干旱多风沙地区景观木结构建筑表层风化形貌的特征考察

李哲锋 张 维 青 龙

（内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

近年，随着人们环保意识的提高和居住环境的改善，木结构建筑逐渐受到关注。将木结构建筑应用到环境景观中，既能实现资源的可循环利用，又能推动建筑文化发展，提升人文生态景观品质。木材长期暴露于室外环境中，受光辐射、风霜、雨雪、沙尘、真菌等因素影响发生劣化，导致木材产生变色、开裂、损毁等现象，严重影响木结构建筑的美观性和实用性。因此，为了提高木结构建筑的耐久性，通常会在木材表面使用涂料，起到保护和装饰的作用。在特定的地域条件下，探究建筑表皮材料的表征与地域环境之间的关联，既有利于促进建筑与环境的融合，提升建筑的美观度，丰富建筑的内涵，又可以辅助工程的设计规划，从而有效改善人居环境。

目前，关于风化作用的研究普遍集中于地质、岩土、文物保护等方面[1-4]，对于木结构建筑风化的研究则侧重于木材的耐候性[5-8]。乔冠峰[9]在研究中提到传统古建的风化现象是其户外老化的表现之一。郭梦麟等[10]阐述了木结构建筑中木材的风化过程及处理方法，但仅提到了木质建材的外观易产生开裂、腐朽、变色等特点的表面缺陷，并未继续就形貌特征进行深入分析。近年来，对于木结构建筑的研究多侧重于建筑材料、结构、文化特色[11-15]、防火抗灾与绿色环境等方面[16-21]，而对木结构建筑表面视觉特征的论述则相对较少，特别是缺乏由风化作用引起的木结构建筑表面特征的相关研究。因此，在特定地域环境条件下，探讨带有自然风化缺陷的木结构表征则具有一定的现实意义。本文通过对内蒙古中西部地区景观木结构建筑外壁表面常见的残损形貌进行研究，以期为干旱多风沙地区中景观木质设施的视觉表现设计及应用提供参考。

1 研究区域概况

本文以呼和浩特市为研究地域，该市地处我国北疆地区，位于内蒙古中西部。年均气温3.5～8 ℃，年均降水量337～418 mm，呼和浩特以西的鄂尔多斯高原风沙区年均风速4.5 m/s，最大风速可达29 m/s，≥5 m/s的扬沙风全年可达200～371 次之多[22-23]。总体而言，其气候特点为日照强，日间温差较大，属于典型的温带大陆性季风气候。

呼和浩特市是国家历史文化名城[24]，具有丰富的旅游资源[25]，在城区及周边存有不少有价值的传统木结构建筑。此外，在近年来开发的公园中，也兴建了各种类型的木结构建筑。本研究的调查对象是以砖木结构和木结构为主的景观建筑。以传统木结构的单间建筑为例，其结构体系可分为四个部分，由上至下为屋盖体系、梁与斗拱、墙与柱子、台基。由于屋盖（瓦片遮盖）、台基（砖石砌块）和梁（建筑内部）较少涉及木质材料的风化现象，因此本研究主要选择斗拱/额枋部位、门/窗部位以及柱子进行调研，并针对其外观形貌、色彩变化及表面开裂的现象进行观测考察。

2 表面形貌及其类型归纳

由于自然风化的时间较长，研究依视觉表征效果，选择了建造时间较久的传统古木结构建筑及木质景观构造物进行观测。经实地考察，将木构件表面的特征归纳为表面脱色、表面开裂、表面粗糙、涂层表面起皱、翘曲等类别，如图1～4 所示。

图1 主要表征为颜色变化的示例Fig.1 Examples of color change

2.1 颜色变化

颜色变化包括表面褪色、变色、蒙尘、污渍等。如图1所示，门窗因裸露程度不同造成其上下部的色彩脱色显著。额枋处的彩绘退色明显，色彩饱和度明显降低，垂花柱头同样退色严重。

2.2 线状开裂

线状开裂包括开裂、裂缝、裂纹等现象，如图2所示。主要形成部位在木构件的表面及端口处，表面部位的裂缝长度方向多与木材的纤维走向平行，端口处裂缝多沿木射线径向扩散。

图2 主要表征为线状开裂的示例Fig.2 Examples of linear cracking

2.3 片状剥离

片状剥离包括表面涂层起泡、皱褶、卷曲、掉皮等。如图3所示，与前两者不同，片状剥离主要发生在表面有涂饰的部位，表面涂层部分成片的开裂、卷曲并逐渐形成片状剥蚀、脱落。

图3 主要表征为片状剥离的示例Fig.3 Examples of flaky peeling

2.4 风蚀磨损

风蚀磨损一般伴随裂纹（未形成通直裂缝）产生于木质基层或未经涂饰的木材表面，形成表面粗糙度变化，以及明显的凹凸、风沙侵蚀等质感，如图4 所示。

图4 主要表征为风蚀磨损的示例Fig.4 Examples of wind erosion

3 色彩变化及分析

景观木结构建筑长时间暴露在户外必然会发生风化，这些变化都是由光、水分、温度和其他环境因子共同作用造成的。在这些环境因素之中，太阳光能最具破坏力，能在木材表面引发一连串的化学变化[26]，引发明显的变色、褪色现象。

3.1 变色的研究方法及内容

观察户外木质景观构筑物并进行色差检测分析，以确定木结构表面的变色现象及程度。使用色差仪（3nh NR10QC）对研究对象进行检测，并基于CIE Lab色彩系统确定颜色的数据信息[27]。

如图5 所示，分别选取暴露于户外的向阳面与背阴面，以及室内的近似部位、相同高度的表面作为检测区域（图中示意部位，相同太阳高度角，同一建筑部位且朝向相同）。共选取3 个目标区域，并在区域内任取6 点进行检测。

图5 取样区域的位置示意（檐柱及门板部位）Fig.5 Location of the sampling area（peripheral column & door plank）

3.2 结果与分析

颜色测试结果如图6 所示。L、a和b值分别代表一种颜色的亮度、红绿色度和黄蓝色度。对明度（L值）而言，外侧构件的L值皆大于内侧，而L值越大表示越趋向白色，因此室外檐柱部位的表面色彩发白，是表面褪色的明显特征。

图6 不同位置的表面CIE Lab值及彩度坐标图（门板部位）Fig.6 CIE Lab values of surface at different positions and chromaticity coordinate diagram（door plank）

门板户外一面（外侧）的a值明显小于门板背面（内侧），表明在同一门板部位内侧的红色色彩更为鲜艳、饱和度大。而外侧的a、b值虽然靠近中心原点，但其b值变化程度大且有明显的分散趋势。

从图7 檐柱的a、b值分布看，室内与室外阴面的黄红色度基本处于相似区域。考虑到建筑屋檐的遮蔽功能，推测直接日射是影响色彩变化最主要的因素。同时，室外阳面的红黄色度小，但其分散程度大，这可能与户外环境因素的不稳定性有关，使得色度值离散较大，红色度尤为明显。

图7 不同位置的ab值分布（檐柱部位）Fig.7 Distribution of ab values at different positions（peripheral column）

4 表面开裂及分析

景观木结构建筑的表层形貌除色彩变化外，开裂也是最为常见的特征之一。

4.1 裂缝的研究方法及内容

为有效评价裂缝的发育特征，研究首先确定了取样区域内裂缝发育的数量，其次明确了裂缝的发育特征，包括形态、产状、宽度以及长度等参数。

在取样观测时，主要观测非构造裂缝，因木材自身构造引起的裂缝不计入统计，如节疤、枝丫、早晚材（年轮）、木射线位置产生的开裂。考虑户外环境和木材材质的综合影响，选取大面积裸露在外的檐柱为考察对象，取样位置方式同3.1。选取通直、视觉特征明显的裂缝，注意避开仅发生在表面涂层，而非木质基层的裂缝。

观测选定区域内的裂缝，考察裂缝的产状要素，如走向（方位）、倾角；以及裂缝的规模要素，如长度、开度（宽度）、分布密度等，并依据裂缝的空间参数特征进行量化。

4.2 结果及分析

4.2.1 表征裂缝几何形态特征

为了建立裂缝特征与样本空间之间的关联，将样本的裂缝数表示为裂缝频率，样本为二维的面积S（m2），相对应的裂缝频率则为面频率P0（条/m2）。如图8 所示，该样本中裂缝的走向以WS （西南向）、W（西向）为主，其次为E（东向）、ES（东南向）以及S（北）向，少量的N（北）向。根据倾角（裂缝面与其水平投影面之间的夹角）的不同，可以发现，考察对象的裂缝几乎都为直立缝（75～90°），这主要与木材自身的材质有关，檐柱的纤维走向为沿原木的髓心上下方向，因而几乎与地面垂直。受此影响，低角度缝和斜角缝的数量自然相对较少。此外，就开裂的差异化而言，仅N向倾角明显较小，但其差值变化≤3%，可以认为裂缝倾角的分布具有一致性。

4.2.2 表征裂缝发育规模要素

裂缝密度也是常用的有效评价裂缝的表征参数，结合上面裂缝几何形态的表征方式，对裂缝发育规模进行近似一维（线）模型设定。

裂缝频率表示样本上的裂缝数，样本为一维的线L（m）模型，相对应的裂缝频率为线频率P1，那么裂缝密度为P2（条/m）。

如图9 所示，裂缝开度的变化与密度变化的趋势大致吻合，但在S向上开度明显增大，与趋势不符。由图10 可以看出，裂缝长度也显示出同样的变化，这可能与木材的个体差异大有关。相同的密度对应着开度和长度相似的变化趋势，说明裂缝的开度与长度存在定量关系。另外，E向、ES向的裂缝密度较大，即垂直于E向、ES向的单位长度上的裂缝条数较多，笔者认为这与气候环境有关。呼和浩特市处于内陆季风带，夏季雨季东南方向会带来水气形成降雨，因此木构建筑中E向和ES向的木构件，会因雨淋而导致含水率上升，导致木材反复发生干缩湿胀现象，进而引起木构件内在应力的变化，最终导致裂缝的产生。

图9 裂缝开度分布特征Fig.9 Distribution characteristics of crack aperture

图10 裂缝长度分布特征Fig.10 Distribution characteristics of crack longitudinal length

木结构建筑的表面风化是干旱多风沙地区的常见现象。风化直接作用于建筑表层促使外观发生变化，人们可以通过目视观察对受损形貌进行判断。其中裂缝的分布极其复杂，利用现有的裂缝识别、预测技术对裂缝分布进行研究，是深化研究裂缝的重要方向。

5 结论

本文通过对干旱多风沙地区景观木结构建筑表层的风化形貌进行特征考察，主要得出以下结论：

1）景观木结构建筑的表面风化形貌大致可分为颜色变化、线状开裂、片状剥离以及风蚀磨损4 种基本形式。

2）室外侧的明度（L值）大于内侧，外侧表面色彩发白，退色特征明显。门板正面的红色度（a值）明显小于背面，同时黄色度（b值）变化程度大且有明显的分散趋势。檐柱的室内与室外阴面的黄红色度基本处于近似区域，室外阳面的红黄色度小，但其分散程度大。风化现象中表面颜色的变化较大且视觉表征的差异明显。

3）以檐柱为考察样本，其裂缝走向以WS、W为主，其次为E、ES以及S向，少量的N向。裂缝几乎都为直立缝（75～90°），且裂缝倾角分布具有一致性。裂缝开度的变化与密度变化的趋势大致吻合，仅在S向上开度明显增大许多，长度也显示同样的变化趋势，E向、ES向的裂缝密度较大。

4）关于片状剥离、风蚀磨损的表征现象，与环境间的关联性量化分析还需进一步研究探讨。