设计结合建造的夯土建造课程教学研究

大设计工作室 2018-07-05

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中外建筑 2018,(06),171-173

厦门大学嘉庚学院

摘要：

夯土作为一种可持续的材料, 具有极大的可塑性和尚待挖掘的潜能, 优势与劣势均较为突出。在回顾国内外夯土建造教学发展现状的基础上, 针对生土特性和教学条件, 围绕设计结合建造的建筑教学理念, 研究开展以生土为主要材料的夯土建造课程教学。从课程选题、教学设置、组织实施和评价观测等方面介绍分析如何通过设计与建造的相互反馈和协同推动建造教学的组织, 以期为国内同类型教学提供可借鉴的设计教学模式。

关键词：

夯土; 设计结合建造; 建造教学;

作者简介：王梓晨 (1992-) , 男, 厦门大学嘉庚学院助教。

作者简介：李鎨翰 (1968-) , 男, 厦门大学嘉庚学院教授。

基金： 厦门大学嘉庚学院2015年度校级科研孵化项目, 项目名称:现代福建夯土建造的实践教学研究, 编号:2015W05;

Teaching Research on Rammed Earth Construction Course Based on Design and Construction

土是人类最早使用的建筑材料, 生土是土经过简单加工 (压实或涂抹等) 的产物, 夯土则是生土应用的形式之一, 而夯土建造是古代重要的建造方式之一。欧美、日本等国家的建筑院校对于建筑学教学中的建造环节尤为重视, 近些年来国内一些建筑院校也开始把建造活动纳入设计课程体系中, 如同济大学建筑学院把实体建造过程作为建筑设计中的重点, 并设立了专门的建造节, 参与建造的同学可以使用纸板 (包装箱纸板/瓦楞纸板) 进行建筑设计及建造活动。此外, 清华大学、东南大学、重庆大学、南京大学等也通过一定的课程设置来探索建造与设计的融合, 围绕木结构、钢筋混凝土、竹结构、钢结构、玻璃等形式开展建造教学研究[1], 结合建造实作的设计教学已经成为一种重要教学模式。然而, 从材料选择来看, 除了极个别的建筑学校, 生土作为自然界中最常见的原料, 无疑缺席了国内大部分的建造教学实践。如何在建造教学中运用这一传统而现代的材料, 开展相关研究, 在实作中实现设计成果, 引导学生从纯粹的图面作业抽身而出, 回归对于建造材料和建造技术的探讨, 在建造活动中启发思想和激发创造性, 成为夯土建造课程的教学中需要思考的内容。由此, 厦门大学嘉庚学院建筑学院结合福建土楼保护和开发的契机, 依托地缘优势, 立足本土, 组织开展夯土建造课程的教学与研究。

2 夯土建造教学的研究与实践

早在二十世纪七十年代, 以法国为代表的许多国家就对生土建造进行系统的研究并展开现代化应用, 特别是针对生土建筑的构造施工技术和生土材料固化技术[2], 构建起完备的现代夯土建造体系, 形成《生土建造:综合指导》 (1994年) 和《生土建造》 (2009年) 等众多研究成果, 国际夯土理论迎来长足发展。当前的夯土工艺逐步克服了生土建造在力学性能和耐久方面的缺陷, 让更多的项目得以使用夯土, 而预制工艺等新技术为夯土建筑提供了更多的建造范式, 让夯土建筑的建造达到了一个新水平[3]。在倡导生态城市、绿色建筑的大语境下, 夯土技术引起广泛关注, 重新焕发活力。

事实上, 夯土建造的发展是与高等院校的夯土教育紧密联系, 法国的“国际生土建筑研究和应用中心” (CRATerre) 作为联合国教科文组织生土建筑分部的执行机构, 是国际生土建筑领域最具影响力的权威机构, 配备有专业的材料分析实验室和大型的建造工作车间和场地。由于CRATerre设立于格勒诺布尔国立高等建筑学院 (ENSAG) 内, 因此也承担着ENSAG本科阶段课程中与建造相关的教学以及开设DSA-Terre硕士后课程, 进行生土建筑专门化教学, 并面向世界各国专门建立系列教育培训系统。除了专业的课程教育, CRATerre每年5月举办国际生土节, 作为专业人士学术交流、专业课程教学和大众普及教育与宣传的平台[4]。在世界顶尖技术大学——瑞士苏黎士联邦理工大学同样开设有类似的夯土课程 (“夯土工作坊”课程) , 著名的夯土建筑专家马丁·劳奇自2014年以来便在该学院担任客座教授。针对夯土的独有特性, 该课程希望将“构思”与“实际操作”置于同等地位, 把互相影响的二者理解为统一的整体。此外, 学生通过“已知”的经验对“未知”的可能性进行探索, “未知”与“巳知”两者互相启发、互相修正, 在理性和“野性”的充分碰撞下, 找寻新的建筑语言, 产生新的建造形式[5]。

而在国内在夯土建造教学较有代表性的是中国美术学院和西安建筑科技大学。中国美术学院在上述法国生土中心的支持下, 成立了中国美术学院的生土研究中心, 由王澍教授带领开展相关工作, 课程以夯土教学作为建造线索, 分为四个阶段, 并对应四门课程, 分别为夯土建造课程、夯土建筑设计课程、夯土建筑保护课程和夯土建筑建造体系设计课程, 重点关注夯土建造的现代应用价值, 旨在培养学生加深理解并熟练运用建筑设计取决于材料及其建造的观念和方法[6]。西安建筑科技大学穆钧、周铁钢等人在住建部的支持下成立现代生土建筑实验室, 开展了一系列基础研究与示范建设, 由穆钧教授研究团队带领的大学生暑期工作营所完成的夯土作品, 参展了在北京建筑大学举行的“土生土长”生土建筑实践京港双城展览。总体来看, 国内夯土建造教育取得了一定的成就, 但仍处于起步阶段, 尚未得到推广和普及, 国内大部分开展建造课程的院校主要沿用传统认知中的建筑材料 (如木材、钢材等) , 对于夯土建造教学的探索和应用有待进一步推动和支持。

3 设计结合建造的夯土建造课程

建造是建筑学的物质基础和表达手段, 也是建筑学习的根基和起点[7]。在传统建筑教学体系下培养的学生并不乏较强的设计能力——严格来说是一种基于图面的设计能力, 但对于材料特性、荷载能力等与建造有关的内容存在短板, 建造的能力有所欠缺。绘图的工作对象和成果是建筑设计图, 其工作目标主要是以制图为媒介的设计表达, 而建造的工作对象和成果是物质实体, 其工作目标主要是对设计进行实验研究[8], 两者并不矛盾, 而恰恰需要建立紧密的联系, 尤其是对于生土这一优势和劣势都较为突出的材料, 把设计与建造结合开展课程教学显得尤为重要、迫切。设计结合建造 (Design-Build) 的教学模式可以培养学生形成可实施的整体设计思路, 将艺术与技术关联, 聚焦于真实世界中的材料和构造以及日常活动和使用需求上, 而不是仅仅局限在设计形式的功能和美学表现, 避免传统中“重道轻器”的思想, 这对当前的建筑教育和设计实践都具有积极的现实意义。

3.1 课程选题——坚固、实用、美观

在常规的建造教学中, 选题对象的选择多为实际尺寸的小型建筑或构造物, 侧重于运用建筑材料搭建实体以营造空间, 但值得注意的是, 生土材料及夯土建造本身尤其特殊性, 开展教学时必须计划周全, 在充分利用其优势的同时, 需合理规避其建构上的弱点。因此, 在本课程中, 考虑到夯土建筑的现场施工作业需要耗费大量的时间和人力, 且综合安全问题 (紧密夯实的土块密度可以高达1800-2000 kg/m³) 、污染问题 (噪音和尘土) 、场地问题等因素, 选题把建造尺度进行缩小, 从产品设计的角度出发, 设定为“多功能创意夯土公共座凳的设计和建造”, 结合环境特点和特定需求, 围绕生土材料, 制作一处足尺比例的街道家具, 要求最终成果达到坚固、实用、美观、且易于搬运等设计目标。尽管只是一处座凳——在体量上远不及一座建筑物, 但涉及到的内容实质上与维特鲁威在《建筑十书》中提出的建筑设计的三大原则相契合。如何按照设想形成优雅的形态和纹理, 如何在减轻自重的同时保证强度、至少能承受一人的活荷载, 如何通过构造方式改善夯土的耐久性等技术问题都需要在设计和建造中反复尝试和揣摩并落实到成品中, 而非仅仅停留在概念讨论之上。通过参与性课程教学, 选题旨在使学生通过座凳建造活动获得对设计方案的真实体验和理性思考, 从材料、工艺、连接、营建行为等层面来推敲图面的设计内容, 在现实条件的限制下开展延展性和创造性的建造实作。

3.2 教学设置——设计结合建造

教学设置始终紧密联系设计结合建造这一主题进行, 使学生完整地参与到从设计到建成的全过程中, 教师更多地起到引导和示范相关操作的作用, 学生在其中有更多的积极性和主动性。结合课程大纲相关要求, 课程主要分为现场调研、理论讲解、夯土体验、方案设计、建造实施和后期评价6大内容板块, 形成衔接连贯的内容体系。生土材料与钢材、木材、混凝土等材料的结构性能存在巨大差异, 最终成果充满着诸多不确定性, 可能出现“意料之外而情理之中”的情况, 需尽可能在设计阶段和实验阶段及早发现问题并妥善解决, 故在方案设计和建造实施之间, 增加了“制作试件”的环节, 即根据设计方案制作测试样件, 以检验设计方案的合理性, 根据试件的缺陷和不足, 对设计方案进行调整优化, 以避免在成品中重蹈覆辙。课程通过专题讲座、参观土楼、工匠示范、案例解析、方案推敲、动手实操、阶段总结等等多样化形式推进的教学过程, 而非简单的一草、二草、正草的程序化训练, 努力从“纸面”教学走向“营造”教学, 围绕着夯土建造, 鼓励学生通过动手实践理解夯土的建造原理, 摸索练习夯筑技巧。

可以看出, 夯土建造的课程设置并不完全基于对建造本身的关注, 更在于强调设计与建造的相互反馈与协同, 以及在深刻认识生土特性的基础上, 探索夯土建造广泛的现代应用价值 (座凳仅是其中一种实现形式, 未来可将夯土建造教学和实践扩展到更多产品类型中) 。此外, 通过立足于本土建筑 (福建土楼) , 考察夯土民居, 进而加深对地方性材料和建造的关注, 感受本土建筑材料及其建造传承的紧迫性, 唤起其对传统建筑文化保护和发展的意识和自觉行动, 这亦是建筑教育的重要一环。当然, 在建造技艺突飞猛进的今天, 研究如何把传统建造教学与当今的前沿工艺相结合仍是需要进一步思考的方面。

3.3 组织实施——体验、实验和修正

建造教学作为一种科学经验方法, 融入了观察与体验、分析与判断, 是定性实验、定量实验和模拟试验的综合, 具有很强的实证性[9], 不同于设计方案的易于套用, 掌握夯土建造的方法却需要一个不断摸索、熟练、发现规律的过程, 以摸清生土特点, 否则难以做出合乎要求的成品。在完成现场参观、理论讲解等一连串认知层面的充分铺垫后, 便开始进入实际操作的教学环节, 体验、实验和修正是整个建造过程中关键组成部分, 也是体现设计结合建造区别于设计绘图的核心所在。

3.3.1 体验

实际上, 一套简洁的座凳设计方案在图纸上看似容易建造, 但要以夯土作为材料进行制作需要经过繁琐的过程, 特别是在学生完全没有经验的情况下, 因此需进行一系列的练习和准备工作。这个环节主要是帮助学生熟悉夯土建造的基本流程, 建立操作规范意识和安全意识。体验的开始从制备生土作为起点——学生在校园内采取土样, 分类充分晒干碾细, 再以土壤标准筛来进行筛土分析, 来得知校园各处土壤其不同粒径颗粒 (或称骨料) 含量的成分比例, 从而确定合适的采土地点。根据课题建造需求, 选择成分比例合适的一处区域的生土作为基本夯土材料。这样的寻找、采集土样和筛土分析过程使学生在与生土的接触中了解其相关属性 (颜色、成分、气味、质感、分布特点等) 。除了恰当的粒径骨料比例, 生土含水量的把握也十分关键。国内外目前对夯土含水量的判断方法较为成熟和多样, 在本课程中主要以古代闽南匠人兴建土楼时所采用的"手握成团, 落地开花"的测湿度古法, 来验证所采土壤的含水量与适宜性。配合电子秤和搅拌机等仪器的使用, 制备出含水量和成分比例适合的夯土原料。此外, 教导学生沿用现成的旧模具进行组装和拆卸, 熟悉模具的建构方式, 如钉接、榫卯、插销、对拉螺杆等, 同时教师现场示范使用切割机裁切板材, 演示模具的制作过程, 并着重强调安全要领。最后, 利用既有的夯槌、模具和配好的生土, 每位学生依次初步感受夯筑的过程, 体验实践教学的乐趣与挑战。通过这样的体验过程, 使学生了解夯土建造的基本原理和规程, 激发其动手的兴致的同时也使其认识到夯筑之艰辛。

3.3.2 实验

建造是检验设计合理性的重要手段之一, 方案本身难免出现失误和问题, 特别是对于一些节点和细部的处理, 在方案阶段很难准确拿捏, 因此建造实验的过程在一定程度上也是试错的过程, 也是课程中必不可少的一道程序, 故实验按照“从图纸到试件, 从小件到大件, 从试件到成果”进行循序渐进的建造教学。尽管最终要求提交体积约40cm×40cm×40cm的成果, 但在此之前先进行两轮试件制作 (第一轮为小型试件, 第二轮为成果方案的试件) , 为成品建造总结教训和积累经验, 从而提高作品的设计质量与建造成功率。

第一轮主要练习的是20cm×20cm×20cm的小型夯土试件建造, 开展一系列的实验活动, 包括模具裁切和组合, 尝试模具的不同组装方式, 运用不同的造型手法 (如空腔、凹洞、沟槽等) , 探索不同的颜色搭配 (如采用不同颜色的生土或加入不同矿物色粉创造层积美感效果) , 测试不同材料 (如固化剂、石灰、水泥、秸秆等) 混合入生土后的性能, 试验不同材料的组合及连接方式 (如夯土块+木块, 夯土块+混凝土块、夯土块+玻璃/亚克力板等) , 检验各种夯筑技巧的可行性等, 由于夯筑耗力费时, 若出现缺陷失误要重新制作势必大费周章。因而让学生先行设计夯筑小型试件, 为下一阶段进行更大型的创作奠定基础。

有了前期的体验和第一轮夯筑的经验, 学生对生土建造与设计有了更深的体会, 也掌握了一定的夯土建造方法, 除了产生新的设计构思, 在试错过程中也主动摒弃了课程之初不切实际的想法。在课上总结第一轮建造情况的基础上, 学生与教师共同探讨最终成果的设计方案, 不仅关注方案的坚固、使用和美观, 而且着重关注方案在现有条件下的可操作性。第二轮建造对象则是与设计方案一致的夯土试件, 即“从小件到大件”, 完全按照方案的尺寸和构想进行夯筑。尽管夯筑的大部分内容与第一轮类似, 但较大的夯土块也面临新的问题, 如重量增大, 夯筑难以均匀施力, 内嵌的模具容易位移、收缩程度较为严重等, 这些实际操作中遇到的问题是在方案阶段所无法预料的, 需要学生在建造实验中灵活应对, 提出解决途径, 并形成更为精细化和系统化的夯筑流程和注意事项内容。这正是设计结合建造教育方式所希望达到的效果。

3.3.3 修正

基于两轮的实验建造, 学生转变了原有很多概念性想法, 成品的可操作性大大提升, 但最终方案的创新性也产生了很多局限性, 所以在引导学生兼顾可实施性的同时鼓励对制作工艺加以改进以更好服务于设想的设计方案, 以使可操作性、制作工艺和设计方案之间的平衡达到最优。上述之实验在于试错, 试错在于修正, 试错用的夯土样品对成品的物理环境性能、使用维护性能等都具有丰富的实测、统计、分析与检验价值。诚然, 在精准把控的情况下, 也不排除能够得出成功的样品, 但多数情况下往往会出现各种问题, 因此需要不断的予以修正。而修正并非一个孤立的过程——修正不仅是方案的修正, 也是技艺的修正, 实际上是与实验的过程相辅相成。正如前文所言, 夯土建造的课程更强调关注设计与建造的协同, 故修正的目的并非纯粹为了可建造, 而是促进设计的合理性和提升夯筑工艺的水平, 修正的思想贯穿整个建造教学。有些学生为了达到预期效果, 甚至建造了多个足尺的夯土试件, 在设计和建造之间往复调整优化, 确定最后的实施方案。

3.4 评价与观测

作为培养学生探索精神、动手能力及技术思维的教学方式, 建造课程有不同于以往的评价原则——在实用、美观之外, 坚固和易于搬动同样是得分点, 成果要求包括:设计富有创意, 主体完整、美观;材质选用合理;模具设计合理;制作精致, 边缘整洁, 结构牢固等。除了根据教师评价和评审专家意见来综合评定成绩, 也鼓励学生通过观摩相互客观评价和提出改进建议, 并且随机邀请路过的学生对不同的座凳进行试坐, 询问其感受和所偏好的座凳及原因。作为一种街道家具形式, 最终成品本身就具有可用性, 至少具备了“坐”的功能, 因此普遍的用户体验也是评价作品的重要切入点之一。此外, 对置于户外的作品的耐久性开展持续观察也是后续的一项工作, 定期记录不同作品在风力和雨水侵蚀作用下的状况。由于先前记录了生土及各添加料的比例构成, 便可得知夯土在不同成分构成下的耐久性能, 从而为日后的进一步研究完善储备一手的基础数据资料。

4 结语

在当代建筑的语境下, 受制于施工成本、力学性能、维护保养等问题, 留给夯土的发展空间已经愈发紧缩, 国内建筑师对现代夯土建筑的创作尝试相对于钢筋混凝土、钢结构和竹木结构等类型的设计要少得多。而夯土建造教学目前在国内还处于实验探索阶段, 但随着地域性建筑日益受到重视而获得关注。建造教学的出现是对当前建筑教育的反思, 而夯土建造教学不仅是技术精神的回归, 也是优秀传统文化传承意识的重塑, 建造教学应更广泛地被渗透于建筑教学体系中。目前的建造教学主要以独立的课程单元开设, 并未形成贯穿整个建筑教育的课程系列, 缺乏与现有建筑学培养方案的充分融汇。夯土建造作为建造的一种类型, 离不开对材料、结构、形式这些建筑学中最基本的建造问题的研究, 其最终的目标仍然是推进创造性思维的训练以及对材料应用能力的培养。

对于现代建筑而言, 夯土作为一种可持续材料, 兼具了环保价值、文化价值和美学价值等多重意义, 相应技术的完善和成熟为生土赋予了新的生命力, 使之成为一种“现代”建筑材料。夯土建造及其教学在新的时代背景下历久弥新, 仍具有广阔的研究和应用前景。