自承重式秸秆建筑的建造与节能研究

刘崇，谭令舸/LIU Chong, TAN Lingge

1 建成后的瓦格林生态旅馆（摄影：Klaus Hirrich）

2 平面图

3 剖面图

山东省住房和城乡建设厅课题（批准号：2156102）

4 对工厂预制的秸秆砌块进行再加工（作者自摄）

引言

在我国秸秆材料及其建造技术正成为实现建筑低能耗的一种有效途径。通过一系列示范建设，草砖房在北方已经初步形成一套适合于广大乡村的建造技术及其工具系统。上海世博会万科馆运用秸秆作为设计的主角引发广泛关注，其富有感染力的麦垛建筑造型和外挂秸秆板材的创新应用，为人们提供了亲近自然的可能。现阶段充分发挥秸秆建筑节能、保温、低造价、就地取材的性能，对改变当前趋同的乡村面貌具有深远意义。自承重式秸秆建筑作为生态化的乡土建筑的营建方式，是一种通过秸秆砌块本身来构成承重体系的建筑形式。这种体系的优点在于不使用或较少使用混凝土、钢材或者木材作为承重骨架，自重轻，施工方便，生态环保。在秸秆资源丰富的广大乡村地区和旅游景区，这种结构形式有着较高的推广价值。

1 工程概况

由欧洲生土建筑学校建设的秸秆生态旅馆位于德国北部的瓦格林小镇，建筑面积215m2，共4个开间，总长26.5m，高4.5m。卡塞尔大学赫尔诺特·明克 (Gernot Minke)教授主持设计并担任施工监理，来自德国、荷兰、比利时、波兰、西班牙、中国和日本等国家的教师与志愿者共同组成施工团队。这座旅馆建筑的基本单元是由秸秆砌块建造而成的拱券，拱券采用了悬链线（catenary）型曲线，目的是依靠秸秆拱券垂直于地面的压应力保证建筑的稳定。重复的秸秆拱单元既降低了施工的复杂性，又使建筑在外部形象上富有动感和韵律，美观大方。秸秆拱给人以厚重、舒适和安全的感受，南侧的落地窗保证了室内足够的光照，另外对于旅馆建筑，秸秆砖墙具有良好的隔音效果，秸秆拱形成的凹面可以延伸声效，进一步提高空间的吸声特性。旅馆屋顶采用种植屋面，种植佛甲草等植物，加强建筑的保温和隔热性能（图1-3）。

2 施工准备

施工现场需要由具有秸秆或夯土建筑施工经验的专业人员担任监理，其职责是负责现场的调度、质量检测和气象防护，对施工安全和材料中的水汽含量进行监测，并记录施工日志。在施工现场散落的秸秆是一个重要的火险源，所以现场应该定期打扫，严格按照规范布置灭火设备，严禁明火作业。

构成连续拱券的秸秆砌块由工厂预制，由小麦秸秆作为原材料经过高压捆扎而成，需要保证密度不小于90kg/m3，砌块含水率不超过其总重量的15%[1]。进入现场的秸秆砌块，需用帆布进行严密的保护，防止雨淋与受潮。贮存时将秸秆砌块按长度进行标记，分开堆放在干燥的厚木板上。项目选用了标准厚度为365mm、导热系数为0.045W/m2的预制砌块。

在工作车间内，链锯工作台把工厂预制的秸秆砌块的截面加工成砌筑拱券所需要的梯形截面。工作台由“切割单元”和“输送单元”组成：安装在左右两侧的链锯组成切割单元，用以把秸秆砌块的侧边切割成砌筑拱券所需要的角度；安装在底部的平台是输送单元，用以向链锯构成的切割面输送砌块（图4）。

3 建造流程及技术要点

3.1 地面与基础

地面与基槽开挖之后，施工人员需要用三七灰土对槽体进行防潮和夯实处理。然后技术小组成员需要铺设350mm厚的泡沫玻璃垫层，并再次夯实，之后设PE箔片隔汽层，这样有助于阻隔地面的水分通过毛细作用进入基础上方的墙体，抑止秸秆砌块的腐烂。捣实的碎泡沫玻璃处于高度密实状态，它的导热系数λ在0.06～0.08W/(m·K)之间[2]，具有良好的冬季保温和夏季隔热性能。秸秆墙与基础和地面的下部连接需要保证不会形成热桥，并且这个区域的秸秆和抹灰需要考虑防溅水保护，通常在泥土抹灰外再设置一道防水石灰抹面。另外在条形基础与墙体之间使用防潮砂浆，防止地基中的水分渗入墙体内部（图5）。

3.2 墙体砌筑

5 墙体与基础、地面连接图（2.3.5设计：赫尔诺特·明克，作者改绘）

生态旅馆整个北立面和南立面的拱形雨棚由加气混凝土砌块砌筑而成。在进深方向，基础的上方首先砌筑1.20m高的加气混凝土矮墙，它对秸秆拱券起到支撑作用。混凝土矮墙完成后，即在矮墙之间插入预先制作的拱形模板，在模板上方进行拱券的施工（图6、7）。上下层秸秆砌块之间以木条垂直插入的方式进行加固，木条插入的深度约为砌块厚度的两倍半。5个相同跨度、高度的秸秆拱共同构成重复的空间单元。

6.7 秸秆拱的砌筑（作者自摄）

8 项目负责人参与对秸秆拱施加预应力

9 砌筑秸秆墙体

10 墙内不利的窗户位置

11 墙与窗结合位置构造

12 不同抹灰材料的蒸汽扩散系数（图片来源：赫尔诺特·明克等，2007）

13 对秸秆拱顶进行喷涂抹灰（作者自摄）

14 旅馆内部空间 （摄影：Klaus Hirrich）

表1 不同配合比的石灰抹灰的蒸汽扩散系数μ值（数据来源：赫尔诺特·明克等，2007）

在完成每个拱顶的结构施工后，需安装预应力拉索，对拱顶施加预应力，以提高其屋顶结构的承载力、加强其稳定性。拉索在开间方向环绕秸秆拱的上方，两端通过棘轮拉紧器和混凝土矮墙中预埋的锚栓相连。每个秸秆拱需要多个拉索共同施加预应力，拉索的间距是根据拱顶所需预应力和拉索材料的类型来确定的（图8）。

为保证结构的刚度和稳定性，秸秆承重墙的墙高与墙厚的比值一般不应超过5∶1，自承重式秸秆拱的实际高度与墙厚的比例应通过结构软件的计算确定。如窗凹进秸秆墙内较深，容易产生热桥并在冬季蓄积冰雪残留物（图10）。理想的构造方法是将窗户置于窗洞中央并附加隔热材料来阻断可能的热桥效应（图11）[1]。

3.3 抹灰

抹灰既阻隔水汽进入秸秆砌块，又是秸秆结构防火的主要屏障，它还可以提高建筑的蓄热性能。在秸秆拱内外表面抹灰之前，砌块局部突出室内墙面的秸秆，需要用电动修剪机等工具进行修剪，将墙面修整平滑，然后用混合了秸秆的轻质粘土，填实墙面的所有缝隙和孔洞，采用玻纤网连接不同材料表面的接合处和墙面的转角处，以加固灰浆的作用，防止产生裂纹。

室内和室外一侧的抹灰材料的选择应依据“入难出易”的原则，以防止过多水蒸气渗入秸秆砌块内部，而已进入砌块内部的水蒸气可方便地逸出，避免砌块内部水汽聚积，造成结构损伤。抹灰的材料可以选用粘土、石灰以及石灰与水泥的混合物。粘土有能够吸附水汽的特性，对调节室内空间的空气湿度起到积极的作用。在空气湿度可能超过70%的浴室，用粉刷乳胶或亚麻籽油清漆等防护层的方法增加抹灰材料对水蒸气扩散的抵抗能力。

抹灰工作需进行3遍。第一遍使用压力泵进行喷涂，灰浆中粘土含量较高，目的是保证秸秆砌块外表面纤维和抹灰层紧密连接，同时进行表面的初步找平。第二遍抹灰较薄，需要使用含细沙量和麻纤维混合物较多的灰浆，以减少干燥过程中产生的裂纹。第三遍抹灰的灰浆应严实而牢固，形成总厚度50mm的平整面层。

秸秆拱的室外抹灰原料由1份石灰与3～4份砂组成，并在石灰中额外添加5%的水泥以加速抹灰的硬化。底层抹灰仍采用高压喷射的方法使砌块中的杆茎充分湿润，而在第二层涂层中需要设置加固网以阻止裂隙的产生。添加憎水剂、刷油漆面层或设置溅水板可以满足秸秆外墙对于溅水防护的要求。

3.4 屋顶种植

覆盖有植被和种植土的屋顶可加强建筑的保温隔热性能，有助于使室内保持适宜的温度。进行施工作业之前，需要使拱顶外表面的抹灰完全干燥。在抹灰层上方，由外到里应完全覆盖过滤层、蓄排水层和和防水层。秸秆拱之间采用暗沟排水的方式：两个连续秸秆拱之间的水平排水沟与覆盖拱顶的排水层相搭接，拱顶种植土中多余的水分通过过滤层渗入蓄排水层，然后汇集到秸秆拱间的水平排水层、进入落水管并流入地下的雨水管井。种植土的厚度决定于结构承载力、建筑的保温要求和所种植物种类，项目中的种植土厚度为250mm。土壤中的养分不宜过于充足，以避免植物生长繁茂，扎根过深而破坏屋面的防水层。

4 节能分析

在相同气候环境下，将生态秸秆旅馆与等同节能设计标准的砖混结构房屋进行对比计算，保证砖混房屋的形状、体量、朝向、内部的空间划分和使用功能与生态秸秆旅馆完全一致,以分析两种体系围护结构的热工性能[3]。

4.1 建筑热工性能计算

4.1.1 秸秆拱K值计算

旅馆连续拱券的结构单元由秸秆砌块组成，砌块通过压缩机预制生产而成，标准厚度为365mm。秸秆砌块采用垂直砌筑，形成隔热层，这样可以使热传递方向垂直于秸秆茎，综合测算其导热系数为λ=0.045W/m2。根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016[4]，秸秆拱的传热系数（k值）计算如表2。

秸秆拱的计算传热系数k=0.105W/m2·K，达到了被动式超低能耗建筑围护结构传热系数不大于0.15 W/m2·K 的要求[5]。

表2 秸秆拱传热系数K值计算

15 秸秆拱围护结构得热失热计算模拟图

16 粘土多孔砖围护结构得热失热计算模拟图

17 围护结构各月模拟计算比较图（15-17图片来源：作者自绘）

4.1.2围护结构得热失热模拟计算

围护结构热稳定性是指在周期的热作用下，围护结构本身抵抗温度波动的能力。围护结构的得热失热能力是影响房间热稳定性的重要因素。运用Ecotect软件，建立秸秆生态旅馆热环境模型，对其围护结构的得热失热进行模拟分析，情况如下：蓝色到黄色为由失热到得热的过程，失热越多，蓝色范围越大，颜色越深，反之亦然。

由图10可以看出，秸秆拱结构从10月到次年3月处于失热状态，最冷月1月围护结构月平均失热量为21.14kWh；最热月7月围护结构月平均得热量为0.306kWh。在相同环境，秸秆拱与等同节能设计标准的砖混围护结构：厚度为490mm的粘土多孔砖墙，15mm厚的石灰抹灰，275mm厚的EPS板和15mm厚的石膏板[6]，由被动房分析软件PHPP计算得到墙体传热k=0.105W/(m2·K)。分析围护结构的k值可以发现：砖混结构达到与秸秆拱相同的传热系数时，粘土多孔砖和保温层构成墙体系统的厚度约为秸秆拱的2倍，在室内空间利用和材料经济性等方面，秸秆拱体系较砖混结构具有一定优势。

将两种围护结构进行模拟计算，图12数据表明：最冷月秸秆拱结构的失热量是砖混结构的20.66%，最热月秸秆拱结构的得热量是砖混结构的2.97%，说明秸秆拱较砖混围护结构而言，在冬季能更好地保温，而在夏季又能够减少热量进入，起到隔热的作用。

4.2建筑节能效率与碳排放

运用Ecotect分析软件，对秸秆拱生态旅馆进行年能耗计算（图14），得到建筑采暖年能耗为42.54kWh/m2。对比德国现行节能条例（EnEV）中规定的典型新建建筑的采暖热耗限值：45kWh/(m2·a)[7]，秸秆拱旅馆年采暖热耗小于限值，属于低能耗节能建筑。秸秆拱旅馆与等同节能设计标准的砖混建筑相比，建筑全年采暖、制冷的能耗值仅为后者的24.93%.

针对秸秆拱旅馆进行连续72小时区域模拟测温，选取时间为瓦格林镇年平均最冷时段2月2-4日，测试周期内室外平均温度为零下1.6℃，设置测试期间旅馆门窗均处于关闭状态[8]。在冬季无人居住且无供暖的条件下，测量数据整理如图15所示，室内温度与室外温度变化趋势基本呈正相关，但两种围护结构相比较秸秆拱旅馆的室内温度变化趋势受室外温度变化的影响较小。在自然条件下0∶00～24∶00的24个小时中，年最冷日2月4日室外温差为6.4℃，而秸秆拱室内保持在一个稳定的温度范围日温差仅为1.8℃。同时秸秆拱室内温度比砖混结构平均高4℃左右，说明秸秆拱结构具有良好的热惰性同时室内更为舒适。

如图16所示，蓝色多边形表示热舒适区域，青色区域代表被动式太阳能采暖的得热量。计算秸秆拱旅馆的窗墙比为0.21，根据焓湿图分析得出：设计中采用被动式太阳能采暖策略，能够提高建筑4月、5月和9月大部分时间的室内舒适度。

建筑材料因加工和运输导致的碳排放是影响建筑全生命周期内生态效益的另一关键因素，依据建筑碳排放计量标准（中英文对照）和碳排放计量方法的相关文献，了解主要建筑材料的生产过程、能源消耗情况，归纳汇总结两种结构相关的建筑材料碳排放系数（图17）。依据不同建筑材料生产阶段的碳排放因子，对砖混、秸秆拱两种结构进行碳排放定量比较，建筑材料生产阶段的碳排放计算公式为：

其中：

Eei为第i种建材的碳排放系数；

Mi为第i种建材的使用量；

S0为屋面表面积。

根据秸秆拱旅馆测算数据（表3），其全部材料的碳排放总量为6380.46kg，相比于等同节能设计标准的砖混结构房屋的砖混结构建筑（图18），其全部材料的碳排放仅为后者的16.20%。因此合理使用秸秆建材可以有效减少建筑温室气体的排放。

18 德国现行条例中规定的新建建筑采暖能耗限值

19 建筑逐月能耗分析

20 建筑室内外温度变化图

表3 秸秆旅馆与参照建筑比较

21 采用被动式太阳能供暖焓湿图

22 欧洲建材加工阶段的碳排放因子（kg CO2kg）（数据来源：http//www.greenspec.co.uk）

23 不同围护结构碳排放比较（18-21,23图片来源：作者自绘）

5 结语

现阶段，我国正处于城镇化不断加速发展的历史节点上，秸秆材料在建筑中的应用，有助于改善我国乡村居民居住环境，促进乡村建设的可持续发展。秸秆建筑以其良好的热工性能，突出的生态性价比及低廉的造价，在新农村建设中具有广阔的应用前景。在我国，秸秆建筑建造技术的研究和推广尚处于起步阶段，希望能抛砖引玉，为秸秆建筑的营建与发展提供借鉴。

[1] 赫尔诺特·明克，弗里德曼·马尔克编著，刘婷婷译，秸秆建筑[M].北京:中国建筑工业出版社.2007:56-60,36-37,44-45.

[2] 刘加平.建筑物理[M].北京：中国建筑工业出版社.2009.8:164-165.

[3] 河北省住房和城乡建设厅.DB13(J)/T177-2015,被动式低能耗居住建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社.2015.8.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50176-2016,民用建筑热工设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社.2016.8.

[5] 中国建筑科学研究院.GB50189-2015,公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社.2005.4.

[6] 中国建筑标准设计研究院.06J123,墙体节能建筑构造[S].北京：中国计划出版社,2007.3.

[7] 德国能源署，住房和城乡建设部科技发展促进中心，住房和城乡建设部建筑节能中心.中国建筑节能简明读本—对照德国经验的全景式概览[M].北京:中国建筑工业出版社.2009:22-23.

[8] 刘崇，张睿，谭良斌.鲁甸地区传统夯土建筑的节能与发展初探[J].世界建筑,2017.01:101-102.