木塑复合材料在现代斗拱中的应用初探

■刘 毅 陈绍禹 郭洪武 高建民

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083)

斗拱是我国传统木构架建筑中特有的一种构件，至今已有两千多年的历史，被认为是中华古典建筑精神和文化气质的代表符号，也是传统建筑重要的结构部件和古代区别建筑物等级的重要标志[1-2]。随着时代的发展变迁，建筑技术的不断进步，斗拱这种建筑形式的主要作用已由立柱与横梁之间的支承结构、加强整体框架的稳定性，逐渐转变为一种极具民族传统文化特色的装饰元素[3]。斗拱作为一种传统建筑元素应用在现代建筑中，不仅可以继承和发扬我国传统建筑文化、丰富建筑装饰形式，若可将新式斗拱与现代建筑结构、技术相结合，使之成为建筑结构的有机组成部分，则更能契合我国传统建筑“结构装饰美”的核心思想，充分体现建筑受力构件与装饰艺术的完美结合。

近年来，在民族意识不断抬升的背景下，斗拱作为我国传统建筑的典型符号，备受人们亲睐，在各地的仿古建筑、公园广场（图1）、公共建筑（图2）、商业（图3）、寺庙、雕塑等现代建筑装饰中得到了大量体现和运用，其中具有代表性的如上海世博会中的中国馆（图4）。

1 斗拱的现代化改造

传统建筑斗拱（图5）采用木作营造，结构层次多，装饰效果精致繁复、绚丽夺目，但木材消耗高、装配精度要求严格[4]，若人工制作更是耗时巨大，且木材易腐朽虫蛀，后期维护成本高。为了继承和发展传统斗拱形式，根据新材料、新工艺以及新设计思路的发展情况，人们对斗拱进行了一些现代简化和改造的尝试。例如，中国专利CN22063 1 4公开了一种“砼构件装配式斗拱组合”，其斗拱组合件均采用混凝土制作，与传统木构件相比，具有坚固耐久，建造施工简便，工程造价低等优点，且能同混凝土建筑结构很好结合；中国专利CN2561850Y公开了一种“金属斗拱”，将金属薄板制成中空状构件，可进行表面装饰，具有自身轻、制造安装方便，建筑造价低的特点；中国专利CN2561850公开了一种“金属斗拱”，中国专利CN201 924508U公开了一种“金属斗拱中的斗”，两项专利分别将斗拱的拱身和斗体设计为中空敞口形式，使自重大为减轻，具有自身轻、安装简便、成本低的特点；中国专利CN2021 70590U公开了一种“金属斗拱”，采用中空斗体，在内部填充铝蜂窝芯，使得在减轻重量的同时大幅度地增加了自身强度。

但是，已有的斗拱制作工艺要么完全沿用传统木作法式，使用实木制造，应用于仿古建筑设计；要么采用金属板、混凝土等现代建筑工业材料进行创作。以上两种斗拱的制作方式中，传统实木工艺制作，虽能真实保留传统斗拱形式，但缺乏时代感，造价高，工艺要求严格，其使用材料也不符合低碳节约、经济耐用的现代使用要求，只适合应用于中小型仿古建筑的建造与修缮。而混凝土、金属制作的新式斗拱，虽用材、工艺和装饰形式上都体现出了较强的创新性和时代性，但其性能存在不足之处，应用具有局限：砼斗拱构件自重大、加工精度粗糙，尺寸具有误差，对建筑结构有较大负荷，只适用于混凝土框架结构，且装饰效果不尽理想；薄壁金属板斗拱虽自身质量和强度具有较大的适应性，可广泛适用于大中小型钢结构、混凝土建筑，但金属耐火性能差，尺寸变形明显，且材料质感也明显不同于传统木质材料。

2 木塑复合材料及其加工特性

木塑复合材料是指利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等塑料粒子代替通常的树脂胶黏剂，与50%以上（质量比）的锯末、木粉、秸秆等生物质纤维通过熔融混炼[5]、加工而成新型复合材料。主要加工方式同塑性材料相似，有挤压、模压、注射成型等，可用于生产板材、管材、型材等材料。木塑复合材料具有原材料来源广泛、节约资源、材料机械性能优良、加工性能好、强重比高、着色性良好、耐水耐腐耐磨、可回收利用、改性容易、视觉更自然等优点。目前，已在建材、家具、物流包装等领域得到了广泛应用[6]。

■图1 西安开元广场■图2 高铁南京南站■图3 某酒店大堂■图4 上海世博会中国馆■图5 故宫太和殿■图6 木塑复合材料■图7 带中心柱木塑斗拱主视图■图8 带中心柱木塑斗拱侧视图■图9 木塑斗拱紧固连接局部图■图10 木塑斗拱端面局部图■图11 装饰性斗拱主视图

挤出成型工艺是一种效率高、成本低的现代生产技术，是一种将物料通过挤出机螺杆旋转推动前进，经混炼、加热、塑化、加压后，以流动态连续通过机头模具成型制成各种截面产品或半成品的方法，主要应用于热塑性塑料和橡胶的加工，可用于制造各种连续性等截面制品如管材、型材、板材、薄膜、密封条等（图6）。

3 利用木塑复合材料设计制造斗拱的探讨

笔者设计了一种利用木塑复合材料制造的新式斗拱，设计主要出发点为制作简单、安装方便，适应性较强。斗拱可拆分为若干组合部件，采用木塑复合材料挤出工艺在工厂一次成型生产，具有系列规格，现场施工时，只需根据工程设计图纸和实际情况，进行切割、钻孔与组装即可，该种斗拱生产效率高，装饰效果好。

该木塑斗拱（图7-11）由斗口、中空封口木塑拱构件以及紧固连接件、中心柱构成。斗拱主体拱构件由多层木塑拱通过层叠差错组合而成，相同层构件相互平行设置，相邻两层之间彼此垂直设置，拱构件的层数和尺寸由实际尺度需要而定。每一木塑拱构件由木塑中空管方材和两端的封口盖板两部分组成，其中中空管方材可以通过调节挤出机头模具的样式在内部增设加强筋，以增强材料的力学性能，适应大尺寸、较大载荷的斗拱形式；盖板为挤出的木塑板材根据尺寸要求经裁剪而成，再通过环氧树脂等耐候性强的胶黏剂粘接在管方材两端，形成封口，以防止灰尘、杂物、雨水及鸟类进入管方材，同时美化造型（图10）。斗口是将四块矩形木塑板材包覆于立柱端头，以起到连接立柱与斗拱结构的装饰作用。在拱构件装配方面，各层拱构件之间可采用胶黏剂粘合、圆棒榫紧固连接等形式，采用圆棒榫连接时，钻孔后，先在孔内固定配套预埋件，为圆棒榫连接提供转接单元，之后上下两孔相对，便可用圆棒榫将其紧密相连，为保证强度，每个连接点采用两个圆棒榫连接（图9）。

该木塑斗拱具有较为广泛的适应性，既可应用于木结构、钢结构、混凝土立柱钢木屋顶等多种小型建筑形式，也可将其作为装饰要素附着与大型混凝土框架结构立柱。当此木塑斗拱应用于木结构、钢结构等小型建筑时，其可通过在斗拱之中加设中心柱的形式承接一定载荷。中心柱起主要承重作用，木塑拱构件主要起装饰作用，仅承担少量载荷，中心柱为实心钢柱，贯穿于整个斗拱拱构件之间，上下两端以焊接、预埋件、螺栓等形式分别与建筑立柱与屋顶相结合。此时，该木塑斗拱不仅可以起到良好的装饰作用，产生文化、美学价值，更将斗拱与建筑结构进行了结合，契合了传统建筑结构美的思想（图7）。而当此木塑斗拱应用于大型混凝土框架建筑，其自身无法承担载荷，则不使用中心柱，仅通过切割，将此斗拱贴合在原结构立柱表面，起到立柱与屋顶间的过度装饰作用，同样具有其文化、装饰价值（图1 1）。此外，木塑复合材料具有更加接近自然材料的纹理及视觉质感，并可以方便染色、设计多样化的板材表面纹路，具有更加独特和丰富的装饰效果。

本设计提供了一种制作、结构简单的木塑复合材料斗拱，其优点在于采用挤出成型工艺，批量化生产，生产效率高，生产成本低；木塑材料机械性能好，耐候性高，强重比高，低碳节能。该斗拱形式独特新颖，加工安装简便，适用性强，在保留传统民族建筑风格的同时，兼具创新性，丰富了新式斗拱的样式，促进了斗拱在现代建筑上的应用。

[1]冯强.斗拱结构在现代文明中的符号化进程[J].天津城市建设学院学报,2011,17(2):82-85.

[2]张玉金.古建筑斗拱特征探析[J].家具与室内装饰,2007(08):28-29.

[3]潘谷西著.中国建筑史[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[4]潘德华著.斗拱[M].南京:东南大学出版社,2004.

[5]牛笑一.木塑复合材料及其发展. [J]家具与室内装饰,2011(01):88-89.

[6]王清文,王伟宏,等编著.木塑复合材料与制品[M].北京:化学工业出版社,2007.