《自然保護地》第2卷 第3期 2022 年 8 月
       自然保護地工程項目建筑材料的科學選用

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

2. 中國林業(yè)集團公司，北京 100026

3. 浙江省林業(yè)科學研究院，杭州 310023

^*通訊作者: E-mail：dengknsohu@sohu.com 

[摘要] 自然保護地建設(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特性，又要考慮材料應具有綠色低碳環(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地中的應用優(yōu)勢，以期為自然保護地的建設(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、保護生物多樣性、固碳儲碳等生態(tài)服務功能，且承載科學研究、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)建立了由自然保護區(qū)、風景名勝區(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)美麗中國提供了強有力的生態(tài)支撐。

自然保護地的建設(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《自然保護區(qū)工程項目建設(shè)標準》，自然保護地建設(shè)項目應包括管護系統(tǒng)、巡護系統(tǒng)、標識系統(tǒng)、科研監(jiān)測系統(tǒng)、公眾教育系統(tǒng)、信息系統(tǒng)以及防災減災系統(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地建筑中的運用應遵循安全性原則、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準以及不同材料之間不發(fā)生化學反應，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，承擔自然保護地整體建筑設(shè)計和建造風格的體現(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，保護自然保護地生態(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)境中的應用優(yōu)勢。

1  自然保護地建筑材料生態(tài)性分析

在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標下，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當量排放進行了匯總對比^[8-16]，具體見表1?；谏a(chǎn)過程中能耗與CO₂當量排放，木（竹）質(zhì)材料作為生物質(zhì)復合材料，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，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，應盡可能地使用木（竹）質(zhì)材料，以推動實現(xiàn)自然保護地相關(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地建筑中的應用

2.1  自然保護地建筑用木（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 ℃高溫熱處理后而獲得的具有尺寸穩(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，但其存在強度損失較大的問題。4）木塑復合材料是指由木材、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)的一種新型復合材料，其具有高強度、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，其中在抗彎力學性能方面，重組材料＞硬闊葉材＞防腐木＞炭化木＞木塑復合材料，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)材料在自然保護地建筑建設(shè)中的應用

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現(xiàn)代自然保護區(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、木塑復合材料、重組材料具有強耐腐優(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)，也是推進節(jié)能減排和實現(xiàn)“碳達峰、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用于自然保護地建筑結(jié)構(gòu)的承重結(jié)構(gòu)，也可以應用于一般的圍護結(jié)構(gòu)，但防腐木、炭化木和木塑復合材料僅可以用于圍護結(jié)構(gòu)。作為承重梁柱構(gòu)件，重組材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計指標值為傳統(tǒng)膠合木的1.5倍，具有輕質(zhì)高強的特性；作為門窗圍護結(jié)構(gòu)，重組材料門窗的傳熱系數(shù)K可達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；作為墻板圍護結(jié)構(gòu)，重組材料掛板的導熱系數(shù)（平均溫度為25 ℃）為0.12 W/(m·K)，木塑復合材料的導熱系數(shù)為0.32 W/(m·K)^[21]，瓷磚材料的導熱系數(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)計中增強景觀環(huán)境藝術(shù)氛圍的功能。木質(zhì)材料在自然保護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]；當使用木塑復合材料時，由于塑料高分子的光老化會造成表面粉化褪色，從而導致產(chǎn)品的強度和色牢度劣化，冷熱循環(huán)變形大，最終使其產(chǎn)品室外應用壽命有限。但是，重組材料應用在戶外環(huán)境中無需防腐處理與日常維修養(yǎng)護，可減少維護成本，且具有較強的實木感，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地建筑建設(shè)中應用的意義

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)濟的理念。因此，重組材料在自然保護地的推廣應用，對推動產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型、社會經(jīng)濟發(fā)展、踐行“兩山”理論、實現(xiàn)“碳達峰碳中和”目標具有重要作用。

3.2  重組材料的經(jīng)濟意義

木質(zhì)材料的耐用性（達到其用途的年限）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，當材料出現(xiàn)嚴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，菠蘿格和木塑復合材料使用期限為3~5年，防腐木的使用期限取決于維護年限。同時，重組材料具有鋪裝和維護成本較低的特點，以戶外棧道應用為例，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，木塑復合材料約為350元；在維護成本方面，重組材料、菠蘿格和木塑復合材料基本不用維護，防腐木每年維護成本約為100元；如果僅考慮鋪設(shè)成本、維護成本和使用年限，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，有效彌補優(yōu)質(zhì)木材短缺和供給缺口，從而減輕木材進口的壓力。我國重組材料現(xiàn)有產(chǎn)能達到80萬m³，目前主要以戶外景觀園林為主要應用領(lǐng)域，按照90%產(chǎn)能應用于自然保護地建筑建設(shè)，每年可減少珍貴木材進口量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地建筑建設(shè)中的應用，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

自然保護地的建設(shè)應以節(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)略目標與綠色發(fā)展的逐步推進，重組材料將充分發(fā)揮其高性能優(yōu)勢，為自然保護地建設(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)濟社會各方面因素的平衡性，達到景觀與周邊環(huán)境相適應的“整體性”融合設(shè)計，助力自然保護地高質(zhì)量發(fā)展。

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