淺談木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

石浥塵 徐如海 黃小兵

因為工作的關(guān)系,我接觸了有關(guān)木結(jié)構(gòu)的工程,做了相關(guān)的了解。第一次接觸有關(guān)木結(jié)構(gòu)的知識,這個大約是如今越來越細化的社會分工所致。如今的設(shè)計單位都是側(cè)重于某一方面結(jié)構(gòu)的設(shè)計,比如鋼結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等等。

中國是最早應(yīng)用木結(jié)構(gòu)的國家之一。中國的木結(jié)構(gòu)建筑在唐朝已形成一套嚴整的制作方法。建于遼朝(公元1056年)的山西省應(yīng)縣木塔,充分體現(xiàn)了木結(jié)構(gòu)自重輕、能建造高聳結(jié)構(gòu)的特點。北宋李誡主編的《營造法式》,是中國也是世界上第一部木結(jié)構(gòu)房屋建筑的設(shè)計、施工、材料以及工料定額的法規(guī)。中國木結(jié)構(gòu)建筑藝術(shù)別具一格,并在宮殿和園林建筑的亭、臺、廊、榭中得到進一步發(fā)揚,是中華民族燦爛文化的組成部分。

近代木結(jié)構(gòu)是在產(chǎn)業(yè)革命以后,隨著房屋和橋梁的建設(shè)而發(fā)展起來。如今,木結(jié)構(gòu)在全球林業(yè)資源發(fā)達并提倡建筑節(jié)能環(huán)保的地區(qū)已相當盛行,發(fā)展也相當成熟。在美國、加拿大等北美地區(qū),新建筑90%以上都采用木結(jié)構(gòu)。在對環(huán)保要求極高的日本,該比例也達到50%以上。而在氣候寒冷、林業(yè)資源豐富的北歐,木結(jié)構(gòu)也是主要的建筑形式。

1 木結(jié)構(gòu)的特點

1)節(jié)能。建筑物的能源效益是由構(gòu)成該建筑物的結(jié)構(gòu)體系和材料的保溫特性決定的。木結(jié)構(gòu)的墻體和屋架體系由木質(zhì)規(guī)格材、木基結(jié)構(gòu)覆面板和保溫棉等組成,測試結(jié)果表明,150 mm厚的木結(jié)構(gòu)墻體,其保溫能力相當于610 mm厚的磚墻,木結(jié)構(gòu)建筑相對混凝土結(jié)構(gòu),可節(jié)能50%～70%。2)環(huán)保。木材是唯一可再生的主要建筑材料,在能耗、溫室氣體、空氣和水污染以及生態(tài)資源開采方面,木結(jié)構(gòu)的環(huán)保性遠優(yōu)于磚混結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu),是公認的綠色建筑。3)舒適。由于木結(jié)構(gòu)優(yōu)異的保溫特性,人們可以享受到木結(jié)構(gòu)住宅的冬暖夏涼。另外,木材為天然材料,綠色無污染,不會對人體造成傷害,材料透氣性好,易于保持室內(nèi)空氣清新及濕度均衡。4)防火性能。木結(jié)構(gòu)體系的耐火能力比人們通常想象的要強的多,輕型木結(jié)構(gòu)中石膏板對木構(gòu)件的覆蓋,以及木結(jié)構(gòu)中大尺寸木構(gòu)件遇火形成的碳化層,均可以保護木構(gòu)件,并保持其結(jié)構(gòu)強度和完整性,按中國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范設(shè)計建造的木結(jié)構(gòu)建筑,完全能夠滿足有關(guān)防火要求。5)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高。木材相對其他材料有極強的韌性,加上面板結(jié)構(gòu)體系,使其對于沖擊荷載及周期性疲勞破壞有很強的抵抗力,具有最佳的抗震性,木結(jié)構(gòu)在各種極端的符合條件下,均表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的完整性,特別在易于受到颶風(fēng)影響的熱帶地區(qū)以及受到破壞性地震襲擊的地區(qū),如日本和北美,其表現(xiàn)尤為突出。6)耐久性。精心設(shè)計和建造的木結(jié)構(gòu)建筑,能夠面對各種挑戰(zhàn),是現(xiàn)代建筑形式中最經(jīng)久耐用的結(jié)構(gòu)形式之一,能歷經(jīng)數(shù)代而狀態(tài)良好,包括在多雨、潮濕,以及白蟻高發(fā)地區(qū)。7)工期短。木結(jié)構(gòu)采用裝配式施工,這樣施工對氣候的適應(yīng)能力較強,不會像混凝土工程一樣需要很長的養(yǎng)護期,另外,木結(jié)構(gòu)還適應(yīng)低溫作業(yè),因此冬季施工不受限制。

2 木結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)勢

木結(jié)構(gòu)有如此多的優(yōu)點,可是結(jié)構(gòu)工程師最關(guān)注的還是它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,它是否對抗震有利。與其他材料相比,木框架結(jié)構(gòu)具有以下幾點關(guān)鍵抗震優(yōu)勢:1)木材牢而輕——質(zhì)量較輕是一項優(yōu)勢,這意味著作用到房屋上的地震力也較小,地震加速度在木建筑物上所產(chǎn)生的能量沒有其他建筑物大。木框架系統(tǒng)的另一個額外優(yōu)勢是其柔韌性優(yōu)于其他材料,可以吸收并消散能量。2)木框架結(jié)構(gòu)有許多桿件和釘節(jié)點,這意味著有多種荷載路徑吸收所施加的地震力。一旦一個荷載通路失效,鄰近的部件和連接能夠補充其中,且還有通過非結(jié)構(gòu)部件如內(nèi)部裝飾,隔墻和多種類型的外部覆面的側(cè)面抗震因素。3)木框架結(jié)構(gòu)建筑中的釘節(jié)點可以有效地耗散地震所產(chǎn)生的能量。許多釘?shù)倪B接容許木結(jié)構(gòu)建筑彎曲以吸收和消散能量。2008年5月12日在四川汶川發(fā)生的地震給人民群眾造成了巨大的災(zāi)難,通過各種媒體可以看到很多遇難同胞的實際情況——被壓在混凝土梁下、被壓在混凝土樓板下,被壓在倒塌的墻體下,巨大的鋼筋混凝土梁和樓板的重量使很多災(zāi)民無法憑自身的力量逃生。沒有一棟建筑可以做到完全防震,但是良好的結(jié)構(gòu)體系和抗震設(shè)計會將結(jié)構(gòu)損壞減少到最低限度。震后重建的不少房屋,就采用了木結(jié)構(gòu)的形式。

3 木結(jié)構(gòu)在我國的適用范圍

1)從木結(jié)構(gòu)的分布看,無論世界還是中國,南方的木屋多于北方,木結(jié)構(gòu)在南方更為普遍。單就我國而言,臺灣、香港和澳門以及西南少數(shù)民族聚居區(qū)的木結(jié)構(gòu)的數(shù)量之多、質(zhì)量之精、設(shè)計之美、歷史之悠久便是很好的說明。2)從木材的特性和我國南方的氣候看,木屋在南方更能發(fā)揮其特性和作用。我國南方屬熱帶亞熱帶氣候,夏季炎熱多雨,冬季陰冷潮濕。木結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)濕度的作用是木結(jié)構(gòu)的獨特性之一,當濕度大時木結(jié)構(gòu)會自動吸濕,干燥時則會從自身的細胞中放出水分。因此木屋更適應(yīng)夏季炎熱多雨、冬季陰冷潮濕的南方。3)建造木結(jié)構(gòu)的木料經(jīng)過多道化學(xué)和物理工序處理以及特殊的工藝加工后,具有防腐、防潮、防蟲、抗菌等特點,在南方很能發(fā)揮作用。木結(jié)構(gòu)在我國南方比較普遍而且適應(yīng)性很好,結(jié)合木結(jié)構(gòu)的特性和北方的氣候特點來看,木結(jié)構(gòu)在北方同樣有著很好的適應(yīng)性,具有實用價值。1)我國北方冬季漫長寒冷,尤其東北可持續(xù)半年之久。木結(jié)構(gòu)建筑能夠有針對性地解決北方冬季室內(nèi)封閉較嚴,空氣不流暢,空氣質(zhì)量差,有害氣體不易排除而危害人體健康這一問題。2)我國北方的氣候特點是干燥少雨、夏暖冬寒、溫差大。木結(jié)構(gòu)所具有的調(diào)節(jié)溫度和濕度的作用以及保溫節(jié)能的性能在北方便能顯現(xiàn)出來。木結(jié)構(gòu)能夠有效緩解干燥天氣給人帶來的不適感。3)北方氣候干燥,多風(fēng)沙,易發(fā)生火災(zāi)。木材無靜電,木屋防塵、阻燃的特點正好發(fā)揮其功效。綜上所述,木結(jié)構(gòu)房屋在我國有著普遍的適應(yīng)性,不僅適應(yīng)南方,同樣適應(yīng)北方。因此,目前木結(jié)構(gòu)在北方正是方興未艾,木結(jié)構(gòu)建筑因地制宜地發(fā)揮著其獨特的作用。

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