王毅紅　仲繼清　石以霞　權(quán)登州　岳星朝

（長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安710061）

國外生土結(jié)構(gòu)研究綜述?

王毅紅仲繼清石以霞權(quán)登州岳星朝

（長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安710061）

學(xué)科：建筑工程

推薦專家：翟禮生研究員（中國建筑科學(xué)研究院）

推薦論文：王毅紅，梁楗，張項(xiàng)英，等.國外生土結(jié)構(gòu)研究綜述.土木工程學(xué)報(bào)，2015，48（6）: 81-88

·專家點(diǎn)評(píng)·

20世紀(jì)70～80年代，世界出現(xiàn)了能源危機(jī).建筑是耗能大戶，許多國家的建筑學(xué)者敏銳地把目光轉(zhuǎn)到生土建筑、地下建筑上來，發(fā)達(dá)國家如美國、日本等建筑學(xué)者曾數(shù)次來我國汲取這方面的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，特別是民間窯洞的經(jīng)驗(yàn).1985年，中國建筑學(xué)會(huì)與國外學(xué)者一起組織召開了一次“國際生土建筑學(xué)術(shù)會(huì)議”，并出版了會(huì)議論文集.會(huì)后，生土建筑得到了迅速發(fā)展，生土結(jié)構(gòu)作為生土建筑的主要組成部分也得到了同步發(fā)展.本文系統(tǒng)綜述了國外近些年來的發(fā)展情況.

如今，無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家都有生土結(jié)構(gòu).生土結(jié)構(gòu)的分布和興衰，不完全決定于經(jīng)濟(jì)水平，而與相關(guān)的綜合因素有關(guān)，其中主要是節(jié)能減排的因素.不僅有一般生土結(jié)構(gòu)房屋，而且有生土結(jié)構(gòu)別墅.歐美等發(fā)達(dá)國家由于有先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，他們用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)生土結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了改良，作了大量的實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，又形成了現(xiàn)代生土結(jié)構(gòu)技術(shù).國外的許多研究成果和成功經(jīng)驗(yàn)值得我國借鑒.現(xiàn)在全球節(jié)能減排的任務(wù)更加迫切，我國作為負(fù)責(zé)任的大國應(yīng)該做的更好.

本文的系統(tǒng)綜述很及時(shí)并有創(chuàng)新價(jià)值，不僅科技人員可結(jié)合我國的具體情況再做創(chuàng)新，而且決策者也可以在掌握情況后作政策的調(diào)整，對(duì)廣大農(nóng)民來說更是福音，他們可以因地制宜、就地取材，盡量少用外來的高耗能建筑材料，來建設(shè)自己的綠色家園.

引　言

未經(jīng)燒制的泥土是地球上最古老的建筑材料之一，生土結(jié)構(gòu)是用未經(jīng)焙燒的天然土為主要材料建造的建筑.生土結(jié)構(gòu)歷史悠久，分布廣泛，很多不同氣候的地域都存在生土結(jié)構(gòu)，從寒冷的喜馬拉雅山脈到炎熱的北非沙漠，隨處可見風(fēng)格各異的生土結(jié)構(gòu)房屋，即使是多雨的大不列顛和高加索山脈仍然保留著無數(shù)古老的生土結(jié)構(gòu)房屋.大概10000年前，人類用泥土建造了第一個(gè)永久性遮蔽物［1］.

作為一種傳統(tǒng)的民居形式，生土結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，生土結(jié)構(gòu)不僅易于就地取材，施工方便，造價(jià)低廉；而且熱工性能好，對(duì)室內(nèi)溫度和濕度有較好的調(diào)節(jié)能力；生土結(jié)構(gòu)還具有良好的隔聲性能；同時(shí)生土是一種低物化能量的建筑材料，沒有廢物處理問題，拆除后的建筑材料可以被環(huán)境吸收，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生副作用.基于生土結(jié)構(gòu)的這些優(yōu)點(diǎn)，每片陸地和每個(gè)時(shí)期都有人建造生土結(jié)構(gòu)房屋，據(jù)估計(jì)今天世界上仍然有大約1/3的人口住在泥土（主要是土坯）建造的房子里［2］.

本文簡述了生土結(jié)構(gòu)的歷史，對(duì)國外生土結(jié)構(gòu)的建造方法、材料改性研究、抗震性能及規(guī)范等進(jìn)行了綜述，為我國生土結(jié)構(gòu)的研究提供參考.

1　生土結(jié)構(gòu)的歷史

生土結(jié)構(gòu)歷史悠久，人類使用生土建造房屋和其它結(jié)構(gòu)已經(jīng)有上千年的歷史.生土結(jié)構(gòu)體系經(jīng)歷了掩土結(jié)構(gòu)體系（穴居、窯洞）、夯土結(jié)構(gòu)體系及土坯結(jié)構(gòu)體系三個(gè)階段.最早的掩土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在地質(zhì)學(xué)第四紀(jì)之初，中國北京山頂洞人把天然洞穴當(dāng)做他們的遮蔽物，舊石器時(shí)代人類開始用形成的厚積黃土建造人工洞穴；國外最早出現(xiàn)夯實(shí)泥土的文字記錄是在公元前1世紀(jì)古羅馬歷史學(xué)家普林尼撰寫的《自然歷史》中［3］，今天在西班牙仍然能見到漢尼拔時(shí)代用泥土砌成的瞭望塔和建造在山脊上的炮塔，最能體現(xiàn)人類對(duì)夯土技術(shù)的掌握就是用夯土建造城墻；“土坯”（adobe）源于埃及詞語“軟泥”（thobe），在阿拉伯語中是“at-tob”，而在西班牙語種才變成了“adobe［4］，土坯結(jié)構(gòu)不僅使生土結(jié)構(gòu)在人類與自然依賴關(guān)系方面達(dá)到較高水平，在美感方面也達(dá)到較高水準(zhǔn)，亞洲、非洲、美國西南部等地的一些傳統(tǒng)地區(qū)的土坯結(jié)構(gòu)已經(jīng)安全的使用了幾百年.

雖然生土結(jié)構(gòu)一直存在，但其發(fā)展經(jīng)歷了一段曲折的歷程.在19世紀(jì)的工業(yè)化進(jìn)程中，隨著時(shí)代進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，粘土這種建筑材料逐漸淡出人們的視線，直到20世紀(jì)80年代這種材料再次流行［5］.今天，廣大農(nóng)村建房逐步用粘土磚代替了土坯墻和夯土墻，只有少數(shù)地區(qū)仍在使用土坯墻和夯土墻.隨著人們生態(tài)意識(shí)的提升，生土結(jié)構(gòu)憑借其自身的優(yōu)點(diǎn)又成為人們回歸大自然的一種追求，在法國、美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)采用土坯建造了大量的別墅［6］.由此看來，無論是在古代還是在科技發(fā)達(dá)的今天，生土結(jié)構(gòu)在歷史的長河中都扮演著重要的角色.

2　國外生土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

國外生土結(jié)構(gòu)的發(fā)展比較成熟，不僅在第三世界發(fā)展中國家和經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)存在，在歐美發(fā)達(dá)國家也備受關(guān)注.雖然生土結(jié)構(gòu)具有熱工性能好、低能耗、易于就地取材、造價(jià)低廉以及施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但是傳統(tǒng)的生土結(jié)構(gòu)在防水、耐久性和抗震性能方面存在一定的缺陷.因此，過去半世紀(jì)以來，歐美發(fā)達(dá)國家對(duì)傳統(tǒng)生土材料及其建造技術(shù)的改進(jìn)和現(xiàn)代化應(yīng)用進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐，克服了傳統(tǒng)生土結(jié)構(gòu)的一些缺陷，形成了具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的現(xiàn)代生土基材料優(yōu)化、應(yīng)用理論以及現(xiàn)代生土建造技術(shù)體系.歐美、澳大利亞、日本、新西蘭以及印度等國的研究人員根據(jù)不同的社會(huì)背景，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際工程情況也進(jìn)行了大量的研究，使生土結(jié)構(gòu)在規(guī)范化、程序化以及標(biāo)準(zhǔn)化等方面取得很大進(jìn)展.

2.1生土結(jié)構(gòu)建造方法

生土結(jié)構(gòu)墻體的建造方法多種多樣，使用較多的是夯土墻和土坯墻.夯土墻指用夯土方法修筑的墻；土坯墻是指用在模型里制成的土塊砌筑形成的墻.下面主要介紹夯土結(jié)構(gòu)施工方法.

大多數(shù)國家的夯土是用移動(dòng)的木模板進(jìn)行夯筑，也有采用濕土堆筑法成型，或者用模具灌土壓實(shí)晾干后建成.移動(dòng)的木模板夯筑法應(yīng)用廣泛，其法是在要建造的墻體兩側(cè)豎立起模板，然后向兩模板間倒入含水量適宜的土分層壓實(shí).當(dāng)模板被填滿且土壓實(shí)以后，模板可以拆下來順著墻體的方向繼續(xù)建造另一部分墻體.

早期，夯土結(jié)構(gòu)一直沿用傳統(tǒng)的夯筑方法，即將濕土填入模板夯實(shí).直到18世紀(jì)后期，法國建筑師Francois Cointeraus在巴黎創(chuàng)辦一所學(xué)校學(xué)習(xí)宣傳夯土結(jié)構(gòu)，并廣泛應(yīng)用夯實(shí)泥土技術(shù)，他稱之為 pise' de terre（搗拌粘土）.隨后其他國家也相繼使用這種技術(shù)，瑞士繼法國之后應(yīng)用pise' de terre技術(shù)建造夯土房屋，稱為SwissPise，大量試驗(yàn)研究表明，與現(xiàn)代建筑材料相比，SwissPise墻體具有優(yōu)異的熱工性能［7］.美國加州建筑師 David Easton也對(duì)夯土房屋的建造方法進(jìn)行了研究與改進(jìn)，他稱這種方法為Pneumatically Impacted Stabilized Earth（空氣壓縮穩(wěn)定土），簡稱PISE技術(shù)，用PISE的過程中，傳送和壓縮土壤的程序由空氣壓縮機(jī)完成，通過泵送技術(shù)將壓縮土澆筑入模.PISE中采用的模板是單面的，模板系統(tǒng)大為簡化，運(yùn)送和壓縮土壤也由機(jī)械完成，大大提高了大型墻體的建造速度，是夯土建造技術(shù)的一大進(jìn)步［8］.19世紀(jì)50年代，澳大利亞也開始使用PISE技術(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了PISE技術(shù)在夯土結(jié)構(gòu)房屋建造中的作用［8］.

除了上面介紹的建造方法外，還有一種建造方法叫抹灰籬笆墻.抹灰籬笆墻是一種往編織成片的木棍或者柳條上涂抹泥漿的墻體建造法，這是最古老的建造方式之一，在非洲、亞洲（特別是日本）以及北歐和中歐等地區(qū)使用歷史久遠(yuǎn).在歐洲，很多建于3～5世紀(jì)以前采用柳條抹灰籬笆墻的半木框架式建筑至今仍然能夠住人，且房屋整體狀況良好［9］.

第二次世界大戰(zhàn)以后，在澳大利亞和美國開始了一次真正的革新，在結(jié)構(gòu)體系中采用新型模板和夯筑工具，這一進(jìn)步使得PISE墻體預(yù)制技術(shù)誕生，提高了施工速度，同時(shí)確保了建筑結(jié)構(gòu)的整體性［8］.現(xiàn)代夯土通常采用重型機(jī)械設(shè)備移動(dòng)和壓縮材料，國外采用較多的夯筑機(jī)械為氣動(dòng)搗固機(jī)，其壓實(shí)土壤比傳統(tǒng)方法更快捷；模板多采用易于組裝的可移動(dòng)的膠合板或高密度覆蓋面板（HDO）使墻體一次成型，而不是傳統(tǒng)夯筑方法中的每次鋪土厚度為1～2英尺連續(xù)建造.采用傳統(tǒng)夯筑方法，4個(gè)工人每天建造夯土墻40～50平方英尺，而采用機(jī)械夯筑方法，相同數(shù)量的工人每天可建造夯土墻300平方英尺，由此可見，現(xiàn)代化的施工方法大幅提高了夯土墻的建造速度［10］.

隨著施工方法的逐漸現(xiàn)代化，夯土建筑中模板系統(tǒng)也在不斷革新.對(duì)于采用傳統(tǒng)模板建造的夯土墻來說，墻體高度越大，模板的設(shè)置和定位越困難，墻體質(zhì)量越不易保證.因此在20世紀(jì)末，針對(duì)傳統(tǒng)模板系統(tǒng)中存在的施工效率和墻體質(zhì)量問題，英國研究出許多先進(jìn)的模板系統(tǒng)，主要是小單元模板和整體模板.小單元模板與傳統(tǒng)模板相似，當(dāng)相鄰部分完成后小的獨(dú)立單元模板沿水平或者豎直方向滑動(dòng)，從20世紀(jì)50年代開始，履帶式模板和垂直滑動(dòng)模板發(fā)展起來，但在夯土房屋建造過程中還沒有廣泛采用.整體模板取代建造夯土墻的小片模板，使墻體沿著建筑的高度和長度方向整片夯筑，為了獲得較好的壓實(shí)效果，對(duì)整體模板的高度做了限制.在澳大利亞和美國，整體模板在夯土墻的建造過程中產(chǎn)生了很好的效果，并且在夯土建筑的復(fù)興中扮演了重要的角色［11］.

國外生土結(jié)構(gòu)的機(jī)械化施工以及模板系統(tǒng)的發(fā)展，使得生土結(jié)構(gòu)這一古老的建筑類型走向現(xiàn)代化.

2.2生土材料改性

生土是建造生土墻體所用的主要原料，但生土材料的先天不足是強(qiáng)度較低且耐水性能較差，因此國外許多研究者從工藝路線、向生土中摻加改性劑等方面著手，研究提高生土材料性能的方法，以擴(kuò)大生土墻體在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，延長生土結(jié)構(gòu)房屋的使用壽命.國外學(xué)者在上個(gè)世紀(jì)初期就開始對(duì)生土材料的改性技術(shù)進(jìn)行研究，目的是在盡可能保證生土材料固有特性的前提下優(yōu)化生土墻體的力學(xué)性能和耐久性能［12］［13］.

2.2.1生土材料的化學(xué)改性

國外許多國家對(duì)生土材料的改性進(jìn)行了研究，但是研究還主要集中在土的固化方面［14］.土的固化是指在常溫下，將依照設(shè)計(jì)配比的固化材料摻入松散土中，在適宜的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)后形成具備一定整體強(qiáng)度的人工加固土技術(shù)［15］.早期國外使用的固化劑主要有水泥、石灰以及粉煤灰等.法國是最早采用生石灰粉、粘土和石子按一定比例來制作三合土，改善土的力學(xué)性能和耐水性能［16］.美國、德國等國家也較早的在實(shí)際工程（道路、機(jī)場(chǎng)跑道等）中對(duì)土的固化進(jìn)行了研究，采用水泥、石灰對(duì)土進(jìn)行固化，取得了較好的效果［17］.20世紀(jì)70年代以來，美國、日本等國家基于工程實(shí)踐的需要對(duì)土的改性技術(shù)進(jìn)行了更深層次的研究［18］，使加固土的材料由單一的水泥、石灰等轉(zhuǎn)變成土壤固化劑［19］.從70年代開始，奧羅生土中心（The Auroville Earth Institute）歷經(jīng)近40年，研究出了一系列生土建造技術(shù)，這些技術(shù)以高強(qiáng)度土坯磚（CSEB）系統(tǒng)為基礎(chǔ)，用石灰或水泥為土的改性材料，使土坯磚的耐久性能和力學(xué)性能得到很大提高.國外其他研究者也做了許多類似的研究，奇切斯特大學(xué)的Spence和Cook對(duì)摻加一定量水泥的生土材料的改性進(jìn)行了研究，并與Alfred等人共同進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明在生土中加入一定量的水泥形成的改性生土材料即便是在完全浸入水中也很難潰散或瓦解，當(dāng)水泥含量為 5%時(shí)，水泥固化土坯有較好的耐久性能和吸水性能［20］.里昂大學(xué)的史蒂芬.漢斯（Stephane Hans）等人提出在土中摻入水泥或石灰，對(duì)生土材料進(jìn)行改性研究，并逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)算當(dāng)?shù)噩F(xiàn)存生土結(jié)構(gòu)在地震中的損害情況［21］.澳大利亞的史蒂芬.伯諾夫斯（Steve Burroughs）做了大量的穩(wěn)定性試驗(yàn)，該試驗(yàn)以2 MPa做為標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度值，量化了自然土的線性收縮性以及土壤中摻入的水泥和石灰量等，對(duì)夯土結(jié)構(gòu)土的選擇、穩(wěn)定性處理以及抗壓性提出了實(shí)用性建議［22］.巴西的Ana Paula da Silva Milani和Lucila Chebel Labaki對(duì)生土材料的可持續(xù)性進(jìn)行了研究，并對(duì)夯土稻殼灰墻的熱性能和穩(wěn)定性能進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明在土中摻入7.5%的石灰和10%的水泥，得到的是一種很有前途的混合材料［23］.

2.2.2生土材料的物理改性

生土材料的改性不僅僅局限在化學(xué)改性方面，物理改性方面也取得了一定的進(jìn)展.20世紀(jì)70年代，“國際生土建筑研究和應(yīng)用中心”運(yùn)用現(xiàn)代材料科學(xué)理論，對(duì)傳統(tǒng)生土基材料優(yōu)化機(jī)理進(jìn)行了基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，形成了無需化工改性劑的，僅需調(diào)整原土土質(zhì)構(gòu)成關(guān)系，適用于絕大多數(shù)土質(zhì)類型和多種材料用途的現(xiàn)代生土材料優(yōu)化理論.最近一些研究者對(duì)威拉米特河一種由砂土、粘土和稻草組成的材料進(jìn)行了研究，這種環(huán)保型材料表現(xiàn)出類似混凝土的某些性能，但是與混凝土相比變異性更大［24］.韓國Y.T.Kim等人對(duì)廢舊漁網(wǎng)加固輕質(zhì)土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，探討了加固輕質(zhì)土和非加固輕質(zhì)土的強(qiáng)度性能和應(yīng)力應(yīng)變特性，試驗(yàn)了不同的水泥含量、含水量、空氣泡沫含量、廢漁網(wǎng)含量的輕質(zhì)材料的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律［25］.印度的J Prabakar和 R.S Sridhar對(duì)加筋土技術(shù)進(jìn)行了研究.在該研究中，劍麻纖維被選定作為加筋材料，對(duì)這些加筋土試樣進(jìn)行單軸和三軸受壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明劍麻可以作為一種較好的加筋土材料［26］.伊朗的Sayyed Mahdi Hejaz等人也做了類似的研究，他們對(duì)利用天然和合成纖維對(duì)土體加固進(jìn)行了研究，討論了短纖維的土壤復(fù)合材料的預(yù)測(cè)模型，得到纖維能夠增加土壤的強(qiáng)度和剛度的結(jié)論［27］.喀麥隆的雅溫得大學(xué)也進(jìn)行了一項(xiàng)用從廢舊的車輪中提取出來的回收鋼纖維加固免燒磚的力學(xué)性能的研究，試驗(yàn)分析結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)沒有完全瓦解前，鋼纖維就像彈簧一樣吸收大量的彈性能量并抵抗較大的變形，該種免燒磚在各個(gè)方向延性的提高取決于纖維的分布［28］.除了上述研究中提到的改性材料外，竹片、植物蔬菜纖維、番茄以及甜菜的根部纖維等都是很好的生土改性材料.

隨著現(xiàn)代人們對(duì)于建筑功能要求的提高，生土材料的改性研究也越顯重要.雖然國外很多研究者已經(jīng)對(duì)生土材料改性進(jìn)行了大量的研究，但生土材料的改性研究大部分仍然處于試驗(yàn)研究階段.生土作為一種復(fù)雜的建筑材料，為了適應(yīng)不同地區(qū)、不同土質(zhì)的要求，達(dá)到生土材料高穩(wěn)定性、耐久性好的更高水平，其改性方面還需要更深層次的研究.

2.3生土結(jié)構(gòu)的抗震性能

地震是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，地震災(zāi)害造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失.生土材料的抗彎、抗剪、抗折強(qiáng)度很低，導(dǎo)致生土結(jié)構(gòu)在抗震性能方面存在先天的不足.在過去50年里，土坯和夯土結(jié)構(gòu)在地震中表現(xiàn)出較差的性能，為了降低傷亡和地震損害，國外的許多研究人員就生土結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了一系列的研究，并提出一些修復(fù)方案.

調(diào)查結(jié)果顯示，秘魯庫斯科大約80%的建筑物采用土坯結(jié)構(gòu).該地區(qū)地震相對(duì)活躍，由于地震對(duì)生土結(jié)構(gòu)的歷史遺產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p害，一些研究者探討了部分年代久遠(yuǎn)的生土結(jié)構(gòu)的耐久性和現(xiàn)代生土結(jié)構(gòu)在地震中失效方式的原因，同時(shí)還介紹了在秘魯天主教大學(xué)進(jìn)行的土坯結(jié)構(gòu)抗震性能研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［29］，J.J.Ogawa等人提出了一種降低秘魯傳統(tǒng)建筑即二層土坯結(jié)構(gòu)在地震中破壞的方案，二層采用輕質(zhì)材料，采用擬動(dòng)力試驗(yàn)對(duì)其抗震性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，二層采用的輕質(zhì)材料具有延性相當(dāng)于一個(gè)阻尼器，振動(dòng)模型表現(xiàn)出較好的延性和能量消耗，水平剪切力明顯降低，結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)也降低［30］；Nicola Tarque 和 Helen Crowley等人對(duì)秘魯庫斯科土坯房屋的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行地震風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估，該研究確立了一個(gè)集合30套住宅主要特征的數(shù)據(jù)庫，其中定義了允許平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差和概率密度函數(shù)（PDF）.根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，預(yù)測(cè)出每一個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)承載能力，通過比較滿足地震要求的承載力，估計(jì)建筑物被破壞的概率；他們還研究了秘魯庫斯科的單層土坯房屋基于力學(xué)基礎(chǔ)程序的抗震易損性，結(jié)果表明反應(yīng)譜形狀對(duì)符合條件的峰值加速度（PGA）易損性曲線影響較大［31］.

除了秘魯庫斯科以外，還有很多研究者對(duì)生土結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了研究.美國格蒂基金會(huì)對(duì)新型土坯結(jié)構(gòu)和歷史土坯結(jié)構(gòu)的抗震維修進(jìn)行了研究，研究人員發(fā)現(xiàn)一些提高和保證房屋整體性的構(gòu)造措施比強(qiáng)度措施更能提高土坯結(jié)構(gòu)的抗震性能，“提高和保證房屋整體性的構(gòu)造措施可以阻止墻體發(fā)生倒塌，而且能減小墻體的開裂尺寸.”試驗(yàn)中采用的辦法是給土坯結(jié)構(gòu)加上垂直（從墻角到墻頂）和水平（墻體頂部和窗戶底下）的聚乙烯帶，研究這種措施在增強(qiáng)建筑抗倒塌性能的作用，試驗(yàn)證明這種連續(xù)防護(hù)設(shè)施“限制了墻體裂縫的擴(kuò)大，從而避免了墻體整體崩塌［32］.”加利福尼亞大學(xué)伯克利分校做了一項(xiàng)試驗(yàn)，研究給土坯添加“約束”，試驗(yàn)中土坯墻的表面覆蓋了一層“皮膚”（網(wǎng)狀物），避免墻體因?yàn)槌休d能力降低而發(fā)生開裂，從而防止了整體倒塌［33］.日本生土結(jié)構(gòu)在抗震方面沿用輕巧的設(shè)計(jì)原則，生土墻體中設(shè)置一定量的荊條，形成泥笆墻這一特殊的結(jié)構(gòu)形式，泥笆墻重量小，遭受的地震力較小，同時(shí)，荊條使得墻體具有較好的延性，起到消解地震能量的作用. 土耳其的現(xiàn)代建筑規(guī)范要求在生土結(jié)構(gòu)中設(shè)置四道圈梁，分別位于地面、窗下、窗上和墻頂，這些木圈梁之間每隔1 m設(shè)拉結(jié)帶，拉結(jié)帶在房屋角部和縱橫墻交接處必須設(shè)置，可以滿足更高抗震要求［34］.第十三屆世界地震工程會(huì)議中有學(xué)者提出用覆蓋有石灰砂漿的金屬絲網(wǎng)或木制構(gòu)件加固生土結(jié)構(gòu)，分別對(duì)1:5比例的加固房屋模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)1:1.5比例的加固墻體進(jìn)行水平循環(huán)荷載作用下的試驗(yàn)，結(jié)果表明，盡管這種結(jié)構(gòu)體系的地震易損性較高，但用木制構(gòu)件加固約束墻體有較好的效果，是一種很有前途的加固方案［35］.法國的Q.-B. Bui，S和 Hans，J.-C等人對(duì)夯土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)所需的參數(shù)進(jìn)行了研究，將試驗(yàn)值與由歐洲規(guī)范8中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來的數(shù)值相比較，得到了這些公式適用于夯土結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算［36］.美國建筑工程師Fred Webster提出土坯結(jié)構(gòu)抗震的4個(gè)有效措施，即：①平面布置規(guī)則；②洞口不能過大，且不應(yīng)在一片墻體上集中開洞；③應(yīng)在屋頂設(shè)置圈梁，且圈梁與屋面梁應(yīng)可靠拉結(jié)；④為保證生土墻體在水平和豎向的強(qiáng)度及位移限制，宜設(shè)置構(gòu)造柱并與圈梁可靠拉結(jié)［37］.

上述生土結(jié)構(gòu)抗震方面的研究中不僅對(duì)生土結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了研究，也提出了一些抗震構(gòu)造和加固措施，對(duì)提高生土結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性具有重要意義.但是試驗(yàn)研究大多只提出經(jīng)驗(yàn)做法和構(gòu)造措施，對(duì)生土結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震驗(yàn)算的理論公式較少，所以生土結(jié)構(gòu)抗震方面理論基礎(chǔ)還不夠健全，需要進(jìn)一步的研究.

2.4生土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范

國外一些國家的生土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)范化，材料選擇質(zhì)量化、質(zhì)量評(píng)定有序化的較高水平.

“國際生土建筑研究和應(yīng)用中心”提出的現(xiàn)代生土材料優(yōu)化理論已經(jīng)過數(shù)十年的優(yōu)化和實(shí)踐檢驗(yàn)，并通過《Earth Construction: A Comprehensive Guide》（《生土建造：綜合指導(dǎo)》，1994年）和《Batir en terre》（《生土建造》2009年）兩本著作的出版，成為各國現(xiàn)代生土基材料和建造技術(shù)研究所依據(jù)的重要理論基礎(chǔ).

美國在現(xiàn)代生土建筑材料與建造技術(shù)研究方面處于領(lǐng)先地位，美國新墨西哥州現(xiàn)有的在役生土建筑數(shù)量較多，包括夯土建筑和土坯建筑.1991年，美國新墨西哥州政府制定實(shí)施了《新墨西哥州土坯與夯土建筑規(guī)范》（《New Mexico Adobe and Rammed Earth Building-Code》），對(duì)承重生土墻采用何種質(zhì)量的土，生土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作要求和生土材料應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)都做了具體規(guī)定［38］［39］.新墨西哥州在生土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造方面也提出了一些定量化的指標(biāo)：如生土內(nèi)、外墻最小厚度、生土墻高厚比、抗?jié)B措施等，在生土結(jié)構(gòu)從開始設(shè)計(jì)到結(jié)束施工以及生土材料質(zhì)量方面已步入正軌，克服了僅憑經(jīng)驗(yàn)建造的低水平狀況［40］.新墨西哥州的建筑規(guī)范還要求土坯結(jié)構(gòu)采用連續(xù)混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的厚度至少為8 in，而且每邊至少比上面的墻體勒腳寬2 in.墻體勒腳也是混凝土制的，與土坯外墻的厚度相同.剛性保溫材料附在外墻的外表面，保溫材料的外面用灰泥抹面［41］.

澳大利亞也是使用生土結(jié)構(gòu)非常普遍的發(fā)達(dá)國家之一，重視生土結(jié)構(gòu)的規(guī)范研究，建筑師喬治?米德爾頓在《生土墻建設(shè)報(bào)告》的基礎(chǔ)上出版了《生土建筑手冊(cè)》，同時(shí)其他學(xué)者對(duì)本地的夯土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的實(shí)地調(diào)研，提出了夯土材料選用定量化的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了生土結(jié)構(gòu)規(guī)范的制訂工作，起草了“生土建筑指南”［42］.

新西蘭的生土結(jié)構(gòu)雖然歷史不長，但是發(fā)展速度較快.在新西蘭生土墻體的設(shè)計(jì)依據(jù)由新西蘭標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)于1998年頒布的3本獨(dú)立的規(guī)范，新規(guī)范規(guī)定每項(xiàng)生土結(jié)構(gòu)工程要有注冊(cè)工程師做出的證明，而且允許根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥赖念愋驼{(diào)整各原材料的混合比例.這三本規(guī)范涵蓋了土坯、沖壓成型土坯、夯土墻生土建筑：分別是生土建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)NZS4297：1998、生土材料及工藝標(biāo)準(zhǔn)NZS4298:1998、生土構(gòu)造設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)NZS4299:1998［43］.NZS4297:1998從地震帶、材料強(qiáng)度等級(jí)、設(shè)計(jì)方法（延性和能量設(shè)計(jì)法）、房屋高度（土墻最高6.5 m）、有無軸力或剪力時(shí)抗彎承載力的計(jì)算等方面闡述了設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則；NZS4298:1998主要介紹了土料選擇、確定強(qiáng)度、耐久性能等的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，加固和支撐要求、裂縫控制、表面平整度和質(zhì)量控制，此外還對(duì)不同施工方法做了要求；NZS4299:1998介紹了生土建筑不需具體設(shè)計(jì)而必須遵循的一些規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，如不同烈度區(qū)采用不同的房屋高度限值等，基于地震因素，該規(guī)范僅適用于最大高度為3.3 m的生土墻體，建筑設(shè)計(jì)中單層房屋水平投影面積不超過600 m2，兩層房屋每層不超過300 m2，同時(shí)規(guī)范對(duì)墻壁、隔板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法［44］.

德國編制了一套用于評(píng)價(jià)現(xiàn)代生土結(jié)構(gòu)的基本程序，用于生土結(jié)構(gòu)質(zhì)量保證體系的制定與執(zhí)行以及評(píng)價(jià)建筑師、工程師、施工員對(duì)生土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算、質(zhì)量評(píng)定等克服了過去建造生土結(jié)構(gòu)房屋“僅憑經(jīng)驗(yàn)”的傳統(tǒng)弊端，使生土結(jié)構(gòu)更加的規(guī)范化，在很大程度上提高了德國生土結(jié)構(gòu)房屋質(zhì)量［45］.

西班牙的交通運(yùn)輸部和公共工程部于1992年針對(duì)生土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提出一套指導(dǎo)文件（部：OBRAS文件Públicas?TRANSPORTES，1992）.該文件雖然將土坯結(jié)構(gòu)和夯土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，但整個(gè)文件主要對(duì)夯土結(jié)構(gòu)做了要求［11］.

津巴布韋于2001年出臺(tái)夯土結(jié)構(gòu)規(guī)范《SAZS 724：2001》.該規(guī)范對(duì)添加料、加速噴霧腐蝕試驗(yàn)等做了規(guī)定［11］.

英國在生土結(jié)構(gòu)的規(guī)范化方面也做了研究，出臺(tái)了《BS1377-4》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)夯土結(jié)構(gòu)土的應(yīng)用分類到夯實(shí)方法做了詳細(xì)的說明［46］.

國外許多國家針對(duì)生土結(jié)構(gòu)在不同時(shí)期提出了相應(yīng)的規(guī)范或者地方參考文件，由此看出，國外對(duì)于生土結(jié)構(gòu)的研究逐漸向著現(xiàn)代化，規(guī)范化的方向前進(jìn).

3　國外的研究對(duì)我國生土結(jié)構(gòu)研究的啟示

國外研究學(xué)者對(duì)生土結(jié)構(gòu)的土性、材料改性、施工方法、抗震性能等方面的研究思路、研究方法及研究成果為我國生土結(jié)構(gòu)的研究提供了寶貴的參考和啟示：

（1）生土結(jié)構(gòu)的建造在保留傳統(tǒng)生土房屋特色基礎(chǔ)上應(yīng)大量融入現(xiàn)代科技方法，采用機(jī)械化施工方法、先進(jìn)模板體系、墻體預(yù)制技術(shù)等，提高施工效率和施工質(zhì)量，使生土結(jié)構(gòu)適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展；

（2）對(duì)生土材料的改性材料不僅用石灰、水泥等常規(guī)材料，還可利用廢輪胎、舊漁網(wǎng)、水玻璃及其他工業(yè)廢料、建筑垃圾等，拓展改性劑的范圍，開啟生土材料改性研究的新思路；

（3）在生土結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造、抗震加固、擬動(dòng)力試驗(yàn)等方面，除了給出了一系列抗震構(gòu)造措施和加固方案外，還應(yīng)對(duì)生土結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)理、土坯房屋結(jié)構(gòu)特性、地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、土坯結(jié)構(gòu)抗震易損性方面等進(jìn)行研究，提出有利于抗震的新型生土結(jié)構(gòu)體系；

（4）生土結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)包括對(duì)建筑設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究、生土材料的物理力學(xué)性能研究、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本理論的研究，如生土材料的本構(gòu)關(guān)系、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度的基本計(jì)算理論和取值方法等；

（5）生土結(jié)構(gòu)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)逐步健全，對(duì)材料選擇、構(gòu)件制作、試驗(yàn)方法、生土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造、加固等方面做出詳細(xì)規(guī)定，使設(shè)計(jì)有依據(jù)、施工有規(guī)范.

吸收融合國外已有經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果，可以使我國生土結(jié)構(gòu)研究能夠利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，探索符合我國國情的生土結(jié)構(gòu)建造體系，研制新型施工機(jī)械，建立生土結(jié)構(gòu)施工與維護(hù)方法，研究新型生土改性材料，完善生土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，健全生土結(jié)構(gòu)規(guī)范、規(guī)程，使我國的生土結(jié)構(gòu)向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展.

4　結(jié)語

自第一次全球能源危機(jī)起，生土結(jié)構(gòu)受到國際相關(guān)領(lǐng)域的普遍關(guān)注.過去40多年來，歐美發(fā)達(dá)國家針對(duì)傳統(tǒng)生土結(jié)構(gòu)技術(shù)的改良、生土材料的改性研究、現(xiàn)代化施工等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，形成了許多具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的現(xiàn)代生土結(jié)構(gòu)建造技術(shù).2000年，聯(lián)合國科教文組織專門成立了生土建筑分部，以支持全世界與生土結(jié)構(gòu)相關(guān)領(lǐng)域的研究［47］［48］.從國外的研究情況可見，國外生土結(jié)構(gòu)在材料選擇、設(shè)計(jì)依據(jù)、施工技術(shù)方面已經(jīng)達(dá)到較高的水平.國外生土結(jié)構(gòu)的研究成果和成功應(yīng)用的實(shí)例，進(jìn)一步證明了生土結(jié)構(gòu)的開發(fā)和利用價(jià)值，也證明了生土結(jié)構(gòu)的生態(tài)優(yōu)越性和作為綠色建材的可行性，為我國生土結(jié)構(gòu)的研究提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn).

?摘編自《土木工程學(xué)報(bào)》2015年48卷6期：81～88頁，圖、表及參考文獻(xiàn)已省略。

責(zé)任編輯：王帥帥