111 的幾何中心與支柱2 的軸線位于同一直線上。安裝導(dǎo)管12 豎直固定連接在固定塊11 上，固定塊11 的外側(cè)壁向安裝導(dǎo)管12 方向逐漸向內(nèi)傾斜設(shè)置，安裝導(dǎo)管12 的內(nèi)徑對應(yīng)支柱2 下端的外徑設(shè)置，支柱2 的下端插設(shè)在安裝導(dǎo)管12 內(nèi)。

折疊梁架3 包括一個(gè)以上的第一板體31、一個(gè)以上的第二板體32 和圓筒；圓筒包括第一圓筒331、第二圓筒332 和第三圓筒333；第一板體31 和第二板體32 的一端轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在第二圓筒332 上，且第一板體31 位于在第二板體32 水平高度上的上方；第一圓筒331 設(shè)置在第一板體31 在遠(yuǎn)離第二板體32 的一端；第三圓筒333 設(shè)置在第二板體32 遠(yuǎn)離第一板體31 的一端；第一板體31 和第二板體32 的兩端分別對應(yīng)圓筒設(shè)有通孔；圓筒的內(nèi)徑對應(yīng)支柱2 的外徑設(shè)置，支柱2 的遠(yuǎn)離支座1 的一端插設(shè)在圓筒內(nèi)。

頂棚4 包括第一雨板41、第二雨板42 和折疊部43。第一雨板41 與第二雨板42 通過折疊一體成型，第一雨板41 與第二雨板42 形成等腰三角形，折疊部43 為該等腰三角形的一中位線折疊形成，且折疊部43 將第一雨板41 和第二雨板42 分成兩個(gè)相等的三角形，第一雨板41 和第二雨板42之間通過折疊部43連接相互傾斜設(shè)置；帳篷通過第一雨板41 和第二雨板42 與折疊梁架3 可拆卸固定連接。

支柱2 的一端與支座1 可拆卸固定連接，支柱2 的另一端與折疊梁架3 固定連接。

一個(gè)帳篷單元包括3 個(gè)支座、3 個(gè)支柱、2個(gè)折疊梁架和一個(gè)頂棚。當(dāng)需要搭建臨時(shí)帳篷時(shí)，將頂棚通過一個(gè)板體折疊形成，可將至少3 個(gè)以上的支柱對應(yīng)插設(shè)在支座的安裝導(dǎo)管內(nèi)；將頂棚固定設(shè)置在折疊梁架上，隨后，將支柱在遠(yuǎn)離支座的一端插設(shè)在折疊梁架的圓筒內(nèi)，完成臨時(shí)帳篷的搭建。為了提高帳篷的防水性，頂棚的頂面可涂設(shè)防水層。由此可見，帳篷的搭建簡單，且可進(jìn)行拆卸拼接；方便移動(dòng)、搭建和存放運(yùn)輸，在不同場合下都可以實(shí)現(xiàn)快速搭建。

3.2 具體實(shí)施

案例選用瓦楞紙板和紙管對技術(shù)方案加以實(shí)施。其中，紙管做支撐結(jié)構(gòu)（支柱），瓦楞紙板做頂棚圍護(hù)結(jié)構(gòu)，瓦楞紙板和紙管組合制成支座及折疊梁架。本實(shí)施方案選用的紙管為4mm厚的圓形牛皮紙管，選用的紙板為五層AB 瓦楞紙板，厚度為6mm，該型瓦楞紙板強(qiáng)度高，硬度大。

在本實(shí)施案例中，共計(jì)搭建七個(gè)帳篷單元。其中，支座的數(shù)量為9 個(gè)，支柱的數(shù)量為9 個(gè)，折疊梁架的數(shù)量為7個(gè)，頂棚的數(shù)量為7個(gè)（圖3）。

3.3 穩(wěn)定性

案例中支座的固定塊由若干個(gè)大小逐級遞減的瓦楞紙板疊合構(gòu)成，瓦楞紙板從大到小逐級向上排列設(shè)置，且各紙板的幾何中心與支柱的軸線位于同一直線上，以保證支座的穩(wěn)定性，使帳篷不易側(cè)翻。同時(shí)，漸變遞減的瓦楞紙板疊加，在穩(wěn)定柱子的同時(shí)可增大與地面的接觸面積，增強(qiáng)其抗傾覆能力。

折疊梁架的板體由瓦楞紙板制成，圓筒由紙管制成。其中，圓筒上設(shè)有用于對板體進(jìn)行限位的板體限位件，這樣能夠防止板體在圓筒上滑動(dòng)，同時(shí)，支柱在靠近折疊梁架的一端也設(shè)有用于對圓筒進(jìn)行限位的圓筒限位件（圖4），這樣能夠防止圓筒在支柱上滑動(dòng)，提高帳篷的整體穩(wěn)定性。在本實(shí)施案例中，板體限位件和圓筒限位件均為螺釘或螺絲。

支柱由4mm 厚的圓形牛皮紙管制成。支柱在上端設(shè)有通孔，頂棚在靠近支柱的一側(cè)設(shè)有通孔，支柱與頂棚通過固定帶固定連接，固定帶分別穿過支柱和頂棚上的通孔設(shè)置。在本實(shí)施案例中，固定帶為扎帶。第一帳篷單元的頂棚在遠(yuǎn)離折疊部位的一端設(shè)有通孔，通過固定帶與圓筒固定連接；第二帳篷單元的頂棚在靠近折疊部位的一端設(shè)有通孔，通過固定帶與圓筒固定連接，以此類推，以保證頂棚的穩(wěn)固性（圖5、圖6）。

3.4 防水性

由于紙材料具有吸水性，吸水后的紙材料力學(xué)性能大大降低，帳篷很容易整體坍塌，給方案實(shí)施帶來很大風(fēng)險(xiǎn)。故防水處理是本案實(shí)施的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，本設(shè)計(jì)遵循“一排二防”的防水處理原則。

排水方面，帳篷搭建時(shí)，一個(gè)帳篷單元的第二支柱高于或低于第一支柱和第三支柱，使得頂棚與第二支柱連接的一側(cè)，高于或低于頂棚與第一支柱和第三支柱連接的一側(cè)，使得相鄰頂棚之間的折疊線所在的直線與水平面所在的平面形成2°～3°的排水坡度，便于下雨天及時(shí)將頂棚間隙的積水排出。

防水方面，為了提高瓦楞紙板及紙管的防水性能，在瓦楞紙板和紙管表面涂飾防水涂料，以防止水分快速滲入紙板或紙管中，從而起到防水、防潮等功效，且成本低廉。

通過以上手段，能夠有效加強(qiáng)帳篷的防水性能，在陰雨天氣下，能夠保障一定時(shí)間內(nèi)帳篷的強(qiáng)度，滿足使用功能。

3.5 模塊化

為了滿足快速搭建的需求，臨時(shí)性建筑常常采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的設(shè)計(jì)理念。在本設(shè)計(jì)中，支座、支柱、折疊梁架和頂棚均為標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，尺寸統(tǒng)一，方便快速搭建、拆卸和運(yùn)輸；帳篷搭建以模塊為基本單元，一個(gè)帳篷至少包括一個(gè)基本單元，也可以根據(jù)使用功能需要，在橫向上無限延伸加建（圖7）。

頂棚可以通過折疊一體成型，當(dāng)不使用帳篷時(shí)，相鄰的頂棚能夠錯(cuò)位相互折疊，便于收納運(yùn)輸（圖8）；當(dāng)需要調(diào)整頂棚的遮雨范圍時(shí)，可根據(jù)需要調(diào)整支柱之間的距離，進(jìn)而改變頂棚在俯視方向上的投影面積，從而調(diào)整頂棚的覆蓋范圍。

當(dāng)頂棚的數(shù)量設(shè)置為一個(gè)時(shí)，頂棚可以通過等腰三角形ABC 板體折疊形成，折疊部為該等腰三角形的中位線，且折疊部將頂棚分成兩個(gè)相等的三角形；當(dāng)頂棚的數(shù)量設(shè)置為兩個(gè)時(shí)，頂棚可以通過平行四邊形ABDC 板體折疊形成：首先沿對角線BC 對折，形成兩個(gè)等腰三角形ABC和DCB，再將兩個(gè)等腰三角形分別沿中位線對折，折疊部將頂棚分成四個(gè)相等的三角形；當(dāng)頂棚的數(shù)量設(shè)置為三個(gè)時(shí)，頂棚可以通過等腰梯形AEDC 板體折疊形成：首先將等腰梯形AEBD 沿中線對折，形成單元2 的折疊部位，確認(rèn)AE 中點(diǎn)B，再沿BC、BD 對角線折疊，形成三個(gè)等腰三角形，最后將ABC、BED 兩個(gè)等腰三角形沿中位線對折，折疊部將頂棚分成六個(gè)相等的三角形（圖9）。以此類推，本設(shè)計(jì)能夠保證在任何情況下，頂棚都可以通過折疊實(shí)現(xiàn)一體成型，且操作方便，結(jié)構(gòu)簡單可靠。通過折疊形成的頂棚設(shè)有敞口，相鄰頂棚的敞口方向相互交錯(cuò)，形成一定的韻律美。

綜上所述，本案例中的帳篷完全由AB 瓦楞紙板和空心紙管制成，使得帳篷重量較輕；標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)，使得帳篷易于拆卸和移動(dòng)，可在不同情況下實(shí)現(xiàn)快速搭建；所有構(gòu)件可循環(huán)再利用，低碳環(huán)保，不會(huì)污染環(huán)境；頂棚表面涂設(shè)有防水層，有效增強(qiáng)了帳篷的防水性能，減少了陰雨天氣對帳篷使用的影響。

結(jié)語

近年來，建筑師熱衷于探索建筑材料，尤其是低碳環(huán)保材料在建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。紙作為一種綠色建筑材料，由于其成本低、可塑性強(qiáng)、通過技術(shù)手段能夠達(dá)到一定的受力強(qiáng)度等特點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用于臨時(shí)建筑甚至永久性建筑中。展望未來，希望通過對紙材料的更深入研究和合理利用，將紙與其他傳統(tǒng)建筑材料結(jié)合運(yùn)用，促進(jìn)紙材料在建筑中的應(yīng)用達(dá)到系統(tǒng)、全面的程度，充分展現(xiàn)建筑與自然環(huán)境融合的智慧。