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讲座|穆钧:生土建筑研究与实践

讲座|穆钧:生土建筑研究与实践
林楚杰 | 2017.11.08 15:00

穆钧:北京建筑大学建筑与城市规划学院教授,无止桥研究与发展中心主任。

 

2017年10月28日,有方讲座第35场——穆钧《生土建筑研究与实践》在有方空间举行。以下为讲座全文与现场视频。文字由有方新媒体中心整理,小标题为方便阅读,由有方新媒体中心添加。

 

穆钧 生土建筑研究与实践1

穆钧 生土建筑研究与实践2

穆钧 生土建筑研究与实践3
讲座现场,摄影:肖韵霖

 

生土营造的传统

从全国的范围来看,传统建筑的类型丰富多彩,各个地方都有因地制宜的传统民居建筑及其文化。过去,交通相对很不发达,这些传统建筑的建造,都根植于当地的材料资源,最常见的是土木砖石竹。其中利用最多的两种材料分别是土和木。

 

中国古代在描述建造时经常会用到“土木”这个词,包括现在的“土木工程”也是这样的一个概念。在有据可依的古遗址里,最早的可以上溯到半坡时期,在半坡的遗址里面有着大量的夯土遗存。再比如利用大量土坯建造的高昌古城,就地取材料营造的交河古城,以及举世闻名的长城——在整个西部地区,包括嘉峪关在内的许多长城,里面的芯都是采用夯土建造。

 

穆钧 生土建筑研究与实践4
生土营建之传统
穆钧 生土建筑研究与实践5
嘉峪关的土长城

关于生土的概念,我们需要有一个清晰的界定才能更好地理解——把土从地里取出来之后只需要通过简单地机械加工而非化学加工,就能作为建筑材料使用的材料,即是生土材料。以这种生土材料作为主体建造的建筑,通常被称作为生土建筑。在国际上,生土建造工艺的分类总共有二十多种;而在国内,比较常见的主要有6种,包括用草和泥土混合在一起的草泥,以及干打垒与湿打垒的砖类等。干打垒是一种夯的概念,在缺水的西北地区用得较多,而在南方,比较常见的是泥砖。此外,常见的生土建筑工艺还包括覆土、木骨泥墙、竹骨泥墙跟夯土。

 

每一种建造工艺,都取决于当地的气侯和自然材料资源。就夯土而言,国内最常见的有3类。在青藏高原的藏区,木材资源跟人力资源较为丰富,只要有一户盖房子,全村的人都到现场一起夯,用大量木板和原木整层支模,一圈一圈往上夯筑,男人们在上面夯土,女人们负责往上背土料,甚至每个工序都会有一首对应的民歌,大家一起哼唱鼓劲。

 

在西南地区,因为很多房子需要顺应地形,建造需要有一定的灵活度,像四川、云南、贵州的当地人会使用厚实木板制作成的相对短小的模板,像砌砖一样逐块依次夯筑,不仅节省了人工,而且可以最大限度地满足不同形式的建造需求。

 

而在西北地区,因森林资源非常匮乏,所以当地人用木椽捆扎的形式来做模板,夯完墙之后,木椽直接用于屋面建造,非常充分地利用了这些材料资源,整个建造过程不产生垃圾。

 

穆钧 生土建筑研究与实践6
常见的几种生土建造工艺
穆钧 生土建筑研究与实践7
非夯制土坯与压制土坯
穆钧 生土建筑研究与实践8
国内不同地区的夯土差异

生土,称得上是中国利用历史最为悠久的,也是运用最为广泛的传统建造技术。在2010-2011年,住建部组织过一次全国范围的普查,结果显示,我国仍有至少6000万人居住在不同类型的生土建筑之中,分布于全国各地,不止于传统概念上有着窑洞的黄土高原或者有着土楼传统的福建,还有西南地区的蘑菇房、土掌房,青藏高原上的碉楼,以及新疆的喀什古城等等。

 

遗憾的是,在过去的几十年里,生土建造的传统房子,一直被当作贫困落后的象征,所以但凡有点钱的人基本上都是把土房子扒了然后盖新房。也正是因为这样的现状,许多传统的老匠人也都慢慢消失,生土的核心传统建造技术正在慢慢地消亡。

 

 

毛寺生态实验小学的经验与教训

传统生土有着冬暖夏凉等诸多优点,可是为什么没有人愿意住在里面呢?我从2004年开始涉及生土建筑研究,到现在差不多有13年了。在西安建筑科技大学读研时,我跟着导师周若祁老师调研过陕西周边的许多农村以及村里的生土民居。在专业领域,大家都说生土建筑冬暖夏凉如何之好,但实际发现很多村民并不愿意住,都想把它拆了建砖房。 2003年时,我申请去香港中文大学读博士,就以此作为研究主题,想搞明白到底为什么会有这样的现象,到底在当下生土建筑的优点如何来利用。非常巧,当时我的博士导师吴恩融教授刚刚启动位于甘肃庆阳的毛寺生态实验小学项目,也正因为我的研究方向,吴教授指导我将该项目作为设计研究课题。

 

去到当地之后,发现当地的希望小学都是用砖混结构,在冬天室内特别冷,上课时需要每个学生拿一块煤到学校来才能取暖。在做了大量的调研后,我梳理了当地可以获得的所有建造方法,用计算机模拟的方式试验哪些技术在冬天对于室内保温会有效果,并制作出一张图表。横轴代表用每一个办法或者每一个技术它带来的造价的增长,纵轴代表每一种技术带来的冬季室内气温的平均提升。不难发现当地的传统土坯建造技术性价比很高,只需要一点点的钱甚至可能不花钱,室内的冬季气温就能上升不少。

 

穆钧 生土建筑研究与实践9
针对毛寺生态小学当地制作出来的图表
穆钧 生土建筑研究与实践10
毛寺生态小学的建造过程

举例来说,如果把240毫米的砖墙替换成600毫米厚的土坯墙,室内的气温平均会升高1.5℃,而造价并没有上涨。后来,我们将图表里最有效的数值区间,利用传统的土坯跟木材,运用到毛寺生态实验小学的设计之中,当时我在这个村里住了一年,带着村民一起盖成了这个学校。经过测算,在墙体的厚度处理上,选择了1米这一当地箍窑的传统厚度,并采取一些措施将自然光引进室内。小学建成之后,我们做了测试,当夏天室外温度超过35℃时,室内的气温维持在20-25℃之间,冬天室外-10℃时,室内没有人时的气温是5℃左右。而当有人在里面上课时,因为整个建筑的围护结构保温性能很好,小朋友散热的热量成为了采暖的热源,实际可以达到平均14-18℃的室内气温,完全不需要烧煤采暖了。而小学的造价,仅仅为600多元一平米。

 

然而遗憾的是,我们后来发现,自己只是把传统的土坯建造运用在设计里,对土坯的防水、力学等方面并没有进行大的改进,使得建成后的三四年后,撤村并校后处于无使用状态的小学,很快就出现了坏损的问题,特别是防水非常脆弱的女儿墙。再后来,村民自己“改造”了这个学校,将它变成了农家乐。因为建筑师在设计的时候没有对生土进行改良,没有有效地克服生土本身的缺点,最后演变成村民改造的结果,这对于初期介入的我,称得上是非常深刻的教训。

 

穆钧 生土建筑研究与实践11

穆钧 生土建筑研究与实践12
建造完成的毛寺生态小学
穆钧 生土建筑研究与实践13
被村民“改造”成农家乐的小学

因为盖这个学校的缘故,我了解到,一条大河把这个村直接切成两半,很多学生需要趟过这条河才能上学。2007年时,吴恩融教授就发动我们帮他们建了一座桥,也由此有了无止桥慈善基金,现在已经成立了十周年。幸运的是,因为有无止桥这一个非常重要的支持后盾,在2008年的时候,我们有了第二次机会跟土做了进一步的接触。

 

 

灾后马鞍桥村重建

2008年汶川地震之后,当时凉山彝族妇女儿童发展中心的侯远高老师联系到我,说位于四川会理县的马鞍桥村与外界被一条大河隔绝,只有一座季节性的独木桥,极大地阻碍了村民们的震后重建。

 

当我前往村里详细了解时,得知当地的传统民居是典型的人畜共居的夯土合院,全部采用夯土建造,在地震中大量的房子受到了严重的损坏,甚至倒塌。当村民被问及准备如何盖新房子时,他们说自己再也不相信土了,更喜欢用结实安全的砖。但是,震后所有的建造材料价格在当地上涨了2倍到3倍,即使村民买得起材料,大河的阻隔也使得建材的运输困难重重,何况处理原本的废墟也是一个问题,而当地村民的文盲率达到了将近七成,如何将建造方法教授给他们,成为了最大的挑战。

 

穆钧 生土建筑研究与实践14
桥被冲走后,马鞍桥村的村民只能趟水过河
穆钧 生土建筑研究与实践15
马鞍桥村当地的老房子

我当时开始思考,如果利用生土建造,一定要找到改良的办法。经朋友介绍,我有幸认识了今天的好搭档好兄长,结构专家周铁钢教授,顿觉相见恨晚。周老师之前在新疆做了很多抗震的生土房,积累了十分丰富的生土建筑抗震设计经验。后来我们跟着周老师一起对整个区域做了大量的调研和震损调查。我们发现传统的老匠人慢慢地都过世了,进城打工的年轻人回来盖新房,因为盖不起砖混的房子,盖的仍然是以前的土房子,但过去的很多关键技术已经流失了,大家甚至还要比着看谁家的房子盖得更大更气派,并没有做任何的抗震措施。周老师带领我们在现场做了一系列试验,研究增强土墙力学性能的办法,并对房屋的建造体系进行了梳理,改良了夯土施工工具,并规范了整个的建造工艺。比如,把竹子像钢筋那样,和构造柱夯固在一起,在打每一板墙的时候,加入竹楔子,进一步增强它的抵御水平作用力。

 

基于这些经验的总结,我们发动村民给其中一家困难户盖了个示范房,在这个过程中对村民进行培训,使得他们可以邻里互助地来盖房子。后来,几乎所有的村民都把原来的倒塌的房子拆了,用这些废墟来盖新的房子,并且在他们的建造中体现出了很多聪明的做法,最后的造价非常便宜。在当地,震后政府统建的砖混建筑造价将近1500元/平米,然而村民自己盖的这些房子平均只需要150元/平米。

 

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建造系统改良
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建造现场
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传统生土材料的优缺点

传统生土建造技术之所以应用广泛,主要源于生土材料所具有的一系列优点——突出的蓄热性能,使得房屋室内冬暖夏凉;可就地取材,可以因地制宜的建造;具有“呼吸”功能,可有效调节室内湿度与空气质量;具有可再生性,房屋拆除后生土材料可反复利用,甚至可作为肥料回归农田等等。然而不可否认,传统生土材料在力学和耐久性能方面存在的缺陷,使得传统生土民居普遍存在结构安全性相对较差的问题。

 

 

国际生土建筑界的两大趋势

在马鞍桥村这个项目中,具体资助无止桥团队的是香港的利希慎慈善基金会,资助了好几百万来做马鞍桥的灾后重建,因为造价很便宜,最后省下了很多钱。基金会希望团队可以利用剩下的这笔钱继续研究,恰好当时我在香港中文大学的橱窗里看到生土建筑界的奥地利专家Martin Rauch组织的BASE habitat工作营招募,于是在2010年时参加了此次工作营。也因为这个机缘,法国国际生土建筑中心于2011年邀请我去做了一个报告,也由此进一步学习和了解了国际现代生土建筑的发展。

 

提到生土建筑在力学跟防水方面的缺点,在40年前第一次石油危机出现时,国际上不少建筑师开始研究绿色建筑,其中有几位法国的建筑专家发现二战后许多村民在废墟上就地取土做成的夯土房非常生态节能。但力学性能与耐水性能较差,于是他们通过大量基础试验研究发现,在常规的土中,真正起粘黏作用的是0.002毫米粒径以下的黏粒,其他的粉粒、砂、石均起骨料作用。如果像混凝土一样,将土、砂、石的比例进行合理级配,给予一定水分并进行高强度的夯击,它的抗压强度跟烧结的砖墙抗压强度差不多。因为它的密实度非常高,耐水性能也得到极大的提升。基于这样的原理,很多人甚至把它叫做生土混凝土。

 

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穆钧在奥地利

事实上,Martin Rauch的家,即是夯土建造的住宅。即便经过改良,但仍然有着相当的局限性,需要通过设计的方式去避讳它的缺点。比如说,厨房里的土墙面沾上油渍会很难处理,但只需要在表面设置一片玻璃就把问题解决了。Martin Raugh利用土建造了非常多的建筑,其中包括柏林“和解礼拜堂”,光从顶部洒下来,打在表面很糙的墙上,成为它自身特有的语言。除了Martin Raugh,国际上还有许多研究生土的专家,比如做了大量沙漠别墅的美国建筑师Rick Joy等。

 

在国际的生土建筑界,主要有两个大的发展趋势。一个方向是针对于这种发展中国家或者是相对贫困的地区,利用当地资源以高性价比的方式,解决当地的居住问题。另一个方向则是在现代建筑的运用上,如何将土作为一种新的传统材料,融入到现代的设计体系中。

 

2011年,法国国际生土建筑中心专门派研究员来教我们如何做土质的定量分析和级配试验。然而,由于欧美现代夯土建造技术是基于当地发达的工业体系,很多建造技术和机具很难直接引入我国贫困的农村地区。为此,我们基于现代夯土材料的优化理论,根据各地县级建材市场所具有的材料资源,进行了一系列本土化试验研究,开发了一套适合于农村建房的现代夯土结构体系、机具系统及其相应的施工方法。

 

穆钧 生土建筑研究与实践20

穆钧 生土建筑研究与实践201
国际支援

与此同时,在住建部和无止桥慈善基金的支持下,我们以甘肃会宁的马岔村作为基地,启动了一个名为Earth School的工作营,由6位马岔村的村民与18位来自内地与香港的高校志愿者一起,在村里试验改良整个的房屋建造体系。基于以上的系列实验成果,我们召集了20几位当地工匠,为马岔村一个困难户兴建示范农房,并以此作为技术培训。建设过程中,我将该项目作为本科生毕业设计题目,有3位学生驻守在村里,与村民工匠一起进行,将更多的精力聚焦于各种构造上,结合房子的功能去做这些构造设计。最开始时,村民对于新型夯土的质量没有概念,恰好有一处的墙放线放错了只能拆掉,于是4个村民费了九牛二虎之力,用了大半天时间才把墙拆下来,他们由此才真正信服这土墙有多结实。示范房建成后,很多有计划盖新房的村民对新技术很感兴趣,而且这些村民工匠已完全掌握了新技术,因此,在我们的协助下,村民工匠为当地村民先后新建了近20户的新型夯土农房。

 

穆钧 生土建筑研究与实践21
基础研究

与此同时,在住建部村镇司的大力推动下,我们在甘肃、江西、河北、贵州、福建等地区,通过发动已成熟练工匠的马岔村民,在驻场研究生的指导下,带领当地村民工匠,先后兴建了110余栋示范或推广农宅。根据各地区的统计,在同样的抗震标准与节能标准下,新盖的房子造价相当于当地的砖混房的三分之二。在每个项目,团队都会派一个研究生驻点,后来发现一个有趣的现象,那些在村里驻点时间越长的,肤色就越黑(笑)。

 

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全国各地的驻点项目与驻场的学生

虽然整个过程听起来很美好,但事实也有不少遗撼之处。虽然团队跟村民说过改良过的墙面防水性能不错,不需要再处理。然而在团队离开后,有些房子的外面被贴上了瓷砖或者刷了白漆。因为在很多村民的心目中,土是贫困落后的象征。

 

我们开始思考,如何把房子做得更现代,从而慢慢地改变村民的一些认识的误区。后来我们设计了马岔村民活动中心,在去年完工,并在这个建筑里尝试了许多新的实验。建造完成的这个村民活动中心,目前已经正式运转起来。里面进驻了一帮当地老爷子组成的皮影戏班,还有个年轻人在里面经营自己的淘宝店。然而,这个房子快要竣工时,村里的大妈问了驻场的学生,“你们这房子什么时候贴瓷砖?”

 

关于这点,我们深深地体会到,一项技术要真正具有生命力需要经过一个市场环境的检验,不能脱离于市场。只有在人们的需求和整个工业体系共同作用之下,才能看出它是否适用于今天。

 

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马岔村民活动中心
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在墙上夯了PVC管的效果

同样,在城市的现代商业建筑中,我们也尝试运用土这一材料。在2013年的万科大明宫楼盘夯土墙景观工程中,采用了传统的生土材料。当它与现代的语言交织在一起时,依然可以感受到传统的味道,但是它会有新的一种表现。

 

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万科西安大明宫楼盘夯土墙景观工程

经过这些年的努力,许多人对于用土建造房子的观念已经改观了很多。还记得2004年到村里从事相关的调研建造时,身边的朋友同学对我们的行为表示很不理解,而我们被问得最多的问题是为什么要去做土房子。到了2015年前后时,我们经常会接到电话,问如何去做土房子。社会的认知,行业的发展,在这几年都发生了很大的变化。在这样的背景下,再回头去看农村时,不难发现当下的农村面临着两个问题——如何盖新的房子?原来的旧房子怎么办?

 

人们经常会用“传承”这个词,然而很多时候只是用“画”来表达传承,画出斗拱,画个“穿斗式”,在我看来,这些只是浮于表面的做法。事实上,在历史中,传统民居一直是处于动态发展的。它受到几个方面的因素影响。首先是自然要素,比如气候、地理地貌,尤其是材料资源。其次是人文要素,包括生产生活、社会结构、文化习俗等等。今天所能看到的传统民居,与过去相比,自然要素的大致变化不大,但是人文要素发生了翻天覆地的改变。在这样的情况下,人们是不是就一定要住在原来的老房子里呢?或者是把所有原来的传统全部否定,建造与过去完全没有联系的新房子?我认为,这两个极端都不合适,我们也许需要追寻的是二者之间的一个平衡点。

 

穆钧 生土建筑研究与实践26
村民自己做的独木桥

在做毛寺生态小学时,我的导师吴恩融教授带着我们去建造新的桥,然而因为大家都是建筑学出身,没人懂得桥梁的建造。于是吴教授专门去英国请教了诺曼·福斯特的御用结构大师Anthony Hunt。Anthony听完描述后非常兴奋,在餐巾纸上画出了一个方案,三岔结构,铝镁合金材质。然而,后来团队对此进行预算,造价需要300多万,这在村里根本没有可能实现。后来吴恩融教授再次去找了Anthony,给他专门看了村民自己做的独木桥。沉默片刻之后的Anthony说,其实你们不应该来找我,你们最好的老师应该是那些村民。原来每年的汛期之后刚好是10月份,村民用收割下来的玉米杆编成一个筐子,把筐子放置于刚好是基岩的河床之上,然后往筐子放置大石头形成桥墩,再在墩上放置木杆,整座桥就完成了。原理非常简单,但事实上确实是很聪明的做法,而它的问题是当大水一来时,泡在水里的玉米杆在浸泡之后容易腐烂既而被水冲走。

 

我们对此做了改良,采用有着PVC包裹的镀锌材质网箱作为桥墩,耐水性能非常好,然后在里面装上石头,既而把镀锌的钢架“放”上去。之所以不把它固定,是因为一旦固定在上面,大水的冲击力非常大,会连整个桥墩一起冲垮。而把钢架放在上面时,即便大水来时,被冲走的钢架也只会沉在旁边,等水过去之后把这抬上来这个桥就算修好了。在原理上,新桥与旧桥相同,差别之处在于采用了新的材料跟科技完成了这一作品。

 

这座桥的建造,过程虽然并不复杂,但成为了我们在往后的实践研究中非常重要的启蒙。

 

穆钧 生土建筑研究与实践27
新桥的建造现场
穆钧 生土建筑研究与实践28
建造完成的新桥

 

我们的目标并不是取代混凝土

许多人会提及中国传统建筑文化的传承,但是在我们看来,如果在技术上不做任何的改良和发展,谈论文化的传承难免显得单薄。只有技术的发展与延续,才是建筑文化不断发展的根本基石。条件和需求的多元化,决定了在任何一个地方盖房子时,最适宜的方案绝对不是“一刀切”的做法。直到现在,仍然会有很多人问我,说做这个生土是打算取代钢筋混凝土吗?我的回答是否定的,因为即便土的性能得到改良,在强度和防水性能上也不可能比得过钢筋混凝土。然而,正如人无完人,所有材料都有其优点和缺点,关键在于我们如何来利用各种材料的优点,改良或避规其缺陷。而站在全国的层面看当下的农村,所谓的建筑文化传承,面临的最大挑战之一是技术选项太少,不论走到哪里不是钢筋混凝土就是烧结砖。而我们这些年一直在努力的,其实就是希望能够把过去的被人视为贫困落后象征的“土布”,通过技术革新变成健康环保又可以做得很漂亮的“纯棉制品”,为农村建设提供更多选项,使得当地的人们可以基于当地的资源条件和实际需求,找到最适宜的“选项”,实现因地制宜的多元。

 

关于土这一传统材料的探索,我们也在教学上进行了新的尝试。我结合设计课程,教授学生如何去夯土,恰好今年是无止桥慈善基金成立十周年,在住建部村镇司和北京建筑大学的支持下,我们发动来自北建大、西建大、香港、甚至美国的30多位大学生志愿者,利用暑假在北建大校园举行了一个生土工作营。以工作营的方式加工并筹备了国内首次以生土建筑为主题的展览。希望在总结团队这些年工作的同时,向大众系统地普及传统生土建筑相关的知识,纠正一些认识误区,并吸引更多人关注传统建造智慧的传承与发展。

 

穆钧 生土建筑研究与实践29
生土建筑展览现场
穆钧 生土建筑研究与实践30
工作营的团队合照

 


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