理论教育 木材特征与标准榫连接工艺的发展

木材特征与标准榫连接工艺的发展

时间:2023-10-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:根据木材的特征,在早期,工匠发展出了标准的榫连接工艺,通过榫卯的契合构造,木结构构件之间可以形成直接连接,不需要其他过渡构件。阿尔托也明确地指出,建筑的标准化不应造成相似的建筑或者不能改变的实体,而应该深入建筑的构件和元素的内在系统中,

木材特征与标准榫连接工艺的发展

由于材料属性的不同,材料的标准生产工艺也是不同的,如有的材料被加工成杆系结构构件(如木材、金属、混凝土),有的材料被加工成单元模块构件(如石材、砖),有的材料被加工成面板(如木材、金属、玻璃、混凝土、合成材料),还有的材料被加工成柔性卷材(如塑料)。每一种材料的加工工艺不论是手工的或是工厂化生产的,都遵循一定的行业标准(图3-1)。

图3-1 自然和人工合成材料都具备了成熟的工业化制造工艺

资料来源:Edward Allen,Joseph Iano.Fundamentals of Building Construction[M].Toronto:John Wiley & Sons,Inc,2009:110,111,418,419

如何能最大限度地实现构件的通用化程度是标准生产工艺的重要目标,因为构件的通用性越高,就意味着构件的生产效率越高、越经济。简化构件形式是标准化的最直接方式,构件越小、结构形式越简单,越适合大量生产。砖应当是世界上最早的标准构件之一了,它充分体现了柯布西耶关于标准化的定义:“最简单、最基本、最纯粹的材料;精确的形状;合适的功能”[3]。砖的材料来源不仅广泛,生产工艺也很简单。从早期较大尺寸的土坯,发展成以“一手抓”为适宜尺寸的单元砖,是工匠在长期的建造实践中总结出的合理尺寸,但这个标准尺寸也不是一成不变的。例如在德国,有两种砌块的标准:一种是基于“八分制”的小型砌块,其基本尺寸分为两种:薄型DF(240mm×115mm×52mm)和普通型NF(240mm×115mm×71mm);另一种是基于“十分制”的大型砌块,这种标准砌块的发展主要是由于硅酸钙和加气混凝土工业的发展,大型砌块不仅施工速度快,隔热性能也更好。大型砌块的尺寸根据是否承重会有一定范围的变化,一般尺寸为(1 000mm×500mm×100mm)(图3-2)。

图3-2 不断变化的标准工艺

资料来源:[德]普法伊费尔.砌体结构手册[M].张慧敏,译.大连:大连理工大学出版社,2004:73

对于属性相对单一的材料,构件的标准化生产工艺是比较容易成型的,但对于一些属性多元的材料,标准化的工艺在不同的技术条件下差异是显著的,比如木材。木材兼具优良的抗压与抗弯性能,既可以作为杆件构件,也可作为板材构件。根据木材的特征,在早期,工匠发展出了标准的榫连接工艺,通过榫卯的契合构造,木结构构件之间可以形成直接连接,不需要其他过渡构件。但由于木构件种类丰富导致了开榫工艺的多样化,也加大了标准构件制作的复杂性。(www.daowen.com)

在中国传统的木构建筑中,由于几乎所有的木构件连接都采用了榫卯的构造形式,因此在建造的过程中,木构件的制作是最耗费人力的工作。比如在《营造法式》对工匠等第的划分中,将工艺技术的难易程度和劳动量分为上、中、下三等,其中如大木作,尤其是制作复杂的斗拱构件都是上等。因此,为了尽可能地减少标准木构件工艺的复杂性,工匠在长期的实践经验中也限定了榫卯构造的类型,以提高构件的生产效率,《营造法式》中通过总结列出了四种标准的榫卯类型:斗拱的榫卯连接,多为十字交叉,上下咬接的形式,只有暗契采用销眼穿串的方式;槫与普拍枋等横向平接构件多采用“螳螂口”和“勾头搭掌”等榫卯连接方式;柱与梁的连接则采用“镊口鼓卯”或“梁柱对卯耦批搭掌”等类型榫卯;柱子的拼合采用“暗鼓卯”和“银锭榫”[4]。尽管如此,榫卯构造依然给标准化生产效率的提升带来了很大的难度。直到金属连接件的产生,这个问题才得以解决。当铁钉、螺栓、齿板、胶合等新的工艺能实现更高效的连接后,繁琐的榫卯构造就没有必要了,木构件的形式也因此变得简洁,构件的生产效率也得以提高(图3-3)。

图3-3 构造技术的进步使得标准构件的形式更加简洁,提高了构件的通用化程度,节省了生产成本

资料来源:中国科学院自然科学史研究所.中国古代建筑技术史[M].北京:科学出版社,2000:533;Edward Allen,Joseph Iano.Fundamentals of Building Construction[M].Toronto:John Wiley & Sons,Inc,2009:120,122,123,作者编辑

从构件的标准化生产工艺发展过程来看,构件的功能越单一,标准化的程度就越高。因为传统的木结构构件既要作为承重构件,又要起到连接作用,因此构件的形式就变得复杂。当有过渡连接构件代替木构件发挥连接的效能之后,木构件的形式也就得到了解放。这也反映了建筑标准构件生产工艺发展的一个趋势,通过越来越多的通用标准构件将原有复杂的构件分层、简化,既提高了构件的通用化程度,也提高了生产效率,节约了成本。

虽然推进标准化的发展是提高建筑产品生产效率的有效方法,但建筑产品不是为了满足生产最大化的要求而存在的,不论是场所的变化,还是功能的差异,都会引起建筑结构、性能以及形态上的变化,这就要求标准也可以灵活地变更。阿尔瓦·阿尔托(Alvar Aalto)认为:“标准化并不是意味着所有的房屋及所有的构件都一模一样。标准化主要是作为一种生产灵活体系的手段,用它来适应各种家庭对不同房屋的需求,并能适应不同的地形位置、不同的朝向景色……”[5]而奥古斯特·佩雷(Auguste Perret)的观点则更为直接,他一直倡导合理化生产,而不是最优生产,对他来说,每一个重复构件都是为特定建筑进行的特定设计,一旦建造完成,所有预制混凝土的模具就应当全部作废[6]。如果从生产方式的角度而言,佩雷所提倡的应当是一种类似于“批次生产”的方式,每一个建筑的构件组成都属于一个批次,为了保证每一个建筑的特殊性,不同批次的构件标准也应当保持差异性。

尽管看上去是在强调和标准化相反的差异性,但不论是阿尔瓦·阿尔托还是佩雷,他们都没有否认标准化,而是在拓展标准化的内涵使其不局限于某种特定的形式。比如佩雷所说的模板问题:更新模板不会改变预制的标准技术,只是构件会产生形式或者性能上的差异。阿尔托也明确地指出,建筑的标准化不应造成相似的建筑或者不能改变的实体,而应该深入建筑的构件和元素的内在系统中,以一种有机的方式着重保留这些元素的性质,使它们能构成无穷的组合形式——这是一个由相同部分构成的,却又能产生各种功能和形式的变体。阿瓦尔·阿尔托和佩雷的观点其实反映的正是产品生产的另一个方面——定制,它和标准化并不矛盾,而是标准化与特定需求相结合的必然结果。因此,我们不能为了追求单纯的经济利益而陷于“标准形式”的教条主义,应该深入研究构件的标准生产工艺与连接的标准构造,利用多样的标准组合方式实现建筑的定制设计。

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