木塑建筑部品設(shè)計(jì)研究?

牛征北 易 欣 歐榮賢 王清文

[生物基材料與能源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院），廣東 廣州 510642]

木塑復(fù)合材料（Wood-plastic composite, WPC）簡(jiǎn)稱木塑，因其原料來(lái)源廣泛、制品可塑性強(qiáng)、生產(chǎn)工藝成熟且生態(tài)環(huán)保，被大量應(yīng)用于園林造景、建筑裝飾、家具制造及包裝運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。近年來(lái)伴隨著木塑產(chǎn)業(yè)與裝配式建筑產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，建筑中木塑部品的集成加工技術(shù)創(chuàng)新、性能改進(jìn)、功能化等方面的研究不斷深入，木塑設(shè)計(jì)理念趨于豐富，市場(chǎng)對(duì)裝配式木塑集成房屋和木塑建筑部品的認(rèn)可度也不斷提升，應(yīng)用需求不斷涌現(xiàn)。與此同時(shí)，木塑建筑部品的產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化、自動(dòng)化的生產(chǎn)要求開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸迫切起來(lái)，新的集約、節(jié)約、綠色、科技的現(xiàn)代生產(chǎn)方式、建設(shè)應(yīng)用方式呼之欲出。采用模塊化思想指導(dǎo)木塑建筑部品的設(shè)計(jì)研究對(duì)實(shí)現(xiàn)木塑產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)鏈的專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化具有重要意義，值得進(jìn)行深入的分析和研究。

1 木塑建筑部品的用材概況

木塑是采用木、竹、秸稈等木質(zhì)纖維材料作為填料和增強(qiáng)相，與熱塑性塑料基體進(jìn)行熔融復(fù)合，采用熱壓、擠出、注射等成型加工方式制成的一種新型復(fù)合材料。木塑在減少塑料帶來(lái)的環(huán)境污染、緩解優(yōu)質(zhì)木材的供需矛盾、增加對(duì)農(nóng)林低值材料的利用等方面發(fā)揮著重要作用，其本身亦可回收利用，是名副其實(shí)的環(huán)境友好型材料[1]。在材料與結(jié)構(gòu)方面木塑具有抗水防潮、防蟲(chóng)防蛀、耐候耐老化、防菌防腐、抗沖抗彎、可塑性強(qiáng)、表面處理多樣、易于二次加工等特點(diǎn)[2-6]，在產(chǎn)品屬性和性能方面具有原料豐富多元、生產(chǎn)技術(shù)成熟、加工定制性能強(qiáng)、生態(tài)綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，這使得木塑在綠色材料領(lǐng)域成為廣受關(guān)注的新星。

木質(zhì)纖維原料、塑料與助劑構(gòu)成的木塑配方體系直接影響木塑的各項(xiàng)性能，通過(guò)改變配方賦予材料不同的性能可為研發(fā)不同用途的木塑建筑部品提供可能[7]；擠出、注射和模壓是當(dāng)前木塑的主要成型方法，通過(guò)單獨(dú)采用或組合使用不同的成型方式可為生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜功能多樣的木塑建筑部品提供技術(shù)支持[8]；此外不同的二次加工工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、加工定制預(yù)制方法也為滿足木塑建筑部品的市場(chǎng)需求提供解決方案。木塑建筑部品有著巨大的潛在市場(chǎng)和廣闊的應(yīng)用前景。然而，生產(chǎn)效率、質(zhì)量穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本等方面存在的短板還在制約木塑建筑部品在市場(chǎng)中的表現(xiàn)，木塑建筑部品產(chǎn)業(yè)鏈有待進(jìn)一步完善[9]。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想來(lái)指導(dǎo)木塑建筑部品的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)，建立創(chuàng)新、綠色、科技的規(guī)模化生產(chǎn)方式對(duì)木塑建筑部品的產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化的穩(wěn)定發(fā)展有重要意義。

2 木塑建筑部品開(kāi)發(fā)中的模塊化思想

2.1 模塊化思想在木塑建筑部品中應(yīng)用的必要性和可行性

模塊化思想是指在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)一系列結(jié)構(gòu)模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的不同需求的設(shè)計(jì)思想[10]。模塊化思想是由循環(huán)設(shè)計(jì)的理念發(fā)展而來(lái)，在設(shè)計(jì)中主要使用可以互換的模塊組合成產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約、循環(huán)利用、功能拓展等目的。模塊化思想具有面向設(shè)計(jì)、制造、裝配[11]、維修[12]、回收[13]及產(chǎn)品生命周期[14]全過(guò)程的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于木塑建筑部品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，可促進(jìn)木塑產(chǎn)業(yè)的綠色創(chuàng)新發(fā)展。通過(guò)降低木塑部品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，縮短開(kāi)發(fā)周期、支持企業(yè)之間的協(xié)同創(chuàng)新和提高用戶在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中的參與度[15]，為木塑建筑部品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供創(chuàng)新的空間；力求使木塑建筑部品在結(jié)構(gòu)上做到可替換、易拆卸、能裝配，進(jìn)而可方便使用過(guò)程中對(duì)制品進(jìn)行局部的維護(hù)或升級(jí)以達(dá)到延長(zhǎng)壽命、減少材料資源消耗的目的[16]；模塊化思想的引入有利于實(shí)現(xiàn)木塑建筑部品制造的協(xié)同化，促進(jìn)組織專業(yè)化生產(chǎn)和社會(huì)化協(xié)作，有利于使新型建筑設(shè)計(jì)和施工制造更加精細(xì)。

模塊化思想是建立在標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)之上的設(shè)計(jì)思想，標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)部件規(guī)格是產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而木塑自身具備優(yōu)良的可塑性，制造工藝以標(biāo)準(zhǔn)化的成型擠出工藝為主，可以較好地契合模塊化設(shè)計(jì)思想，因而可以生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)合理、制作容易、成本低廉、能為廣大用戶接受的木塑建筑部品。因此模塊化思想具有應(yīng)用到木塑建筑部品設(shè)計(jì)中的可行性。

2.2 模塊化木塑建筑部品開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

木塑材料所具有的可模塊化特點(diǎn)，使裝配式木塑建筑部品開(kāi)發(fā)具有較好的前景。當(dāng)前已經(jīng)有不少企業(yè)開(kāi)發(fā)出具有模塊化特征的木塑墻板、木塑樓面、木塑吊頂?shù)饶舅墚a(chǎn)品/部品。截至2020 年11 月7 日的中國(guó)專利數(shù)據(jù)庫(kù)檢索結(jié)果顯示（如圖1 所示），有關(guān)木塑模塊化產(chǎn)品及其制造設(shè)備的專利申請(qǐng)量自2013 年開(kāi)始出現(xiàn)了較快的增長(zhǎng)，2017 年專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)率高達(dá)400%，2017 至2018 年兩年間專利申請(qǐng)量達(dá)數(shù)十件，且預(yù)計(jì)隨專利的陸續(xù)公開(kāi)近三年的申請(qǐng)量還會(huì)攀升，可見(jiàn)模塊化木塑建筑部品已經(jīng)獲得企業(yè)的關(guān)注，未來(lái)市場(chǎng)前景看好。

圖1 我國(guó)模塊化木塑產(chǎn)品及其設(shè)備專利申請(qǐng)量情況示意圖Fig.1 Schematic diagram of the number of patent applications for modular wood-plastic products and equipment in China

模塊化部品應(yīng)用于建筑住宅領(lǐng)域，具有生產(chǎn)速度快、節(jié)約勞動(dòng)力、環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，這已成共識(shí)[17-19]。融入模塊化思想的現(xiàn)代木塑建筑不僅可改變傳統(tǒng)建筑業(yè)內(nèi)成員企業(yè)各自為戰(zhàn)的生產(chǎn)方式，還有利于縮短中間流程，高效利用包括生物質(zhì)資源在內(nèi)的各種資源，提高生產(chǎn)效率和建筑產(chǎn)品質(zhì)量?；谀K化思想的木塑建筑部品開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)集成化制造（圖2），使生產(chǎn)各環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密，將供應(yīng)鏈中的多個(gè)企業(yè)有效連接，還有利于增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[20]。

圖2 木塑建筑部品中模塊化思想的具體體現(xiàn)和實(shí)施過(guò)程Fig.2 Concrete embodiment and implementation process of modularization idea in wood-plastic building parts

木塑建筑可由以木塑復(fù)合材料為主要用材的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外部圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)通過(guò)預(yù)制部品集成的方法實(shí)現(xiàn)[21]，而整體采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的并不常見(jiàn)，當(dāng)前最能體現(xiàn)模塊化思想的“裝配式建筑”也主要應(yīng)用于鋼筋混凝土建筑中[22]?？梢圆捎肧WOT分析方法[23]，定性分析模塊化裝配式木塑部品開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀和前景，如表1所示。

表1 裝配式木塑部品應(yīng)用SWOT定性分析Tab.1 Qualitative analysis of assembled wood-plastic parts using SWOT method

由上表可知，模塊化的裝配式木塑部品因政策、經(jīng)濟(jì)、發(fā)展理念、科學(xué)研究的不斷發(fā)展而具有更多優(yōu)勢(shì)和機(jī)遇。同時(shí)就其問(wèn)題和挑戰(zhàn)而言，主要是因?yàn)樾袠I(yè)起步較晚帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范不完善，知名度不高和產(chǎn)業(yè)鏈不發(fā)達(dá)，以及由此造成的建設(shè)成本高的問(wèn)題[24]。而通過(guò)完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，積極推廣宣傳，形成生產(chǎn)規(guī)模，建設(shè)完整產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)峭七M(jìn)模塊化裝配式木塑建筑部品發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。以模塊化思想指導(dǎo)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)有利于促進(jìn)木塑建筑部品的發(fā)展。

3 模塊化思想在木塑建筑部品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 模塊化設(shè)計(jì)一般原則

對(duì)于面向制造和裝配的模塊化設(shè)計(jì)，必須關(guān)注從木塑材料到結(jié)構(gòu)模塊的制造過(guò)程和從木塑結(jié)構(gòu)模塊到木塑建筑部品的裝配過(guò)程這兩個(gè)部分[25]。其重要意義在于，一方面有利于促使木塑結(jié)構(gòu)模塊生產(chǎn)過(guò)程更便捷、高效、靈活，從而使木塑部品的生產(chǎn)科學(xué)、穩(wěn)定、多元、低成本。另一方面，科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)劃分便于形成標(biāo)準(zhǔn)化的模塊庫(kù)，而標(biāo)準(zhǔn)化的模塊庫(kù)對(duì)于從結(jié)構(gòu)模塊到木塑建筑部品的裝配過(guò)程中降低成本、便利操作和使用過(guò)程中的拆卸更換等具有重要作用。在具體劃分時(shí)，依據(jù)需求確定需求模塊，在需求模塊中確定功能并劃分功能模塊，然后根據(jù)功能模塊確定結(jié)構(gòu)分布，得到承擔(dān)獨(dú)立功能的結(jié)構(gòu)模塊，最終將合理的結(jié)構(gòu)模塊加入模塊庫(kù)。在此過(guò)程中，從生產(chǎn)角度看要堅(jiān)持合理生產(chǎn)流程、減少零件數(shù)量、簡(jiǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、支持協(xié)同制造、易于精細(xì)生產(chǎn)等原則；從市場(chǎng)角度看要堅(jiān)持降低生產(chǎn)成本、提高和穩(wěn)定生產(chǎn)質(zhì)量、縮短交貨期等原則；從用戶角度看要提高循環(huán)替換可能，優(yōu)化使用體驗(yàn)，延長(zhǎng)使用周期，使材料易于循環(huán)回收，做到生態(tài)環(huán)境友好等。

3.2 模塊化設(shè)計(jì)一般流程

圖3 模塊化劃分的一般流程圖Fig.3 General flow of modularization partitioning

首先，從市場(chǎng)已有產(chǎn)品切入進(jìn)行木塑部品需求分析，確定用戶需求。結(jié)合已有產(chǎn)品進(jìn)行市場(chǎng)分析，明確木塑建筑部品需要滿足的需求，并依據(jù)需求將已有木塑部品劃分為滿足不同需求的單元[26]。接著對(duì)獲得的需求單元進(jìn)行功能分析，確定滿足需求需要承擔(dān)的功能。將每個(gè)需求單元按其功能再次進(jìn)行劃分，獲得功能模塊。然后依據(jù)功能模塊確定結(jié)構(gòu)布局，并獲得結(jié)構(gòu)模塊。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局的劃分，一般需將承擔(dān)不同功能的結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。接著對(duì)上述獲得的結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行評(píng)估，以是否符合模塊劃分的約束條件和基本原則作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，符合模塊劃分約束條件和基本原則的模塊即可將其納入標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)，后續(xù)裝配木塑建筑部品可直接選用，也可作為模塊化生產(chǎn)制造的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)件。不符合劃分約束和原則的則退回至劃分結(jié)構(gòu)分布步驟，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分布劃分。具體來(lái)看，模塊劃分約束和原則主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)約束和生產(chǎn)制造約束兩個(gè)方面的內(nèi)容。產(chǎn)品設(shè)計(jì)約束是指在整個(gè)模塊劃分的過(guò)程中要關(guān)注產(chǎn)品外觀、用戶體驗(yàn)、資源節(jié)約等產(chǎn)品角度要素；制造裝配約束則是強(qiáng)調(diào)要考慮材料性能、成型工藝、制造方法的可行性，制造裝配過(guò)程需簡(jiǎn)潔、可靠、易操作等。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)約束而言，必須滿足產(chǎn)品的具體用戶的使用需求；必須滿足并優(yōu)化產(chǎn)品的人機(jī)尺寸和使用體驗(yàn)，依據(jù)人的構(gòu)造尺寸和功能尺寸。對(duì)于生產(chǎn)制造約束而言，必須滿足生產(chǎn)的高效和低成本，如在板材連接過(guò)程中采用企口鎖扣技術(shù)，避免劃分加入新的連接部件便于生產(chǎn)。

3.3 基于模塊化思想的木塑建筑部品設(shè)計(jì)案例

以圖4的裝配式木塑房屋為例，該房屋是基于模塊化思想生產(chǎn)搭建的具有傣族傳統(tǒng)民居特色的現(xiàn)代裝配式木塑集成房屋。該實(shí)例基于模塊化思想對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，通過(guò)因地制宜選用木塑材料，并異地生產(chǎn)建筑部品單元，在建筑中融入民族傳統(tǒng)元素和現(xiàn)代人居需求，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)技術(shù)、藝術(shù)和文化的結(jié)合，建造出創(chuàng)新、綠色、科技的現(xiàn)代裝配式木塑集成房屋。建筑設(shè)計(jì)圖和建成后實(shí)物照片如圖4所示。

圖4 采用模塊化設(shè)計(jì)思想的裝配式木塑房屋[27]Fig.4 Prefabricated wood-plastic house with modular design concept

以模塊化設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)裝配式木塑集成房屋的設(shè)計(jì)和研發(fā)，關(guān)鍵在于針對(duì)裝配式木塑建筑部品的模塊的科學(xué)劃分和標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)的準(zhǔn)確構(gòu)建。對(duì)裝配式木塑建筑部品的模塊劃分首先需要結(jié)合市場(chǎng)上已有的傣族傳統(tǒng)房屋特點(diǎn)進(jìn)行需求分析，確定裝配式木塑集成房屋的需求。從用戶市場(chǎng)的角度出發(fā)，結(jié)合傣族傳統(tǒng)民居的發(fā)展，無(wú)論是從以茅草和原木為主、還是到以加工木材和人造板材為主或是以混凝土和鋼結(jié)構(gòu)為主的房屋搭建，安全可靠的居住環(huán)境、舒適便利的居住條件、與周?chē)h(huán)境和諧融洽、延續(xù)保留傳統(tǒng)傣族民居風(fēng)格是傣族房屋一貫的追求?；谝陨蟽牲c(diǎn)，可以明確傣族裝配式木塑集成房屋的需求：安全舒適、綠色環(huán)保、民族特色。由此可運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想對(duì)裝配式木塑建筑部品進(jìn)行模塊劃分和標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)構(gòu)建，進(jìn)而為后續(xù)的生產(chǎn)制造、裝配搭建傣族裝配式木塑集成房屋創(chuàng)造可能性。

結(jié)合上述需求與現(xiàn)代房屋設(shè)計(jì)布局，可將裝配式木塑建筑部品劃分為如下六大需求部品模塊：餐廚部品、臥寢部品、衛(wèi)浴部品、會(huì)客部品、倉(cāng)儲(chǔ)部品和裝飾部品。之后對(duì)各個(gè)部品模塊進(jìn)行功能分析，找出各個(gè)部品模塊需要滿足的功能。將不同部品模塊中承擔(dān)相同功能的部品合并同類項(xiàng)，最終可確定為基礎(chǔ)系統(tǒng)、地面系統(tǒng)、樓面系統(tǒng)、墻體系統(tǒng)、屋蓋系統(tǒng)、水電光暖系統(tǒng)及裝飾系統(tǒng)等七大功能部品模塊。在不同需求部品模塊劃分得到的同一功能滿足的要求不同時(shí)須進(jìn)行區(qū)分，例如地面鋪裝功能同時(shí)存在于衛(wèi)浴部品模塊和臥寢部品模塊，但承擔(dān)的功能要求有所不同，衛(wèi)浴部品中更強(qiáng)調(diào)耐水防滑，而臥寢中更強(qiáng)調(diào)吸聲降噪。在明確了功能部品版塊后即可依據(jù)功能直接劃分結(jié)構(gòu)分布。

依據(jù)功能直接完成結(jié)構(gòu)分布的劃分，由此就可以獲得劃分的最終模塊——結(jié)構(gòu)模塊。獲得的結(jié)構(gòu)模塊需要滿足模塊劃分約束和原則。在木塑建筑部品劃分中的墻體系統(tǒng)功能部品主要包括外包覆木塑材料的薄壁鋼柱和擠出成型的木塑構(gòu)件等；地面系統(tǒng)功能和屋蓋系統(tǒng)功能部品則以功能化開(kāi)發(fā)的木塑材料（中空擠出、材料發(fā)泡、化學(xué)改性）為主，通常在擠出成型的基礎(chǔ)上再模壓成為一定形狀的型材，接著進(jìn)行表面處理；樓面系統(tǒng)功能部品和墻面圍護(hù)部品通常在應(yīng)用木塑材料的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用泡沫混凝土、水泥纖維板等；而對(duì)于裝飾功能模塊，直接采用木塑注射成型方法，即可獲得形狀多樣的具有傣族傳統(tǒng)特色的裝飾部品。對(duì)于上述木塑部品，其本身具備生產(chǎn)技術(shù)成熟完善、成本可控和性能穩(wěn)定、規(guī)?；瘽摿Υ蟮膬?yōu)勢(shì)，加之模塊化裝配的生產(chǎn)建設(shè)方式不用現(xiàn)場(chǎng)澆筑，異地生產(chǎn)和異地組裝有節(jié)能低碳、便于推廣的優(yōu)勢(shì)。而且材料本身優(yōu)良的感覺(jué)特性、二次加工特性、外觀可塑性能很好地滿足用戶體驗(yàn)方面的需求。此外還可從劃分的各個(gè)結(jié)構(gòu)模塊的制造成熟程度、組裝簡(jiǎn)潔易操作程度、組裝后用戶的使用便利程度、生產(chǎn)制造流程簡(jiǎn)化程度，生產(chǎn)成本降低程度、殘次品產(chǎn)生減少程度、使用周期延長(zhǎng)程度等方面評(píng)估劃分的結(jié)構(gòu)模塊是否符合劃分約束和原則，符合情況良好便可將其加入標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)。最后形成的標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)可作為模塊單元，可依據(jù)用戶選擇進(jìn)行組合搭配，再進(jìn)行裝配搭建即可形成上圖4 中的傣族裝配式木塑集成房屋。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于木塑復(fù)合材料性能與應(yīng)用現(xiàn)狀,分析了將模塊化設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于木塑建筑部品中的可行性、必要性和優(yōu)勢(shì)。闡述了模塊化思想在木塑建筑部品設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例提出了裝配式木塑建筑部品模塊的劃分和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)構(gòu)建的具體方法，為木塑建筑部品的產(chǎn)業(yè)化與規(guī)模化發(fā)展、傳統(tǒng)建設(shè)方式的綠色科技發(fā)展提供了有益參考。研究表明，模塊化設(shè)計(jì)思想在木塑建筑部品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用有利于實(shí)現(xiàn)木塑材料的高效化、經(jīng)濟(jì)化、集成化、節(jié)約化、規(guī)?；瘧?yīng)用，對(duì)木塑裝配式建筑的發(fā)展有重要意義?？梢灶A(yù)期，在我國(guó)大力推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展的政策指引下，隨著新型木塑材料和木塑建筑部品研究的不斷深入，未來(lái)木塑建筑必將在傳統(tǒng)民居、室內(nèi)家居、商業(yè)住宅等領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)揮得天獨(dú)厚的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。