《自然保護(hù)地》第2卷 第3期 2022 年 8 月
       自然保護(hù)地工程項目建筑材料的科學(xué)選用

張亞慧¹, 齊越¹, 雍娟², 任丁華¹, 于文吉¹, 于海霞³, 鄧侃^1,*

1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，國家林業(yè)和草原局木材科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，北京 100091

2. 中國林業(yè)集團(tuán)公司，北京 100026

3. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，杭州 310023

^*通訊作者: E-mail：dengknsohu@sohu.com 

[摘要] 自然保護(hù)地建設(shè)離不開工程項目建設(shè)，在建筑的選材上，既要考慮材料的建筑力學(xué)特性，又要考慮材料應(yīng)具有綠色低碳環(huán)保、生物友好、與自然環(huán)境協(xié)調(diào)相容等特性。本文在對比常用的建筑材料的基礎(chǔ)上，重點闡述了高性能重組材料的性能特征以及其在自然保護(hù)地中的應(yīng)用優(yōu)勢，以期為自然保護(hù)地的建設(shè)提供一種低碳材料和多元發(fā)展的可能。     

[關(guān)鍵詞] 自然保護(hù)地; 綠色低碳; 景觀建筑材料; 高性能重組材料

[DOI] 10.12335/2096-8981.2022033101

自然保護(hù)地作為我國國土空間中具有重要生態(tài)功能的空間區(qū)域，具有維系生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與安全、保護(hù)生物多樣性、固碳儲碳等生態(tài)服務(wù)功能，且承載科學(xué)研究、歷史文化、視覺審美等諸多重要價值功能^[1]。截至目前，我國已經(jīng)建立了由自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、森林公園、地質(zhì)公園、濕地公園等組成的各類自然保護(hù)地約1.18萬處，大約覆蓋了陸域國土面積的18%，占海域面積的4.6%^[2]，為維系生態(tài)系統(tǒng)健康、穩(wěn)定的發(fā)展，建設(shè)美麗中國提供了強(qiáng)有力的生態(tài)支撐。

自然保護(hù)地的建設(shè)是為了理性地建立相互協(xié)調(diào)的自然生態(tài)系統(tǒng)與社會生態(tài)系統(tǒng)，使人類有更好的可持續(xù)生存環(huán)境與發(fā)展前景^[3]。參照《自然保護(hù)區(qū)工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，自然保護(hù)地建設(shè)項目應(yīng)包括管護(hù)系統(tǒng)、巡護(hù)系統(tǒng)、標(biāo)識系統(tǒng)、科研監(jiān)測系統(tǒng)、公眾教育系統(tǒng)、信息系統(tǒng)以及防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)等^[4]。這些建設(shè)項目主要以人工建筑形式體現(xiàn)，而建筑材料是構(gòu)筑建筑空間、形態(tài)的重要物質(zhì)條件^[5]。現(xiàn)階段，自然保護(hù)地常用建筑材料包括水泥、鋼材、玻璃、陶瓷、木（竹）質(zhì)材料等，建筑材料在自然保護(hù)地建筑中的運用應(yīng)遵循安全性原則、功能性原則、融合性原則和生態(tài)性原則^[6-7]。其中，1）安全性原則要求材料本身符合國家建筑材料的安全性標(biāo)準(zhǔn)以及不同材料之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不影響工程安全建設(shè)；2）功能性原則要求在保證材料創(chuàng)新性的基礎(chǔ)上，承擔(dān)自然保護(hù)地整體建筑設(shè)計和建造風(fēng)格的體現(xiàn)，優(yōu)化施工效果；3）融合性原則要求材料與自然保護(hù)地景觀融為一體，實現(xiàn)材料自然屬性與藝術(shù)塑造的完美結(jié)合，保護(hù)自然保護(hù)地生態(tài)系統(tǒng)不受損害；4）生態(tài)性原則要求在選擇建筑材料時應(yīng)主動考慮節(jié)約能源資源、減輕自然資源消耗壓力。上述原則要求保護(hù)地管理者和建設(shè)者必須了解和熟悉不同材料的特性和運用效果。本文擬對現(xiàn)階段常用的建筑材料從用途、優(yōu)缺點、生態(tài)性等方面進(jìn)行統(tǒng)計分析，并著重介紹重組材料的特性及其在自然環(huán)境中的應(yīng)用優(yōu)勢。

1  自然保護(hù)地建筑材料生態(tài)性分析

在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，低碳已經(jīng)成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵詞。在自然保護(hù)地建設(shè)系統(tǒng)中，建筑原材料的選擇是作為能否實現(xiàn)低碳建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)，其生態(tài)性也已經(jīng)成為重要評價元素之一。本文選取了幾種常用的園林建筑材料：水泥、鋼鐵、玻璃、陶瓷和木（竹）質(zhì)材料，針對這些材料的用途、優(yōu)缺點、生產(chǎn)中能耗、生產(chǎn)中CO₂當(dāng)量排放進(jìn)行了匯總對比^[8-16]，具體見表1?；谏a(chǎn)過程中能耗與CO₂當(dāng)量排放，木（竹）質(zhì)材料作為生物質(zhì)復(fù)合材料，具有低消耗、低能耗、低排放等特征。其中，在能耗方面，木（竹）制品僅為水泥的21.64%、鋼鐵的3.40%、玻璃的6.97%和陶瓷的6.71%；在碳排放方面，木（竹）制品僅為水泥的36.74%、鋼鐵的13.90%、玻璃的31.07%和陶瓷的32.62%。木質(zhì)材料的自然特性決定了木材制品只要還在使用，固定在其中的碳就基本不再釋放，這種不需要額外的賦能維持和經(jīng)濟(jì)投入的功能使木材及其制品成為高效廉價的碳封存體^[17]。同時，從材料的生產(chǎn)、運輸、安裝、維護(hù)，到最后處理的全生命周期角度分析，在上述各種材料中，僅有木（竹）質(zhì)材料的碳存儲大于碳釋放，凈碳排放為−14.89 kg/m³，具有明顯的固碳功能，是典型的固碳儲碳材料。因此，在自然保護(hù)地建設(shè)中，綜合考慮各種材料的能耗，依據(jù)就地就近原則，應(yīng)盡可能地使用木（竹）質(zhì)材料，以推動實現(xiàn)自然保護(hù)地相關(guān)設(shè)施建設(shè)走向綠色化和可持續(xù)化。

表 1 常用建筑景觀材料對比分析

2  不同木（竹）質(zhì)材料的特性及其在自然保護(hù)地建筑中的應(yīng)用

2.1  自然保護(hù)地建筑用木（竹）質(zhì)材料的特性

木質(zhì)材料作為生態(tài)型傳統(tǒng)材料，是現(xiàn)代4大基礎(chǔ)材料中唯一可再生、可降解、可循環(huán)的綠色材料?，F(xiàn)階段，在自然保護(hù)地建筑材料中常用的木質(zhì)材料包括木材、防腐木、炭化木、木塑復(fù)合材料和重組材。其中，1）木材按照樹木種類可分為針葉材和闊葉材，常用樹種包括杉木、落葉松、樺木、榆木、菠蘿格、柚木等。其具有加工簡單、易于維修和更換的特點，同時也帶給人們舒適、融合自然又典雅美觀的視覺和心理感受。但是，木材存在生物耐久性差、耐候性差等缺點。我國森林資源相對匱乏，可用于戶外建筑結(jié)構(gòu)用材和優(yōu)質(zhì)木材資源嚴(yán)重短缺，對外依存度超過50%，難以滿足消費升級的市場需求。2）防腐木是指經(jīng)過防腐處理后的木材，常用的防腐木品種包括冷杉、落葉松、云杉、濕地松、歐洲赤松、樟子松、馬尾松等，具有較好的防腐效果，但也存在木材中的防腐劑易流失而造成環(huán)境污染，且易開裂變形的缺點。3）炭化木是指在缺氧環(huán)境中，經(jīng)過180~240 ℃高溫?zé)崽幚砗蠖@得的具有尺寸穩(wěn)定、耐腐等性能的改性木材^[18]，具有不易變形、防蟲和防蛀性較好的特點，但其存在強(qiáng)度損失較大的問題。4）木塑復(fù)合材料是指由木材、竹材、農(nóng)作物秸稈等木質(zhì)纖維材料與熱塑性塑料分別制成加工單元，按一定比例混合后，經(jīng)成型加工制成的材料^[19]，具有高環(huán)保、高防蟲及防蛀等特點，但易抗凍融變形和光降解變色，特別是力學(xué)性能差。5）重組材料是指采用人工林木材、竹材和沙生灌木等生物質(zhì)資源為原料，以不打亂纖維排列方向，保留木、竹材基本特性為前提，通過纖維定向重組技術(shù)開發(fā)的一種新型復(fù)合材料，其具有高強(qiáng)度、高耐候性、高尺寸穩(wěn)定性及高環(huán)保性等特點，被人們形象地稱為“木鋼”和“竹鋼”。

由表2可知，不同的木質(zhì)材料在具體特性方面區(qū)別較大，其中在抗彎力學(xué)性能方面，重組材料＞硬闊葉材＞防腐木＞炭化木＞木塑復(fù)合材料，在具有承載結(jié)構(gòu)用途方面的材料需求時，需綜合考慮材料的力學(xué)性能和耐久性能。在施工要求方面，上述木質(zhì)材料可采用不同的連接方式來加工實現(xiàn)不同尺度的要求，其中硬闊葉材、防腐木以及炭化木的尺寸主要取決于原木的尺寸，其寬度受限。木塑復(fù)合材料主要以板材和型材為主，尺寸取決于成型模具尺寸。重組材料主要為板材和方材，其中，板材的基本尺寸為（2 000 mm~6 000 mm）× 1 400 mm ×（18 mm~50 mm），方材的基本尺寸為2 600 mm（2 000 mm）× 160 mm × 175 mm以及2 500 mm × 205 mm × 305 mm等，重組材料在二次加工和施工過程中，對現(xiàn)代切削、雕刻等加工工藝技術(shù)具有良好的適應(yīng)性，可鋸切、連接、拼接、砂刨等，可實現(xiàn)二次加工的低成本化以及施工裝配的高效化。

表 2 常用木質(zhì)建筑材料對比分析

Table 2 Comparison and analysis of common wood landscape construction materials

2.2  不同木質(zhì)材料在自然保護(hù)地建筑建設(shè)中的應(yīng)用

2.2.1  鋪地材料

地面鋪裝的主要作用是可以讓使用者通行更加快捷和方便，同時更好地顯示出交通路線的走向、空間的規(guī)劃設(shè)計以及景觀地域的過渡邊界性等^[20]。鋪地材料的選擇可以最大程度地提升自然保護(hù)地景觀的環(huán)境質(zhì)量和使用者的舒適程度。木質(zhì)材料作為硬質(zhì)景觀材料不僅能夠營造藝術(shù)氛圍，還可以在一定程度上促進(jìn)現(xiàn)代自然保護(hù)區(qū)建筑設(shè)計的發(fā)展。在創(chuàng)意思維方面，可以根據(jù)工程的實際尺寸和個性化需求定制生產(chǎn)材料，且在同等條件下，在生產(chǎn)和加工中造成的能耗最小。同時，防腐木、木塑復(fù)合材料、重組材料具有強(qiáng)耐腐優(yōu)勢，可為游客提供盡情欣賞美麗自然景致的優(yōu)越觀景之地。目前，重組材料相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于上海崇明島濕地公園、蘇州太湖國家濕地公園、鄱陽湖候鳥基地等工程。

2.2.2  建筑結(jié)構(gòu)材料

綠色建筑是世界建筑發(fā)展的潮流和趨勢，推進(jìn)綠色建筑發(fā)展，是加快生態(tài)文明建設(shè)的重要體現(xiàn)，也是推進(jìn)節(jié)能減排和實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的有效手段之一。在常用的木質(zhì)材料中，重組材料不僅可以應(yīng)用于自然保護(hù)地建筑結(jié)構(gòu)的承重結(jié)構(gòu)，也可以應(yīng)用于一般的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，但防腐木、炭化木和木塑復(fù)合材料僅可以用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)。作為承重梁柱構(gòu)件，重組材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)值為傳統(tǒng)膠合木的1.5倍，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特性；作為門窗圍護(hù)結(jié)構(gòu)，重組材料門窗的傳熱系數(shù)K可達(dá)1.0 W/(m²·K)，而鋁包木窗的傳熱系數(shù)K最高僅為1.7 W/(m²·K)，具有明顯的減排降耗作用；作為墻板圍護(hù)結(jié)構(gòu)，重組材料掛板的導(dǎo)熱系數(shù)（平均溫度為25 ℃）為0.12 W/(m·K)，木塑復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.32 W/(m·K)^[21]，瓷磚材料的導(dǎo)熱系數(shù)則為1.99 W/(m·K)。重組材料顯然具有優(yōu)良的節(jié)能保溫性能。同時，重組材料、木塑復(fù)合材料與不同的材料可形成組合構(gòu)件，從而滿足不同功能要求，形成格調(diào)新穎契合環(huán)境的氛圍，并可實現(xiàn)工廠預(yù)制，工業(yè)化程度高，易于更換，且具有良好的裝飾性，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于北京冬奧會、北京世界園藝博覽會、杭州西溪濕地公園、蘇州園博園等工程。

2.2.3  景觀小品與裝飾裝潢材料

公共設(shè)施景觀小品與裝飾裝潢材料兼具有文化功能、實用功能、美化功能以及滲透入景觀設(shè)計中增強(qiáng)景觀環(huán)境藝術(shù)氛圍的功能。木質(zhì)材料在自然保護(hù)地景觀小品種類較多，具體包括藝術(shù)裝置、座椅、電話亭、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、休閑設(shè)施、橋梁、臨時建筑等，也可以直接運用于裝飾性板材中，在具體設(shè)計過程中可兼具趣味性和幾何結(jié)構(gòu)的特性。在露天場所使用防腐木時，需注意因防腐劑逐漸流失而造成土壤和水體的污染，產(chǎn)生二次危害，并需要定期維護(hù)以實現(xiàn)防腐功能；使用炭化木時不宜浸泡在水中或與泥土接觸，以防止開裂^[22]；當(dāng)使用木塑復(fù)合材料時，由于塑料高分子的光老化會造成表面粉化褪色，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的強(qiáng)度和色牢度劣化，冷熱循環(huán)變形大，最終使其產(chǎn)品室外應(yīng)用壽命有限。但是，重組材料應(yīng)用在戶外環(huán)境中無需防腐處理與日常維修養(yǎng)護(hù)，可減少維護(hù)成本，且具有較強(qiáng)的實木感，通過清漆、桐油及透明涂飾的運用，可賦予重組材料特有的木材紋理（圖1）和自然光澤，給人帶來自然而然的暖意、肌理、芳香和親切感。同時，隨著重組材料涂飾保護(hù)技術(shù)的開發(fā)，運用技術(shù)手段可改變材料的色彩特征，使材料與色彩更好地結(jié)合，更大程度地發(fā)揮色彩的造型功能以實現(xiàn)完美的視覺觀感，可滿足設(shè)計師對材料的多元化選擇，實現(xiàn)“色彩自由”。目前，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于北京百望山森林公園、廈門五緣灣濕地公園、上海東茭涇公園等工程。

3  重組材料在自然保護(hù)地建筑建設(shè)中應(yīng)用的意義

3.1  重組材料的生態(tài)意義

重組材料是中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所等單位在繼承和吸收傳統(tǒng)重組木、重組竹產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗與教訓(xùn)的基礎(chǔ)上^[23-26]開發(fā)的、具有低碳、綠色、高性能的木質(zhì)材料。2017年重組材料被國家發(fā)改委列入《國家重點推廣節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》，2020年入選國家發(fā)改委、科技部、工信部和自然資源部等4部委編寫的綠色技術(shù)推廣目錄。同時，重組材料在生命周期內(nèi)具有獨特良好的環(huán)境友好型，使用的原料是人工速生林木、竹材和沙生灌木等，是對可再生資源的資源化利用，材料對環(huán)境無污染，其產(chǎn)品屬環(huán)境友好型。原材料的資源化利用更是符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念。因此，重組材料在自然保護(hù)地的推廣應(yīng)用，對推動產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、踐行“兩山”理論、實現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)具有重要作用。

3.2  重組材料的經(jīng)濟(jì)意義

木質(zhì)材料的耐用性（達(dá)到其用途的年限）取決于其在特定環(huán)境中的性能，基于舒適性、安全性和耐久性原則，當(dāng)材料出現(xiàn)嚴(yán)重腐朽或開裂甚至損毀程度，并能輕易折斷時，則材料無法保證使用安全，即為其使用年限。在使用年限方面，重組材料使用期限超過10年，菠蘿格和木塑復(fù)合材料使用期限為3~5年，防腐木的使用期限取決于維護(hù)年限。同時，重組材料具有鋪裝和維護(hù)成本較低的特點，以戶外棧道應(yīng)用為例，18 mm厚的重組材料每平米鋪設(shè)成本約為400元，防腐木約為300元，菠蘿格約為500元，木塑復(fù)合材料約為350元；在維護(hù)成本方面，重組材料、菠蘿格和木塑復(fù)合材料基本不用維護(hù)，防腐木每年維護(hù)成本約為100元；如果僅考慮鋪設(shè)成本、維護(hù)成本和使用年限，那么重組材料綜合成本較防腐木（按照使用期限10年）下降約69%，較菠蘿格（按照使用期限5年）下降60%，較木塑復(fù)合材料（按照使用期限3年）下降約62%。重組材料具有明顯的成本優(yōu)勢，并且可以減少自然保護(hù)地建筑建設(shè)的資金投入。

重組材料利用我國大量的速生林木材資源和竹子資源制造，可以替代優(yōu)質(zhì)木材，有效彌補(bǔ)優(yōu)質(zhì)木材短缺和供給缺口，從而減輕木材進(jìn)口的壓力。我國重組材料現(xiàn)有產(chǎn)能達(dá)到80萬m³，目前主要以戶外景觀園林為主要應(yīng)用領(lǐng)域，按照90%產(chǎn)能應(yīng)用于自然保護(hù)地建筑建設(shè)，每年可減少珍貴木材進(jìn)口量72萬m³，減少森林砍伐1.68萬hm²。因此，大力推廣重組材料在自然保護(hù)地建筑建設(shè)中的應(yīng)用，不僅可極大地減少對森林資源的砍伐，也可緩解我國優(yōu)質(zhì)木材資源供應(yīng)不足的問題，滿足美麗中國和生態(tài)中國建設(shè)的需要。

4  展望

自然保護(hù)地的建設(shè)應(yīng)以節(jié)約能源資源、減少排放為原則，充分利用新技術(shù)，為減輕自然資源消耗壓力和便利野外保護(hù)管理創(chuàng)造條件。重組材料作為一種新自然材料，其特有的色彩、紋理、觸感和溫度均會給人帶來不同的情感體驗，既保證了工程對材料強(qiáng)度的理性要求，又保留了自然賦予人們的感性感受；同時，與水泥、鋼鐵、玻璃和陶瓷等常用建筑材料相比，重組材料能耗僅為上述材料的3.40%~21.64%，碳排放僅為13.90%~36.74%；與常用木質(zhì)材料相比，重組材料使用年限增加2~3倍，成本降低約60%~69%，有效增加了碳庫周轉(zhuǎn)時長，提高固碳效益。隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)與綠色發(fā)展的逐步推進(jìn)，重組材料將充分發(fā)揮其高性能優(yōu)勢，為自然保護(hù)地建設(shè)搭建多元化、生態(tài)性的物質(zhì)材料平臺，體現(xiàn)了形式美和使用功能、自然生態(tài)以及經(jīng)濟(jì)社會各方面因素的平衡性，達(dá)到景觀與周邊環(huán)境相適應(yīng)的“整體性”融合設(shè)計，助力自然保護(hù)地高質(zhì)量發(fā)展。

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