现代夯土民居的增固策略研究

■ 黄丽玮 Huang Liwei 王万江 Wang Wanjiang

0 引言

我国新型城镇化应是以人为本、城乡统筹、节约集约、生态宜居、和谐持续发展为基本特色，以城市、城镇、新型农村社区互促共进、协调发展的城镇化模式[1]，且必须是以强调民生、可持续发展、提升质量等三策并举为特征的发展方式[2]。因此，在我国农村土地制度再次改革及宅基地确权后，新型农村社区的建设，尤其是在欠发达的西部农村村庄及山区居民的住宅建造中，寻求低成本、高舒适、坚固耐用的民居建造方法，必将成为未来新型城镇化发展的必由之路，也能满足泛广义建筑节能的理念[3]。

目前，学术研究多聚焦于已有夯土或土坯建筑的保护性加固及新型夯土材料的研发，而对新建夯土建筑的增固却缺乏认知。本文首先通过对传统生土建筑的特征及现状分析，确认其节能性、环保性及舒适性良好，但安全性、耐久性和抗震性差，继而提出在建造中，改进生土材料和施工技术、优化建筑结构及更新规划设计理念，探索不同材质框架下现代夯土民居的增固设计方法与策略，为建造舒适、环保、耐久且成本低廉的民居，探索可持续发展的新型城镇化提供借鉴和参考。

1 夯土民居的现状与特征

生土建筑是指使用未经焙烧的土壤或简单加工而成的土坯砖为主体，并辅以木块、石头、秸秆等天然材料建造而成的建筑[4]。由于受社会经济、自然资源等多方面因素的限制，目前，全世界约有1/3的人口，包括我国近亿人依然居住在生土建筑中[5、6]，其主要分布在非洲、南美洲、亚洲等一些不发达地区（包括我国西部），甚至还有少量分布在欧、美、日等发达国家及我国中原和西南地区。夯土民居是生土建筑的一种，在传统建筑中具有十分重要的地位，其总量约占生土建筑的一半以上[7]，其极具特色的建造方式和结构特征，不同于土坯建筑或窑洞居所，是一种建造可控且更能表现艺术魅力的民居建筑。

1.1 材料易得、施工简单且造价低廉

土壤（泥土）是由地球表面岩石经风化形成的矿物质，动植物及微生物残体被氧化腐解产生的有机质，以及水分、空气、土壤生物等所组成，取之不尽、用之不竭，属于可再生资源。生土建筑拆除后，其主体可被环境吸收，在全生命周期内都不会产生废弃物，不仅对环境无副作用，还能维持生态平衡。

夯土民居是以杵等简单工具，将填加在固定模板内的生土材料逐层夯实所营造的建筑物，施工技术简单易学，建造时所需建筑材料的绝大部分都可就地取材，因此成本低廉。甘肃会宁示范区内团队所建的新型夯土民居造价仅为600元/m2，而村民自助建设的造价更低，只需280～320元/m2，相比每平方米上千元的砖混结构，其建造成本大约只相当于普通砖混民居的30%～50%[8]。在当今能源危机、生态危机、环境污染、各地雾霾频现，以及烧砖窑厂广泛被限的大背景下，这种古老的建造方式必将会随着科学技术的进步与发展，在各地重新焕发出新的生机。

1.2 环境适应性及保温节能性良好

（1）通过对我国西部新疆伊宁市“喀赞其”老城区内生土与砖混民居室内热环境的检测可知：在昼夜温差较大的夏季，生土民居室内空气温度变化明显小于砖混民居，而室内空气湿度却远高于砖混民居，具有良好的环境适应性和居住舒适性，其温湿度变化如图1所示。

（2）对其围护结构的热工性能进行检测，得出生土民居墙体传热系数0.82，砖混民居则为1.68，并粗略地计算出生土民居围护结构内部不存在冷凝。利用DeST计算软件动态模拟出采暖季累计耗热量，发现生土民居比砖混民居低51.5%。这充分说明生土民居的围护结构节能保温性能明显优于砖混民居[9]。

虽然个别试验有不同结论，但主要是由于测点布局条件不正确等原因所造成，这也说明了合理设计会具有更加良好的节能效果。同等测点布局条件下，生土民居的气候适应性和保温节能性均明显优于砖混民居，具有良好的宜居性；主要活动区采用“向心型”优化空间结构设计，会更有利于节省能源[10]。

1.3 安全性、耐久性和抗震性差

近年来，在我国局部尤其是西南和西部地区的强烈地震中，生土建筑遭受到极其严重的破坏甚至出现大面积倒塌，造成大量人员伤亡和财产损失。生土建筑材料抗拉、抗剪、抗弯强度差，整体性能不良及低技术建造是导致房屋抗震性能差的主要原因。其破坏主要表现为：①地基薄弱、施工不良，在地震中容易造成墙体倾斜和倒塌；②墙体与屋顶刚性及变形度差异巨大且连接性差，在地震外力作用下极易滑落；③生土墙承载力低下，容易开裂，裂缝延展导致错位、滑动、外闪，甚至塌落。从以上表现中，我们不难发现，承重墙体的破坏是导致房屋倒塌的根本原因[11]，这也限制了夯土建筑的使用和发展。同样地，砖混结构由于建造质量差、建筑层数高、构造措施不力、墙体载力不均、整体性不良等原因，在地震中倒塌也比较严重。可见，加固墙基和墙体、增强房屋整体性，是提高生土建筑安全性、耐久性和抗震性的最好办法，因而对于夯土民居建造中，增固技术与方法的研究也显得非常必要了。

2 现代夯土民居的建造增固策略

图1 生土与砖混民居室内外温湿度测试（2015年7月6～10日）

基于夯土民居特性优良但坚固性差的特点，对生土材料和施工技术进行改进，对建筑结构和规划设计进行优化，发挥特长、改进缺点，建造坚固耐用且舒适低价的居住场所是完全可行的。

2.1 改进生土材料和建造技术

2.1.1 改进生土材料

生土材料保温与隔热性能良好，在加工及房屋建造过程中，能耗极低且无污染，是非常优良的绿色环保建筑材料，但因其强度低、不耐水、稳定性差等缺点，限制了它的广泛应用。因此，改进生土材料的组织结构，提高其使用性能具有非常重要的意义。通过在生土中加入石灰、矿渣、水泥、石膏、粉煤灰等矿物质，或加入织物、红薯淀粉、麻草、秸秆等植物纤维，改进生土建筑材料的强度和耐久性、变形能力与传湿传热性能[4、5]。尽管配比方法多种多样，若改良过度将使生土材料丧失其环保属性，因此，应根据当地的土质特点、地域环境特性及资源配置等，因地制宜地进行选择。

2.1.2 改良施工模板

传统夯土民居所采用的椽筑法和版筑法模板，只能适应于力量较小的手工操作，根本无法满足现代化的机械夯杵。目前，国内外学者已经对模板进行了改良，如欧美已普遍采用混凝土铝镁合金模板，国内则选用竹胶板、型钢、螺杆等常见材料，设计加工成新型的模板体系。新型模板组装灵活、操作简易，而且可重复使用，不仅节省人力和材料成本，也能提高施工效率，还可直接夯筑门窗、洞口、圈梁、常规构造节点等特殊部位的墙体，增强交接处等薄弱环节的结构强度[8]。

2.1.3 运用夯土机械

传统的手工夯杵，不仅费时费力、效率低下，也无法适应现代夯土民居的建造需要。由于传统方法夯筑力量小，造成墙体密实度不均、节点部位夯杵不到位等，导致夯土墙体内生土材料结合松散、强度低下、容易开裂、耐久性和抗震性差。因此，应采用搅拌机混匀生土材料，在充分混合的基础上配合现代新型模板体系，运用现代化的气动或电动夯土机械，对基础、墙基、地梁、墙体等牢固夯实，并夯筑加筋及交接处等薄弱节点，增强整体性以提高其坚固耐用性。

2.1.4 强化专业施工

在乡（镇）或县级政府职能部门引导下，组建专业的施工团队或互助合作组织，选择适宜当地土质的夯土材料配比，按照镇（乡）村建筑抗震技术规程的技术要求对施工人员进行培训。采用全程全责法设计理念，实行专业化施工，使建造全过程由被动转为主动[12]。现代夯土民居的专业化施工不仅能重复利用施工设备和模板，降低建造成本，提高施工水平和建造质量，也能使其在设计、建造、使用及拆除的全寿命周期得到管控，体现统一的地域特征，打造独具特色的新型农村社区。

2.2 优化规划设计与建筑结构

2.2.1 合理规划并优化设计

建造房屋，无论在城市还是农村，都应该把坚固性、舒适性、实用性、经济性及节能环保性放在首位。我国西部农村多为丘陵地貌，在规划选址时应根据地形、海拔、日照等综合因素进行选择，应避开陡坡、洼地、沟底等，不仅要有利于通风和日照，也要有利于防灾或出行。单体与群落布局设计应科学合理，仅就单体而言，可根据地形地貌、家庭状况进行设计，设计成简单的“一”或“L”型、多功能复合型或四合院型；根据功能需要可为1层也可为多层；体型宜简单、规整，采用南北或接近南北朝向，开间不宜大于6m，室内净高不宜超过3m；房间功能布局应合理、紧凑、互不干扰，主要功能区如卧室、起居室等应集中布置在南侧或内墙侧；合理的窗墙比、适宜的窗户构造等，以增强采光效果和保温性能；群落布局宜采用双拼、联排或叠拼式集中布局[13]。

2.2.2 加固墙基并构建地梁

基础处理不善应该是夯土建筑倒塌的主要原因。采用地梁和墙基组合式基础可使刚度增大，且建材用量不会显著增多，施工复杂程度和建造成本也不会明显增高，具有经济性、适用性和抗震性[14]。①通过加深、加宽墙基，在墙基土料中加入水泥、石灰等夯实构成基础底层；②其上铺设碎砖、石块及经防腐处理的废旧钢筋等，夯实并灌浆构成基础上部；③然后用砖砌或混凝土浇筑构建地圈梁，其剖面如图2所示。优良的基础不仅可提升夯土墙基的力学性能，也可提高其防水、防潮、防蛀等耐久性能。基础地梁（地圈梁）主要发挥联系功能，不仅可圈起闭合以增强水平刚度和整体性，也兼作底层填充墙的承托梁，还起到了减缓不均匀沉降作用，如与构造柱密接，可构成抗震限裂体系。

2.2.3 增加构造柱设置圈梁

图2 加强基础

唐山、汶川及近年来的地震中，多处带有钢筋混凝土构造柱且与圈梁组成封闭边框的多层砌体房屋，其墙体在震后仅出现裂缝，但并未倒塌，因此构造柱及房屋的良好整体性在多层砌体房屋抗震中起到了不可低估的作用[15]。圈梁配合楼板及附加马牙槎和拉结筋的构造柱形成完整的整体，可增加房屋的稳定性和整体刚度，减轻地基不均匀沉降对墙体和房屋造成的破坏作用，以抵抗地震外力、减少破坏、抗拒倒塌。

2.2.4 墙体加筋及墙面处理

经实验检测，加筋夯土墙体试片的抗剪强度可提高6%～42%，延展性可提高35%～92%；采用聚丙烯纤维加筋的墙体试片可提高49%的刚度；平行于夯筑方向的加筋钢筋与夯土材料间的黏结强度平均至少为7.5 MPa，远远大于垂直方向[16]；墙体内加入钢质、木质、钢丝网、纤维网、织物等，可大幅提高墙体的抗弯强度和弯曲韧性，以增强墙体的整体性和坚固性。

将Ca(OH)2的过饱和溶液直接喷涂于夯土墙体上，使其与空气中的CO2碳化形成CaCO3，达到人工钙化墙面作用[6]，外墙面固化既能防水，又能美化外墙；另外，应对内墙做草泥涂抹等保温处理，提高民居的热工性能。

3 框架增固现代夯土民居的设计探讨

良好的整体性是房屋坚固耐用的根本保障，采用框架增固是强化整体性的最基本措施。在夯土民居建造中使用木柱、型钢或钢筋混凝土构筑框架，并在此基础上夯筑生土墙体，形成框架下具有良好整体性的坚固夯土建筑。

3.1 木柱或型钢框架增固

传统木结构房屋是以穿斗木构架、木柱木屋架及木柱木梁等框架为承重载体的结构形式。在观察地震后的建筑中，发现带斗拱且整体性好的木结构建筑具有优良的抗震性和坚固性。如位于伊犁察布查尔县，始建于1800年的牛录关帝庙，在历经200多年的风雨和多次地震后，尽管其生土墙体已经倒塌，但其木质构架依然完好无损（图3）。木结构承重虽然坚固耐用但过于复杂，木材用量大且与墙体的连接性较差，难以构成整体，使墙体易于损坏。生土结构房屋则是以横墙为主或纵横墙体共同承重的结构体系，由于生土的特殊属性，无论是夯土或是土坯墙均无法抗拒强烈的外力。因此，应采用框架与墙体共同承重的结构形式，即木柱或型钢为框架，并与生土墙体有机衔接的夯土建筑。

木柱框架是利用木材所具有的天然性、无毒害、无污染、强重比高、保温性好、易加工等特点，使其融入夯筑墙体形成整体而增固的结构形式；型钢框架则是利用了钢材的质轻强度高、塑性韧性好、抗振（震）抗冲击性强、易于加工和焊接、可准确快速装配等优点。钢质框架可广泛应用于村镇的平房（墙体高度≤4.0m）和两层民居（层高≤3.0m）建造，且其造价并不会增加许多。为了便于说明和计算，现以传统的“一”字型民居为例，加柱位置如图4所示，市场价格估算成本增量见表1。

3.1.1 框架与墙基连接

当周朴园望着柜子上相片，又望着鲁妈时，我觉得甚是讽刺，那口口声声说放在心尖上的人，如今站在眼前却不认识。（许滢）

3.1.1.1 木柱框架

图3 牛录关帝庙遗迹

在我国雨水较多的南部地区，木柱应经防腐、防潮处理后楔入柱脚石（柱础），并将后者埋入基础中，以实现末端膨大的锚状固定；干旱少雨且石料缺乏的北方或西部地区，应使木柱置于由实心砖砌或混凝土筑的地圈梁内侧，但不能完全嵌入墙体或基础内，防潮处理后采用石块或混凝土做成垫脚，并使其高出地面或与潮湿环境隔离。为了增强其坚固性还应在木柱下端墙体侧置杆件，并使交接点牢固结合，同时增加斜掌加固（图5）。

3.1.1.2 型钢框架

使用末端焊接杆件且做过防腐措施的角型钢（6mm）深入至墙基，与墙基及地圈梁的连接如图6所示。将完整闭环状角形型钢置于地圈梁中，并与竖向型钢焊接或螺丝固定，使其成为一个整体；若建2层或2层以上楼房，应采用10～12#工字钢作为构造柱和支撑框架。

图4 墙体加柱平面图

表1 木柱、型钢及现浇框架增量成本对比

图5 木柱交接处增固

图6 型钢及墙基与墙体的连接

3.1.2 墙体整体性增固

对于木柱框架，墙体应砌筑在木柱外侧，不能全部包入墙体中；在横纵墙交接处加木构造柱及墙体木柱，并与掺加矿物质或织物的黏土夯实。木柱两侧每升高0.5m，加约1m长的木条或荆条、竹片、树枝等编织的拉结网，并用铁丝牢固连接于木柱；墙体竖向中部应加配有水平钢筋的配筋砂浆带[14]；墙体顶部应用砖砌或木质圈梁，并与木质构造柱牢固连接，使构造木柱、上圈梁构成完整框架以增加整体性和固位性。

对于型钢框架，可在做防腐处理后全部包入夯土墙体内；以型钢为构造柱，在上述部位用钢丝网或废旧钢铁片与构造柱及型钢框架牢固连接；墙体顶部应用加型钢的砖砌或钢筋混凝土构筑圈梁，形成完整框架。

坡屋顶的天花板是不需要较多承重的结构，可选用木板、刨花板、纤维板等密铺，或以木质檩条、角型钢做支撑上覆竹席、芦苇席；为了增强保温性，还可以附上草泥等。将木板、檩条或角型钢置于圈梁之上，并与其牢固连接。需要承重的平屋顶或两层民居的楼板，可采用预制预应力空心板，板间采用灌缝、吊模加筋浇灌细石混凝土等，以加强板与板之间的连接，并做好空心板与圈梁之间的结合。若条件允许，也可采用现浇楼板，其良好的整体性更有利于防止地震外力所引起的滑落。

3.1.4 屋盖结构优化

屋盖是整个民居房屋的最上部结构，宜采用轻质材料且坡度为30°左右的双坡屋顶，不仅能使积雪容易下落，也能使民居做出美观的造型增强艺术性。应与承重山墙和圈梁连接牢固，并尽可能使其成为良好的整体。可采用传统的椽子、檩条、芦苇席、草泥、小青瓦，并在椽间铺设秸秆增加保温层[8]；也可采用轻质彩钢瓦（泡沫板或岩棉板，市场价格约25～45元/m2）做成彩钢屋顶。

3.2 钢筋混凝土框架增固

自1872年世界第一座钢筋混凝土建筑在美国纽约落成，钢筋混凝土以其超强的抗拉、抗压、抗弯曲强度，以及坚固、耐久、防火性能良好等特点，被建筑业和工程界大规模使用。在夯土民居的建造中，引入钢筋混凝土构造柱及框架，是增固夯土建筑的良好办法之一。因其建造成本较高，所以主要用于较大型的夯土多层建筑，如村镇办公楼、学校、医院及多功能建筑体等，也可用于建造较复杂的多层民居。

根据建筑的需要，在墙基加深加宽的基础上采用钢筋混凝土地圈梁、构造柱及圈梁，构建三位一体的完整框架。房屋四角及纵横墙体交界处采用现浇法形成构造柱，在地圈梁上夯筑墙体时，用模板夹隔出绑扎好钢筋，并设置马牙槎的构造柱位置；同时，每升高0.5m，加0.5～1m长钢丝网与构造柱中钢筋绑扎形成拉结筋，以增强墙体的整体坚固性。墙体顶部布置扎接钢筋及墙体内外模板，待墙体干结后抽出构造柱模板，用拌匀的混凝土浇筑，形成承重墙体内构造柱和上圈梁，形成由地圈梁、构造柱、上圈梁共同构建且整体性良好的坚固框架下的夯筑墙体（图7）。为了增强墙体的整体抗震性，可在纵墙中部和横墙的门窗口侧加入两根带拉结筋的角型钢，也可为现浇混凝土柱。

整体现浇楼板能显著提高钢筋混凝土框架结构的抗连续倒塌性能，这已是无可争议的事实[17]。因此，屋顶或楼板均可采用整体现浇。由于形成了平顶式坚固屋顶，可在做好充分防水后，在楼顶加土设计成楼顶花园或配置太阳能发电设施等，既能美化环境，又可隔热保暖、节省能源。

4 结语

高舒适、低造价、低能耗、无污染且坚固耐用，是人类居所建造的必然追求。现代夯土民居的建设是改善贫困农村居住环境和社区面貌的最好选择；同时，延长房屋使用寿命，节约材料、绿色环保及可持续发展都是最好的体现。通过改进生土材料、改良施工模板、运用夯土机械、强化专业施工、优化规划设计，对夯土墙体进行加筋、木柱或型钢框架、钢筋混凝土框架的应用，可构建新型建筑结构形式，使墙体和房屋都能形成良好整体，达到增固的效果，从而增强民居的坚固性、节能性、舒适性和抗震性，实现农村建筑的节能、节财、耐用之目的，为新型城镇化建设中农村社区的可持续发展提供保障和支撑。

图7 构造柱及圈梁与夯土墙体的连接

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