浅谈木结构的应用

石浥尘 徐如海 黄小兵

因为工作的关系,我接触了有关木结构的工程,做了相关的了解。第一次接触有关木结构的知识,这个大约是如今越来越细化的社会分工所致。如今的设计单位都是侧重于某一方面结构的设计,比如钢结构、膜结构等等。

中国是最早应用木结构的国家之一。中国的木结构建筑在唐朝已形成一套严整的制作方法。建于辽朝(公元1056年)的山西省应县木塔,充分体现了木结构自重轻、能建造高耸结构的特点。北宋李诫主编的《营造法式》,是中国也是世界上第一部木结构房屋建筑的设计、施工、材料以及工料定额的法规。中国木结构建筑艺术别具一格,并在宫殿和园林建筑的亭、台、廊、榭中得到进一步发扬,是中华民族灿烂文化的组成部分。

近代木结构是在产业革命以后,随着房屋和桥梁的建设而发展起来。如今,木结构在全球林业资源发达并提倡建筑节能环保的地区已相当盛行,发展也相当成熟。在美国、加拿大等北美地区,新建筑90%以上都采用木结构。在对环保要求极高的日本,该比例也达到50%以上。而在气候寒冷、林业资源丰富的北欧,木结构也是主要的建筑形式。

1 木结构的特点

1)节能。建筑物的能源效益是由构成该建筑物的结构体系和材料的保温特性决定的。木结构的墙体和屋架体系由木质规格材、木基结构覆面板和保温棉等组成,测试结果表明,150 mm厚的木结构墙体,其保温能力相当于610 mm厚的砖墙,木结构建筑相对混凝土结构,可节能50%～70%。2)环保。木材是唯一可再生的主要建筑材料,在能耗、温室气体、空气和水污染以及生态资源开采方面,木结构的环保性远优于砖混结构和钢结构,是公认的绿色建筑。3)舒适。由于木结构优异的保温特性,人们可以享受到木结构住宅的冬暖夏凉。另外,木材为天然材料,绿色无污染,不会对人体造成伤害,材料透气性好,易于保持室内空气清新及湿度均衡。4)防火性能。木结构体系的耐火能力比人们通常想象的要强的多,轻型木结构中石膏板对木构件的覆盖,以及木结构中大尺寸木构件遇火形成的碳化层,均可以保护木构件,并保持其结构强度和完整性,按中国木结构设计规范设计建造的木结构建筑,完全能够满足有关防火要求。5)结构稳定性高。木材相对其他材料有极强的韧性,加上面板结构体系,使其对于冲击荷载及周期性疲劳破坏有很强的抵抗力,具有最佳的抗震性,木结构在各种极端的符合条件下,均表现出优异的稳定性和结构的完整性,特别在易于受到飓风影响的热带地区以及受到破坏性地震袭击的地区,如日本和北美,其表现尤为突出。6)耐久性。精心设计和建造的木结构建筑,能够面对各种挑战,是现代建筑形式中最经久耐用的结构形式之一,能历经数代而状态良好,包括在多雨、潮湿,以及白蚁高发地区。7)工期短。木结构采用装配式施工,这样施工对气候的适应能力较强,不会像混凝土工程一样需要很长的养护期,另外,木结构还适应低温作业,因此冬季施工不受限制。

2 木结构的抗震优势

木结构有如此多的优点,可是结构工程师最关注的还是它的结构稳定性,它是否对抗震有利。与其他材料相比,木框架结构具有以下几点关键抗震优势:1)木材牢而轻——质量较轻是一项优势,这意味着作用到房屋上的地震力也较小,地震加速度在木建筑物上所产生的能量没有其他建筑物大。木框架系统的另一个额外优势是其柔韧性优于其他材料,可以吸收并消散能量。2)木框架结构有许多杆件和钉节点,这意味着有多种荷载路径吸收所施加的地震力。一旦一个荷载通路失效,邻近的部件和连接能够补充其中,且还有通过非结构部件如内部装饰,隔墙和多种类型的外部覆面的侧面抗震因素。3)木框架结构建筑中的钉节点可以有效地耗散地震所产生的能量。许多钉的连接容许木结构建筑弯曲以吸收和消散能量。2008年5月12日在四川汶川发生的地震给人民群众造成了巨大的灾难,通过各种媒体可以看到很多遇难同胞的实际情况——被压在混凝土梁下、被压在混凝土楼板下,被压在倒塌的墙体下,巨大的钢筋混凝土梁和楼板的重量使很多灾民无法凭自身的力量逃生。没有一栋建筑可以做到完全防震,但是良好的结构体系和抗震设计会将结构损坏减少到最低限度。震后重建的不少房屋,就采用了木结构的形式。

3 木结构在我国的适用范围

1)从木结构的分布看,无论世界还是中国,南方的木屋多于北方,木结构在南方更为普遍。单就我国而言,台湾、香港和澳门以及西南少数民族聚居区的木结构的数量之多、质量之精、设计之美、历史之悠久便是很好的说明。2)从木材的特性和我国南方的气候看,木屋在南方更能发挥其特性和作用。我国南方属热带亚热带气候,夏季炎热多雨,冬季阴冷潮湿。木结构调节湿度的作用是木结构的独特性之一,当湿度大时木结构会自动吸湿,干燥时则会从自身的细胞中放出水分。因此木屋更适应夏季炎热多雨、冬季阴冷潮湿的南方。3)建造木结构的木料经过多道化学和物理工序处理以及特殊的工艺加工后,具有防腐、防潮、防虫、抗菌等特点,在南方很能发挥作用。木结构在我国南方比较普遍而且适应性很好,结合木结构的特性和北方的气候特点来看,木结构在北方同样有着很好的适应性,具有实用价值。1)我国北方冬季漫长寒冷,尤其东北可持续半年之久。木结构建筑能够有针对性地解决北方冬季室内封闭较严,空气不流畅,空气质量差,有害气体不易排除而危害人体健康这一问题。2)我国北方的气候特点是干燥少雨、夏暖冬寒、温差大。木结构所具有的调节温度和湿度的作用以及保温节能的性能在北方便能显现出来。木结构能够有效缓解干燥天气给人带来的不适感。3)北方气候干燥,多风沙,易发生火灾。木材无静电,木屋防尘、阻燃的特点正好发挥其功效。综上所述,木结构房屋在我国有着普遍的适应性,不仅适应南方,同样适应北方。因此,目前木结构在北方正是方兴未艾,木结构建筑因地制宜地发挥着其独特的作用。

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