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《自然保护地》第2卷 第3期 2022 年 8 月
       自然保护地工程项目建筑材料的科学选用

张亚慧¹, 齐越¹, 雍娟², 任丁华¹, 于文吉¹, 于海霞³, 邓侃^1,*

1. 中国林业科学研究院木材工业研究所，国家林业和草原局木材科学与技术重点实验室，北京 100091

2. 中国林业集团公司，北京 100026

3. 浙江省林业科学研究院，杭州 310023

^*通讯作者: E-mail：dengknsohu@sohu.com 

[摘要] 自然保护地建设离不开工程项目建设，在建筑的选材上，既要考虑材料的建筑力学特性，又要考虑材料应具有绿色低碳环保、生物友好、与自然环境协调相容等特性。本文在对比常用的建筑材料的基础上，重点阐述了高性能重组材料的性能特征以及其在自然保护地中的应用优势，以期为自然保护地的建设提供一种低碳材料和多元发展的可能。     

[关键词] 自然保护地; 绿色低碳; 景观建筑材料; 高性能重组材料

[DOI] 10.12335/2096-8981.2022033101

自然保护地作为我国国土空间中具有重要生态功能的空间区域，具有维系生态系统稳定与安全、保护生物多样性、固碳储碳等生态服务功能，且承载科学研究、历史文化、视觉审美等诸多重要价值功能^[1]。截至目前，我国已经建立了由自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质公园、湿地公园等组成的各类自然保护地约1.18万处，大约覆盖了陆域国土面积的18%，占海域面积的4.6%^[2]，为维系生态系统健康、稳定的发展，建设美丽中国提供了强有力的生态支撑。

自然保护地的建设是为了理性地建立相互协调的自然生态系统与社会生态系统，使人类有更好的可持续生存环境与发展前景^[3]。参照《自然保护区工程项目建设标准》，自然保护地建设项目应包括管护系统、巡护系统、标识系统、科研监测系统、公众教育系统、信息系统以及防灾减灾系统等^[4]。这些建设项目主要以人工建筑形式体现，而建筑材料是构筑建筑空间、形态的重要物质条件^[5]。现阶段，自然保护地常用建筑材料包括水泥、钢材、玻璃、陶瓷、木（竹）质材料等，建筑材料在自然保护地建筑中的运用应遵循安全性原则、功能性原则、融合性原则和生态性原则^[6-7]。其中，1）安全性原则要求材料本身符合国家建筑材料的安全性标准以及不同材料之间不发生化学反应，不影响工程安全建设；2）功能性原则要求在保证材料创新性的基础上，承担自然保护地整体建筑设计和建造风格的体现，优化施工效果；3）融合性原则要求材料与自然保护地景观融为一体，实现材料自然属性与艺术塑造的完美结合，保护自然保护地生态系统不受损害；4）生态性原则要求在选择建筑材料时应主动考虑节约能源资源、减轻自然资源消耗压力。上述原则要求保护地管理者和建设者必须了解和熟悉不同材料的特性和运用效果。本文拟对现阶段常用的建筑材料从用途、优缺点、生态性等方面进行统计分析，并着重介绍重组材料的特性及其在自然环境中的应用优势。

1  自然保护地建筑材料生态性分析

在国家“双碳”战略目标下，低碳已经成为人类社会可持续发展的关键词。在自然保护地建设系统中，建筑原材料的选择是作为能否实现低碳建设的关键一环，其生态性也已经成为重要评价元素之一。本文选取了几种常用的园林建筑材料：水泥、钢铁、玻璃、陶瓷和木（竹）质材料，针对这些材料的用途、优缺点、生产中能耗、生产中CO₂当量排放进行了汇总对比^[8-16]，具体见表1。基于生产过程中能耗与CO₂当量排放，木（竹）质材料作为生物质复合材料，具有低消耗、低能耗、低排放等特征。其中，在能耗方面，木（竹）制品仅为水泥的21.64%、钢铁的3.40%、玻璃的6.97%和陶瓷的6.71%；在碳排放方面，木（竹）制品仅为水泥的36.74%、钢铁的13.90%、玻璃的31.07%和陶瓷的32.62%。木质材料的自然特性决定了木材制品只要还在使用，固定在其中的碳就基本不再释放，这种不需要额外的赋能维持和经济投入的功能使木材及其制品成为高效廉价的碳封存体^[17]。同时，从材料的生产、运输、安装、维护，到最后处理的全生命周期角度分析，在上述各种材料中，仅有木（竹）质材料的碳存储大于碳释放，净碳排放为−14.89 kg/m³，具有明显的固碳功能，是典型的固碳储碳材料。因此，在自然保护地建设中，综合考虑各种材料的能耗，依据就地就近原则，应尽可能地使用木（竹）质材料，以推动实现自然保护地相关设施建设走向绿色化和可持续化。

表 1 常用建筑景观材料对比分析

2  不同木（竹）质材料的特性及其在自然保护地建筑中的应用

2.1  自然保护地建筑用木（竹）质材料的特性

木质材料作为生态型传统材料，是现代4大基础材料中唯一可再生、可降解、可循环的绿色材料。现阶段，在自然保护地建筑材料中常用的木质材料包括木材、防腐木、炭化木、木塑复合材料和重组材。其中，1）木材按照树木种类可分为针叶材和阔叶材，常用树种包括杉木、落叶松、桦木、榆木、菠萝格、柚木等。其具有加工简单、易于维修和更换的特点，同时也带给人们舒适、融合自然又典雅美观的视觉和心理感受。但是，木材存在生物耐久性差、耐候性差等缺点。我国森林资源相对匮乏，可用于户外建筑结构用材和优质木材资源严重短缺，对外依存度超过50%，难以满足消费升级的市场需求。2）防腐木是指经过防腐处理后的木材，常用的防腐木品种包括冷杉、落叶松、云杉、湿地松、欧洲赤松、樟子松、马尾松等，具有较好的防腐效果，但也存在木材中的防腐剂易流失而造成环境污染，且易开裂变形的缺点。3）炭化木是指在缺氧环境中，经过180~240 ℃高温热处理后而获得的具有尺寸稳定、耐腐等性能的改性木材^[18]，具有不易变形、防虫和防蛀性较好的特点，但其存在强度损失较大的问题。4）木塑复合材料是指由木材、竹材、农作物秸秆等木质纤维材料与热塑性塑料分别制成加工单元，按一定比例混合后，经成型加工制成的材料^[19]，具有高环保、高防虫及防蛀等特点，但易抗冻融变形和光降解变色，特别是力学性能差。5）重组材料是指采用人工林木材、竹材和沙生灌木等生物质资源为原料，以不打乱纤维排列方向，保留木、竹材基本特性为前提，通过纤维定向重组技术开发的一种新型复合材料，其具有高强度、高耐候性、高尺寸稳定性及高环保性等特点，被人们形象地称为“木钢”和“竹钢”。

由表2可知，不同的木质材料在具体特性方面区别较大，其中在抗弯力学性能方面，重组材料＞硬阔叶材＞防腐木＞炭化木＞木塑复合材料，在具有承载结构用途方面的材料需求时，需综合考虑材料的力学性能和耐久性能。在施工要求方面，上述木质材料可采用不同的连接方式来加工实现不同尺度的要求，其中硬阔叶材、防腐木以及炭化木的尺寸主要取决于原木的尺寸，其宽度受限。木塑复合材料主要以板材和型材为主，尺寸取决于成型模具尺寸。重组材料主要为板材和方材，其中，板材的基本尺寸为（2 000 mm~6 000 mm）× 1 400 mm ×（18 mm~50 mm），方材的基本尺寸为2 600 mm（2 000 mm）× 160 mm × 175 mm以及2 500 mm × 205 mm × 305 mm等，重组材料在二次加工和施工过程中，对现代切削、雕刻等加工工艺技术具有良好的适应性，可锯切、连接、拼接、砂刨等，可实现二次加工的低成本化以及施工装配的高效化。

表 2 常用木质建筑材料对比分析

Table 2 Comparison and analysis of common wood landscape construction materials

2.2  不同木质材料在自然保护地建筑建设中的应用

2.2.1  铺地材料

地面铺装的主要作用是可以让使用者通行更加快捷和方便，同时更好地显示出交通路线的走向、空间的规划设计以及景观地域的过渡边界性等^[20]。铺地材料的选择可以最大程度地提升自然保护地景观的环境质量和使用者的舒适程度。木质材料作为硬质景观材料不仅能够营造艺术氛围，还可以在一定程度上促进现代自然保护区建筑设计的发展。在创意思维方面，可以根据工程的实际尺寸和个性化需求定制生产材料，且在同等条件下，在生产和加工中造成的能耗最小。同时，防腐木、木塑复合材料、重组材料具有强耐腐优势，可为游客提供尽情欣赏美丽自然景致的优越观景之地。目前，重组材料相关产品已经应用于上海崇明岛湿地公园、苏州太湖国家湿地公园、鄱阳湖候鸟基地等工程。

2.2.2  建筑结构材料

绿色建筑是世界建筑发展的潮流和趋势，推进绿色建筑发展，是加快生态文明建设的重要体现，也是推进节能减排和实现“碳达峰、碳中和”的有效手段之一。在常用的木质材料中，重组材料不仅可以应用于自然保护地建筑结构的承重结构，也可以应用于一般的围护结构，但防腐木、炭化木和木塑复合材料仅可以用于围护结构。作为承重梁柱构件，重组材料的结构设计指标值为传统胶合木的1.5倍，具有轻质高强的特性；作为门窗围护结构，重组材料门窗的传热系数K可达1.0 W/(m²·K)，而铝包木窗的传热系数K最高仅为1.7 W/(m²·K)，具有明显的减排降耗作用；作为墙板围护结构，重组材料挂板的导热系数（平均温度为25 ℃）为0.12 W/(m·K)，木塑复合材料的导热系数为0.32 W/(m·K)^[21]，瓷砖材料的导热系数则为1.99 W/(m·K)。重组材料显然具有优良的节能保温性能。同时，重组材料、木塑复合材料与不同的材料可形成组合构件，从而满足不同功能要求，形成格调新颖契合环境的氛围，并可实现工厂预制，工业化程度高，易于更换，且具有良好的装饰性，相关产品已经应用于北京冬奥会、北京世界园艺博览会、杭州西溪湿地公园、苏州园博园等工程。

2.2.3  景观小品与装饰装潢材料

公共设施景观小品与装饰装潢材料兼具有文化功能、实用功能、美化功能以及渗透入景观设计中增强景观环境艺术氛围的功能。木质材料在自然保护地景观小品种类较多，具体包括艺术装置、座椅、电话亭、围护结构、休闲设施、桥梁、临时建筑等，也可以直接运用于装饰性板材中，在具体设计过程中可兼具趣味性和几何结构的特性。在露天场所使用防腐木时，需注意因防腐剂逐渐流失而造成土壤和水体的污染，产生二次危害，并需要定期维护以实现防腐功能；使用炭化木时不宜浸泡在水中或与泥土接触，以防止开裂^[22]；当使用木塑复合材料时，由于塑料高分子的光老化会造成表面粉化褪色，从而导致产品的强度和色牢度劣化，冷热循环变形大，最终使其产品室外应用寿命有限。但是，重组材料应用在户外环境中无需防腐处理与日常维修养护，可减少维护成本，且具有较强的实木感，通过清漆、桐油及透明涂饰的运用，可赋予重组材料特有的木材纹理（图1）和自然光泽，给人带来自然而然的暖意、肌理、芳香和亲切感。同时，随着重组材料涂饰保护技术的开发，运用技术手段可改变材料的色彩特征，使材料与色彩更好地结合，更大程度地发挥色彩的造型功能以实现完美的视觉观感，可满足设计师对材料的多元化选择，实现“色彩自由”。目前，相关产品已经应用于北京百望山森林公园、厦门五缘湾湿地公园、上海东茭泾公园等工程。

3  重组材料在自然保护地建筑建设中应用的意义

3.1  重组材料的生态意义

重组材料是中国林业科学研究院木材工业研究所等单位在继承和吸收传统重组木、重组竹产业化经验与教训的基础上^[23-26]开发的、具有低碳、绿色、高性能的木质材料。2017年重组材料被国家发改委列入《国家重点推广节能低碳技术推广目录》，2020年入选国家发改委、科技部、工信部和自然资源部等4部委编写的绿色技术推广目录。同时，重组材料在生命周期内具有独特良好的环境友好型，使用的原料是人工速生林木、竹材和沙生灌木等，是对可再生资源的资源化利用，材料对环境无污染，其产品属环境友好型。原材料的资源化利用更是符合循环经济的理念。因此，重组材料在自然保护地的推广应用，对推动产业绿色转型、社会经济发展、践行“两山”理论、实现“碳达峰碳中和”目标具有重要作用。

3.2  重组材料的经济意义

木质材料的耐用性（达到其用途的年限）取决于其在特定环境中的性能，基于舒适性、安全性和耐久性原则，当材料出现严重腐朽或开裂甚至损毁程度，并能轻易折断时，则材料无法保证使用安全，即为其使用年限。在使用年限方面，重组材料使用期限超过10年，菠萝格和木塑复合材料使用期限为3~5年，防腐木的使用期限取决于维护年限。同时，重组材料具有铺装和维护成本较低的特点，以户外栈道应用为例，18 mm厚的重组材料每平米铺设成本约为400元，防腐木约为300元，菠萝格约为500元，木塑复合材料约为350元；在维护成本方面，重组材料、菠萝格和木塑复合材料基本不用维护，防腐木每年维护成本约为100元；如果仅考虑铺设成本、维护成本和使用年限，那么重组材料综合成本较防腐木（按照使用期限10年）下降约69%，较菠萝格（按照使用期限5年）下降60%，较木塑复合材料（按照使用期限3年）下降约62%。重组材料具有明显的成本优势，并且可以减少自然保护地建筑建设的资金投入。

重组材料利用我国大量的速生林木材资源和竹子资源制造，可以替代优质木材，有效弥补优质木材短缺和供给缺口，从而减轻木材进口的压力。我国重组材料现有产能达到80万m³，目前主要以户外景观园林为主要应用领域，按照90%产能应用于自然保护地建筑建设，每年可减少珍贵木材进口量72万m³，减少森林砍伐1.68万hm²。因此，大力推广重组材料在自然保护地建筑建设中的应用，不仅可极大地减少对森林资源的砍伐，也可缓解我国优质木材资源供应不足的问题，满足美丽中国和生态中国建设的需要。

4  展望

自然保护地的建设应以节约能源资源、减少排放为原则，充分利用新技术，为减轻自然资源消耗压力和便利野外保护管理创造条件。重组材料作为一种新自然材料，其特有的色彩、纹理、触感和温度均会给人带来不同的情感体验，既保证了工程对材料强度的理性要求，又保留了自然赋予人们的感性感受；同时，与水泥、钢铁、玻璃和陶瓷等常用建筑材料相比，重组材料能耗仅为上述材料的3.40%~21.64%，碳排放仅为13.90%~36.74%；与常用木质材料相比，重组材料使用年限增加2~3倍，成本降低约60%~69%，有效增加了碳库周转时长，提高固碳效益。随着国家“双碳”战略目标与绿色发展的逐步推进，重组材料将充分发挥其高性能优势，为自然保护地建设搭建多元化、生态性的物质材料平台，体现了形式美和使用功能、自然生态以及经济社会各方面因素的平衡性，达到景观与周边环境相适应的“整体性”融合设计，助力自然保护地高质量发展。

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