大跨木结构的发展及在我国的应用前景

尹婷婷

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

0 引言

在全球高度重视环保和可持续发展的潮流下，木材作为一种绿色、低碳、可再生的建材在建筑行业再次得到青睐。木材具有优异的比强度和比刚度，是一种特别适合大跨度结构建筑的结构材料[1]。通常将包括结构跨度超过30 m的无障碍空间的建筑定义为大跨度建筑，大跨度木结构则是大跨度建筑结构的一种[2]。木结构设计规范中规定层板胶合木结构主要适用于大跨度木结构建筑[3]。常见类型的大跨度木结构体系主要是桁架结构和拱结构，以及一些空间结构。

在现代材料和建筑技术的推动下，大跨度木结构创造出各种巧妙的结构形式，如桁架拱、伞形穹顶、树形柱、空间网格[4]。大跨度木结构用于大型建筑可实现造型美观和绿色自然的效果，在欧洲、北美和日本等发达地区已被广泛应用于体育馆、展览厅等大型公共建筑中。

1 大跨木结构优势

1.1 具有较高的承载效率

根据要抵抗的负载类型，不同的材料具有不同的承载结构效率，具有最大结构效率的材料可以在安全承载负载时达到构件最轻。

构件受到拉伸或压缩时，最大抗拉结构效率则是通过最高抗拉强度或抗压强度f与密度ρ的比率获得的。构件受到弯曲时，材料承载效率计算标准与以上类似。对于在外端支撑点载荷的悬臂，f2/3/ρ比率越大将越有助于最大化抗弯结构效率。考虑挠曲时，弹性模量E与材料密度ρ的比率E1/2/ρ最高的材料将是最有效的[5]。

表1给出了不同材料抵抗施加载荷的能力比值，比值越高，材料的承载效率越高。数值表明，木材和CRFP具有最高的效率比，从结构角度来看，是承受施加载荷的最适合的材料。

1.2 具有较高的性价比

木材不仅结构轻盈，具有较高的力学性能，同时也具有低廉的价格和环保的特性，因此木材是具有较高性价比的材料。CRFP与木材相比，是增强型聚合物材料，具有最高的效率比，但是价格昂贵，并且从环境角度来看生产耗?能高，因而限制了其在土木工程中的应用。

表1 四类结构材料抵抗拉伸，屈曲和弯曲承载效率比较

与其他材料相比，木结构可以大大降低建筑造价，如表2所示。这一方面是因为木结构采用干法施工，因而施工速度快、施工周期短，另一方面是因为木构件质量轻，运输成本低。

表2 瑞士的建国700周年纪念馆采用不同结构造价、周期比较

2 大跨木结构建筑发展概况

大跨度木结构于16世纪最早用于桥梁建造，直到19世纪上半叶，木材基本上是用于桥梁建造的唯一材料。从19世纪后半叶开始，钢筋和混凝土等材料的出现代替了木材的应用，大跨木结构的应用大量减少。近几十年，随着新型木质材料、新型连接件、数字化设计建造技术的进步，木材作为建筑材料的大跨木结构开始“复兴”，并蓬勃发展。

2.1 新型木质材料

新型木质材料如Glulam（胶合木），LVL（层压单板木材），CLT（交叉层压木材）等材料的出现，不仅保持了木材原有的天然特性，还实现了木材工业化，提高了木质构件各类力学性能，使更大跨度、更大截面、特殊结构得以实现。胶合木的截面高度通常为152～1 830 mm，甚至还能更高，是唯一能制造成弯曲形状的工程木产品，使用胶合木的跨度可以超过150 m。

1983年，世界上第1座大型木结构穹顶美国塔科马穹顶体育馆建成，跨度达162 m，高度达 45.7 m，穹顶屋面的主要受力构件就是414根截面尺寸为200 mm×762 mm的胶合木梁[6]。

1962年，日本建成的新发田市立厚生年金体育馆成为利用曲线胶合木建造大跨度穹顶的里程碑式建筑，该木拱跨度为36 m[7]。

LVL是用旋切的3.5 mm上厚单板，经施胶、顺纹组巧、施压胶合而得到的一种结构材料，可实现特殊结构，如“悬浮屋顶”的制成（图1）。

近年来CLT开始普及，并用于大跨度木结构梁柱、屋顶或楼板，如加拿大蒙特利尔足球场整个屋顶是由13根长69 m的正交胶合木梁来支撑（图2）。

2.2 新型连接件

节点在大跨度木结构中发挥着重要作用。木结构与钢结构相似，但木材通常不能用钢结构中典型的简单焊接或“插入式”连接。

图1 LVL“悬浮屋顶”

图2 加拿大蒙特利尔足球场

大跨木结构连接应满足2个要求，一是尽可能地减少节点的数量，二是适应结构且容易搭建。开槽钢板和销钉等新型金属连接件和节点的出现符合以上要求，并实现了结构与美观的统一。

钢板和销钉式连接使得大跨度（70～80 m）木桁架结构、拱结构成为可能（图3、图4），如挪威哈马尔奥林匹克圆形剧场的主桁架，跨度为71 m，由于制造和运输原因桁架的弦必须拼接，底部弦杆接头设计用于7 000 kN的设计张力，所采用的节点是开槽钢板和销钉连接。

图3 桁架节点

图4 典型拱门底座节点和铰接式脊节点

针对大跨度空间结构特别设计的金属连接件也有很多（图5）。

2.3 数字化设计建造技术

以计算机辅助虚拟设计、计算机辅助实体建造等数字化设计建造技术引入大跨木结构的设计计算、构件加工以及施工管理之中，使大跨木结构出现了新的发展。早在1991年，计算机已作为结构工程师进行工程决策的有效工具，开发了木屋顶桁架的分析和设计的计算机程序，使桁架的设计得以优化，从程序中可得到供设计者使用的设计图[8]。有限元程序被用于结构及金属连接进行建模、分析和设计以实现建筑系统优化[9]。三维计算机可视化技术更好地辅助了大跨度木结构设计[10]。

图5 空间木结构的节点

随着数字化技术的发展，基于参数化设计的技术用于大跨木结构模拟与建构，计算机可通过精确计算最优结构形状，基于数控加工技术（Computer NumericalControl，CNC）的数字建造技术，可对所有部件进行加工，并模拟展示整个结构的安全性和装配性，使得复杂空间结构更加容易被设计和建造[11]。如日本大馆树海巨蛋体育场，跨度为175 m，由于体育场的形状像橄榄树，每个拱形形状都不同，木结构设计完全依靠计算机辅助。

3 国内大跨木结构应用现状及发展前景分析

3.1 国内大跨木结构应用现状

通过引进国外先进的胶合木结构技术和产品，目前国内大跨木结构开始用于各种工程领域，如体育场馆、桥梁、公共类休闲娱乐场馆以及公共交通建筑。根据2018年《中国木结构产业发展报告》中的2017年新建木结构类型情况分析，胶合木结构占比新建木结构约为20%，可推断大跨木结构应用不到20%。

近年来，我国不断探索大跨度木结构建筑的设计与建造，建设了一些有地标性意义的大跨度木结构项目，以胶合木材料为主的大跨木结构在许多地方都有不同工程领域应用的实例。

1）大跨木结构应用于桥梁。2013年苏州“欢乐胥江桥”木拱结构竣工，除桩基为混凝土之外，桥体全部是纯木结构，全长120 m，主跨度达到75.7 m，为当时世界上最大跨度的木拱桥。建造这座木拱桥一共使用了400 m3的木材，全部采用宽7 cm、厚3 cm、长2 m左右的小木条拼接胶合而成[12]。

2）大跨木结构应用于公共会馆。2012年贵州百丽杜鹃展会大厅完工，为大跨木结构网壳结构，跨度达53 m，建筑面积约3 000 m2，是亚洲最大的木结构会馆。

3）大跨木结构应用于体育场馆。2017年贵州省榕江室内游泳馆竣工，其屋盖采用张弦木拱体系，跨度50.4 m，木拱为2×170 mm×1 000 mm双拼胶合木构件，沿弧长三段拼接。木拱采用6根木撑杆与主索形成张弦结构，并与纵向索和屋面索形成完整稳定体系，为国内跨度第一和面积第一的木结构屋盖。

4）大跨木结构应用于公共文娱建筑。2012年天津华侨城欢乐谷文化演艺中心完工，采用单层网壳结构，跨度达85 m，屋顶结构木梁均采用胶合木结构，是目前国内单体规模最大的木结构建筑之一。

5）大跨木结构应用于公共交通建筑。法国AREP设计集团为成都景城广场地铁站上盖设计的木结构穹顶结构，主体建筑采用3个跨度95、86、77 m木结构大拱，预计2020年完工，建成后将成为国内目前跨度最大的钢木结构建筑。

3.2 国内大跨木结构发展前景分析

3.2.1 市场需求不断扩大

随着我国经济的发展，人们对生活质量要求越来越高，对休闲度假需求越来越强。木结构不仅能较好地让人融入自然，同时给人亲切的体验感。因此，大跨木结构在体育场馆、休闲娱乐场馆建筑等休闲度假建筑中的应用需求将会日益增加。

同时，在全球重视低碳环保的背景下，大跨木结构高结构效率比以及环保、高性价比等特性，决定大跨木结构将在国内大型工业建筑、公共建筑结构工程领域实现强劲复兴。

再者，在产业政策方面，2017年，住建部发布《“十三五”装配式建筑行动方案》《装配式建筑示范城市管理办法》《装配式建筑产业基地管理办法》，全面推进装配式建筑发展；国务院办公厅发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》《关于进一步加强城市规划建设管理工作的意见》，在具备条件的地方倡导发展现代木结构建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例。大跨木结构作为装配式建筑的重要组成部分，符合我国发展装配式建筑的方向。

因此，大跨木结构的市场需求将不断扩大。

3.2.2 标准逐步完善

2011年中国颁布实施了GB/T 26899—2011《结构用集成材》，给出了对胶合木的生产及质量控制的相关要求。

2012年中国颁布实施了GB/T 50708—2012《胶合木结构技术规范》，为胶合木在实际工程中的应用提供了指导。 另外，GB 50005—2017《木结构设计规范》、GB/T 50206—2012《木结构工程施工质量验收规范》、GB/T 50772—2012《木结构工程施工规范》以及GB 50016—2014《建筑设计防火规范》等规范也都纳入了胶合木结构设计、施工以及防火的内容。

2017年1月10日，住建部发布第1417号公告，发布国家标准GB/T 51233—2016《装配式木结构建筑技术标准》。

国内相关规范和标准的不断完善，将会推动以胶合木结构为主的大跨木结构的发展。

3.2.3 产能不断提升

根据2018年《中国木结构产业发展报告》分析，目前国内已投资建设的Hundegger木结构加工中心有30台，意大利SCM木构件加工中心有1台，金田豪迈木构件加工中心有4台。据不完全统计，国产胶合木生产线约60条，CLT生产线3条，弯曲梁生产线7条。

因此，国内生产线有能力生产大跨木结构所需要的构件，产能的提升可以保障大跨木结构对胶合木或者CLT材料的需求。

4 展望

目前，国内大跨木结构的研究和应用都相对比较少，可借鉴和学习国外的研究成果和案例，从以下几个方面进行系统、深入的研究，从而推动大跨木结构在我国的发展：

1）胶合木材料性能研究。与国外相比，国内大跨木结构跨度虽然不断突破，但数量、规模还较小。原因之一是由于国产胶合木产品尺寸和性能的限制，虽然国内已掌握胶合木生产技术并拥有多条生产线，但多数依靠进口胶合木。这主要是因为国内胶合木材料力学性能的研究还不够，限制了应用。因此对包含正交胶合木在内的国产胶合木材料性能的系统研究及评价体系的建立还有待加强。

2）结构形态研究。与国外相比，国内大跨木结构应用结构造型还比较简单。因此进行丰富结构造型、设计结构合理受力的大跨木结构的结构形态研究十分必要。国外大跨木结构的发展一方面得益于空间结构形态理论，尤其是自由曲面的形态构成研究有了较大发展，另一方面随着计算机技术的发展，参数化设计复杂结构、进行结构形态的数值生成得以实现。如何掌握和运用这些成果，是我们研究的方向之一。

3）结构性能研究。基于国产胶合木的大跨度木结构，尤其是大跨空间木结构的结构静、动力性能及影响因素的研究，通过试验进行抗震性能设计的数值分析、理论研究，在我国基本都是空白，也亟待研究。

4）安全监测研究。国外对大量大跨木结构的结构失效分析[13-14]表明，错误的结构设计、环境变化会造成大跨木结构破坏，因此，对大跨木结构环境和安全监测研究，以验证其结构行为、满足安全预警的需求，同样也是需要关注的。