木质环境学.doc

1.前言 亘古至今，木材以它独有的色、质、纹等特性受到人们的珍爱, 并广泛地应用于建筑、家具、室内装修等生活，环境之中。有关木质材料的各种特性与人及室内环境的关系的研究内容, 归纳起来被称为木质环境学研究。总结迄今为止国内外对木质环境学的研究工作,主要包括3方面:一是研究木质材料的感觉特性(如视觉、听觉、触觉、嗅觉和综合感觉特性);二是研究木质材料对环境物理条件的影响及可居住性(包括调节环境温度、湿度、声、光、色、空气质量等);三是研究由木质材料构成的室内环境对生物体及人体的心理、生理、生长、发育的影响作用。2.木质材料的感觉特性2.1视觉特性人们喜爱木材自然柔和的色泽、纹理,习惯于用木材装点室内环境、制作室内用具,与木材的视觉特性有着密切的联系。木材的视觉特性可以由木材表面视觉物理量与视觉心理量来描述,主要由木材的材色参数、光泽度参数、图案纹理等与人类视觉相关并可定量测量表征的物理量、心理量组成。2.1.1视觉物理量2.1.1.1材色材色是反映木材表面视觉和心理感觉的最为重要的特征,人们习惯于用颜色的三属性即明度、色调和色饱和度来描述木材的表面材色。明度高的木材,如白桦、鱼鳞云杉,让人感到明快、华丽、整洁、高雅和舒畅;明度低的木材,如红豆杉、紫檀,使人有深沉、稳重、肃雅之感。色调在红、黄、橙黄系给人以温暖之感。饱和度高则给人以华丽、刺激之感;饱和度低的木材则有素雅、质朴、沉静的感觉。2.1.1.2表面光泽度 当强烈的太阳光照射到贴有白色磁砖的建筑物上时,强烈的反射光线会让人难以睁眼,这是因为白色磁砖片对光线形成定向反射,且反射率达80%120%,而人眼感到舒服的反射率为40%60%。木材较其它材料具有较柔和的表面光泽度。通过对木材表面光泽度的研究,发现木材具有较强且各向异性的内层反射现象。木材是多孔性材料,木材表面是由无数个微小的细胞构成,细胞切断后就是无数个微小的凹面镜,在光线的照射下,会呈漫反射或吸收部分光线,这样不但会使令人眩晕的光线变得柔和,而且凹面镜内反射的光泽还有着丝绸表面的视觉效果。因此,尽管人们正在不断研究代用木材的仿制品,但目前仿制品仍然代替不了真实木材的表面效果。 木材的光泽与木材的反射特性有直接的联系,平行纹理方向正反射量较大,垂直纹理方向正反射量较小,所以木材在不同方向的光泽度测量值以及光泽特性曲线也各不相同。从图中的光泽特性曲线来看,通常光泽的最大峰值都出现在反射角为60时,但不同材料的波峰大小有很大差别。大理石、不锈钢板、平板玻璃的峰值较大,且分布范围很集中;木材及印刷木纹的表面光泽度的分布范围较广,峰值也较低。未经涂饰的木材在不同方向的光泽曲线差别明显,垂直于纤维方向入射条件下所测量得到的曲线相对于平行入射情况要平缓得多,经涂饰后这种差别降低。其次,日常生活中,人们可以靠光泽的高低判别物体的光滑、软硬、冷暖及其相关性。光泽高且光滑的木材,硬、冷的感觉较强,冷暖感的相关性略差一些;当光泽度曲线平滑时,温暖感就强一些,由此可知,温暖感不但与颜色有关,而且也与光泽度有关。2.1.1.3表面纹理图案木纹是天然生成的图案,它是由生长轮、木射线、轴向薄壁组织等解剖分子相互交织,且因其各向异性而当切削时在不同切面呈现不同图案,在木材切削面的弦切面上呈现抛物线状花纹,径切面上呈平行的带状花纹。木纹给人以良好感觉有多方面的原因,其中有2点是非常重要的:第一,木纹是由一些平行但不交叉的图案构成的,给人以流畅、井然、轻松、自如的感觉;第二,木纹图案由于受生长量、年代、气候、立地条件等因素的影响,在不同部位有不同的变化,这种周期中蕴藏变化的图案,充分体现了造型规律中变化与统一的规律。木纹图案用于装饰室内环境,经久不衰,百看不厌的原因就在于此。2.1.2视觉心理量木材视觉心理量与视觉物理量有密切的关系。例如“明快”、“素雅”、“轻松”等心理感觉的数字表征随着明度指数的升高而增大,说明了材色明度值变化对心理量有影响的特点;“温暖”心理量与米制色品指数、色饱和度均有一些正相关趋势,说明材色中属温暖色调的红黄成分给人以温暖感;而“豪华”心理感量与红绿色品指数呈正相关,并与明度指数和亮度指数呈负相关,说明材色中偏暗红成分的增加给人以豪华、典雅、高贵的感觉,此结果为我国素以紫檀、红木作为高档家具材料提供了视觉心理量参数上的证明。节子是木材表面自然存在的东西。仲村匡司等对木质壁板的节疤和凹槽与人的心理量作了调查研究,得出适当的节疤会起到一定的装饰效果,给人纯朴、自然的感觉。但节子的视觉心理感觉因东西方人生活环境而异。东方人一般对节子有缺陷、廉价的感觉;西方人则对节子情有独钟,认为它有自然、亲切的感觉。因此,东方人要想尽一切办法去除材面的节子,而西方人则设法找寻有节子的表面。2.2听觉特性木材具有良好的声共振性和音响性质,是优良的乐器用材尽管在材料科学日新月异的今天,仍不能被其它材料取代。例如,我国民族乐器琵琶、扬琴、乐琴、西洋乐器钢琴、小提琴等均采用木材制作共鸣板。优良乐器的音板的声学性能品质应具有如下要求:第一是对振动效率的要求。音板应该能把从弦振动所获得的能量,尽可能多地转变为声能辐射到空气中去,使发出的声音具有较大的音量和足够的持久性。从提高振动效率的观点来看,应选用声辐射阻尼较高(R1 200)、比动态弹性模量较大、声阻抗小、损耗角正切值小以及tan/E小的材料这样获得的振动能量最大程度地用于向空气中辐射声能,提高了声能的转换效率和响应速度。木材与其它固体材料相比,具有较小的声阻抗和非常高的声辐射阻尼,能够保持足够的音量和持久性。第二是对音色的要求。乐器对共鸣板的音色要求是来自弦的各种频率的振动应很均匀地增强,而不应有选择性,以保证音色在整个领域的均匀性。在这点上,木材的频谱特性明显优于金属材料。另外,从人体生理学的观点来看,人耳的等响度曲线特性对低、中频段听觉比较迟钝,对高频段听觉非常敏锐而木材从基频开始向各高次谐频各峰连线形成的“包络线”,其特性为随频率升高而连续下降的性质,符合1/ f的分布规律,实现了对低、中音区的迟钝补偿和对高音区的抑制,补偿了人耳“等响度曲线”造成的听觉不足,使人感觉到乐音在各个频率范围都是均匀响度,能获得较好的音色,有亲切、自然的感觉。2.3嗅觉特性木材除了给人一种自然感和美的享受外,还依树种不同、含有的挥发成分和抽提物质的含量不同,具有不同的香气与各种功用。例如,花柏中散发出来的松烯类化合物可以驱除蚊子;松木有消炎、镇静、止咳等作用;杉木会刺激大脑而使脑力活动更活跃;银杏可用于治疗高血压;白桦具有抗流行性感冒之功效;冷杉能杀灭黄色葡萄球菌,等等。木造住宅中,可以闻到木材的香气,其挥发成分是精油,精油具有除臭、防螨和杀虫、防腐抗菌的作用。 木材香气除上述作用外,还可以使室内气氛温馨,抑制精神压力造成的紧张,令人感到舒服,减轻疲劳。因此,在木质环境的居室中生活可以享受到回归自然的感觉,体现“人+木=休”的意义。2.4触觉特性触觉特性包括冷暖感、粗滑感、软硬感、干湿感、轻重感、快感与不快感等。一般常以冷暖感、软硬感、粗滑感综合评价某种物体的触觉特性。木材的这些感觉特性与木材的组织构造密切相关。冷暖感环境温度对木材影响较小,一年四季木材都给人以适当的冷暖感。人接触地板时,依地板材料(木质、混凝土、PVC塑胶地砖)不同,造成脚背皮肤温度随接触时间引起变化,在室温18条件下试验测定结果:皮肤温度降低以混凝土最大,其次为塑胶地砖,木地板最轻微。软硬感木材在硬度上属于中间或稍硬的材料,针叶材的平均硬度为34.3M pa,阔叶材的平均硬度为60.8 M p a;木材的端面、弦面和径面的比较,通常端面硬度高于弦面和径面硬度。作为一种高分子物体,木材还能产生弹性和塑性变形,可让人有舒服感。在外力作用下,相邻微纤丝分子链之间发生滑移,细胞的壁层相应变形;随外力的撤消,微纤丝分子链回归原位置,变形恢复。木材还具有较好的抗冲击性能,可吸收部分冲击能量,所以铺设木地板,使用木家具,使人感到有安全感。粗滑感粗滑感是指由粗糙度所引起的刺激和感觉。木材细胞组织的构造与排列赋予木材表面的微观不平度,在其上滑移时产生摩擦阻力的变化而产生粗糙感;刨削、研磨、涂饰等表面加工的好坏,很大程度影响表面的粗滑感。木材组织的类型也刺激人的视觉,因此触觉和视觉这2种刺激的综合作用使人感到木材表面的粗滑感。木材尽管经过刨切式砂磨,但由于细胞裸露在切面上,使木材表面不是完全光滑的,即木材仍然具有一定的粗糙度。木材的摩擦因数是适度的,静摩擦因数与动摩擦因数之差几乎没有,所以,木地板比塑胶地砖的步行感优良,特别当地板表面水分状态变化时,非木质地板由于结露而光滑,发生障碍性事故的例子很多,木质地板难于结露,不会因此而变得容易滑动,仍能保持良好的步行感。此外,还有生理方面的地板实验:脉搏的增加率、脉搏间隔变化的缩小率、接触地面人体下肢的温度变化等,在这方面木地板效果较好。3. 木质材料对环境空间物理条件的影响由于当今社会居住环境的恶化而造成“病态建筑综合症”的不断出现,居住环境的质量越来越引起人们的普遍关注。研究表明,木材与木质材料的应用对居室的空气质量、温度、湿度以及环境声、光、色等都有调节作用,这就是木材独有的环境学调节特性。3.1对环境空气质量的调节建筑材料内氡(Rn)放射的问题一直是建筑界人士所关心的问题。氡裂变时放射出射线,该射线能量高达4.67.69M eV,对生物体起很强的电离作用,尤其是对人类的支气管上皮组织,会使其染色体突变而引起肺癌。对氡放射量测定结果表明,木质建材与混凝土(RC)类建材放射的氡浓度在干燥器内达到平衡时,木质建材仍然保持在大气中时同程度的浓度,但混凝土类建材的氡放射量比木质建材高100倍左右。王松永等对比木结构教室与混凝土结构教室氡放射量的研究结果同样表明,混凝土结构教室的氡浓度比木结构教室的氡浓度高出5倍多。在碳释放量方面,冈崎泰男研究发现木造住宅的碳释放量很小,而混凝土住宅碳释放量是木造住宅的4倍,钢预制住宅碳释放量约为木造住宅的3倍。因此,木造住宅不仅可以净化空气,而且其本身就是碳素的贮藏库,随着木造住宅增加,大气中CO 2的含量将逐渐减少,有利于减弱温室效应。但木质材料中的游离甲醛释放问题是必须得到重视和控制的问题。目前,国内外已对木质人造板游离甲醛释放问题作了大量的研究工作,如建立和完善评价游离甲醛释放量的标准,深入研究木质人造板游离甲醛释放机理,仔细探讨各种胶粘剂制造工艺和人造板制造工艺对游离甲醛释放量的影响,以及提出了多种降低游离甲醛释放量的方法。3.2对环境温度的调节作用木造住宅或木质墙壁可以缓和外部气温变化所引起的室内温度变化。其影响内部温度变化的程度可用物质的热扩散率(thermal diffusibility)来评价。热扩散率表示在加热或冷却时物体各部分温度趋向一致的能力,物体的热扩散率愈大,在同样外部升温或冷却条件下,物体的内部温度差异就愈小。木材的热扩散率远远小于混凝土或铁,因此木材比混凝土、铁具有良好的隔热性和温度调节性能。王松永对木质内装材料的房屋和无内装材料的混凝土房屋内温度变化的研究认为,木质内装材料房屋的温度夏季较低,而春、秋、冬季较高,具有冬暖夏凉之功效。3.3对环境湿度的调节作用调湿特性是木材所具备的独特性能之一,木材对环境的调湿作用是靠木材自身的吸湿和解吸作用来直接缓和室内湿度变化完成的。则元京等采用木质材料、聚乙烯贴面及钢材所组成的密闭箱进行箱内温湿度的测定,结果表明木质材料的调湿效果优于其它材料。木造房屋的年平均湿度比混凝土造房屋低8%10%,变化范围保持在60%80%左右。 3.4木质材料对居室声环境的影响 任何材料都具有一定的吸音能力,只是吸音能力大小不同而已。通常坚硬、光滑、结构紧密的材料吸音能力差;粗糙松软、具有相互贯穿内外微孔的多孔材料吸音能力好。木材为多孔性吸音材料,用木质材料做墙壁的屋子,回声小,混响时间适当,主要归结于木材的吸音性能。用木质材料作天花板和器壁时,室内噪声回音小,比对混凝土、砖等结构的室内感到安静。木质地板、天花板和木制家具都是理想的隔声材料,在环境噪声控制方面比较有利,能创造较好的室内声环境，木质地板可使其噪音减低10 dB。3.5木质材料对居室视环境和光环境的影响 木材与金属、大理石相比,它对于有害于人眼睛的紫外线有较好的吸收作用,并且反射率是非常小的。从材料工作面上辉度分布比较集中看出,木质材料的眩辉对比是非常小的,可以大大地减轻眼睛的疲劳。良好的室内环境还应考虑木材与其它材料的协调。增田稔和中岛京子对此进行了考察,结果认为:与木材相协调的颜色在色度图上均分布在木材色度坐标点的附近,而不协调颜色的坐标点明显偏离木材的坐标点。木材和配色材料的综合色差与心理感受量“配色协调度”之间呈明显的负相关;与木材相协调者,多为自身亦具有“稳重”、“高雅”视觉感的颜色。4.木质环境对生物体及人体的影响木质饲养箱的小白鼠成活率高;体重方面差异很明显,木质饲养箱内的小白鼠的体重高于铝皮与混凝土箱的小白鼠;脏器数值,木质饲养箱脑重量高于其它饲养箱;生殖方面,大多木质饲养箱的卵巢与睾丸均值较高,显然木质饲养箱的小白鼠繁育器官发育良好;行为学观察比较可得到,木质饲养箱中的小白鼠活泼好动、毛色均匀发亮、比较健康,而混凝土箱体中生长的小白鼠存活率低,铝皮饲养箱中大多数小白鼠生长状况一般。以上说明木质材料对生物体的生理性状具有良好的调节作用,优越于混凝土与金属箱。对人体的影响方面,信田聪经过调查得出:木造住宅与人体的心理、生理特性、舒适性等健康指标密切相关。对木材材色与人体心理感受间的关系的研究结果表明:木材材色的明度、色调、色饱和度等木质视环境因子的变化均会引起人体心理感受的变化。在色调方面，木材的色调值与人的温暖感心理量间存在较强的正相关性;在明度方面，明度高的木材易使人产生明快、整洁、雅致和舒畅的感觉，明度低的木材则易使人产生深沉、稳重、严肃的感觉;色饱和度变化会增加华丽、刺激或淳朴、质感的表达，这些研究结果表明人体对木材材色的心理感受是材色诸多视觉因子共同影响作