輕型木結構房屋的材料及其性能

梁恩虎

1 概述

縱觀建筑歷史,木結構因其結構性能及美學價值,留下了許多不朽之作,我國古代建筑更以木結構為主體,形成了風格獨特的建筑體系。近年,我國由于森林管理不善,濫砍濫伐,以致材源枯竭被限制使用,幾乎不再建造木結構房屋,從而在這方面是個盲點。中國的木結構停頓了20年,而這正是國際上木結構發展最快的時期,從實木、原木結構到膠合木結構,再到復合木結構,直至更新型的木質材料,木結構已不是大家傳統概念上的木結構,在建筑上已經達到可以替代鋼材的程度。在歐美發達國家,已經實現了森林資源利用的良性循環,實現了科學采伐。

2 材料特性

輕型木結構的主要組成部分是規格鋸材。它構成了封閉及分割房屋空間的結構外殼,同時也為裝修材料提供了內襯。除鋸材以外,其他木制品也經常用于建造結構外殼,以及內部和外部的裝修。所有這些產品都有其特定的用途,并且是按特定的標準生產。框架通常用的是規格鋸材,此外還有支承板、木板及裝飾鋸材等木材分類,分述如下。

2.1 規格材

規格材是按輕型木結構設計的要求,木材截面的寬度和高度按規定尺寸加工的規格化鋸材,輕型木結構用規格材的材質等級分為七級(見表1)。

當采用進口規格材時,進口規格材應有中文標識,認證等級應附有說明,并應符合我國商檢規定,進口的熱帶木材,還應附有無活蟲蟲孔的證書,并按國別、等級、規格分批堆放,不得混淆,儲存期間應防止木材霉變、腐朽。

表1 材質等級

2.2 工程木制品

除了規格材以外,各種工程木制品也被用于木結構房屋建筑中。這些產品的性能一般等同于或優于規格材,而且生產中所用的木材(來自生長迅速的小徑級木材)較少。工程木制品有多種,它包括工字形木格柵和結構復合材等產品。

工字形木格柵是用結構復合材作翼緣,木基結構板作腹板,用耐水膠將翼緣和腹板粘合生產出的具有已知工程特性的、尺寸穩定的輕型產品。此產品的剛度和強度都比較均勻,且重量輕,這些特征使它廣泛地應用在住宅和商業建筑的大跨度的格柵和椽木中。

結構復合材可用于輕型木結構的樓蓋主梁、屋脊梁,包括旋切板膠合木和旋切片膠合木。旋切板膠合木(LVL)是將旋切的厚單板(厚度2.5 mm～6.4 mm)順木紋層疊膠合熱壓而成。旋切片膠合木是由旋切木片(厚度2.5 mm～6.4 mm,長度至少為厚度的150倍)順木紋膠合熱壓而成,它包括兩種性能類同的產品:平行木片膠合木(PSL)和層疊木片膠合木(LSL)。

由于跨度大且房屋服務性強,工程木制品為設計帶來了巨大的靈活性。此外,當用于屋頂結構時,這些產品能容納更高的保溫程度。

2.3 木基結構板

木基結構板是以木材為原料(旋切材、木片、木屑等)通過膠合壓制成的承重板材,包括結構膠合板和定向木片板。

結構膠合板是按相鄰層纖維方向互相垂直組坯膠合而成的板材,組成膠合板的單板通常為奇數層。膠合板按加工后膠合板上可見的材質缺陷和加工缺陷分成四個等級:特等、一等、二等、三等。結構膠合板厚度小,但強度、硬度較高,耐沖擊性、耐久性較好,垂直于板面的握釘力較高,便于各種加工,因此用途廣泛。

定向木片板(OSB)是將長度不小于30 mm的薄木片施膠分層定向鋪裝加壓制成的木片板,定向木片板中的木片以機械方式定向,外層薄木片的定向與板的長度方向平行、內層薄木片則隨機鋪設或相互交叉。定向木片板主要用于屋頂或墻覆面、樓面底板、護墻板以及木制工字格柵腹板。

用作屋面板、樓面板和墻面板的木基結構板材應滿足GB 50206-2002木結構工程施工質量驗收規范以及相關產品標準的規定,進口木基結構板材上應有經過認可的認證標識、板材厚度以及板材的使用條件等說明。

3 輕型木結構住宅的性能

3.1 抗震性能

作為一種結構材料,木材在地震性能表現上明顯優于其他材料,木材質硬且最輕,因而地面加速度在木建筑物上所產生的能量沒有其他建筑物大。木框架系統的另外一個額外優勢是其柔韌性優于其他材料,可以吸收并消散能量。

輕型木結構開始于100多年前的北美。長期以來,無論在建筑物性能表現上還是在裝配它的行業技藝上,其業績已得到公認。北美各地的許多20世紀初建造的木結構便是這種系統可靠性的有力證明。這種北美系統在其他地區也證明有同樣好的表現。毀壞性最大的近代地震之一是1995年的日本神戶地震。這場里氏6.8級,財產損失超過1 000億美元的地震對所有受到嚴重的橫向和豎向地震力的建筑物來說都是一次殘酷的考驗。在這場地震中,以傳統日本式梁柱風格建造的較舊房屋都被摧毀。以北美抗震標準建造的新房屋則幾乎未受影響。

調查報告表明在地震中倒塌的北美式木建筑非常少。觀察到的為數不多的幾處倒塌一般是由于多層建筑中一樓脆弱所致。許多現代房屋在其一層外墻上有很大的洞口(如大窗戶、露臺門、車庫門),無論是什么樣的建筑,洞口都會削弱這些墻的強度。

抗震設計時應注意以下幾個方面:1)解決一層脆弱問題。2)在穩定的地基上建造牢固的基礎。3)墻體與基礎需緊密結合。4)其他木部件與墻骨間需恰當釘合。

3.2 防火性能

建筑物防火規范規定了不同類型的建筑物可以使用不同的防火安全材料。一種材料可能有防火性,但在火災中卻仍可能有很大問題。

在防火方面,生活在木結構房屋中與生活在其他材料建造的房屋中是一樣安全的。通過利用建筑物特點分離建筑物部件,可以使火和煙霧隔間化。依據建筑物的用途,規范已明確了墻體、地板和天花板能抵抗火災的時間長短。擋火板是為封鎖這些孔隙作為輸送路線而設置的建筑材料,火與煙霧也可以穿過向整個建筑物提供空氣的管道設施,建筑物內的火警被觸發,防火擋板就會在管道中各就其位,阻擋火與煙霧的蔓延。

輕型木結構建筑的防火設計,應遵照GB 50016建筑設計防火規范和GB 50005-2003木結構設計規范中相關章節的規定執行。輕型木結構房屋剖面如圖1所示。

3.3 防潮性能

人們通常認為水是木材的敵人,其實不然。在多雨或潮濕地方的木造建筑物可以有極好的性能表現。關鍵在于在設計和建造以木材為基礎的建筑產品時需懂得如何處理水分。

事實上,與其他常用建筑材料相比,如熟石膏板、干墻、非木質地板覆蓋材料、吸聲天花板、瓷磚及室內陳設,木材更不容易偶爾浸濕而受到永久損壞。一般來說,一棟建筑物中唯一需要完全防潮的部分是建筑物外殼,特別是屋頂薄膜——它應盡可能排水,但在蓄水時需保持防水性能。如果建筑物面層可以很好地排水,那么建筑物中的其他建筑部件則不一定需要防水。在建筑物外殼完好無損的建筑物中,木材可能遇到唯一一種潮濕是水蒸氣。這種無色無味的氣體總是少量地存在于空氣之中,對木材來說這并不是問題。只是當木材接觸到液體水時,危險才會出現。但即使在這種情況下,木材仍可以吸收大量的水分,而不會達到維持腐蝕菌生存的含水率。

3.4 防蟻性能

白蟻是噬食纖維素的體小色淡的昆蟲:它們的食物包括任何由木材、紙張或纖維造成的東西。白蟻在百萬年前就存在了,它的歷史比人類長,當然也比人類的建筑物長。然而,雖然白蟻在數字上有優勢,但人類卻有大腦優勢。我們不必將白蟻從地球上滅絕;只要采取預防措施,就可以智勝它們。

傳統對付白蟻的方法主要是依賴土壤化學品——在建筑物周圍的一圈地上撒滿對白蟻有長期毒性的物質。但是,隨著管理環境的不斷改變,“化學隔離”已不再是防白蟻的首選策略。當今,可以結合其他方法對建筑物進行防白蟻保護工作。物理屏障已取代過去的化學屏障。有兩種選擇:一種是稱作 Termi-Mesh(TM)的纖細的不銹鋼網眼,另一種是成為屏障砂粒的纖細的像礫石一樣的材料。夏威夷和澳大利亞等白蟻活躍地區都在使用這兩種技術。屏障砂粒的大小為1.7 mm～2.4 mm,大的使白蟻無法推開而小的又使白蟻無法擠身而過。

[1]CMHC.加拿大木框架房屋建筑[M].北京:加拿大木業協會,1995.

[2]CMHC.房屋建筑術語匯編[G].北京:加拿大木業協會,1997.

[3]GB 50005-2003,木結構設計規范[S].

[4]GB/T 50329-2002,木結構試驗方法標準[S].

[5]GBJ 16-87,建筑設計防火規范[S].

[6]GB 50206-2002,木結構工程施工質量驗收規范[S].

[7]靳百川,黎 鐘.輕型房屋鋼結構構造圖集[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[8]樊承謀.木結構工程[M].北京:中國建筑工業出版社,1996.

[9]中國建筑西南建筑設計院.木結構設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1993.

[10]中華人民共和國國家標準,木結構設計規范[S].