木塑建筑部品设计研究∗

牛征北 易 欣 欧荣贤 王清文

[生物基材料与能源教育部重点实验室（华南农业大学材料与能源学院），广东 广州 510642]

木塑复合材料（Wood-plastic composite, WPC）简称木塑，因其原料来源广泛、制品可塑性强、生产工艺成熟且生态环保，被大量应用于园林造景、建筑装饰、家具制造及包装运输等领域。近年来伴随着木塑产业与装配式建筑产业的快速发展，建筑中木塑部品的集成加工技术创新、性能改进、功能化等方面的研究不断深入，木塑设计理念趋于丰富，市场对装配式木塑集成房屋和木塑建筑部品的认可度也不断提升，应用需求不断涌现。与此同时，木塑建筑部品的产业化、工业化、自动化的生产要求开始出现并逐渐迫切起来，新的集约、节约、绿色、科技的现代生产方式、建设应用方式呼之欲出。采用模块化思想指导木塑建筑部品的设计研究对实现木塑产业生产链的专业化、标准化、自动化具有重要意义，值得进行深入的分析和研究。

1 木塑建筑部品的用材概况

木塑是采用木、竹、秸秆等木质纤维材料作为填料和增强相，与热塑性塑料基体进行熔融复合，采用热压、挤出、注射等成型加工方式制成的一种新型复合材料。木塑在减少塑料带来的环境污染、缓解优质木材的供需矛盾、增加对农林低值材料的利用等方面发挥着重要作用，其本身亦可回收利用，是名副其实的环境友好型材料[1]。在材料与结构方面木塑具有抗水防潮、防虫防蛀、耐候耐老化、防菌防腐、抗冲抗弯、可塑性强、表面处理多样、易于二次加工等特点[2-6]，在产品属性和性能方面具有原料丰富多元、生产技术成熟、加工定制性能强、生态绿色环保等优势，这使得木塑在绿色材料领域成为广受关注的新星。

木质纤维原料、塑料与助剂构成的木塑配方体系直接影响木塑的各项性能，通过改变配方赋予材料不同的性能可为研发不同用途的木塑建筑部品提供可能[7]；挤出、注射和模压是当前木塑的主要成型方法，通过单独采用或组合使用不同的成型方式可为生产结构复杂功能多样的木塑建筑部品提供技术支持[8]；此外不同的二次加工工艺、结构设计方法、加工定制预制方法也为满足木塑建筑部品的市场需求提供解决方案。木塑建筑部品有着巨大的潜在市场和广阔的应用前景。然而，生产效率、质量稳定性、生产成本等方面存在的短板还在制约木塑建筑部品在市场中的表现，木塑建筑部品产业链有待进一步完善[9]。采用模块化的设计思想来指导木塑建筑部品的生产开发，建立创新、绿色、科技的规模化生产方式对木塑建筑部品的产业化、市场化的稳定发展有重要意义。

2 木塑建筑部品开发中的模块化思想

2.1 模块化思想在木塑建筑部品中应用的必要性和可行性

模块化思想是指在对一定范围内的不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计一系列结构模块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场的不同需求的设计思想[10]。模块化思想是由循环设计的理念发展而来，在设计中主要使用可以互换的模块组合成产品，以实现资源节约、循环利用、功能拓展等目的。模块化思想具有面向设计、制造、装配[11]、维修[12]、回收[13]及产品生命周期[14]全过程的特点，将其应用于木塑建筑部品的设计开发，可促进木塑产业的绿色创新发展。通过降低木塑部品开发设计的复杂性，缩短开发周期、支持企业之间的协同创新和提高用户在开发设计中的参与度[15]，为木塑建筑部品的开发设计提供创新的空间；力求使木塑建筑部品在结构上做到可替换、易拆卸、能装配，进而可方便使用过程中对制品进行局部的维护或升级以达到延长寿命、减少材料资源消耗的目的[16]；模块化思想的引入有利于实现木塑建筑部品制造的协同化，促进组织专业化生产和社会化协作，有利于使新型建筑设计和施工制造更加精细。

模块化思想是建立在标准化基础之上的设计思想，标准化接口设计和标准部件规格是产品模块化设计的基础，而木塑自身具备优良的可塑性，制造工艺以标准化的成型挤出工艺为主，可以较好地契合模块化设计思想，因而可以生产出结构合理、制作容易、成本低廉、能为广大用户接受的木塑建筑部品。因此模块化思想具有应用到木塑建筑部品设计中的可行性。

2.2 模块化木塑建筑部品开发现状与趋势

木塑材料所具有的可模块化特点，使装配式木塑建筑部品开发具有较好的前景。当前已经有不少企业开发出具有模块化特征的木塑墙板、木塑楼面、木塑吊顶等木塑产品/部品。截至2020 年11 月7 日的中国专利数据库检索结果显示（如图1 所示），有关木塑模块化产品及其制造设备的专利申请量自2013 年开始出现了较快的增长，2017 年专利申请量增长率高达400%，2017 至2018 年两年间专利申请量达数十件，且预计随专利的陆续公开近三年的申请量还会攀升，可见模块化木塑建筑部品已经获得企业的关注，未来市场前景看好。

图1 我国模块化木塑产品及其设备专利申请量情况示意图Fig.1 Schematic diagram of the number of patent applications for modular wood-plastic products and equipment in China

模块化部品应用于建筑住宅领域，具有生产速度快、节约劳动力、环保节能的优点，这已成共识[17-19]。融入模块化思想的现代木塑建筑不仅可改变传统建筑业内成员企业各自为战的生产方式，还有利于缩短中间流程，高效利用包括生物质资源在内的各种资源，提高生产效率和建筑产品质量。基于模块化思想的木塑建筑部品开发可以实现集成化制造（图2），使生产各环节联系紧密，将供应链中的多个企业有效连接，还有利于增强产品的市场竞争力[20]。

图2 木塑建筑部品中模块化思想的具体体现和实施过程Fig.2 Concrete embodiment and implementation process of modularization idea in wood-plastic building parts

木塑建筑可由以木塑复合材料为主要用材的结构系统、外部围护系统、设备与管线系统、内装系统通过预制部品集成的方法实现[21]，而整体采用模块化思想进行设计和施工的并不常见，当前最能体现模块化思想的“装配式建筑”也主要应用于钢筋混凝土建筑中[22]。可以采用SWOT分析方法[23]，定性分析模块化装配式木塑部品开发的现状和前景，如表1所示。

表1 装配式木塑部品应用SWOT定性分析Tab.1 Qualitative analysis of assembled wood-plastic parts using SWOT method

由上表可知，模块化的装配式木塑部品因政策、经济、发展理念、科学研究的不断发展而具有更多优势和机遇。同时就其问题和挑战而言，主要是因为行业起步较晚带来的标准、规范不完善，知名度不高和产业链不发达，以及由此造成的建设成本高的问题[24]。而通过完善标准规范，积极推广宣传，形成生产规模，建设完整产业链是推进模块化装配式木塑建筑部品发展的关键一环。以模块化思想指导设计和生产有利于促进木塑建筑部品的发展。

3 模块化思想在木塑建筑部品设计中的应用

3.1 模块化设计一般原则

对于面向制造和装配的模块化设计，必须关注从木塑材料到结构模块的制造过程和从木塑结构模块到木塑建筑部品的装配过程这两个部分[25]。其重要意义在于，一方面有利于促使木塑结构模块生产过程更便捷、高效、灵活，从而使木塑部品的生产科学、稳定、多元、低成本。另一方面，科学合理的结构划分便于形成标准化的模块库，而标准化的模块库对于从结构模块到木塑建筑部品的装配过程中降低成本、便利操作和使用过程中的拆卸更换等具有重要作用。在具体划分时，依据需求确定需求模块，在需求模块中确定功能并划分功能模块，然后根据功能模块确定结构分布，得到承担独立功能的结构模块，最终将合理的结构模块加入模块库。在此过程中，从生产角度看要坚持合理生产流程、减少零件数量、简化和标准化产品结构、支持协同制造、易于精细生产等原则；从市场角度看要坚持降低生产成本、提高和稳定生产质量、缩短交货期等原则；从用户角度看要提高循环替换可能，优化使用体验，延长使用周期，使材料易于循环回收，做到生态环境友好等。

3.2 模块化设计一般流程

图3 模块化划分的一般流程图Fig.3 General flow of modularization partitioning

首先，从市场已有产品切入进行木塑部品需求分析，确定用户需求。结合已有产品进行市场分析，明确木塑建筑部品需要满足的需求，并依据需求将已有木塑部品划分为满足不同需求的单元[26]。接着对获得的需求单元进行功能分析，确定满足需求需要承担的功能。将每个需求单元按其功能再次进行划分，获得功能模块。然后依据功能模块确定结构布局，并获得结构模块。对产品进行结构布局的划分，一般需将承担不同功能的结构进行划分。接着对上述获得的结构模块进行评估，以是否符合模块划分的约束条件和基本原则作为评估标准，符合模块划分约束条件和基本原则的模块即可将其纳入标准模块库，后续装配木塑建筑部品可直接选用，也可作为模块化生产制造的标准基础件。不符合划分约束和原则的则退回至划分结构分布步骤，重新进行结构分布划分。具体来看，模块划分约束和原则主要包括产品设计约束和生产制造约束两个方面的内容。产品设计约束是指在整个模块划分的过程中要关注产品外观、用户体验、资源节约等产品角度要素；制造装配约束则是强调要考虑材料性能、成型工艺、制造方法的可行性，制造装配过程需简洁、可靠、易操作等。对于产品设计约束而言，必须满足产品的具体用户的使用需求；必须满足并优化产品的人机尺寸和使用体验，依据人的构造尺寸和功能尺寸。对于生产制造约束而言，必须满足生产的高效和低成本，如在板材连接过程中采用企口锁扣技术，避免划分加入新的连接部件便于生产。

3.3 基于模块化思想的木塑建筑部品设计案例

以图4的装配式木塑房屋为例，该房屋是基于模块化思想生产搭建的具有傣族传统民居特色的现代装配式木塑集成房屋。该实例基于模块化思想对房屋结构进行划分，通过因地制宜选用木塑材料，并异地生产建筑部品单元，在建筑中融入民族传统元素和现代人居需求，实现了工业技术、艺术和文化的结合，建造出创新、绿色、科技的现代装配式木塑集成房屋。建筑设计图和建成后实物照片如图4所示。

图4 采用模块化设计思想的装配式木塑房屋[27]Fig.4 Prefabricated wood-plastic house with modular design concept

以模块化设计思想指导装配式木塑集成房屋的设计和研发，关键在于针对装配式木塑建筑部品的模块的科学划分和标准模块库的准确构建。对装配式木塑建筑部品的模块划分首先需要结合市场上已有的傣族传统房屋特点进行需求分析，确定装配式木塑集成房屋的需求。从用户市场的角度出发，结合傣族传统民居的发展，无论是从以茅草和原木为主、还是到以加工木材和人造板材为主或是以混凝土和钢结构为主的房屋搭建，安全可靠的居住环境、舒适便利的居住条件、与周围环境和谐融洽、延续保留传统傣族民居风格是傣族房屋一贯的追求。基于以上两点，可以明确傣族装配式木塑集成房屋的需求：安全舒适、绿色环保、民族特色。由此可运用模块化设计思想对装配式木塑建筑部品进行模块划分和标准模块库构建，进而为后续的生产制造、装配搭建傣族装配式木塑集成房屋创造可能性。

结合上述需求与现代房屋设计布局，可将装配式木塑建筑部品划分为如下六大需求部品模块：餐厨部品、卧寝部品、卫浴部品、会客部品、仓储部品和装饰部品。之后对各个部品模块进行功能分析，找出各个部品模块需要满足的功能。将不同部品模块中承担相同功能的部品合并同类项，最终可确定为基础系统、地面系统、楼面系统、墙体系统、屋盖系统、水电光暖系统及装饰系统等七大功能部品模块。在不同需求部品模块划分得到的同一功能满足的要求不同时须进行区分，例如地面铺装功能同时存在于卫浴部品模块和卧寝部品模块，但承担的功能要求有所不同，卫浴部品中更强调耐水防滑，而卧寝中更强调吸声降噪。在明确了功能部品版块后即可依据功能直接划分结构分布。

依据功能直接完成结构分布的划分，由此就可以获得划分的最终模块——结构模块。获得的结构模块需要满足模块划分约束和原则。在木塑建筑部品划分中的墙体系统功能部品主要包括外包覆木塑材料的薄壁钢柱和挤出成型的木塑构件等；地面系统功能和屋盖系统功能部品则以功能化开发的木塑材料（中空挤出、材料发泡、化学改性）为主，通常在挤出成型的基础上再模压成为一定形状的型材，接着进行表面处理；楼面系统功能部品和墙面围护部品通常在应用木塑材料的基础上，结合使用泡沫混凝土、水泥纤维板等；而对于装饰功能模块，直接采用木塑注射成型方法，即可获得形状多样的具有傣族传统特色的装饰部品。对于上述木塑部品，其本身具备生产技术成熟完善、成本可控和性能稳定、规模化潜力大的优势，加之模块化装配的生产建设方式不用现场浇筑，异地生产和异地组装有节能低碳、便于推广的优势。而且材料本身优良的感觉特性、二次加工特性、外观可塑性能很好地满足用户体验方面的需求。此外还可从划分的各个结构模块的制造成熟程度、组装简洁易操作程度、组装后用户的使用便利程度、生产制造流程简化程度，生产成本降低程度、残次品产生减少程度、使用周期延长程度等方面评估划分的结构模块是否符合划分约束和原则，符合情况良好便可将其加入标准模块库。最后形成的标准模块库可作为模块单元，可依据用户选择进行组合搭配，再进行装配搭建即可形成上图4 中的傣族装配式木塑集成房屋。

4 结语

本文基于木塑复合材料性能与应用现状,分析了将模块化设计思想应用于木塑建筑部品中的可行性、必要性和优势。阐述了模块化思想在木塑建筑部品设计中的具体应用，并结合实际应用案例提出了装配式木塑建筑部品模块的划分和标准库构建的具体方法，为木塑建筑部品的产业化与规模化发展、传统建设方式的绿色科技发展提供了有益参考。研究表明，模块化设计思想在木塑建筑部品开发中的应用有利于实现木塑材料的高效化、经济化、集成化、节约化、规模化应用，对木塑装配式建筑的发展有重要意义。可以预期，在我国大力推进装配式建筑发展的政策指引下，随着新型木塑材料和木塑建筑部品研究的不断深入，未来木塑建筑必将在传统民居、室内家居、商业住宅等领域进一步发挥得天独厚的应用优势。