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保温、隔热、透气墙

201105

俞静静

在二○○八年五月号的杂志中,我们曾介绍过建筑物保温体(Thermal Mass)的概念与优点。既然美国现行的轻构架营建法(Light Frame Construction)造成如此多的问题,那么我们应当用何种方式来建造房屋的外殼,才能使它具备保温、隔热又透气的特性,才算是真正的绿建筑呢?此处以外墙为例,简介几种厚墙的作法,并比较其优劣。

天然的建材大致可分为木、石、土、草四大类。其中,除了木材可形成柱梁式的结构之外,土、石、草皆只能以堆积的方式形成「承重墙」,墙面的开口因而不能太大,且墙身也需比较厚,方能具有支撑的作用。不过,承重墙并不等于保温墙;保温墙一般至少有十二吋(三十公分)厚,这厚度是为了使墙具有保温体的功能,不一定能够承重。

第一类:木

由于木材本身的特性,适于作为柱、梁,使得木结构可以作得轻巧,墙身只是填充隔绝之用,不须厚。此以中国古代木构建筑最具代表性,且已达登峰造极之境(如图一)。另一种纯木构造,是欧美早期之原木屋(Log Cabin),乃是用整根木材水平堆筑成承重墙,并非柱梁结构。这是先民就地取材之故,木屋所在之地多属林木丰沛者。然而,木材的隔热(Insulation)性佳,但是贮热效果不好,因此不是保温体的理想材料。

第二类:石

天然石材的比热大,亦即加热时间长、散热慢,贮热较久。热带的石屋往往会予人阴凉之感。质地太密实的材料,因孔隙少之故,使其导热性良好,而隔热性不佳。欧洲古代大型建筑多为石材(如教堂、城堡),虽坚固但搬运施工不易,加以天然石材资源有限,故现代已不再以石材作结构,而多半只用来作为面材。

第三类:土

泥土是世界各地人类普遍使用的建材,随地即有,取之不竭,从中国北方的黄土高原到中亚,从台湾乡下的土角厝到美国新墨西哥州的土坯屋,无一不是用当地黏土建成。黏土的特性是比热大、热传导性强、吸热贮热性佳,是优良的保温材,并且开采运送容易,可以塑成想要的形状。古代以土筑屋大致有两种方式:一是直接将拌好水的泥浆堆叠压实成墙,如西方之Rammed Earth工法(图二),其历史可推溯至纪元前。近二十年又逐渐为爱好自然建筑的人士采用并革新之。二是将土压制成方块,再日晒烤干砌成墙,即北美洲印地安人的干土坯屋(Adobe,见图三),适合当地的干热气候。

干、湿二种方法有什么不同呢?这是由当地气候及黏土成分而决定的。因为黏土的粒子细(所以才成为黏土),与水拌合之后,水分子赶跑了空气,令土壤粒子细密结合,干后强度大为增加(原理与制陶相同),保温性好;但因孔隙小故隔热差,适 宜气候温和的地区。然而像美国新墨西哥州平地那般炎热干燥的沙漠型气候,乃至其北部海拔八、九千呎的山区,日夜温差很大,所以聪明的美洲原住民未采用湿土,而只以土晒干成坯筑屋,如此之干土坯仍保有一些孔隙,达到了既保温又隔热的效果。换言之,若刻意控制土的疏密度,便可造出适宜当地气候的房子。如果将土块放到窑中用火来烧,那就是砖了。

第四类:草

欧亚地区,自古便有许多以稻草、麦杆、茅草、芦管扎成束,再将草束编成墙与屋顶的茅蓬,是属于比较简易、快速且低廉的作法,但是不太坚固亦不耐久。在西方则有「草包屋」,以麦杆压扎的方块包(Straw Bale)作单元来叠成墙。美国新墨西哥州及科罗拉多州一带有不少新建的草包屋(图四)。由于墙内的草是多孔隙的轻质材,只有墙面披土,故其隔热性很好,而保温性不足。若建在寒冷地区,则室内必须要加设保温体(如内墙或壁炉),否则到了晚间室内仍会很冷。

谈完了以上四类基本建材,大家是否已发现:这些天然材不是质地密实、使其保温好而隔热差,就是质地疏松、使其保温差而隔热好。那么有没有具备二者优点,去弊存利的作法呢?答案就是将土及草结合,成为草泥墙(Clay Straw,图五)──泥浆里头加进纤维,可大大增加泥块的黏合度,干后不易龟裂,且强度增强,这是中国自古便运用的方式。以木材为结构,柱与柱间先架设用木条或竹条编成的格栅状暗梗,作为土墙骨架,并为泥土附著之用。混合著草屑或麻丝的土浆便以披土的方式抹上去,最后再上一道加石灰粉的装修面。这样的木构架粉墙屋,遍及中国大陆南北、台湾及日本、韩国。即使在欧美也有类似作法,即「Lath and Plaster」,却在二次大战后逐渐消失。英国传统的草泥屋(Cob,图六),盛行于十三至十八世纪,之后几乎失传,也是用泥沙拌稻草做成墙,约二十至三十吋厚,可做两层楼高。一九九四年开始又有人重拾此技术,盖出了新房子。

在第二次大战之后,德国人将泥中的纤维成分增加,这样盖出的房子,成为美国近年新墨西哥州一带泥草屋的先驱。所略不同者,是美国的营建者融入了东方柱梁的观念,而以木材作结构体,以泥草为填墙,但是草多土少。其步骤为:

  1. 将黏度适宜的黏土加水、去杂质,搅拌成均匀的泥浆(图七)。
  2. 以人工或以滚拌机(Tumbler)将泥浆与纤维(稻草或麦杆或木屑)混合(图八),使稻草的表面都沾裹上一层薄泥浆。(图九)
  3. 木构架先行建好,预埋水电等管线(图十),并在墙两侧钉上夹板作为模板,一层四呎高,即夹板宽度。
  4. 将泥草填入夹板中,并以人工压实(通常用脚踩及用木桩舂)。(图十一)
  5. 视空气湿度,约大半日至一日便可拆下模板往上移,进行第二段四呎高的填草程序(图十二)。
  6. 如是完成整片墙。(图十三)

从这个施工程序,我们可以想见,这种泥草墙的缺点是:(1)费人工。(2)工时长。(3)一呎厚的墙,约需一两个月才会完全干。(4)下雨或太湿时不宜施工。

但是,它亦有许多好处:(1)兼具保温与隔热效能;(2)完全透气,黏土能调节室内湿度;(3)电磁完全平衡;(4)温和的质感与表面温度;(5)干后的泥草如石般坚硬;(6)可依建物当地气候以及座向,变换调整泥草之比例及稠度,而达到保温性及隔热性二者之平衡。

泥草屋虽好,但是受技术、劳工、工时之限制,不能标准化与量产。坊间另有三种现成品:(1)气泡混凝土砖(AAC),(2)木丝水泥砖(WICF),(3)浮石砖(Pumice Crete);此三种均为工业量产之制成砖,都兼具保温与隔热的双重性能,或许可以作为部分替代建材。

(1) 气泡混凝土砖(Aerated Autoclaved Concrete, 简称AAC)。

一九二○年至一九三二年间起源于瑞典,后来日渐普及,目前全世界四十国有厂生产,且多已为建筑法规所核准。它是以沙、石膏、石灰及水泥为原料混合,加水及铝粉,在华氏三百度的温度打入空气,使其成为含有许多孔隙的混凝土砖,其体积的百分之八十是孔洞,重量只有一般混凝土的五分之一,但强度却强得多(图十四)。它的制作过程并不会很耗能源,副产品也只是水,但缺点是含铝粉,并且一般工厂所用的原料也是波特兰水泥,在电磁上并不平衡。

(2) 木丝水泥空心砖(Wood Insulated Concrete Form,简称WICF)。

这种现在绿建筑用得越来越多的空心砖,是二次大战之后在英国发展出来的。它的概念与上述泥草屋近似,是以木材厂的废料木丝沾上泥浆后,灌入模子成空心砖,标准尺寸是”8X”8X”16,中间两孔,内孔一面有隔热材(图十五)。因此它具备了重量轻、易施工、坚固、工期短等优点,同时由于以黏土制成,本身电磁平衡,算是相当理想的材料。它的中空部分可用以走管线,如果要当承重墙用的话,必须水平垂直双向植筋(最好不用钢筋而以塑胶筋取代),中间浇灌水泥。如果只作填充墙,则中间只需少许以筋加强。若中空处填以黏土稻草,则能更增强它的优点。

(3) 浮石砖(Pumice Crete)

浮石本身重量轻、多孔隙,以它作原料灌制成砖,已经具备了轻而坚又隔热的特性(图十六)。可惜也是含有水泥。并且近年测出不少浮石带有放射线,在选用时需注意。

以上三种都是制成品,并非天然材料,意谓它们的制作过程比较消耗能源;也许会有些汙染;并且不一定是本地产品,所以亦会消耗运输的能源;同时都要加入水泥,这都是美中不足之处。若能以含镁之水泥来制作,则至少可去除此项缺失,并得到电磁的平衡。

以环保为著眼点的建材与工法亦不止上述几种,近年来有见采用废轮胎、空玻璃瓶、塑胶瓶、纸浆等等盖屋者,可谓八仙过海,各显神通,琳瑯满目。节约资源之立意固好,但是也须考虑废材本身是否对健康有利;其次再以是否在各个程序环节(原料、开采、制造、运输、施工、使用、维护)上都最省能源与最少污染,这便是您理想建材的取决标准了。