中国村镇建筑结构发展探索

李献忠

(上海建为建筑工程有限公司, 上海 201315)

引言

汶川大地震引发了许多国人思考. 笔者从一个专业人士的角度, 走访了全国半数以上省、市、自治区,对中国村镇建筑结构形式与抗震性能做了一个调研.

有着几千年历史的中国民居, 建筑结构材料的选择极其丰富, 包括土、石、毛、草、竹、砖、瓦、木、砼、钢等. 现存的民居形式还有福建永定的“土楼”; 西北的“碉楼”、“毡房”; 西南的“竹楼”、“吊脚楼”; 陕甘的“窑洞”等数十种. 目前, 应用最多的还是“砌体结构房屋”. 有研究机构对全国19个省、市、自治区的村镇民居抽样调查统计, 现存砌体结构房屋所占比例为调查对象的 64.12%, 详见表 1. 所有被调查的砌体结构房屋中, 其屋盖形式见表2.

表1 我国村镇民居的结构比例

表2 砌体结构中屋盖形式的比例

1 村镇砌体结构房屋抗震问题分析

我国是一个多地震的国家, 地震区范围相当大, 基本烈度为7度和7度以上的地区面积占到国土面积的30%以上. 目前, 我国有五百多万个村庄, 五万多个集镇. 自1949年以来, 全国发生过的六级以上的破坏性地震多数发生在农村, 历次大地震均给我们带来巨大伤亡和损失. 主要原因之一, 就是我国现有的砌体结构民居建筑普遍存在抗震性能弱的问题. 房屋建筑的抗震性能主要取决于承重材料的性能、主体结构的整体性、施工质量的优劣、场地地基等相关条件. 而村镇建筑由于监管不力, 技术支援跟不上, 村民的观念问题造成村镇砌体结构房屋普遍存在以下问题:

1.1 村镇建筑多为就地取材, 承重材料性能多不达标

从表1中数据来看, 我国现有村镇建筑中砌体结构和生土结构房屋多达87.85%. 从走访中得知, 村镇建筑所用砌体材料多为自制粘土砖, 材料本身强度就不够. 砌筑所用灰浆有砂浆、泥浆、草泥浆等, 即便用了水泥砂浆、石灰砂浆或者混合砂浆, 工匠们都没有水灰比、强度等级这样的概念.

1.2 村镇建筑大多没有经过正规的设计, 抗震设防知识匮乏

村镇建筑大多处于经济欠发达地区, 或者处在城市边缘. 设计过程往往是由当地的老工匠根据当地民风民俗做的建筑布局, 结构设计缺少科学的指导. 最为明显的现象是, 处在抗震设防区域的三层以上村镇砌体结构房屋大都没有设圈梁、构造柱, 甚至连基础圈梁都没有, 基础还是条石基础或条形砖基础.

1.3 村镇建筑大多没有纳入建管范围, 施工质量少有达标

村镇建筑多为民居, 我国现行建筑业管理对此缺少法律、法规、条例或标准. 施工过程中, 都是由当地有一定经验的工匠说了算. 调研中还发现, 大多数乡镇预制构件厂制作的预应力楼板根本就没有使用预应力张拉设备, 工人也不知道该按什么程序张拉. 大多数乡镇预制构件厂的混凝土也是现场搅拌, 没有配合比、水灰比, 配合比多按1:2:3或1:3:5等经验数字操作.

1.4 村镇建筑受地理环境影响, 场地、地基多不合理

平原地区场地条件相对较好, 山区或丘陵地区选址软弱地基、新近填土地基及不均匀地基现象普遍.最多见的就是坡地建房, 半挖半填地基. 这样的地基处理难度大、花费高, 往往达不到抗震要求.

图1、2是2003年10月16日发生在云南省境内的6.1级大姚地震震害图片; 图3、4是2008年5月12日发生在四川省境内的8.0级汶川地震震害图片.

图1 砖砌体结构房屋破坏严重

图2 夯土墙承重结构房屋倒塌

图3 砖砌体结构房屋破坏情况

图4 生土墙结构房屋破坏情况

从这些图片可知, 村镇砌体结构由于抗震设计达不到要求, 在地震破坏力作用下很容易发生开裂、断裂、坍塌, 甚至整块楼板断裂下塌, 造成大量人员伤亡. 因此, 处理好村镇建筑的结构, 有着迫切的需求.

2 既有村镇建筑砌体结构房屋改造建议

(1)普及全民抗震设防知识. 目前仅有《镇(乡)村建筑抗震技术规程》(JGJ161-2008)可用于指导村镇建筑的抗震设防, 但是很多人都读不懂. 建议由政府组织专业机构把其中容易实施的内容改编成非专业人士也容易理解的地方级简易教学资料, 组织公益宣传.

(2)把百姓的住房安全作为民心工程. 建议由政府组织各级主管部门对已有房屋安全分级, 有针对性地进行房屋安全检测与鉴定, 提出合理化处置意见, 告知使用人, 确保安全使用.

(3)遵循节能、环保原则, 对经检测鉴定危险程度不高、经过加固可以继续使用的村镇建筑砌体结构房屋, 尽量实施加固处理. 既可减少资源浪费, 又可以减少建筑垃圾.

3 新建村镇建筑结构发展探索

经过对调研资料的整理发现, 土木结构的抗震性能不如砖木结构, 砖木结构的抗震性能不如木结构,见图5.

(1)传统的木结构房屋多采用榫卯结构, 具有无数的小连接点, 而非少数的几个关键的连接点, 从而为地震力提供了附加的转力路径. 地震发生时, 一旦某连接点超载, 其超载部分可由相邻的连接点分担; 木材具有较高的强度重量比, 因而木结构一般比其他类型的结构重量轻. 重量轻在地震中是一大优势; 木框架体系采用钉接节点, 因而使结构体系有很好的柔性, 因此能够在地震中吸收和耗散能量; 经工程设计建造的木框架建筑,其结构用面板(胶合板或定向刨花板)与墙骨柱组成有效的抗侧向力的建筑组件.

(2)木结构节点的延性和弹性好, 比刚性的砌体结构具有更好的抗震性能. 地震多发地区日本在 1995年神户大地震后广泛地使用了轻型木结构体系, 轻型木结构体现出良好的“以柔克刚”的抗震性能. 2010年9月, 在新西兰南岛的大地震中, 现代木结构创造了“零死亡”的奇迹. 20世纪以来的历次大震中, 轻型木结构的抗震性能得到了充分的体现和证明. 其实, 从我国古代建筑来看, 木结构的抗震性能十分优越. 我国许多古代建筑都成功地经受过大地震的考验, 如: 山西应县木塔、天津蓟县独乐寺观音阁、浙江宁波保国寺大殿.其中, 独乐寺曾在重建后经历了28次地震, 清康熙十八年(1679年)三河、平谷发生8级以上强震, “蓟县城官廨民舍无一幸存, 观音阁独不圮. ” 1976年唐山大地震, 蓟县城内房屋倒塌不少, 观音阁及山门的木柱略有摇摆, 观音像胸部的铁条被拉断, 但整个大木构架安然无恙.

(3)从节能、环保的角度来看, 木结构既能就地取材, 又可以再生, 在广大农村, 这种结构的建筑既安全抗震, 又节省能源. 根据一份调查报告, 运用权威的ATHENATM生命同期评估软件对木材、钢材或混凝土建造的面积为200平方米左右的独立房屋所做的环境影响评估结果显示: 木结构能耗最低. 混凝土结构的能耗是木结构的2.2倍, 钢结构则是其1.5倍. 木结构对全球变暖的影响最小. 钢结构和混凝土结构产生的温室气体分别是木结构的1.22倍和1.5倍. 木结构的空气污染指数最低. 钢结构产生的空气污染为木结构的1.7倍, 混凝土结构为2.15倍. 木结构的材料对水毒性的影响较低. 钢结构为木结构的3.47倍, 混凝土结构为 2.15倍. 业内人士分析, 木结构房屋最突出的还是节能保温性能, 另一项研究结果显示, 在上海地区, 木结构房屋采暖耗能比轻型钢结构房屋低27.1%, 比混凝土结构房屋低31.3%.

图5 云南丽江地震, 土木结构(左)与砖木结构(右)震害情况

4 结论

从以上的分析可以看出, 现代轻型木结构具有很多的优点, 在美国, 大量的住宅都是采用木结构. 从而有效地节约了土地资源, 保护了人民的财产、生命安全. 其经验值得我们去借鉴推广. 在农村, 地广人稀, 房屋层数不高, 正好适应大量推广轻型木结构及其他轻型材料结构, 这需要国家在技术上、在政策上予以支持, 以推动这一利国利民的改进工程.

[1]汪晓敏, 汪庆玲. 现代村镇规划与建筑设计[M]. 南京: 东南大学出版社, 2007.7

[2]葛学礼. 镇(乡)村建筑抗震技术规程实施指南[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010. 2

[3]李百浩. 中国村镇建筑文化[M]. 武汉: 湖北教育出版社, 2008.5

[4]邵 旭. 村镇建筑设计[M]. 北京: 中国建材工业出版社, 2008. 4