现代生土建筑研究及实践介绍

现代生土建造技术与我国农村房屋建设
穆 钧
西安建筑科技大学建筑学院
住建部村镇司现代生土建筑实验室
住建部村镇司农房建设技术西部研究中心
联合国教科文组织“生土建筑、文化与可持续发展”中国分部
一、传统生土建筑及其现状
生土材料，指以原状生土为主要原料，无需焙烧仅需简单加工便可用于房屋建造的建筑材料，其传统形式包括夯土、土坯、泥砖、草泥、屋面覆土、灰土等。

以生土作为主体结构材料的房屋通常被称为生土建筑。

从中国传统沿用的以‘土木之功’这一作为所有建造工程的概括，就可以看出生土与木材一样，在我国传统营造技术和建筑文化遗产中，具有举足轻重的地位。

以生土为主要材料的建造传统，在我国拥有数千年的历史，分布也十分广泛。

2010‐2011年，住房和城乡建设部在全国农村开展了建国后最大规模的农房现状抽样调查。

与通常认为生土建造传统仅集中于西部黏土资源较丰富地区的观点不同，实际调查结果显示，传统生土材料在农房建设中的应用遍及各个省份。

尤其在中西部12个省份，以生土作为房屋主体结构材料的既有农房比例平均超过20%，在甘肃、云南、西藏等省份部分地区，该比例甚至超过60%。

图 1 各地区生土农宅分布图
生土建造技术之所以应用广泛，主要源于生土材料所具有的一系列优点。

与
农村常规的建筑材料相比，生土材料具有突出的蓄热性能，使房屋室内冬暖夏凉；
可就地取材，因地制宜；具有“呼吸”功能，可有效调节室内湿度与空气质量；
具有可再生性，房屋拆除后生土材料可反复利用，甚至可作为肥料回归农田；加
工过程低能耗、无污染，据测算其加工能耗和碳排放量分别为粘土砖和混凝土的3%和9%；基于生土材料的建筑施工简易，造价低廉。

当前生土材料应用最为集中的西部地区，恰恰是地震等自然灾害多发区，对
于房屋的安全性和耐久性能要求更高。

根据2009年以来住建部村镇司组织的全
国农村危房调查数据，截止2011年年底，全国农村危房率仍然高达30%左右。

在西北和西南地区，这一危房率大多源于当地的生土农房。

不可否认，传统生土
材料在力学和耐久性能方面的固有缺陷，是制约其现代化应用的核心因素。

据统计，在西部地区，建国以来历次大地震中坏损或倒塌的农房半数以上为生土建筑。

而其耐久性差的问题，主要表现在生土墙体宜开裂，风蚀剥落、墙根碱蚀厉害，
蜂窝、鼠洞、虫蛀较多，房屋外观品质普遍较差。

这些固有缺陷，使得传统生土
建筑难以满足农民居民改善居住质量和房屋安全性的迫切需求。

如今，在许多农
户甚至地方政府的心目中，生土建筑即意味着农村危房，更是贫困落后的象征。

图 2 传统生土建筑优缺点对比图
图 3 废弃的传统生土民居
二、国际现代生土建筑发展趋势
生土建筑不仅在我国，而且在全世界也是应用历史最悠久且分布最为广泛的传统建筑形式。

据联合国于本世纪初统计，至今全球仍有超过20亿人口居住在多种形式的生土建筑之中。

生土材料之所以应用广泛，主要源于其所具有的可就地取材、可降解再生、施工简易、造价低廉、热工性能突出、加工过程低能耗无污染等优点。

尽管传统生土材料在耐久性、力学性能等方面存在较大的缺陷，但从当今生态可持续发展的角度来看，其中蕴含着巨大的生态应用潜力。

正因为如此，自1970年代第一次全球能源危机开始，欧美发达国家针对传统生土材料的改良和现代化应用，进行了系统深入的基础研究。

尤其在生土材料改良的科学机理及其关键技术方面，取得了大量具有突破性的研究成果，有效克服了传统生土材料在力学和耐久性能等方面的固有缺陷，并形成了适用于绝大多数土质类型，具有广泛应用价值的一系列生土材料性能优化理论及相关应用技术，并通过世界范围内的大量工程实践的验证，至今已走向成熟。

鉴于其突出的生态效益和普遍的地域适应性，现代生土基材料及其建造技术
已成为实现绿色建筑最为有效的途径之一，受到全球尤其是发达国家研究机构和政府的广泛关注和支持。

尤其在1998年，联合国教科文组织专门成立了“生土建筑、文化与可持续发展”分部，以位于法国的“国际生土建筑研究和应用中心”为总部，联合五大洲30多个科研机构，全力推动全球相关领域的研究、教育和推广。

图4世界各地区生土建筑分布现状图
三、国外现代生土建筑发展现状
生土建筑是全世界应用最为广泛的传统建造形式。

过去半世纪以来，欧美发达国家针对传统生土材料及其建造技术的改良和现代化应用，进行了大量的基础研究，取得了具有突破性的研究成果，有效克服了传统生土建筑在防水、耐久和抗震方面的缺陷，形成了一系列具有广泛应用价值的现代生土基材料优化及应用理论体系。

基于这一理论体系，国外现代生土基材料优化与应用实践呈现出两大发展趋势。

其一，针对欠发达地区的民生问题，强调低造价、安全耐久、便于人力施工、可就地取材的适宜性生土建造技术。

该研究全球网络在印度、巴西、埃及等大量第三世界国家，所取得的研究推广成果便是其中的典型代表。

其二，充分强化和发掘新型生土材料的环保节能特性和全新多元的材料表现效果，作为一项高性价比的生态建筑技术，与住宅、公建等多种现代建筑设计体系有机结合，全面提升建筑环境综合效能。

近二十年来在欧美发达国家大量涌现的生土别墅、
医院、教堂等多元化现代建筑，以及在历年国际建筑大奖中频繁出现的生土建筑获奖案例，均是这一趋势的具体表现。

鉴于现代其突出的生态效益和普遍的地域适应性，现代生土材料及其建造技术已成为实现绿色建筑最为有效的途径之一，受到全球尤其是发达国家研究机构和政府的广泛关注和支持。

图5世界各地区现代生土建筑一览
关于新型生土基材料性能优化和综合利用研究与实践，由于各国发展现状和自然资源条件的差异，所取得的成果和发展趋势也有所不同，具体而言： 法国是开展现代生土材料和建造技术研究最早的国家之一，目前也在该领域处于国际公认的领先地位。

联合国教科文组织生土建筑分部的执行机构——位于法国格勒诺布尔市的“国际生土建筑研究和应用中心”（CRATerre‐ENSAG）可谓国际生土建筑领域最具影响力的权威机构。

该中心自上世纪70年代开始，运用现
代材料科学理论，对传统生土基材料优化机理进行了系统的基础试验研究，形成了一套仅需调整原土土质构成关系，而无需化工改性剂的，具有划时代意义的现代生土材料优化理论体系，其适用于绝大多数土质类型和多种材料用途（如夯土墙、生土砌块、生土粘接材料、生土装饰材料等）。

以夯土墙为例，根据原土土质构成的不同，添加一定比例细砂和石子，使混合物形成与混凝土相近的骨料构成（即：以原土中的黏粒取代水泥成分，形成黏粒、细砂、石子的骨料配比构成），通过水分控制和强力夯击（大于5Mpa）所带来的系列物理和化学反应，干燥后形成的夯筑材料最高可达到粘土砖的强度。

并且其防水、防蛀、防潮等耐久性能也得到极大的提升。

该理论体系历经数十年的优化和实践检验，并通过《Earth Construction: A Comprehensive Guide》（《生土建造：综合指导》，1994年）和《Bâtir en terre》（《生土建造》2009年）两本著作的出版，已成为全世界现代生土基材料和建造技术研究所依据的重要理论基础。

该中心在法国文化部、欧盟以及联合国教科文组织的支持下，面向世界各国专门建立了世界首个从本科、硕士直至专业培训的系列教育培训系统，每年都会吸引来自世界各地的大量专业人员前来接受培训或进修。

图6法国国际生土建筑研究中心进行的现代生土材料试验
除法国以外，美国在现代生土建筑材料与建造技术研究方面也处于国际领先地位。

尤其在新墨西哥州、亚利桑那州，甚至于地震频发的加利福尼亚地区，当地的传统夯土建筑技术经过改良，并在手工机械的帮助下已逐渐走向了市场化和半工业化，甚至于以生土作为主要建造材料已成为许多豪宅别墅建设所热衷的时尚。

并且，早在1991年，美国新墨西哥州政府便制定实施了《新墨西哥州土坯与夯土建筑规范》（New Mexico Adobe and Rammed Earth Building‐Code），其中对承重生土墙选用何种质量的土、生土构件的制作要求、生土材料应达到的技术指标等做了详细规定，在生土建筑设计构造方面提出量化的指标，克服仅凭经验建造生土建筑的低水平状况。

图7现代夯土别墅，美国亚利桑那州
新西兰政府在1998年前后，先后组织编制出版了3部生土建造法规：《生土建筑工程设计NZS4297:1998》、《生土建筑材料和施工工艺NZS4298:1998》、《非专门设计的生土建筑NZS4299:1998》。

其中，NZS4297是生土建筑设计标准，从地震带、材料强度等级、设计方法、房屋高度等方面阐述了设计应遵循的原则。

NZS4298是生土材料及工艺标准，主要介绍土料选择、确定强度、耐久度等的标准试验方法。

NZS4299是生土构造设计标准，介绍生土建筑不需具体设计而必须遵循的一些硬性标准，如不同烈度区采用不同的房屋高度限值等。

澳大利亚是生土建筑应用最普遍的发达国家之一，自1952年建筑师乔治.
米德尔顿向其建设部呈交《生土墙建设报告》之后得到迅猛发展，并于1976、1981年以该报告为基础再版生土建筑手册，实质上成为该国的生土建造标准。

该手册于1987年由国家建筑技术中心出版发行，目前又在以此为基础起草新的生土手册。

同时，2002年澳大利亚国家标准化组织（Standards Australia）专门出版了更为专业系统的《澳大利亚生土建筑手册》（The Australian Earth Building Handbook）。

图 8 现代夯土别墅Merricks House，澳大利亚
德国政府非常重视生土建筑质量保证体系的制订与执行，早在1999年便出版发行了《生土建筑导则》（Lehmbau Regeln. Begriffe; Baustoffe; Bauteile）。

目前，该导则已被德国周边国家政府作为生土建筑设计建造控制标准，推广执行。

同时，德国生土建筑协会开展了近30年的技术培训工作，规范生土材料加工，以及生土建筑的设计、施工及验收工作。

图 9 现代夯土建筑：和解礼拜堂，德国柏林
日本在生土结构抗震研究方面沿用建筑抗震方面轻巧设计原则，在生土墙体中布置一定量的荆条，形成泥笆墙这一特殊结构形式。

泥笆墙重量小，受到的地震力较小；同时，荆条使得墙体具有较好的延性，起到消解地震能量的作用。

秘鲁利马天主教大学的玛西亚∙布隆德特博士等人起草的《土坯房屋抗震指南》，详细介绍了土坯建筑的震害，并从土料成分、裂缝控制、添加材料、施工质量等方面分析抗震性能的主要影响因素，并研究提出了系列改善土坯力学性能的方法和构件构造尺寸，以增加房屋整体性,提高土坯房屋抗震性能。

此外，玛西亚博士编著了一本中文版《农民自建抗震屋图解手册》，提出生土建筑建造过程可汲取的部分措施。

作为与中国农村发展现状相近的第三世界国家，印度在生土建筑领域取得的研究成果和经验，尤其值得我国农村建设领域的借鉴。

印度至今有58%的人口居住在各种形式的生土建筑之中，尤其集中于农村地区。

1970年代在政府的资助下成立的奥罗生土中心（The Auroville Earth Institute）历经近40年的发展，研究出了一系列以高强度土坯砖（CSEB）系统为基础的生土建造技术。

该系统以石灰或水泥作为改性材料，使土坯砖的耐久性和力学性能得到了质的提升。

改良后的土坯砖被制成70多种形状规格，可以用来制作承重墙体、承重砖柱、基础、甚至过梁等结构构件。

砌筑过程中，通过材料预留孔洞，并结合钢筋和少量水泥粘接剂的使用，使生土承重构件的力学性能和房屋的整体抗震性能得到进一步加强。

可以说，通过对土坯砖材料的形制改进，房屋的结构体系也发生了变化，其结构的整体性甚至已超过砖混结构。

以这种方式建造的房屋最高可以达到6层，单层拱券屋顶可以达到10.35m的跨度。

该技术体系在当地已被广泛运用于普通住宅的建造，甚至于学校、办公楼、工厂、活动中心等结构性能要求更高的公共建筑。

其造价平均仅为砖砌体结构房屋的80‐85%。

仅材料的加工一项便节约了常规砌体建筑75%的能耗和碳排放。

通过技术培训和施工工具的低价租用，该技术先已成功推广到当地数十万农户的房屋建设中，这为经济条件相对较差、人口密集的农村地区，带来了巨大的经济、环境和社会效益。

该中心已成为面向全世界尤其是第三世界国家的生土建造技术培训中心，其施工工具甚至销往欧美等发达国家。

图 10用新型土坯砖建成的4层住宅楼（左）和跨度10.35m的拱圈（右）
图 11印度奥罗市生土中心研制并广泛推广的新型土坯材料体系
四、我国村镇新型生土建筑研究实践案例
1.土坯砌筑改良技术与节能设计：毛寺生态实验小学
（项目团队：吴恩融，穆钧）
在香港中文大学吴恩融教授和穆钧博士率队，于2007年在甘肃庆阳地区设计兴建的“毛寺生态实验小学”项目中，通过系列生态建筑模拟分析实验，充分
利用本地自然资源和改良土坯砌筑技术兴建的示范校舍，在当地气温最低可达‐12℃的冬季，无需任何采暖措施，仅靠40多个学生的人体散热（相当于3200W 的电暖气），便可以达到适宜的舒适度。

而其造价与当地具有同等抗震和保温性能的常规砖混房屋相比，仅为后者的1/2，且全部施工仅由村民完成。

该项目联合国教科文组织2009年度亚太区传统创新奖、英国皇家建筑师学会2009年度国际建筑奖、首届世界建筑节2008嘉许作品奖、亚洲可持续发展优异设计大奖2008、中国建筑传媒奖2008最佳建筑奖等系列国内外专业大奖。

2.传统夯土技术改良：住建部村镇司马鞍桥村灾后重建综合示范项目
（项目团队：穆钧，吴恩融，周铁钢，万丽等）
汶川地震后，由住建部村镇司领导，无止桥慈善基金资助，由香港中文大学和西安建筑科技大学牵头开展了四川会理县“住建部村镇司马鞍桥村震后重建综合示范项目”。

团队通过现场试验分析，基于本地自然材料和传统夯土建造工艺，研究开发了一些列可有效提升房屋安全性能，且经济易行的房屋建造措施和技术，如：改良当地传统夯筑工具以提升夯土墙密实度和强度，利用本地竹材作为
拉筋、分层夯筑过程中嵌入竖向木榫以增强夯土墙抗剪能力，利用本地产石膏加水灌入土墙裂缝以修复受损墙体等。

与此同时，团队发动并指导该村各户劳动力进行示范夯土农宅建造，使村民充分掌握了这些规范化的传统夯土改良技术。

这使得示范农宅竣工后，全村村民利用倒塌的生土房屋废墟以及本地的自然材料，在亲友的换工协助下，仅在3个月内便完成了重建。

与邻村具有同等抗震能力和节能效果的新建常规砖混房屋相比，其造价平均仅为后者的1/5。

该示范项目于2011年11月获得联合国教科文组织2011年度亚太区传统创新奖。

3.现代夯土建造技术：住建部现代夯土绿色民居建造研究示范项目
（项目团队：穆钧，周铁钢，蒋蔚等）
住房和城乡建设部村镇司于2011年5月，委托西安建筑科技大学以甘肃省
会宁县为基地开展“现代夯土绿色民居建造研究示范项目”，以此推动我国夯土
建造技术的适宜性革新研究和推广应用。

在法国国际生土建筑中心的协助下，西
安建筑科技大学首次将现代夯土建造理论引入我国，通过大量基础试验，已初步
形成了一套基于本地材料和常规设备，适合于贫困农村地区的现代夯土建造技术
及其工具系统。

与我国传统夯土建造工艺相比，新型夯土建造技术具有以下特点： 1）科学
选择、配置夯土材料，以提高其可夯实性能；2）以气动或电动夯锤代替传统手
工夯锤，以获得充分的夯击能量；3）使用坚固且安装、拆卸便利的夯筑模板系统，以适应多种设计建造需求。

以此为基础，结合相应的建筑结构体系改良，我
国首座现代夯土示范农宅于2012年7月在甘肃会宁县丁家沟乡建造完成。

根据
建成结果可以看到，新型夯土农宅在继承传统夯土建筑保温节能优势的同时，其
结构安全性和墙体耐久性能均获得了极大的提升。

并且，由于现代夯土技术可就
地取材、施工简易的特点，该示范农宅造价仅为当地常规砖混建筑的2/3。

该研
究成果对于我国（尤其是广大具有生土建造传统的）贫困农村地区房屋建设可持
续发展，具有深远的意义。

目前该示范项目已进入进一步的示范推广研究阶段。

4.其他近期项目
1）住建部阜平县黑崖沟村绿色夯土农宅示范建设项目
项目成员：穆钧，周铁钢等
开展时间：2013年4月‐至今
已完成内容：示范房一户，72平米
2）甘肃岷县震后农宅重建示范建设项目
项目成员：穆钧，周铁钢等
开展时间：2013年8月‐至今
已完成内容：示范房一户，70平米
3）西安万科大明宫楼盘生土景观工程项目
项目成员：穆钧，周铁钢，Marc Auzet(法)，Juliette Goudy(法)等
设计与研发：2013年1月‐12月
工程施工：2014年1月‐5月
工程量：1200m3夯土墙
（图中橘黄色为夯土墙）。