寒地现代木结构屋顶气候适应性研究

苏雨晴 张成龙

(吉林建筑大学 建筑与规划学院，长春 130118)

0 引言

我国地域辽阔，东西经度范围超过60度，南北纬度区间约达50度，并形成多样性气候区。北方寒冷气候区的季节性特征明显，冬季漫长而寒冷，夏季酷热，春秋两季气候干燥且常有风沙天气。这些地域性气候特征是建筑材料和技术选择方面所必须应对的自然条件。木结构建筑具有可持续发展、绿色环保等优势，因此，在严寒地区推广使用木结构建筑形成趋势，而建筑屋顶采用木结构形式，在提高建筑外围护结构对气候的适应性和丰富建筑形象景观等方面具有特殊意义。

2017年1月，国家住房城乡建设部为响应党中央和国务院办公厅等要求，颁布《装配式木结构建筑技术标准》，为规范装配式木结构建筑的设计、制作、施工及验收等方面制定出系统标准。进入新时代，装配式木结构建筑应符合建筑全寿命周期的可持续性原则，应从设计标准化、制作工厂化、施工装配化、装修一体化、管理信息化和应用智能化等方面，进一步研究发展装配式木结构建筑。

屋顶是覆盖建筑物最顶层的围护结构，并且在整个围护结构中所占的面积比重较大，对适应变化性气候的作用显著，并直接影响建筑的舒适度，因此，在严寒地区应特别关注屋顶部分的设计。屋顶又是建筑形象的重要组成部分，而且由于常规视野的美学要求，屋面形态及材料技术方面的选择与创新往往被忽略，仅仅被动满足防水、保温、隔热等方面的技术要求。开展寒地现代木结构屋顶的研究，具有技术和美学方面的双重意义，也是亟待探索实践的课题。

1 寒地现代木结构屋顶形态研究

1.1 中国木结构屋顶形态

中国传统木结构屋顶形式主要有四种基本类型，包括庑殿顶、歇山顶、悬山顶和硬山顶。传统木结构屋顶形态的最大特点就是其反宇的屋面和翘起的檐口，在功能、技术、审美等方面形成统一整体。传统木结构屋顶以榫卯节点为主要连接技术。我国传统屋顶构造技术具有整体的“韧性”特征，能化解部分地震力作用，以及因温度变化引起的“胀缩”变化。屋顶形态飘逸，构造节点精准，体现了我国古代文明的智慧。虽然屋顶形态是建筑围护结构的组成部分，却成为传统建筑的代表性特征。

进入现代社会，由于受材料来源、构造设计以及建造技术等方面的制约，传统木建筑形态特征没有得到传承和发扬。在新形势下，我们应继承和发扬古代智慧中的精华，从传统木建筑中汲取营养，创新现代本土、地域性建筑文化。

1.2 国外现代木结构屋顶形态

现代木结构建筑的发展以北美和欧洲为代表，而且利用木结构形式创造出丰富多彩的屋顶形态。在材料选择上多采用“胶合木”等人工复合材料，形成“工程木”系列，这种工程木或板材不受天然原木尺寸的限制，也可以避免木材中木节、裂缝等的不良影响，经工厂预制成各种形状的截面以满足工程设计和结构方面的需要，从而提高木材的使用率和力学性能。采用金属构件或螺栓等连接方式形成整体。这类人工复合材料应用范围很广，特别是应用到屋顶建筑形态后，对现代建筑产生深远影响。

国外现代建筑的屋顶大量使用木结构，不仅常见于住宅或小型公共建筑当中，在单层大跨度建筑、文化类建筑中也屡见不鲜。木材具有易加工性，通过工业化生产、装配式组合可以形成各种丰富的形态，满足各种优美的曲线屋顶造型的需要。尽管传统观念中认为木材在防火、防潮和防腐等方面有显著缺陷，但是经过现代技术的加工处理后，木材在这些方面的性能已经得到改善与提高。

随着木结构建筑技术的不断发展，屋顶形态更加丰富。例如日本坂茂建筑事务所（Shigeru Ban Architects）与德国让·德·加斯蒂讷建筑事务所（Jean de Gastines Architecte DPLG）合作设计的蓬皮杜中心梅斯分馆(Centre Pompidou-Metz)，坂茂曾在访谈中提到：“我们采用了与竹编工艺相仿的方式，让木构件彼此穿插叠加在一起，这个概念受到我1999年在巴黎一个古董店里找到的一顶中国传统编制草帽的启发”。宛如“帽檐”的木屋顶出挑并覆盖下部展厅，用木结构构成起伏的屋顶形态。胶合木板材经过加工形成一定形态，通过纵横交织连接方式形成一种空间结构，形成通透的大跨度空间。板材之间通过相互连接、交织发挥出空间力学性能，使得整体结构更加稳固，而且可以达到更大的跨度和弯曲度。这种“编织”的木质结构体系跨度可达50多米。从交叉网格之间摄入的光线在室内产生斑驳的光影效果，形成一种独特的光环境，同时令人感到亲切朴实。起伏的屋顶外观给人以独特的印象，木结构屋顶本身与它的光影效果相映成趣，共同增添该建筑的艺术魅力。

进入21世纪，人类更强调可持续发展理念，同时也更注重节能环保以及城市美学特征。在这种趋势下，我国建筑师需要充分汲取中国古代建筑屋顶形态的精华，并借鉴国外现代建筑设计的经验，综合利用现代建造手法与技术创造丰富的现代建筑屋顶形态。近些年全国各地越来越注重城市风貌建设，试图打造城市新形象，导致短期内许多城市盛行“平改坡”之风。但是，由于缺乏对建筑形态与城市风格的研究，只是在既有建筑上用混凝土材料简单设计坡屋顶形态，导致原有结构荷载增加。短时期内增加的大量坡屋顶建筑，同时也暴露出许多现实的问题：如在既有建筑屋顶改造后使用效果不佳，极易产生保温、防水等问题，而且建筑屋顶形态千篇一律，造成城市天际线的混乱。

目前，城市中大量的坡屋顶形式都是以钢筋混凝土作为承重结构，其形态笨重、形体僵硬、形式单调，而且施工过程对环境产生较大污染，有悖于当前提倡的可持续发展理念。因此我们要积极发展木结构建筑屋顶，特别是在既有建筑的改造上可以采用木屋顶形式，不仅可以使既有建筑产生新形象，同时还可以丰富城市天际线，并可以降低原有建筑上建造屋顶的荷载。此外，在新建公共建筑中也应发挥木结构屋顶的优势，创造出符合功能性要求的大跨度、独特形式特征的屋顶形态。我们应大力提倡采用木结构屋顶，不仅为既有建筑的改造提供一种新思路，而且也为新建建筑屋顶形态的设计提供新方法。

2 寒地现代木结构屋顶气候适应性研究

本文从现代木结构屋顶的保温和防水性能两方面着手，研究寒地现代木结构如何适应气候特征。

2.1 保温性能

基于严寒地区的气候特点，木结构屋顶的保温性能是一个需要重视的方面。木结构屋顶需要采用性能良好的保温材料，同时根据计算应该适当增加保温层厚度。保温材料通常可以铺设在木结构板之上，再上浮防水材料，或直接铺设在木结构屋面板下。常见的木结构屋顶保温材料有软性絮棉型保温材料、松填型保温材料、刚性保温板和辐射隔离层。

在严寒地区,由于冬季室内外温度相差较大,当围护结构局部温度低于露点温度时,水蒸气易通过屋面板慢慢渗入保温层，导致其形成结露、受潮的现象，使围护结构受损并导致保温材料导热系数增大,从而降低保温性能。因此，通常在安装有保温材料的木结构屋顶中设置隔汽层，一方面可以阻挡潮气从建筑外部渗入保温层从而破坏屋面结构；另一方面可解决木结构屋顶因构造设计不合理而导致局部温差过大产生的“冷桥”问题，在严寒地区表现为在屋面檐口处等局部“结冰”现象，进一步对屋顶热工造成影响。常用三种方法防止冷桥现象产生：1）使保温层足够厚从而在源头处防止产生冷桥现象；2）保温层完全包住构造层；3）设置通风间层，利用空气流动带走多余热量。

寒冷气候区木结构屋顶的水蒸气主要存在于结构内部，因此如何利用空气流动带走结构构件内的湿气就尤为重要。常见的做法是当保温材料放在屋面板以下时，其上方应留有一定的空气通腔来保持干燥，并在屋脊、屋面、屋檐等部位设通风口。若屋面坡度小于1/6时，所需畅通的通风总面积为吊顶面积的1/150；若屋面坡度大于1/6时，所需畅通的通风总面积为吊顶面积的1/300。进风口宜在屋檐下底部，排风口宜在屋脊或屋面。

2.2 防水性能

屋顶设计的另一个重要问题是防水性能。影响防水性能的关键是木结构屋顶的坡度，合理的屋顶坡度能迅速将水排出，防止屋面发生漏水现象，并破坏屋面构造。而坡度是由当地的降雨降雪量、所处地理位置情况和建筑造型等因素共同作用的结果。寒冷地区建筑所处的位置纬度越高，降雪量越大，则所需坡度越大。

图1 阁楼通风的位置和面积

图2 老虎窗与屋面连接处

图3 屋谷处泛水板防水做法

寒地现代木结构屋顶防水材料的选择，不仅要考虑夏季雨水的作用，而且要考虑冬春季冰雪融化的影响。原则上，降水量越多、积雪量越大，则需要的屋顶的坡度越陡，以便能保证排水的顺畅，减少对屋面的荷载压力。随着现代技术的进步，新材料逐渐增多，在选择合适的防水材料时应着重注意到材料的使用寿命、可回收性、以及是否可以再生性。目前常用的防水材料为SBS改性沥青卷材，可以通过自粘、机械加固或着施加热沥青或冷胶的方法安装，同时应注意接缝处要搭接100mm，边缘处搭接150mm。

针对寒地木结构屋顶，在防水性能上应该以提高封闭性能、抗老化性能为根本。虽然木结构本身为柔性结构体系，但在装配式木结构中为组合型结构体系，板材间有很多节点和缝隙。在防水性能方面更需要注重防潮、防腐问题，并高度重视节点处理，施工方面也更为严格。因此首先应当对构造节点予以高度重视，采用标准化等技术使得木结构屋顶的整体性更强，保证节点处构造的密闭性和耐久性。常用的方法有：在屋面铺设防水卷材或防水透气膜作为屋面第一道防水层；在屋顶与墙面连接处以及屋顶特殊部位如老虎窗、坡谷等处位置安装泛水板，且应使用耐腐蚀材料制作泛水板；当屋面铺设瓦时，应注意瓦的搭接方式。

3 结论

寒地现代木结构屋顶的构造设计，应特别重视防水性能与保温性能。在防水性能方面，需要注意防水材料的选择、以及特殊部位的节点连接做法；在保温性能方面，应注意防止产生“冷桥”现象，并排出保温层与结构层中的湿气。同时，严寒地区与其他气候区最大的不同之处在于，严寒地区室内外温差较大，应综合应对这种温差所带来的技术问题。寒地现代木结构屋顶构造的气候适应性是一项具有理论与实践双重意义的研究课题，是需要不断探索如何将木结构屋顶与寒地极端特殊气候相适应。因此，我们应借鉴国外的先进技术，创造出适合我国严寒地区气候的屋顶做法，改善寒地城市的居住环境。