李保峰 羊如翼 黄晶 | 宣恩县低碳实践——中国土家泛博物馆当代木构建筑设计
全文刊登于《当代建筑》2022年第8期 p27-30
作者简介
李保峰 | Li Baofeng
华中科技大学建筑与城市规划学院教授
羊如翼 | Yang Ruyi
华中科技大学建筑与城市规划学院硕士研究生
黄晶 | Huang Jing
武汉满木科技有限公司总设计师
摘要：木材是一种被人类使用了几千年的传统建筑材料。在国家提出“双碳”目标的背景下，研究木材建造具有积极的意义。本文介绍了中国土家泛博物馆 6 组当代木结构的设计和建造，并阐述了应用数字化技术和机器人制造解决个性化定制与批量化生产之间矛盾的可能性。借助数字孪生技术，建筑师和机器人工程师协作实现从计算机辅助设计（CAD），到计算机辅助制造（CAM），再到计算机辅助安装（CAC）的全过程。
关键词：低碳 ；木建筑 ；土家泛博物馆 ；数字技术
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彭家寨位于湖北省恩施土家族苗族自治州宣恩县，是国务院重点文物保护单位和国家级历史文化名村。得益于《中华人民共和国文物保护法》，该寨保存良好，但其周边的土家族村寨则遭到了严重的建设性破坏。中国土家泛博物馆项目意在整合龙潭河畔的9个村寨，让土家族农民的生产、生活及农业景观均成为博物馆的活态展示内容，并将旅游业与有机观光农业相结合，吸引外出打工的村民回村参与新农村的建设。项目在发展旅游的同时，挽救当地衰落的农业及传统文化，重建良性的农村社会及自然生态。
本项目的主体建筑均采用现代胶合木结构，因为现代胶合木可以循环利用小尺度的木材，这既有利于行业的可持续发展，又响应国家碳中和及碳达峰的目标，在以同源质料向土家传统建造技艺致敬的同时，也可以彰显时代精神。本项目包含6组单体建筑：主游客中心、二级游客中心、墨客廊桥、地仙廊桥、中意 · 国际建筑研学营和摩霄楼。
1 六组木屋
1.1 主游客中心
主游客中心主要解决从湖北省前来此地的游客的换乘问题。项目整体采用大跨度当代木结构，屋面采用胶合木桁架结构，屋顶采用铝镁锰板材，室内支撑结构采用钢筋混凝土现浇柱。
彭家寨周围群山环绕，桐车坝是彭家寨周边唯一一块尺度有限的缓坡地。为了与环境相协调，建筑采用与群山有一定呼应、起伏变化大的屋面；为了与微地形相协调，建筑地面采用层层退台方式，顺坡渐变，将室内地面分为不同的标高，使其形成丰富的竖向空间，并实现视线的相互贯通（图1）。
为获取最好的景观视野，建筑北立面设置大面积的玻璃墙，营造通透、轻盈的视觉感受；为避免夏季过强的直射阳光进入室内，设计团队在幕墙外侧设置连续水平遮阳，遮阳在夏季可以遮住建筑南侧较高高度角的直射阳光，并且不遮挡游客的视线（图2）。
当代游客中心不仅是提供购票、如厕、等候等功能的场所，还需要提供足够大的空间，以承担巨大的人流量和复杂的多样化活动，然而传统土家建筑在尺度上完全无法胜任。因此，设计团队采用了大跨度当代胶合木结构，不遮掩钢节点，希望通过对力学和材料逻辑的真实展现，彰显当代技术。该设计方式既能呼应传统土家建筑诚实的构造表达，又能彰显时代精神（图3）。
设计团队将若干土家族传统吊脚楼直接插入具有当代性的建筑外墙，使新、旧立面要素之间产生强烈的张力，以此彰显时间的痕迹。立面上的传统吊脚楼不仅是立面造型要素，同时还可以作为观景平台使用（图4）。
建筑屋角主梁悬臂超过10 m，建筑外墙在屋顶下部内凹，形成强烈的阴影，使得巨大的屋顶产生轻盈的漂浮感。“出檐深远”和“屋角起翘”是土家族传统吊脚楼依据保护墙面的逻辑而形成的潇洒形象。从某种意义上来说，现在的建筑是对土家族传统吊脚楼基因的跨时代延续（图5）。
1.2 二级游客中心
二级游客中心位于彭家寨隧道口的南端。设置二级游客中心的主要目的是解决从湖南省来此地的游客的换乘问题，游客不必绕道主游客中心便可实现换乘。设计采用当代胶合木桁架结构作为屋架体系，采用铝镁锰板作为屋面面层，建筑整体呈现轻盈、飘逸的体态（图6、图7）。
二级游客中心广场有一座由建筑师和艺术家合力创作的“艺匠神功”雕塑，雕塑形态取自于土家传统建筑的刀背梁。
1.3 墨客廊桥
在河流纵横的武陵山区，逢河架桥是当地土著的传统，但传统土家风雨桥的尺度受到自然材料与构造方式的制约，很难提供真正意义上的公共活动空间。土家泛博物馆将吸引八方来客，因此需要较大尺度的风雨桥。
墨客廊桥是建筑师尝试的相对大尺度的风雨桥设计。设计团队借鉴传统土家风雨桥建构的逻辑，使用胶合木和现代建造工艺，为实现轻盈、通透并具有地方少数民族特色的效果，严格控制木构件的尺寸，同时为满足整体结构抗风、抗震的需求，在胶合木柱之间不设柱间斜撑的情况下，采取特殊构造措施，加强木柱与木纵梁之间的节点抗侧刚度，使结构安全可靠。设计团队在河道的上空为较多人员提供了一系列可遮阳避雨、可自由交往的公共空间。墨客廊桥建成后，当地举办了一系列土家舞蹈、书画大赛、儿童游艺、300 人长桌宴等活动，在难觅三分平地的武陵山区，设计团队不仅解决了行人跨水的功能需求，还创造出一个能遮风挡雨、尺度舒适的公共交往空间（长80 m，宽8 m）（图8、图9）。
1.4 地仙廊桥
伸臂风雨桥是中国南方的传统木桥，它的优点是可以利用有限长度的树木，以“悬挑+简支”的结构逻辑实现超过木材尺寸的河流跨度。如今，这类传统技术并失传，但因自然木料的结疤和含水率具有差异性，设计团队无法对其进行严格的力学计算，这对以实验科学为依据的工程领域来说，推广该技术有一定的困难。
设计团队沿用传统伸臂风雨桥的结构逻辑，使用胶合木设计了跨度为 25 m 的地仙廊桥。桥身局部受力较大处采用钢节点，桥墩则混合使用毛石和混凝土，在不增加结构体积的情况下大大加强了结构的强度，并使结构的计算清晰化。设计将传统的建造技艺转化为可客观评价、量化计算、工程验收的技术成果。因为桥墩部分使用了钢节点和混凝土，伸臂木梁的平衡不再完全依靠其上部压着的重量，从而“解放”了桥头空间，因此设计团队在桥头设置了不同标高的观景平台和一些更小尺度的公共交往空间。
地仙廊桥的桥体承重构件采用多层密肋胶合木梁构成，这种拱形结构能充分发掘木材抗压强度高的力学性能，可以有效控制桥体主要构件的尺寸。桥体的水平抗侧刚度主要依靠桥体立柱之间的支撑体系，设计团队将其隐藏在桥面以下，避免对正常通行的桥面产生影响，同时桥面4 m的宽度足以承载一些公共活动（图10、图11）。
1.5 中意 · 国际建筑研学营
中意 · 国际建筑研学营包括展览中心、学员宿舍、多功能报告厅、研学教室和食堂等诸多单体建筑。鉴于研学营的主要功能是研学交流，因此设计团队摒弃了“立面（elevation或facade）”概念，采用“界面（interface）”概念，意在为营员的各种公共交往行为提供空间的保证。在展览中心建筑群，设计团队设置了大跨度复合木结构，为学员提供了具有强烈公共性的灰空间，这种通透性在研学营和远山之间建立了自然的联系。在连接 VR 体验馆和展览中心之间的公共空间，设计团队采用4组巨型胶合木立柱，通过不同尺度、不同角度的胶合木构件的纵横搭接，形成具有原始意象的树状组合立柱，不仅满足了结构承载的需要，还隐喻了土家建筑的原始与奔放。报告厅由承重的木梁、木柱搭建而成，该结构不仅提供了空间，其自身也形成强烈的构造表达，不需要施加任何装修（图12、图13）。
1.6 摩霄楼
遵循文物保护建筑规定，设计团队将摩霄楼置于距彭家寨1 km之外的汪家寨。“摩霄”二字源自土家方言，有接近云天之意。设计摩霄楼的目的有三个 ：其一，希望创造一个可在空中观察彭家寨的高视点，观者在此会产生完全不同的视觉体验 ；其二，水畔建塔可以为滨水、水平延展的建筑群落创造丰富的空间轮廓 ；其三，为整个景区和自由布局的研学建筑群设立有利于空间识别的标志物。
摩霄楼的形体以三棱柱为原型，设计关注建筑“看”与“被看”的双重目标 ：迎着研学中心的主要人流方向，设计利用锐角所带来的透视效果，以及木格栅立面的疏密渐变强化摩霄楼的体量感和直上云霄的气势，让直线的楼体与周围曲折蜿蜒的自然地景形成对比 ；面向彭家寨方向，楼体则呈现开敞的形态，为游客在空中观赏彭家寨提供最佳视野。
受消防规范制约，摩霄楼主体结构采用混凝土剪力墙结构体系，其中建筑外部如斯如飞的檐口采用现代胶合木，隐喻土家人祖祖辈辈仰望星空的梦想（图14、图15）。
2 BIM（建筑信息模型）平台
本项目采用当代装配式木结构体系建造。因结构复杂，项目应用自研的“Rhino+Grasshopper+ BIM”平台，生成1 : 1数字孪生模型，服务从设计到运营的全寿命期，并帮助设计工作者、管理工作者检查、了解不同专业的设计，确保业主单位更直观地了解整体设计及各处细节的设计意图（图 16）。在设计阶段，本项目应用BIM平台来进行预制构件的建模，并赋予构件信息，实现二维图纸与三维模型的数据动态关联，使后期的修改更加智能、灵活 ；在进行模型构建时，BIM系统数据库会根据此前获取的勘测数据及建筑设计参数对构件进行智能化尺寸分析，从而得出更科学的数据，设计人员可据此进一步完善图纸 ；在设计管线时，应用BIM技术自动进行管线综合处理，提升管线预留、预埋和安装的合理性 ；在加工阶段，将BIM技术与智能机器人（KUKA机械臂）相结合，高效地实现所有部品件的零误差加工；在施工阶段，本项目尝试施工无图化，将BIM模型上传至“Autodesk Viewer”云端，让设计人员与施工人员的沟通高效、及时，让施工效果高效、精确。BIM平台为本项目的设计、制造和建造提供了全过程连续且可控的数字化平台，极大地提高了工作效率（图17）。
3 机器人工厂制造和现场装配
本项目拥有几千个胶合木和上万个金属部品件（多为异形），对加工精度要求高。因此，设计团队选择将BIM技术与智能机器人（KUKA机械臂）相结合：利用参数化技术生成可供KUKA机械臂读取的单个构件信息模型，这些模型自动排列发送至数字化木构加工厂，加工厂再将构件信息模型输入加工程序中，程序自动生成按时间逻辑排列的各道工序，机械臂操作者可提前在视图中直观地看到整个加工模拟流程，在确认无误后点击上传，机械臂即可按照预先设定好的程序自动进行构件加工。这种数字孪生技术高效地实现了所有部品件的近零误差加工。
数字技术和机器人施工技术解决了困扰建筑师多年的问题——个性化定制和批量化生产之间的矛盾。与航空航天、生命科学相比，建筑的数字量太少，而对于机器人来说，按照数字进行加工只是简单行为。因此，彭家寨项目并未减少构件种类，始终坚持建筑学的初始设计原则，对地域性和当代性的表达、对场地的关注也成为设计的重要起点。
4 综合效益分析
从直观数据上看，使用木材作为主要材料，在造价上会略高于传统建材，但二者成本相差并不大，钢木混合结构的整体造价仅比钢结构贵约 7%，而且木材的成本还可以通过对项目的全过程管理适当减少。从某种程度上看，造价只是对“成本”的狭义理解。要完成碳中和、碳达峰的“双碳”目标，落实贯彻《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》中的新思路，以及 GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》的新要求，建筑行业对于成本应有更全面、更科学的理解。木材作为大自然的产物，易于生长且在生长期吸收二氧化碳（即固碳；使用干法加工木材，用水少，节省资源；木材自重较轻，能有效降低施工和运输成本；结合现代装配式施工工艺，能减少全过程材料浪费及烦琐的内装做法；木材可以循环利用，还能在自然状态下降解。当代胶合木可以将小尺度材料粘合成大尺度的规格，并且其结构性能较普通原木更为可靠，具有节省资源的巨大优势。因此，在建筑全寿命期内，从环保角度审视传统钢筋混凝土结构与现代装配式木结构，使用后者对人类社会更具有积极的意义。■
参考文献
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图1～图15 ：赵奕龙拍摄
图16、图17 ：黄晶绘制
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本文发表于《当代建筑》2022 | No.08
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