木结构建筑的发展与绿色建筑

王培斌

(沈阳工程学院能源与动力学院，辽宁沈阳110136)

1 北美木结构住宅建筑的特点

中国古建筑采用了大量的木材，也产生了大量的优秀木结构建筑.但是近几十年国内新建的木结构建筑很少，而山区及林区的部分木结构建筑的木材利用率也不高.在北美，90%的独立屋、联排屋和4层及以下的公寓建筑是木结构的.高层公寓中除承重的框架结构为混凝土外，大部分建筑内部的隔断也采用木结构.对于一些低层的商业、学校及公共建筑也大量采用木结构建筑.

北美的现代木结构建筑与中国传统的木结构建筑有较大的区别，其采用近似标准木制件的组合方式，主要结构是墙体、地面和屋顶等.房屋的地基采用混凝土材料，墙体采用木骨架结构.根据建筑的用途和用户的经济情况，采用不同规格的木骨架(Stud)，一般有2×4、2×6、2×8、2×10、4×8 和 4×12(单位为英寸)等规格，一般独立屋多采用2×4和2×6的骨架.木骨架固定在木制底板(Bottom Plate)上，底板布置在木制的地基板(Footing Plate)上.底板的尺寸与木骨架的尺寸相同，地基板的尺寸比底板的尺寸大，地基板在混凝土地基上.不同用途建筑的木骨架的排列间距不同，木骨架的两侧覆盖有墙面板(Sheathing)，墙面板的材质可以是石膏板、刨花板或纤维板.墙面板和木骨架之间分别填充有保温材料、2层建筑防潮纸(building paper＆Vapor barrier)(类似塑料的材料)，并且留有空气层(air space).

不同楼层之间采用楼层连接板(Floor Joists)连接，楼层连接板大部分为2×8和2×10英寸的木骨架.在楼层连接板上分别安装有本层的天花板和上一层的地板，然后再安装上一层的木骨架.与中国古代木结构建筑中的立柱不同，北美住宅建筑的木骨架高度是分层设置的，每层的高度在2.7～3.0 m之间.

高层住宅建筑中承重墙和外立面墙采用混凝土结构，大部分的中间不承重的隔断墙也采用木骨架墙体结构，非承重墙体的木骨架之间的间隔要大一些.为了提高墙体的强度和安全性，在墙体的拐角处、窗户和门的位置，木骨架的排列密度大一些.

在一些大型的木结构建筑中，当建筑的跨度和高度比较大时，也采用梁(Beams)和柱(Column)的结构.但是这些梁和柱不是采用整根的木材，而是以厚度相同的板材组合而成，并且这些板材可以在横向进行联结.

为了产生不同的视觉效果，木结构建筑的外墙可以分别采用水泥、瓷砖、木制扣板(Siding)和塑料扣板等材料.其屋顶桁架可以采用工厂加工和施工现场加工2种形式.屋顶的覆盖材料可以分别选择，如混凝土瓦、粘土瓦、沥青复合瓦(asphalt Shingles)、木制瓦(Wood Shakes)、这种木制瓦经过特殊的处理工艺，其性质不易随气候和环境的变化而变化，一般可以使用15至20年左右.

由于木结构建筑的内部墙体为板材，在房屋的内部装修方面，可变性大，方便，成本低.木材经过特殊的处理，在干燥的季节不易开裂，在潮湿的季节吸湿能力强.如果住户对房子进行正确的维护和使用，木结构建筑可以使用百年以上，在北美经常可以见到百年历史的老房子.在海拔高度较大的地区，大部分木结构的独立屋建有地下室或半地下室，因为冬季地下的土壤温度高于室外的空气温度，而夏季地下的土壤温度低于室外的空气温度，不论是房间夏季的得热和冬季的散热均比较小.同时在增加的建筑成本相对较小的情况小，可以得到更多的使用空间.与相同高度的混凝土或砖混结构的建筑相比，木结构建筑的重量只是其30%～40% 左右.所以木结构建筑地基的尺寸较小，可以节省材料和施工时间并降低施工的难度.

2 低碳和节能

树木在生长过程中，利用光合作用吸收CO2，放出O2，将碳固化在木材里.不同的树木生长期不同，当树木的生长变得缓慢后，其固碳的能力下降，此时应该进行采伐，利用这些土地种植新的树木.而被砍伐的树木中已固有很多碳，用作建筑、家具或造纸等，其碳没有排到空气中，只有将木材作为燃料时，其中的碳才重新排入大气中.相对于水泥、黏土砖、钢材和塑料等建筑材料，木材是可再生的资源，并且加工过程的能源消耗也低.

我国的森林覆盖率本身就不高，而前些年对森林的过度采伐，并没有及时种植新的树木，所以造成木材的短缺.合理有序地对森林进行采伐和利用，对环境是有帮助的.另外，也可以进口一些木材.

一般干燥木材的导热系数在0.1 W/(m·k)至0.4 W/(m·k)之间，混凝土的导热系数在1.0 W/(m·k)至3.0 W/(m·k)之间，石材的导热系数在1.5 W/(m·k)至4.0 W/(m·k)之间.而木结构的墙体和顶棚均采用保温措施，在墙面板和木骨架之间分别填充有保温材料、2层建筑防潮纸(building paper＆Vapour barrier)，并且留有空气层(air space).在密闭的空间里，空气的流动性很差，所以保温效果很好.屋顶的保温方式与墙体接近，只是在屋顶和保温材料层之间一般留有25 mm的空间，这个空间既可以保温，也是起了通风的作用，所以木结构建筑的供暖和制冷的能耗均比普通的混凝土建筑低.

大部分北美的独立屋(别墅)建筑均采用单独供暖的方式，可以采用热水散热器、地板辐射散热器、热空气供暖及电供暖等方式.如果夏季的冷负荷比较大，可以采用地源热泵供热和供冷.因为是独立供暖，业主可以按照实际的需求和外界天气的变化进行调整，以达到节能的目的.由于木材的导热系数小，冬季维护结构墙体内表面的温度比较高，居住者的感觉也舒适.

因为窗户的热耗和冷耗比较大，木结构建筑大部分采用中间有热断桥的塑钢窗，并采用中空或双层的Low-E玻璃.由于建筑物的围护结构为木结构，并且采用了保温措施，一般情况下，木结构住宅建筑的能耗是混凝土建筑的70%以下.

3 木结构的抗震性能和防火问题

木结构建筑的抗震性能也非常好.加拿大不列颠哥伦比亚省面临太平洋，是地震多发地区，该地区大部分中小学的建筑均采用木结构，其可以抵抗8级地震，一般的木结构住宅建筑也可以抵抗7.5级地震.在木结构建筑中，木制的地基板与混凝土地基之间采用螺栓连接，墙体与底板和连接板之间采用金属紧固件或大尺寸的钉子联结.因为木结构构成了一个整体，且重量轻，具有抗侧力冲击的能力，即使发生较大的地震时，整个建筑物可能发生整体的位移，但木结构却不易散架和倒塌.北美木结构建筑多采用软木，其主要树种为雪松、衫树和松树等.这些木材具有韧性好、弹性大的特点，所以发生大的地震时，其结构也容易恢复到原来的位置，可以减少人员的伤亡和财产的损失.如果木结构破坏较严重，在房屋重建时，还可以利用部分的木材和板材.而不能用作建筑的木材，经过简单的处理，还可以造纸或作为生物质燃料.

而混凝土及砖混结构的建筑，当其被地震破坏后，就没有任何利用价值，只会造成更多的环境污染.

在人们一般的印象中，木结构建筑在发生火灾时，其燃烧得更快，损失更大.但实际上木结构建筑中的承重件，如木骨架、连接板和屋顶桁架等均进行了阻燃处理，在发生火灾时，可以降低表面的燃烧速度，提高耐火时间.同时重型木结构防火是依靠构件燃烧时表面产生碳火层，以保护内部，降低内部材料烧焦的几率.如果墙面板采用耐火石膏板和耐火保温材料，其耐火性能可以提高很多.

虽然钢构件不燃烧，但是没有经过特殊强化处理的金属构件，在遇到高温时，其强度降低很快.如温度达到750℃时，钢材的强度只是常温时的10%.所以当发生大的火灾时，钢结构的混凝土建筑更容易坍塌，所以有时木结构建筑比钢结构更安全和可靠.

4 结语

通过前面的分析和木结构建筑的实际使用情况表明，木结构建筑在使用舒适度、外观造型、建设和使用周期、能耗等方面均优于混凝土结构建筑.同时木材也是低碳环保的建筑材料，符合国家绿色建筑和低碳减排的要求，其发展前景广阔.虽然相对于混凝土结构建筑的造价相对高一些，但是随着人们生活水平的提高和对建筑环境要求的提高，以及国家木结构建筑标准的出台，将有更多的木结构建筑在国内出现.

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