木结构在人居环境中的建筑物理策略研究

赫 亮

(辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032)

尽管科技合成复合材料飞速发展，但木材仍在人类的日常生产、生活中扮演着极为重要的角色，是建筑装潢装修和家具生产的主要材料。这归因于木材特有的优势，即在木材构成的空间内具有调节室内小环境及增加身心舒适度的功能。木材及其制品是经济建设和社会生活不可缺少的材料，木质材料能为人类生活创造美好居住环境，而居住环境直接关系到人们生理、心理健康。宜居舒适的环境可以提高人们的工作和学习效率，提高生活质量。随着社会的发展，人们对建筑物理环境(热、光、声等)与人体健康的关注日趋凸显。较其他结构建筑而言，木结构建筑作为一种绿色环保建筑，具有显著优势，在我国建筑行业有广阔的市场前景[1-2]。

1 建筑物理环境

建筑物理环境是通过人的感官反应评价建筑当中的声、光、热环境带来的舒适度，目的在于优化宜居环境、增强建筑质量、改善人与自然和谐共生关系。

1.1 热环境

我国温带大陆性气候对建筑热环境影响极为明显，舒适的热环境已成为人们对高生活品质的一种追求。建筑热环境是研究室内外热环境以及建筑材料的物理化学热性能，研究建筑热环境可以支持绿色节能建筑、绿色家居环保理念的发展[3]。

1.2 光环境

光是生活环境中必不可少的组成部分，通过光获取的信息量可达到87%以上。建筑光环境会影响人们的工作效率，因此对建筑光环境研究，可适当提高劳动效率。

1.3 声环境

建筑声环境是室内外建筑质量的重要组成部分，主要包括风雨声、动物鸣叫声等自然声音，交通、工厂等机械声音，休闲娱乐的各种乐器音响声等。音乐声会使得人们身心放松愉悦，提高工作效率；噪声使人心情躁动，降低劳动效率，长时间处于高分贝噪声之下会使听力衰退甚至丧失，因此研究建筑声环境可加快我国建设生态宜居环境的脚步。

2 木结构建筑物理优势

木材作为当今四大材料(钢材、水泥、木材和塑料)中唯一可再生、循环使用的生物材料，一直备受青睐，各种木制家具、工艺品都是装饰装修的必备品。绿色宜居理念的推广，更吸引了人们对木结构建筑的关注。木结构建筑发展历史悠久，因其良好的使用体验受到了国内外很多人的喜爱。中国古代就有使用木结构建筑的历史，近现代因木材资源的短缺，认可度降低，但随着生态环保意识的提高，人们重新接纳了木结构建筑，所以研究木结构建筑的建筑设计理念、用材规范和建造工程技术尤为重要。

2.1 保温隔热性

相对于其他材料，木材的热扩散率低、传播速度慢，热量穿透材料的能力差[4-6]。木质结构住宅在夏季具有隔热性，在冬季具有保温性，木质建筑墙壁的室内温度比绝热墙壁建筑夏季低2.4 ℃，冬季高4.0 ℃，比钢混建筑冬季高1 ℃[7]。所以使用木材作为装饰材料的房间，可适当地改善钢混结构保温隔热性不足的问题，提高居室环境舒适性。

2.2 优良的抗震性

现代定向爆破技术拆除违规建筑时，只需要将钢混建筑的底部破坏，就可解体整栋建筑。这是因为钢混建筑受力属于直立型，只要建筑发生受力倾斜就会坍塌。而木结构建筑受到冲击力时可以减缓冲击力，使得整体建筑纹丝不动，即使受力发生倾斜也会因木材自身延展性确保木建筑完整无损，大地震中幸存下来绝大部分为木质结构房屋[8]。

中国古代木结构建筑最有名的代表是山西大同悬空寺和朔州应县木塔。山西大同恒山悬空寺始建于北魏时期(公元491年)，距今已经有1500多年的历史，全寺背靠陡峭的绝壁，巧用岩石为托，梁柱寺庙以及栈道皆为木质框架式结构，经历过多次战争、地震，仍巍然屹立。悬空寺木结构建筑的抗震原因为巧用榫卯结构，牢牢抓住整体结构，即使木梁断裂，也不会从石卯中脱落[9]。拥有高达65.84 m塔身的山西朔州应县木塔始建于北魏，重建于900多年前的宋朝，是中国现存最高最古的一座木结构塔式建筑。应县木塔抗震的主要原因是其斗栱托檐分力消能、锥形向心力、等面积对称柱、逐层递减层高的木结构设计，提高了应县木塔结构的向心稳定性、整体稳定性[9]。

2.3 环保性能

2.3.1 节能减排

与钢混结构建筑相比，木结构建筑具有较好的生态经济效益，其温室气体释放量低、建造能耗低、对建造地土壤的破坏性较小，基本上不会影响土壤的品质，是一个具有节能减排优势的建筑工程。赵勇[10]通过模拟软件分析发现，在相同条件下木结构住宅的舒适度优于钢混结构建筑。木结构墙体的冷热耗散低于钢混结构，同温度下，木结构墙体内部温度高，所以供暖时能耗消耗降低，节约能源、减少温室气体排放。

2.3.2 居室空气质量

木材本身向空气中释放挥发性有机化合物，会影响室内空气质量，而空气质量问题是目前建筑物理环境中的难点问题。因此对于木结构的物理研究，必须研究其对室内空气质量的影响机制。新建木结构住宅释放一些气味化合物，产生的味道可以给人舒适感。绝大部分气味化合物来源于木材内部的可挥发性物质的散发作用，有很多木材的挥发成分具有医疗功效，有的还可以防腐抑菌、净化空气。此外，有研究表明：木材释放的挥发性有机化合物(VOCs)浓度过高也会严重降低室内空气质量，影响身心健康。我国木制品材料对室内空气质量的研究较多，但对木结构建筑整体的空气质量研究则相对较少[11]。

2.4 防火性

国内外对建筑结构防火性进行了大量研究[12-17]，对比耐火实验发现：木结构建筑在发生火灾时，主体框架结构仍能牢固完整，为逃生灭火留有充足时间。蒋瞻等[18]发现葡萄牙软木板保护下的木钢混合结构防火性能优于木柱自身结合的复合结构件，且在火灾中不会产生高温滴落物，可防止其对人身财产造成危害。

2.5 吸声性

建筑及城市声环境是健康建筑质量的重要组成部分[19]，木结构建筑对声音的影响机理和主动调节机制值得深入研究，为健康的声环境提供设计理论。

吸声是声波在撞击到物体表面后一种能量损失现象，万物皆有吸声之力，只是吸声的能力大小不同而已。一般材质坚硬、表面光滑、内部结构紧密的材料对声波反射能力强、吸声能力差，而表面粗糙、材质松软且具有内部结构疏松多孔的材料对声波反射能力弱、吸声能力强。木材作为多孔吸声材料受到了音乐艺术家的重视，在木结构建筑的木材空气层中填放多孔材料，会使木结构的吸声系数增加。夏灿芳[20]发现木质穿孔板能够吸收中低频声音，通过改变穿孔板的孔深、孔径、孔面积可获得不同频率的吸声效果。刘鹏辉等[21]通过对不同厚度的木材进行声波检测，发现在其他相同条件下，板材厚度增加，声波在板材内部作用时间延长，损失的能量增加，吸声性能随之提高。木材含水率从平衡到接近或高于纤维饱和点，吸声性能大幅度下降[22]。

3 展 望

木结构建筑在国外已经实现了工业化，我国木结构建筑行业起步较晚，但发展潜力巨大，未来木结构发展应侧重以下几方面。

3.1木结构建筑物理研究涉及多学科交叉，需要通过跨领域多学科的合作研究协同攻关。培养一系列的关于木结构建筑物理的研究人员，包含木结构建筑的设计、生产、加工、装饰以及维护，每一环节都充分体现木结构建筑的物理职责与能力。

3.2作为建筑物理的三大主要环境，室内光环境、声环境和热环境的质量问题就需要得到根本保证，因此应制定和颁布木结构建筑环境相关的质量标准与规范。

3.3优先鼓励木结构文旅项目，宣传木结构建筑独特的优势，增强我国生态文明建设的基础。