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科研成果
重新发现夯土
来源:地大热能 2016-02-26
 
1 非洲喀麦隆的 Musgum 泥屋
 
1、历史意义的夯土
 
    在非洲喀麦隆原始的土地上,我们能够看到许多形如拇指的 Musgum 泥屋,它们的材料取自随处可见的土地,并因为纯土结构不受拉力的物理特性,发展出了基于压内力的高效结构形式。其剖面为倒置悬链线的穹拱,实现了结构上的最优,在使用最少材料的情况下得以承受最大的荷载。而土包表面上凸出的倒“V”字形纹理突起的纹理,除了作为一种装饰性的语言,给形式带来了生动的节奏,更原初的原因,是为了加固面层的耐候力,以防止雨水和干燥的气候更替对结构造成过快的冲蚀,同时方便人们以这些突起作为阶梯,攀上小屋去对面层进行维护。这样一种“建造性”的装饰不是纯粹的形式产物,而是构造的必要性给建筑形式留下的烙印。(图01)
 
    在这个例子里,材料作为建筑最基础的物质构成,决定了建造和构造的方式,进而决定了建筑更大尺度上的结构形式。材料的材质,细部的构造,以及由其力学性能决定的结构型,三者互相影响,共同作用,并书写出了建筑最终的完整形象。(图02)(Architektonischer Ausdruck, Konstruktion, Material, Form)
 
    除了材料固有的特性,在不同的气候环境以及社会构成下,材料在形式上也会展现出截然不同的面目。在中国,土楼是夯土建筑发展的最高峰。因南中国的降水量较大,土楼除了在基座处需要做特殊的防水处理,屋顶也发展成出巨大的出檐。而不同于非洲土屋的部落式小体量散布布局,土楼作为整个村落的防御设施,一方面需要容纳大量的居住人口,在巨大的体量内部高效地组织起复杂的社会生活,另一方面需要对外御敌,保持外部相对封闭,只做小量防御功能的开口。最终,发展成为外夯土、内木构的综合结构。(图03)
 
    从乡土的历史回到现代,夯土在当代的建筑实践中无疑是缺席的,建筑师也还没有为它创造出属于当代的建筑语言。Annette Spiro 教授领导的建筑与构造教研室选择研究夯土并不是偶然,除了它在当代的缺席以外,其一,是因为它作为一种可持续的材料,仍然具有极大的可塑性和潜力,其二,是因为夯土的材料随处可得,操作起来也相对简单可行,学生的实操也具有较大的灵活性。


2 建筑语言和材料、形式、建造相互制约相互影响
 

3 福建土楼:巨大的夯土结构和深远的屋檐
 
2、构思与实操 Denken vs Machen / Thinking vs Making
 
    值得注意的是,夯土本身是较为松散脆弱的材料,使用起来必须考虑周全,在充分利用其优势的同时,避免构造上的弱点。(图04)这就对设计和研究提出了双重的要求:既要在构思上尽量利用已知,又要在实操中保持对未知的探索。“构思”与“实操”,或者说建筑设计和施工建造,这两个环节的关系值得我们重视。“构思”,要求我们的创造在概念层面发挥人的思维能力,凭借经验和理性去抽象地认识和学习事物;而通过“实操”,我们在具体的操作和不断的尝试中,也会有意外的收获。在 ETH 的教学框架中,我们关注“思考”可能要大于“动手”。而在夯土工作坊的课程中,我们希望将它们置于同等重要的地位,把互相影响的两者理解为统一的整体。以下两则实验均试图从某一条特定条件出发,在建造的实操中进行探索。


4 松散的土料 Mixture of raw materia
 
实验1——夯土柱
 
    考虑到瑞士的气候情况,除了稳固的基座,夯土结构还需要一个覆盖良好的屋顶以抵御降水的侵蚀。在实验1中,通过改变土料中骨料和土的配比,结构形成了越向上骨料越多的渐变分布。而为求构造上的稳定以及改善遮雨效果,顶部轻微外扩,并最终以一块完整的石板封顶。虽然材料在渐变中保持了连续性,没有建造出离散的屋顶部分,但这种操作遵循了屋顶的功能逻辑,都满足了防水的需求。最终生成的形式,意外地与古典柱头非常相似,这种巧合也许并不是偶然,因为它们都是从建造的“实操”中因据各自的需求发展而来,而非单纯图像上的“构思”。(图05、06)


5 夯土柱草图


6 建造完成的夯土柱
 
实验2——竖向模板
 
    夯土结构对水较弱的抵抗性,也从侧面说明了其松散、无固有形状的属性。不像木材天生就是线性的材料,土的可塑性很强,只要制作出适合的模板就可以塑造成对应的形状。在实验2里我们尝试从模板这一线索入手,尝试传统平面模板以外的可能性,并在在场建造的原则下进行探索。考虑到现场支模的可行性,我们选择窄长的木片作为模板,将木片依次敲入场地形成弧形的轮廓后,一层一层放入土料并夯实。(图07、08)脱模后的材料表面留下了竖向的肌理,这些肌理作为形式语言的同时,也诚实地反应了模板的支承形式,并记录了建造中夯实的过程。(图09)
在实验2中,竖向的模板、水平面上扭转的形式、表面纵向的纹理,以材料为前提得到的三者组成了一个不可分割的整体。我们进一步将实验得到的成果转化为具体的设计,基于这一层建造和形式语言的关系,设计了一面更大的蛇形曲墙。(图10)和实验2一样,这面墙从形式到结构,从对材料的理解到具体施工的工序,各个环节无论从“实操”还是“构思”层面都高度咬合。虽然,最终因为预算和场地的原因无法实现,它仍然给予了我们很大的启示。


7 将窄长的木模板敲入场地


 8 在曲线的模板内夯实土料


9 脱模后形成竖向的肌理
 

10 根据实验2成果设计出的蛇形曲墙

3、未知与已知 Don’t Know vs Know-How
 
    除了“构思”与“实操”,学生和专家导师之间知识结构的差异,也是工作坊的合作中值得关注的重点。丰富的实践知识(Know-how)是专家的优势,它能指导我们在设计和建造中高效地做出正确的决策。但是如果知识体系过于完整而教条,我们对一切材料的性能和最优形式都了熟于心,那么发展设计时难免会不自觉地限制在条条框框里,难以再保持足够开放的实验心态。
 
    而学生这边的情况却恰恰相反。因为对夯土的实操经验为零(Don’t know),学生们凭借对未知的极大好奇以及对形式的勇于尝试,设想出了许多前所未见的形式。这些天马行空、“野性”十足的设计,往往是经验丰富的专家难以想象出的,因为它们大多有着这样或那样的结构缺陷。而正是借助专家的经验对学生设计中错误的修正,这些“野性”的设计才得以付诸实现。
 
    对于我们的研究来说,为了创造新的形式,构思与实操中的“未知”与“已知”同等重要。就好比去创造新的菜式,光有完善的配方是不够的,在具体的烹饪中,还需要厨师通过“已知”的经验(Know-how)敏感地去对“未知”的搭配(Don’t know)做出判断。“未知”与“已知”,两者互相启发,互相修正,在理性和野性的充分碰撞下,新的形式才会产生。
 
    基于这样一种理念,我们请来了各相关领域的专家和学者,他们包括夯土方面的专家 Martin Rauch,结构专家 Andreas Galmarini 以及学院的同事、结构设计教研室的 Philippe Block 教授。在他们的指导下,学生们在未知的情况下去进行各种各样夯土的建造实验。虽然大多数人可能对实验的形式感到迷惑,但是也正是这份未知,让人既兴奋又期待。从一开始,设计的出发点就不是单纯的形式,而是试图去理解并利用夯土高度可塑的特性,结合可行的建造方法,保持开放的心态,去找寻新的建筑语言。(图11)


11 “夯土工作坊”海报
 
建造1——壁龛夯土墙
 
    虽然蛇形墙因成本问题无法实施,不过我们找到了另一个机会,恰好一位业主朋友在地窖里发现了一批酒桶,愿意提供给我们。酒桶本身的曲线既不太陡也不太缓,非常适用于模板的实验。我们首先取酒桶一半的形体,将它作为壁龛空间的正形,然后在另一侧支以平面的模板。(图12、13)为了使酒桶上部的横跨结构能够成立,我们又插入了额外的弧形支撑模板,将其发展成局部的拱结构。(图14)
 
    由于夯土内部无法承受拉力,这个拱的做法就十分值得留意,因为在当代的夯土构造中,处理门窗一类开口和跨度问题时,几乎所有的做法都是通过加入钢、木、钢混等横向梁构件解决。虽然夯土只能承受压力的特性可以满足拱的力学要求,但是在结构史上却并未找到足够可供借鉴的可行实例和经验。究其原因,大概是因为拱模板的建造过于复杂。从纯力学的角度分析,夯土拱与应用了千年的石拱有着相同的逻辑。但是夯土因其松散的特性,在建造上对于模板高度依赖,与石结构形成了极大的差异。不过,夯土拱结构未得到发展也有其历史原因,因为拱形的模板并不是平面的结构,在手工时代去制造这样的模板极为复杂,成本过高而效率极低。在这个实验中对于夯土拱的小小尝试,结果非常成功,同时也为后续的研究埋下了伏笔。
 
    让我们再来回顾一下建造的结果:从街道一侧望去,最终建造出来的夯土墙似乎非常厚,在内院一侧它才展示出了真实的面目。墙上一品品的壁龛营造出富有韵律的节奏,因酒桶形成的尺度也使得这些壁龛成为宜人的休憩空间,而微微弯曲的一道道拱线也为构造和空间赋予了几分动态。(图15-18)


12 支模
 

13 夯实


 14 顶部额外支模


15 从街道一侧看去 © Katalin Deér


16 从内院一侧看去 © Katalin Deér


17 壁龛宜人的尺度 © Katalin Deér

实验3——Igloo 拱顶冰屋
 
    在另外一个实验中,学生从爱斯基摩人的冰屋摄取灵感,制作出可以滑动的模板,沿基座滑动旋转而上,在局部一块一块地进行夯实。在每一个局部的施工中,已夯实的部分成为基座,模板与下部和侧面一起,构成下一个局部的模板。它蕴含着某种类似于加泰罗尼亚拱的建造逻辑,间接地解决了完整曲面模板制作复杂的问题。整个滑模的建造过程呈现了高度的连续性,最终的形态并不由一个完整的静态模板决定。Igloo 小屋的结构本是基于砌块的逻辑,在这个实验中,因为模板的加入以及夯土的特性,砌块的逻辑得到转化,而整个建造的过程更呈现出了砌块结构所没有的连续性。(图19)


18 材质与细部


19 Igloo 穹顶小屋

 
实验4——倒锥悬挑拱
 
    虽然夯土不利于受拉结构,但是它对轻微的出挑仍具有一定的宽容度。实验4试图去榨取出挑的极限,四个倒锥形的夯土块中向上的每一层都形成微小的出挑,积小成多,在整体上形成较大的出挑。四个体块互相依靠,在中间部分形成一个整体的拱结构。(图20-23)
    此外,为了逼近工业生产的极限,各部分自重经过设计,刚好可以满足预制工厂吊臂的荷载能力。而底部最窄处的结构也经过验算,恰好可以满足上部出挑最大化时的荷载。


20 倒锥悬挑拱


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4、实验与专家 Experiment & Experts
 
    在第二学期的工作坊中,我们从6个学生方案中挑出在形式上最具实验意义的一个,加以修改,发展为后续1:1建造的方案。选中的方案在一开始的草图中存在许多问题,结构上也并不成立。首先,结构下部向外出挑的半拱不符合夯土不受拉的特性,其次,顶部的半圆拱也不是夯土拱最合理的拱形。(图26)这样充满“野性”的设计,专家是永远也不会做出来的,但是从学生的角度,对于组合型拱结构的大胆尝试,其“野性”中的实验性思维也是一种珍贵的资源。
 
    经过专家的共同修改,中间的部分根据结构内应力的走向,形成向内倾斜、向上收缩的外轮廓,厚重的拱墙成六角形在顶部中心相交,同时在下方形成可供人使用的功能性空间。此外,上部的拱形也改为受力合理的悬链线曲面,并保持下方墙拱一半的厚度,呈现出轻盈的姿态。(图27)整个设计,夯土和拱前所未有地结合在一起,创造出了具有张力的结构和空间。恰如前文所强调的,正是专家和学生的“已知”和“未知”(Know-how 和 Don’t know) 的互动,再一次产生了非常有趣的结果。
 
建造2——夯土穹顶
 
    进入实际建造阶段,首先需要考虑的是建造的可行性问题。因为整个设计中曲线较多,同时有着大量创造性的建造方法,为了尽可能地确保实验的可操作性,我们决定按结构逻辑把整体分成四部分,在工厂预制完成后再运至现场进行组装。相对于在场的施工,工厂预制有其利弊,一方面它提高了复杂施工的便利性,另一方面,工业设备的能力限制也成为建造中的制约条件,比如吊臂最大只能承受5吨的荷载,或者在竖直方向上无法绕过突出的形状等等。此外,对于拥有重复形状的设计,重复的预制生产效率非常高,在我们的方案里,制作一套模板可以重复使用6次,人工的操作因此得以简化。这在欧洲是很重要的因素,因为相较中国,瑞士的人力成本十分高昂。
 
    回到按结构划分的四部分来。其中第一部分,是底部的混凝土基座,它的功能是保持结构基点稳定的同时,也使夯土和潮湿的土地保持距离;其次,中间是厚重的平面夯土拱主体;然后在上面的第三部分,是轻薄的曲面夯土拱壳;最后顶上以防水材料覆盖,防止雨水的直接侵蚀。其中的第三部分,也就是屋顶部分的非单向曲面夯土拱,是我们所不熟悉的做法,在夯土的历史上也还没找到过实际建造的先例。通过这次的实验,我们希望去发掘夯土潜在的这种可能性。
 
    根据第三部分的曲面拱壳内力的方向,我们将其翻转90度进行施工。(图29-31)除了中间内部的锥形模板,外部的模板则按梯级向内退进,每夯实完下面一层之后,人可以站在新增加的一层模板上进行操作,逐层向内收紧,最后与内腔的锥形一起完成拱形。如此,建造的工序本身即呼应了形式和材料的性能,如同文首举例的非洲小土包,建筑形式成为结构和表现性语言的同时,也包含了建造的逻辑。(图32-40)


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25 土堆穹拱


26 夯土穹拱 学生方案草图


27 修改后的方案


28 修改后的方案


29 结构计算
 

30 夯土受垂直、平行、斜向力时的力学测试
 


31 模板及施工示意图
 

32 工厂制作现场


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5、夯土的当代与未来
 
    回到当代建筑世界的视野,因为成本、力学等问题,留给夯土的空间已经越来越少。不过,随着地域主义建筑获得越来越高的关注,夯土在某些地区也重新得到重视。我们走进瑞士的山村,会发现居民们仍保留着大量使用木材建房的传统。这里,木材本身十分富足,同时天生地就适合当地的各种气候和地质条件。材料,从这层意义上成为了联系人与物理世界的一个枢纽。这一层意义,即使对于夯土也同样适用,我们相信适合使用夯土的地方也必定存在。然而我们又可以看到的是,脱离了场地因素和工艺传承的夯土,也在很多场合成为了新的“符号”:一方面被打上“可持续”的标签,成为了环保宣传的口号,而其低效的施工效率和较弱的结构性能则被相对忽视;另一方面,也正因其高昂的时间和经济成本,反而蜕变成为供把玩的稀缺奢侈品。这种现象无疑背离了材料和建造的正当性,对于夯土发展的影响,也已超出了本文对于材料和建造的讨论。
 
    在此,本文不对价值判断和社会性的问题展开讨论。教研室的“夯土工作坊”课程的重心,仍放在对材料、结构、形式,这些建筑学中最基本的建造问题的研究上。我们相信,在后工业化的当代,掌握着新技术的人们有能力也有机遇去重新理解和发现夯土。夯土巨大的潜力仍有待继续发掘,而这,也是我们义不容辞的义务。 

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