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专题丨夯土建筑材料的优点

文化交流
2018-08-24

如果说建筑是一部活的史书,建筑的建材、形制、规模及功能等要素则或直观或间接地反映出了当时当地的自然、经济、社会、文化条件。比如钢筋混凝土建筑的大量出现,意味着钢铁工业、水泥工业的发展已经达到较高水平;降水多寡造成了北方多平房而南方多瓦房;太阳高度角、风向使得北方建筑多坐北朝南,南方民居则无固定朝向;经济发达地区豪宅密度大,经济欠发达地区则不然……与之相应,渝东南地区(本文特指现存夯土碉楼较多的涪陵、武隆、南川、巴南四区县交界处为例,下同)夯土民居的出现及其形制、功能等也是该地区自然、社会、历史、文化进程的一个缩影。

(三)夯土建筑材料的优势271

涪陵区大顺乡石坝碉楼

(三)夯土建筑材料的优势273

武隆刘汉农碉楼

(三)夯土建筑材料的优势314

南川区石溪乡雷坪石民居碉楼

(三)夯土建筑材料的优势316

巴南石龙杨家碉楼群

“夯土”作为人类最早使用的建筑材料和技术之一,在中国建筑文化史上占据着重要地位。考古发现,早在6000年前的仰韶文化早期,中国人就已在使用夯土,在仰韶文化的代表——陕西西安半坡遗址发掘的半地穴式民居中,其房屋柱洞底土即是采用了夯筑技术,在夯筑过程中还加入了碎陶片作为骨料,用夯打方法逐层夯实。同一时期相距千里之外的山东滕州北辛文化遗址中也发现了此类夯土柱洞。从目前的考古发掘成果来看,虽然这类夯打工艺仍较原始粗糙,应用也并不普遍,但却与后世沿用至今的分层夯筑技术一脉相承。距今4000年前的龙山文化时期,夯筑技术的发展达到一个新的高峰,随着“堆筑”技术的广泛使用,出现了大规模的夯土建筑群和夯土城墙,山东章丘城子崖、阳谷景阳冈、邹平丁公、临淄桐林等十余座夯土筑成的城是这个时期夯土建筑的代表作(1)。 

今天大家所熟知的“版筑”工艺,最早出现于仰韶文化晚期的中原地区,郑州西山遗址发现的仰韶文化晚期城址是这方面最早的例证。夏商时期,“版筑”已成为一门专门的职业,商王武丁的宰相傅说在发迹以前就是专门从事“版筑”的泥水匠(2)。商周以降,迄于春秋战国,夯土技术经过一代代“版筑”匠人的逐步完善,在实践中逐步走向成熟,广泛应用于修筑城墙、修建堤坝、建设宫殿房屋。在之后2000多年的历史长河中,夯土建筑工艺在因时因地制宜、不断改进提高的同时,随着北方人口迁徙,从黄河流域走向全国。其分布范围之大,应用范围之广,纵观新中国成立以前的整个中国建筑史,也仅有木结构堪与其比肩,究其原因,主要是因为夯土建筑固有的特点。

夯土具有冬暖夏凉、隔热效果好的特点

生土的导热系数小,热惰性好,热稳定性好,造就了夯土建筑冬暖夏凉的特点。据研究,在室外温度波为5℃时,具有厚度30厘米夯土外墙的传统民居,其室内的平均辐射温度波幅(温度波幅是当温度呈周期性波动时,最高值或最低值与平均值之差)约为0.3℃,波动较室外延迟时间为2-3个小时,室内温度波幅为0.5℃,室内作用温度(作用温度是衡量室内环境冷热程度的综合指标之一,室内环境与人体之间存在对流与辐射引起的干热换热,影响人体热交换的室内气温和墙面、地面、窗、天花板等表面温度是不相等和不均匀的。作用温度表示了空气温度与平均辐射温度两者对人体的热作用,可认为是室内气温与平均气温按相应的表面换热系数的加权平均值)波幅为0.4℃左右,说明夯土建筑热稳定性良好(3)。

据相关研究表明,夯土住宅与普通农宅相比,因其导热系数和蓄热系数均小于大部分常用建筑材料,保温隔热性能更好。冬季测试,对应房间空气温度平均高出4.00℃。2013年7月12~16日,课题组一行对大顺乡夯土碉楼考察时测试显示,炎热的夏季正午时分,夯土碉楼室内气温比阳光下气温平均低5℃~7℃,从室外进入夯土碉楼内,顿感凉爽不少。由此可见, 夯土墙体的隔热效果较好。

夯土建筑施工简易、技术成熟的特点

夯土建筑施工工具简单,建造技术熟知易懂,无须大型施工设备。根据夯土模具的不同,传统夯土营造工艺分为椽筑法和版筑法。

椽筑法即用椽子作为主要模具的夯筑工艺。主要工具有:立杆、椽条、撑木、夯锤、木楔子等。具体操作方式是:完成放线及基础后,在待夯筑墙两端的两侧各埋入一根立柱,后将待夯墙一侧的两个立柱内侧用椽条横向连接起来,作为夯筑侧板(每边侧板多由4根椽条组成——每根椽条长约3米,直径10厘米)。视需要将木楔子嵌入横椽与立杆之间,以控制墙体厚度。端头亦由埋在待夯墙一端的两个立柱之间紧密排列的椽条组成(椽条上端一般用绳索绑定,以确保夯筑过程中椽条与立柱位于同一直线上)。撑木则用来斜撑加固端头。模具架成,即填土夯实(每层倒入虚土约12厘米)。每个夯点至少用夯锤夯击两次。夯土夯至侧板上边缘齐平则将侧板往上平移,直到夯至所需高度(由于夯筑过程中夯土承载力有限,每天夯筑高度不超过1米)。有的地方模板不安立柱,而是在端头外侧用芨芨草或麻绳等草本科植物绳索作为侧板的椽条进行对拉固定。

(三)夯土建筑材料的优势1993

(三)夯土建筑材料的优势1991

椽筑法

版筑(5),就是用以板为模,填土夯实以为墙的方法。版筑根据侧板长度,可以分为长版版筑和短版版筑两种。长版版筑与椽筑法相似,只是将侧板由椽条换成了长5米、厚50厘米的木板,同侧立柱间距1.5-2米。

三峡地区夯土建筑建造主要采用短版筑法。主要工具有:两块侧板(一般高30-33厘米、长1.5米左右)、一块挡板、两根夹签、一个箍头、一条木墙板、一个夯锤、木扇板若干。具体操作方法是在地基上用两块侧板和一块端板组成模具,另一段用箍头和夹签固定。然后向磨具内填入土料(入模的土料,每层虚铺厚度不宜大于12厘米),用脚初步踩实后,用夯锤夯筑至少两遍(每个夯点至少夯打2锤,每次夯击,夯锤提升高度至少在40厘米以上)。再填入土料,夯实,如此往复,至夯土高度与模板持平。拆除模板,沿建筑地基平移,继续夯筑至所需长度,称为“第一版”。在第一版夯土墙之上架设模板继续夯筑,称之为“第二版”。由于夯土墙夯筑过程中承载力很低,在自身重力作用下都有可能破裂,因此,夯土墙每天夯筑高度不超过三版(约1米高)。短版版筑需严格控制其垂直度,对每版都进行找平处理。

夯土建筑工具简单,施工方法易上手,对人工数量要求较低,技术难度系数小,是夯土建筑在三峡地区长期存续的重要原因。

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版筑工具和使用施工现场

夯土具有取材容易、造价低廉的特点

Chapter 3

夯土建筑的主要原材料是干净黏土、毛石、木材、竹材、碎石、条石、芦苇、稻草等,价格低廉,房前屋后简单易得,运输方便。由于就地取材和施工简易,夯土建筑的造价仅为常规砖混结构建筑的四分之一到三分之一。2009年无止桥慈善基金与城乡建设部村镇建设司合作开展的凉山州会理县新安傣族乡马鞍桥村灾后重建项目中,建设了一批抗震环保的夯土农宅,平均工程造价仅为250元/平方米。与钢筋混凝土建筑动辄一两千元的造价,夯土建筑堪称廉价。且夯土具有天然的色彩和纹理,维护起来也比较简单、经济。

夯土具有墙体厚重、防御性能强的特点

夯土外墙厚度一般不低于40厘米,很多夯土建筑,如三峡地区分布广泛的夯土碉楼,外墙厚度超过50厘米,高度多在10米以上,开窗小且开窗位置高,一座碉楼一般只有一个大门,门板极为厚重,易守难攻;夯筑时在黏土中掺有一定比例的石灰、细砂,组成三合土(6),关键部位还浇入一定比例的糯米汁、牛血等有机材料,夯筑成的夯土墙,硬度和韧性都相当高,用铁镐刨时会迸发出火星,有的甚至用火药才能炸开,防水能力也成倍提高;与木结构房屋相比,夯土墙还具有不易燃的特性。这些特点,使得夯土建筑在冷兵器时代,乃至以轻武器为主的近代,都具有很强的自防御能力。

夯土建筑具有生态环保、节能舒适的特点

夯土无毒、基本无污染,且作为可降解材料具有呼吸功能,可调节室内湿度。当室内湿度较大时,夯土墙可吸附一定量的水蒸气,降低室内湿度;反之,室内较干燥时,又释放一部分水蒸气,提高室内湿度,从而使室内湿度维持在一个比较稳定的水平(7)。

在建筑活动中,采用夯土技术兴建住宅等建筑物,无须再加工且运输量极小,利用生土、毛石、芦苇、毛竹等可再生资源,不仅极大地减少了对环境的破坏,使用多年的夯土老墙土,还是上好的肥料。如果采用常规的砖混结构或者混凝土结构,需要耗费大量高能耗的水泥、黏土砖及钢筋,而以钢筋混凝土碎块为代表的建筑垃圾已经成为重要的环境问题。

 注释 

(1)王斌《山东地区先秦时代的夯土技术》,《中国文物报》2012年11月19日。

(2)《孟子·告子下》。

(3)刘艳峰、刘加平、张继良《传统夯土民居冬季热稳定性研究》,《四川建筑科学研究》,2008年12月。

(4)马全明《传统夯土建筑的改进及室内热环境研究》[D],东南大学2011年博士学位论文,P49、P66

(5)参考住房和城乡建设部村镇建设司、无止桥慈善基金编《抗震夯土农宅建造图册》[米],中国建筑工业出版社2009年10月版;张伟《土作》[D],中央美术学院硕士学位论文,2009年6月;陆磊磊、穆钧、王帅《黄土高原地区传统民居夯筑工艺调查研究》[J],《建筑与文化》,2014年8期。

(6)早在公元前7世纪的周代,中国人就已经烧制使用石灰作为胶凝材料修筑陵墓、城墙。《左传》中有记载:“成公二年(公元前635年)八月宋文公卒,始厚葬用蜃灰”。蜃灰即石灰。在公元5世纪的中国南北朝时代,出现一种名叫“三合土”的建筑材料,它由石灰、黏土和细砂所组成。到明代,有石灰、陶粉和碎石组成的“三合土”。明代《天工开物》一书中记载:“用以襄墓及贮水池则灰一分入河砂,黄土二分,用糯米、羊桃藤汁和匀,经筑坚固,永不隳坏,名曰三合土”。在清代,除石灰、黏土和细砂组成的“三合土”外,还有石灰、炉渣和砂子组成的“三合土”。清代《宫式石桥做法》一书中对“三合土”的配备作了说明:“灰土即石灰与黄土之混合,或谓三合土”;“灰土按四六掺合,石灰四成,黄土六成”。

(7)李涛《传统与现代的和谐——浙江安吉老宅的生态实践》[J],《中国建筑学会2007年学术年会论文集》,2007年。

文 / 城市文化与建构研究所