3.10 今日土建筑
3.10.1 今日土建筑的特点
用泥土烧就的砖瓦因为耗能和占用宝贵土地资源，同时性能无法与水泥、钢材抗衡，已渐渐被边缘化，但是在人们关注环保节能的时候，真正符合生态绿色的泥土茅草房屋，有在更高层次上出现回归的趋势。早已被边缘化的土建筑，因为节能、节约土地资源，又峰回路转受到人们的重视。对土建筑的研究表现在：①模仿2千年前古巴比伦人空中花园的构思，在建筑物外覆土种植；②将新的科技成果运用到窑洞等以泥土为主体的建筑；③开拓以泥土和岩石为主体的地下空间。泥土和岩石又有可能成为用量最多的建筑材料。
当各类新型建筑材料争先恐后涌出显示新的特性的时候，从另一个角度观看最传统的建筑材料——泥土的用途也在发扬光大。泥土是人类最早使用的建筑材料之一，是构成几千年来各类建筑的主要材料。近年来，泥土又因为绿色环保，以泥土、石块为主要材料的地下或半地下的建筑，节约土地资源和能源备受重视。如果将现代建筑看成地面上的营造部分（不论是高楼大厦还是平房别墅）和接连泥土为一个整体，存在有机联系，那么地下泥土就是建筑组成部分。以泥土和岩石为墙体的地下建筑和利用地下土壤（含岩石和水）实现太阳能热地下存储的方式都是泥土建筑材料用途的拓展。
3.10.2 掩土建筑与窑洞建筑
掩土建筑是其中一部分或全部用土掩盖的建筑。已有学者指出，因为土壤具有优良的绝热性能，掩土建筑在21世纪会有巨大发展。本书所指的覆土建筑艺术，不是单指以土覆盖着的建筑，也不单指地下建筑，而是指以土、石、木等作材料，与大自然密切联系着的建筑，英文称为Earth Sheltered Architecture。它是建筑学中新兴的一门综合学科，伴随着环境科学发展起来，它和以保护自然环境为宗旨的生态建筑学（Ecological Architecture）有密切的关系。现实要求我们积极投身于发展、创造与大自然和谐的“文明建筑”（Gentle Architecture）。可喜的是，古代人类的覆土建筑艺术给我们提供了许多启示，这些建筑在如何巧妙地利用和顺应自然环境的条件方面作出了榜样。
掩土建筑节能节地，建筑上方种植各类绿色植物、菜蔬，既防震防风、隔声性好、防火、有效减少沙尘和放射性污染，又能营造良好的室内小气候。位于通风条件良好（可有微风），利于排水，景观日照良好的坡地建筑（图3-7）和新型窑洞建筑（图3-8）都属于这类建筑。节约土地资源是建筑的基本要求之一。
图3-7 坡地双零住宅
1—引光观景廊；2—卫生间；3—厨房；4—居室；5—毗连大温室
图3-8 新型窑洞的设计原理图（单位：mm）
所谓省地建筑，主要体现在4个方面：①选择荒废坡地建房，不占平地；②设计采用高密度的台阶布局，不仅建筑间距为零，而且可得到最大的日照率；③整个建筑掩蔽于土壤之中，使每一阶的占地都被屋顶所弥补；④向地下及空中发展，通过解决一些很大的技术难题建立未来建筑理念。
图3-9是湘南台文化中心，由于一半以上的使用面积都在地下，因此地上部分得以预留出宽大的广场空间。
图3-9 湘南台文化中心
（1）窑洞建筑
西安建筑科技大学在陕西省延安市枣园村设计并建成了绿色窑居建筑（图3-8）。新型窑洞的设计原理如下：在保持窑洞原有优点的基础上，设计利用附加阳光间增加太阳能利用；利用地道风改善窑洞室内通风问题，改善室内空气质量；利用采光井改善窑洞深处的采光质量。
（2）掩土建筑
对于掩土建筑，设计者和建造者对现场还应考虑下列问题：与现场所处天顶方向有关的太阳辐射日波动和年波动情况，如斜面的，东、西、南、北面的等；土壤性质，即土壤的物理和化学组成。土壤在严酷气候条件下产生动态变化（特别是干旱区），这种变化常引起土壤和岩石在很短的时间间隔内产生收缩和膨胀，引起岩石塌方。并堆积到山脚。暴雨时出现滑坡、坍塌事故。
仔细研究了现场、小气候、大气候以及建筑物的使用性能，就可对房屋的位置进行3种选择：①全地下式；②地下式与半地下式相结合：③半地下（或地下）与地上房屋相结合。
将房屋或居所设置在地下存在的问题是：易遭洪水危害；砂土风暴环境中有砂土沉积，有时这种沙尘暴会造成掩埋房屋的危害；光线有限，增加了闭塞感，眼前视景狭窄。另外，通风和空气循环也可能受到限制。
位于山顶则通风条件好（有更多的微风），有条件做视景设计，透入室内的光线多，排水方便。但是，地下居所建于山顶，由于开挖岩石，造价将会增加。交通也更困难。
采用掩土建筑（含地面掩土建筑和地下建筑）是一个与严酷的室外气候相抗衡的好办法。设计和施工都好的掩土建筑可使室内得到满意的微气候。归结起来，掩土建筑有如下优点（与地面非掩土建筑比）：节能、节地，微气候较稳定，防震、防风、防尘暴，隔声好，防火灾蔓延，可减轻或防止放射性污染及大气污染。
中国北方常见的一些建筑，为了躲避冬季强烈季风，在房屋西北方向堆土，使之和屋顶连成一体，可以减少室内热量损失，起到很好的保温效果。这时的房屋可以看成是半边窑洞。
在外墙和屋顶种植花草树木是生态建筑的常用方式，利于遮阳，吸收热量，降低粉尘污染。这时，泥土也应视为重要的建筑材料。英国建筑师霍克斯设计了一栋独特的房屋。它不仅有一般家用建筑中少见的大穹顶，而且还是零排放的“生态房”。霍克斯给这座房屋命名为“交叉口”。他用传统黏土替代水泥，摒弃了水泥等现代建筑材料，采用当地传统的黏土瓦。建造出来的穹顶厚度不到13cm，十分节省原料。
穹顶的设计灵感来自中世纪建筑。这种建筑形式已有600多年历史，1382年首次出现在西班牙。穹顶一般用薄砖建造，轻质且坚固。霍克斯的房屋也是如此。
在屋顶上铺满砂砾和泥土，以便日后种植植物，并以此增加屋顶重量，助其稳固。这种穹顶房屋的另一个好处是可以保存阳光热量，夏天时室内气温也不会过高。“交叉口”共有4间卧室，每个房间都安装了超大落地玻璃窗，方便采光。
节约使用成本让这种生态房屋前景光明。空气在这一系统中流动后即被加热，通过通风孔在各个屋内循环。房间内不需要安装电暖气之类的取暖设备。房子的地板用玻璃瓶碎片压制而成，渗透性强，因此也可储存热量。掩土建筑是地下存储热能和利用土壤储热进行冬夏季能量交换的选项。建筑学家认为，随着可再生技术成本不断降低，这种生态房屋在未来建筑市场将大有可为。
3.10.3 夯土
海边玩耍的孩子都知道，需要少许水来保持沙堡的坚固度。科学家们发现，同样的，“夯土”——一种用沙子、砂砾和黏土制成的“绿色”建筑材料——所形成的坚固度很大程度上取决于其含水量。
作为一种可持续建筑方式，夯土越来越受欢迎，夯土通常会在被加湿后用于内部压实起支撑作用的框架。这项技术是中国在大约4000年前发明的，随后传向世界各地。中国的长城和位于西班牙格兰纳达的阿尔汗布拉宫的某些部分都是用夯土建成的。
人们越发对夯土感兴趣，其原因是，使用这种材料不仅十分环保，还可降低对水泥的依赖性。水泥生产商造成的二氧化碳排放量占人为二氧化碳排放量的5%。
达勒姆大学的科学家们对小型圆柱体夯土样本进行了测试，即对样本施加外力，以模拟这种材料的墙内的受压情况。
他们发现，略具潮湿度的土壤颗粒之间的吸力的形成是坚固度的一个重要因素。
夯土所造的墙像是一段沙堡。建造完毕待晒干后，这种墙体还保留有少量水分，从而维持墙的坚固度。
达勒姆大学工程学院的查尔斯·奥加德博士说：“夯土可经受时间的考验，但夯土形成坚固度的原因仍不得而知。如果不弄懂其原理，我们就无法有效地保存旧有土建筑，并为新建筑进行实用型设计。”
奥加德还说：“初步测试结果表明，夯土可形成坚固度的主要原因与其水含量有关。对这一点加深理解后，在设计新建筑物和维护用这种技术建造的古建筑时，我们便可开始考虑将夯土作为一种环保材料加以利用。”
英国生土建筑组织干事汤姆·莫顿说：“随着建筑业开始分析传统的环保型建筑方法，并使其适应21世纪可持续性建筑理念，此类科研工作具有十分宝贵的价值。”
3.10.4 覆土与土壤储热层
（1）掩土建筑
掩土建筑是21世纪建筑中必须重视并值得大力发展的建筑。这里所指的掩土建筑是：其中有一部分或全部用土壤覆盖的建筑（广义的建筑）。它的主要优点来自土壤的热工性质，厚重的土层所起的绝热作用，使土壤中温度很低。在建筑物外覆土，除用土作为保温绝热材料外，还可利于生态。
英国伦敦建造了一个20.7m高的“垂直花园”，专家称有助于阻止英国暴雨期间出现的洪流灾难。垂直花园包含1万多株蕨类植物和草本植物，位于维多利亚车站附近一座建筑大楼，它能够收集从楼顶上落下的雨水，滋养植物生长。这里有16t土壤，能够存储1×104L水，是一个引人注目的花园，成为观光旅游的一个亮点，可有效解决洪流灾难。图3-10是植栽与土壤的隔热效果图。日本福冈Acros综合体（图3-11）夏季土壤植被温度和周围混凝土温度相差有20℃（图3-12），能有效减少制冷用能耗，缓解城市热岛现象。高层掩土建筑还有一个动听名称：垂直森林。意大利米兰垂直森林是世界上第一座绿色公寓，被誉为人与自然和谐相处的典范。我国台北扭曲的绿色建筑，中心部位又称悬浮花园，上面可种菜蔬植物，居民可以享用自己的种植成果。还有新加坡生态园、韩国生态园，都是有名的垂直森林。
图3-10 植栽与土壤的隔热效果图
图3-11 福冈Acros综合体的屋顶花园
图3-12 屋顶绿化与非绿化部分温度比较
北京天九城市花园设计获得很高荣誉。该模式通过巧妙的错层设计，使得建筑外层空间得到充分利用。每层有1000m2的占地，其中有700m2的空中花园。15层建筑可以带来10倍占地面积的绿化，节约土地资源，并且通过别具匠心的设计，使上下左右的住户都无法看见对方，每家每户在喧嚣的都市中拥有独立的绿色秘密空间。
地下空间是未来建筑的方向，其主要材料就是泥土和岩石。我们将在第8章“地下建筑”中予以介绍。
（2）土壤储热层
很多现代住宅都向地下延伸，维护结构在土壤中的深度2m以上，瑞士“迷你能源节能建筑标准”MINERGIE就是成功的例子。
瑞士普通新住宅按现有的标准SIA380/1，每平方米每年的供暖能源消耗是100kW·h。而MINERGIE的居住建筑保温标准最大为42kW·h/m2，即节能达60%以上。为要达到这个标准，房屋需要有良好的保温，保温层多在20cm以上；气密性好；尽量避免冷桥；使用带暖回收的机械通风系统等。地下热存储在经济上都是可行的，并逐渐应用在一些国家的生产生活当中。图3-13为美国华盛顿地区利用土壤储热的太阳能系统。该项目建筑面积为140m2，每年所需供暖和生活用热水的总负荷为9.4×107kJ，其中供暖所需热量约为6.3×107kJ，而供给生活用热水所需的热量约为3.1×107kJ。所需平板型太阳能集热器的面积约为50m2，用于储热的土壤体积约为820m3，在夏季结束时，土壤温度可以上升至80℃，而在供暖季节结束后，温度降至40℃左右。
地下含水层热存储（ATES）是近年来引起许多国家重视的一项储热和节能措施。是指将地下含水层作为储能介质，将夏季的太阳辐射能储存起来用于冬季供暖，将冬季的冷量储存起来用于夏季制冷，能量回收率可达70%，多用于区域供热和区域供冷。图3-13所示为双井式（设置有冷、热水井）含水层储热系统的结构示意。
图3-13 地源热泵示意
地下岩石热存储具有成本低的优点。通常利用山间小谷地或在平地上挖沟，将挖出的泥土筑成堤，地下空间填充岩石，上部加隔热层和防水层。岩石层的侧面和底面则依靠泥土隔热。其顶面最好向南倾斜，除了有利于接受太阳能以外还便于排水。
3.10.5 土工合成材料
现代砖瓦的原料、结构、生产工艺也在变化，主要特点是以工业废料或其他资源替代可以耕作的泥土，如页岩、煤矸石、粉煤灰、灰砂、炉渣；状态由实心砖过渡到空心砖；制造工艺由烧结法过渡到非烧结法，通过在制砖过程中加入一定分量的胶凝材料磨细、混合、搅拌、陈化、压制成型、蒸压养护而成。瓦也由泥土瓦过渡到水泥瓦、钢丝网水泥瓦、塑料大波瓦、沥青瓦等。
土工合成材料也可归入建筑材料。土工合成材料既源远流长又是最新技术。目前，世界对土工合成材料还没有统一的分类原则，但总体来说，可以分为土工织物、土工膜两大类及诸多其复合、合成方式加工的产品。
早在洪荒年代，我国已有编织技术，如伏羲“作法绳为网罩”，7000年前，人们已用葛布纤维织布造衣，出土的芦席残片、席层规整、均匀、紧密。
这些织物破烂之后常被混入泥土之中。当时人们使用稻草来改善土砖性能，用棍棒和树枝加固泥房。3000年前，李冰父子在指挥修筑都江堰水利工程时，创造性地提出采用竹笼石块围护江堤、分流江水等先进技术，四川平原从此多泽千年，成为天府之国。在17世纪的欧洲，英国采用木桩控制滑坡，法国移民开发美洲时，在港湾用棍棒加固泥堤。
现代土工材料一般都是以人工合成的聚合物，如塑料、化学纤维、合成橡胶为原料制成的各种类型产品，故称土工合成材料，它具有质量轻、柔性大、强度高、耐腐蚀、成本低、运输施工便利的特点。是一种新型岩土工程材料，一般置于土体内部、表面，现已广泛应用于水利、电力、公路、铁路、建筑、港口军事和环保工程。
土工合成材料为土、砂石增加了诸多功能，如在土体内部形成一道由粗颗粒到细颗粒的反滤层，水和气可自由通过，土颗粒却被有效截留控制，具有排水作用和隔离作用、增加土层强度稳定性能、防护作用（如软基加固、防护河堤坡面的坍塌、淘刷和失稳）阻止水汽和有害物质渗流和减载作用等。土工合成材料也减少了很多材料的用量和能耗。如在高速公路上加织物铺层，减少沥青路面层厚，增加抗裂抗压能力，延长工程使用寿命。这极大改变了许多建筑工程的设计理念。因为土工膜材首先在防渗、蓄水方面初露锋芒，我们在本书中将其放入防水材料章节。虽然在20世纪末期，土工合成材料已开始在长江三峡工程，秦山核电工程，黄河、淮河整治工程等大型工程中得以应用。