木结构建筑的工业化——模数制下的预制装配∗

韩振华 陈 玲

木结构建筑在世界范围内广受青睐，不仅因为木材是当今三大建筑材料（钢材、水泥、木材）中唯一可再生的天然资源，更因为木结构建筑本身有着设计灵活、抗震性强、生态环保等诸多优点。美国的住宅建筑中，90%以上是木结构，芬兰郊外98%的房屋和90%的单户住宅均采用木结构，而日本民众一直对木结构情有独钟，近年来，中国也积极开拓木结构建筑市场[1-2]。

与此同时，全球建筑业正提倡绿色、节能及智慧建造，其中重点突出建筑工业化即“像生产汽车一样造房子”。具体的建筑工业化指用机械化方式生产房屋的构配件或整个房屋来加快施工速度、降低人力资源耗用，从而降低成本。建筑工业化的前提是建筑标准化，根据建筑模数制，预制出具有统一性、通用性的结构构件。木结构建筑的工业化发展，同钢筋混凝土建筑一样，是建筑模数制与预制装配技术的综合应用。

预制装配式木结构建筑的特点有：

1）建造速度快，房屋质量好。构配件为轻便的木质规格材，且在工厂提前预制，缩短施工过程，节省人工成本，提高生产效率，安装方便有序，更确保了工程质量。

2）设计灵活、空间多样。施工时可按需调整和更改房间布局、门窗位置等，甚至在使用过程中也可轻易地扩建和更新升级。

3）节能环保、舒适安全。采用安全无毒害、防水、防潮、防白蚁处理过的现代木质规格材，自重轻，荷载分布合理，抗震抗风性能优越，以及抗外界噪声干扰的同时，还能提高墙体和门窗的密封功能，节能效果明显，全面提高了住宅的舒适性和安全性。

4）良好的抗震表现。木材自重轻，具有较高的强重比，震后伤害小。木结构建筑多采用钉连接，结构体系有很好的柔性，能够在地震中吸收和耗散能量；同时为地震力提供了附加的传力路径。经工程设计建造的木框架建筑, 具有很好的抗侧向力性能。

1 建筑模数制的发展

模数制是建筑营造技术中的重要内容，源于古希腊，当时是将模数作为统一构件尺寸的最小单位[3]。模数制在历史上经历了几次重大发展，第一次为第二次世界大战期间，爱尔奈斯塔·伊范塔尔在西德“八分制”的基础上提出的尺寸协调体系，即一个基本模数为12.5 cm或1/8 m的体系；随后，瑞典和美国基本建立起以10 cm为基本模数的协调体系；日本的模数标准以1与2、3、5、7的倍数值自成系列，最小单位为5mm[4]。模数制的一系列尺寸构成模数数列，是建筑物及构配件尺寸设计的基准。模数数列向空间化发展形成了模数网格设计，国际标准化组织ISO规定了以基本模数1M，扩大模数3M、6M、12M为模数网格尺寸，在这一基础上，日本等国均对模数制中不符合ISO标准规定的部分进行了修订。

2 模数制下的预制装配式木结构

预制化技术在木结构中是相对的概念，古代木结构中，梁和柱等主要构件也是预先加工，再进行现场搭建，实际也是一种预制加工技术。现代木结构中，由于可进行框架的整体预制及剪力墙等大片板式构件的预制等，提高了预制率，加之机械化加工技术的发展，提高了木结构建筑的工业化水平，因此出现了预制装配式木结构的说法。木结构建筑主要有以下几种结构形式，每种结构形式下均可有不同程度的预制装配技术的运用。

2.1 框架式

框架式木结构即传统的梁柱式结构，以中国古代梁柱式木结构为例，其在营造技术上遵循科学的模数制度。宋《营造法式》中材分模数制度由“材、分、契”三级数量关系构成，规定断面高度为基本模数单位，并确定3∶2的高宽比。清《工程做法》中斗口模数制度以斗口宽作为建筑各部构件的度量单位，较宋有所简化。宋材分模数制度下，构件的预制存在着明显的数量级差，“材”是模数的基本单位，可进一步细分为“分”，分是材高的1/15，材宽的1/10，房屋的规模，各部分的比例，构件的长短，外观形貌等全部是用分的倍数规定的。所以分就是古代的一种基本模数。从材和分派生出“契”和“足材”，“契”高6分，宽4分，1材加1契，共高21分，称“足材”。随着模数制度的发展，各数量级之间的换算关系逐渐简化，至清时，确立了斗口模数制度。中国古代的木结构建筑正是运用这些模数制度来进行梁、斗栱等建筑构件的预制，如《营造法式》卷五《柱》中规定了柱的材分，柱径为厅堂柱两材一契（36分），殿间柱两材两契至三材（42～45分），其他的柱径在一契至两材（21～30分）之间，对柱高仅作了最大限制，经考究[5]，实际柱径与柱高之比在1/7～1/10左右，大多在1/8～1/9左右。而卷五《椽》中则包含了椽每架的长度、椽径及椽子排列的间距三项内容。关于铺作部件栱、斗、昂、枋等在《营造法式》中均有其相应材分模数规定。现在我国的建筑模数以国家制定的GBJ 2—1986《建筑模数协调统一标准》的规定为标准，以100 mm为基本模数数值，定位M，即1M=100 mm，根据基本模数，得到相应的扩大模数3M、6M、12M、30M、60M等和分模数1/2M、1/5M、1/10M、1/20M、1/50M、1/100M等，在这一模数制下，要求现代梁柱式木结构中柱的间距至少在600 mm以上，实际一般在1.2 m以上，方木梁还要求高宽比不宜大于4。日本现代梁柱式木结构中，根据建筑标准法，梁和柱子及桁主要使用正方材，横截面尺寸一般为105 mm或120 mm，布置间距一般为900 mm的整数倍。可以说，在框架式木结构当中，无论是古代梁柱式结构还是现代梁柱式结构，预制构件的尺寸、构件间间距均按一定的模数制进行设计制作。

2.2 剪力墙式（“2×4”）

剪力墙式木结构是用规格材和木质结构板材，借助钉子组合搭建起墙体承重部分，再配以木搁栅构件及屋架构件等的一种结构形式。这种木结构形式流行于北美，在材料使用上主要是所谓的“规格材”，因此也称“2×4”结构，其特点是使用了标准模数规格的木材构件，北美“2×4”结构中规格材断面尺寸列于表1。

剪力墙式木结构的预制主要是在规格材的基础上实现结构墙体及楼盖、屋盖等的预制。剪力墙结构中，考虑到板材规格因素，一般以410～610 mm的间距布置规格材来形成墙体的骨架构件，再覆以结构胶合板或定向刨花板（OSB），同时注意预留门、窗洞口。楼盖构件的主要部件包括楼盖搁栅、楼面板及顶棚等。搁栅一般采用规格材或工字梁，布置间距北美一般为16英寸，约合406 mm，我国按扩大模数通常为300、400、500 mm或600 mm，实际GB 50005—2003《木结构设计规范》 中注明，考虑到板材规格因素，构件间距为305、406、490 mm与610 mm与上述模数间距等同使用。屋盖主要包括屋面板和屋架，其中屋架通常工厂预制，保证安装间距小于610 mm。

表1 北美规格材断面尺寸Fig.1 Cross-section dimension of North American lumber

2.3 框架剪力墙式

建筑上，框架剪力墙式结构是在框架结构的基础上，间或布置一定数量的剪力墙组成的复合结构，可以同时保证建筑物的尺寸设计灵活性和侧向刚度。日本这一结构体系下，梁柱的布置按照现代梁柱式进行，即以900 mm的整数倍布置，截面按照建筑标准主要有表2中的一些尺寸。 带“Ο”的为通用截面尺寸，目前梁柱构法中多采用105 mm×105 mm的方木。剪力墙部分的预制则与北美“2×4”结构相似，一般采用2×4（38 mm×89 mm）和2×6（38 mm×140 mm）的规格材构建承重墙系统的木结构框架，布置间距为400 mm或600 mm，随后用OSB结构板和胶合板包覆以增强结构的整体刚性。

表2 木材截面尺寸分类Fig.2 Classification of timber section size

相对来说，上述三种木结构建筑形式中，后两者的预制化程度较高，随着预制化技术和建筑工业化的高度发展，出现了木质盒子建筑，其在设计过程中要求建筑的长、宽、高及细部尺寸都必须符合模数设计原则，再按照整体要求使用标准化构件进行组合。中国的木质盒子建筑的主体框架由50 mm×100 mm的规格材或复合木材（LVL或PSL）及胶合木按500 mm的模数间距布置构成，因此木质盒子每边的长度都是以500 mm为模数的，即每个木盒子的平面都是以500 mm×500 mm为模数。木质盒子建筑并非一种新型建筑形式，只是在这一结构形式下，预制化程度由构件模块水平上升到了空间模块水平。

3 结语

胶合木、复合木材等的出现使得木结构建筑不再受木材天然尺寸的限制，而人工林木材的培育和改性等又为木结构建筑提供了原料保障，基于这些原因，木结构建筑在世界范围内得到广泛发展，许多发达国家的木结构建筑用量相当惊人。随着工业化建筑体系的不断完善，越来越多的建筑设计纳入标准化与体系化，构配件生产则实行工厂化。在这一形式下，预制装配式木结构应运而生，而要真正实现木结构建筑的工业化，必须使其构配件设计遵循一定的建筑模数，并按建筑统一标准进行工厂化预制生产。

[1] 费本华, 周海宾. 现代框架式木结构住宅[J]. 世界林业研究, 2006,19(2):51-54.

[2] 刘爱霞, 周静海. 持续发展的芬兰木结构建筑[J]. 沈阳建筑大学学报, 2006, 8(4):322-326.

[3] 裴琳娟, 林源. 浅析中西方建筑模数制度的差异[J]. 中外建筑,2013(7):75-76.

[4] 赵睿. 住宅产业化中的标准化研究[D]. 天津:天津大学, 2007.

[5] 潘谷西, 何建中.《营造法式》解读[M]. 南京:东南大学出版社,2005.