現代輕型木結構建筑的應用特點

李振升　羅欣　李燕萍

摘要 現代輕型木結構因木材資源的可再生、結構安全、節能保溫和環境友善等特點，在國內外受到越來越廣泛的重視。該研究介紹了輕型木結構建筑的分類和輕型木結構住宅構架方式，論述了木結構建筑對保溫調濕、隔聲隔音、光特效、防火等室內環境的改良作用，并結合實例闡述了木材與其他材料的結合方式，旨在為發展現代輕型木結構建筑提供新思路及對策。

關鍵詞 輕型木結構建筑；應用特點；室內環境

中圖分類號 S26 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）05-190-02

Abstract Modern light timber has been paid to more and more great attention at home and abroad due to the characteristics of renewable resources， safe structure， energy saving and thermoinsulating， environmentally friendly and so on. The classification of light timber architecture was introduced， as well as the residential architectural style of light timber. The improvement effects of timber architecture were discussed on wet adjustment， heat preservation， sound insulaton， light special effects， fireproof and so on. Combination of timber and other materials was elaborated based on living examples， aiming at providing new ideas and countermeasures for the development of modern light timber architecture.

Key words Modern timberwork architecture； Application characteristics； Indoor environment

隨著城市化發展進程的推進，大量混凝土建筑拔地而起，各種建筑材料在建筑上的應用給居住者帶來了美觀大氣的外觀，但是隨之而來的是植被的破壞，生態環境的惡化。木結構建筑是在中國發展起來的，而現在北美、歐洲等卻大量應用在住宅建筑中。梁超闡述了現代木結構建筑技術的優勢[1]，白化奎討論了中國發展木結構建筑的意義與前景[2]。筆者以現代輕型木結構建筑為根本，論述其特點及對室內環境的改良作用，提出將木材與其他材料結合使用，更好地滿足不同環境及居住者需求，進而為發展現代輕型木結構建筑提供新思路及對策。

1 輕型木結構建筑的定義及分類

1.1 定義

輕型木結構是由構件斷面較小的規格材料均勻密布連接組成的一種結構形式，它由主要結構構件（結構骨架）和次要結構構件（墻面板、樓面板和屋面板）共同作用，承受各種載荷，最后將荷載傳遞到基礎上，具有經濟、安全、結構布置靈活的特點?，F代輕型木結構建筑在北美主要應用于住宅建筑中[3]。

1.2 各種構架方式的含義及其注意點

輕型木結構住宅根據施工技術、建筑用途及施工方法分為立柱-梁構架方式、重木構架方式、原木構架方式。

1.2.1 立柱-梁架方式。是最古老的木結構方式中的一種，是從圓木構架發展而來的建筑形式，目前常與典型的平構架結合運用。

1.2.2 重木構架方式。重木構架方式與立柱-梁方式的不同之處在于結構材使用的是重的圓木而構筑。重木構架將重原木具體分類為最小規格的木材而構成建筑，重木構架之所以要求構件的最小規格是為保障火災發生時結構體的安全。

1.2.3 原木構架方式。在最原始的壁式木結構之中就有原木房屋，原木構架將水平木作為承重墻，其余的地面、屋頂結構以2×4輕型木結構統一而構成。（2×4住宅是使用厚度為5 cm，寬10 cm的結構材，此叫法主要是與日本傳統立柱-梁結構區分開。）

1.3 輕型木結構住宅構架方式和特點

1.3.1 立柱-梁構架房屋。有輕質木框架和多層木框架兩種。輕質木框架房屋使用38 mm厚的木材作為地板梁、天花梁、屋頂椽子和墻栓。這些構件以中心相距41 cm的間隔布置，其他也有一些以30.0 cm、48.8 cm或60.0 cm間隔布置的。多層木框架房屋主要做自給自足的退休社區及將3～4層木框架住宅建在底層預應力混凝土框架的車庫和商業空間上面。多層木框架房屋特別適合作為填充項目建在城市中心的小街區里[4]。

1.3.2

重木構架房屋。主要用在住宅方面，也叫做木框架房屋。傳統的木框架房屋是大尺寸木構件的梁柱體系，它們用榫、釘或者金屬扣件連接。大型構件用作屋頂和樓板，小型構件則用來做墻。

1.3.3

原木構架房屋。傳統上的原木構架房屋是指用原木建造的鄉村住宅。它有許多種不同的樣式并且還有現代設施。原木牢固的結構和良好的熱惰性使房屋具有極佳的保溫性能。材料制造時先將原木去皮，再將其加工成各種構件。構件的內外側可以是圓的、直的、斜的，這使它有許多種鋪設方式。它的端側則可是圓的、直的、有凹凸槽的或經特殊處理的。原木最普通的形式是圓形，這里有兩種傳統的建造技術：瑞典加工法和北美加工法。前者是將底部削切以適合另一構件頂端（以此相連）；后者則是將原木疊放，中間的縫隙用人造合成物填充。

2 輕型木結構建筑的優點

2.1 材料利用率高，投資少

木材的主干可以用作木質承重構件，枝杈材與加工剩余物可用于制造各種人造板，例如定向刨花板、中密度纖維板等人造板可以用作建筑的非承重結構，提高了木材的利用率，同時避免了拆遷時廢棄物對環境的危害，達到生態的可持續利用。同時舊屋改造秉持可持續設計5R（Reuse Renew Recycle Reduce Revalue）的基本原則，木材的重復使用率也較高，節省了投資成本。

2.2 施工安裝方便

施工方式主要有現場施工、工廠裝配、預制模件、拖車式（活動住房）等。例如“平臺式框架結構”一層一層構造，下一層就為上一層做好準備。另外，結構材的搬運無需大型吊裝設備，便于施工。

2.3 施工周期短，施工過程簡單

輕型木結構的各種構件，如墻骨柱、樓面梁、椽條、木屋架、各種面板等都是工廠生產運輸到現場的，工地主要是基礎施工、各種構件的拼裝等，因此整個工程的施工作業面多，容易加快施工進度，縮短施工周期[5]。例如1幢普通木結構別墅的建筑工期大約3個月，而同等規模的混凝土別墅的建筑工期為5個月，所需人工量則相當于木結構房屋的數倍。

2.4 能源節省

木結構房屋本身的節能效應及其內部的保溫層，使房屋全年的空調用電量大大少于其他建筑物[5]。定向刨花板作為墻體時能耗最低，普通磚砌和鋼筋混凝土墻體比它高2～3倍。再如，在同樣厚度下，木材的隔熱值比標準的混凝土高16倍，比鋼材高400倍，比鋁高1 600倍。木結構建筑似一座天然的空氣調節器。在上海地區，木結構房屋采暖能耗比輕型鋼結構房屋低27.1%，比混凝土結構房屋低31.3%[6]。達到同樣溫度效果，木材需要的厚度是混凝土的1/15，是鋼材的1/400。在使用同樣保溫材料時，木結構的保溫性能要好15%～70%，可使建筑物的使用能耗大大降低[7]。

2.5 可利用空間擴大

木結構建筑中所有管線均設在墻體或樓板內，有效增加了使用面積，房屋使用率一般可達85%～90%，這可有效增加投資回報率。

2.6 抗震性能強

木結構建筑自重較輕，在地震中能降低結構損失的機率。此外，地震致使房屋倒塌時對人產生的傷害也比其他建筑材料小。例如始建于1460年四川省平武縣城的報恩寺在“5·12”地震中，只是木構造脫榫，墻體存在一定脫落，但整體未被地震震毀，成為地震后的避災場所。

3 輕型木結構建筑對室內環境的改良

3.1 保溫調濕

木材是一種多孔性材料，導熱系數較小，是熱的不良導體。木材作為墻體或裝飾材料，對室內溫度起一定的調節作用。冬季在同樣氣候條件下，混凝土結構的居室溫度比木結構的居室溫度低1 ℃多。木材的調濕特性是其獨特性能之一，木材自身的吸濕作用能直接緩和室內濕度變化。木結構房屋的年平均濕度比混凝土房屋低8%～10%，這與最佳居住環境相對濕度60%左右的指標最為接近[8]。

3.2 隔聲吸音

由于木質材料是多孔性材料，具有良好的吸聲性。所以木質材料裝修的室內與混凝土造居室內聲音的回響時間不同，如果有兩組以上的人在同一居室內談話，在混凝土造居室內談話易被干擾的程度大于木造居室。

3.3 空氣質量

第一，木結構建筑室內氡濃度較低，僅為混凝土結構的10%～15%。木結構住宅與混凝土住宅相比，小孩出生率較高，人的平均年齡也較高，差異高達3.5歲。木造率高時，肺癌、食道癌、乳癌、子宮癌等引起的死亡率降低。另一項研究表明，用木材建造的教室引起的學生身體不適會較其他材料建造的教室少。造成這些現象的重要原因之一可能與木材氡氣含量低有關。第二，木材可以散發出芳香的氣味，令人心曠神怡，領略到大自然的氣息。木材散發的氣味還有一些其他獨特功效。例如，樟木自身具有防蟲的特效；由花柏所建造的房屋中沒有蚊子出現；椴木可使結核菌或白喉菌無法生存；松木有消炎、鎮靜、止咳等作用；杉木會刺激大腦而使之更為活躍等。怡人的氣味會使人感到舒暢，減輕緊張的感覺和消除疲勞。

3.4 光特效

第一，木材具有柔和的自然光澤，由于木材是多孔性材料，表面會有小的凹凸，在令人眩暈的光線照射下，會呈現漫反射現象，或吸收部分光線。光似乎能滲進木材表面，使它產生柔和的光澤，所以光線也變得柔和。第二，木材可以減少紫外線對人體的危害，同時又能反射紅外線，故會給人帶來溫暖、柔和、細膩的觸覺和視覺效應，在寒冷的冬季可以給人帶來溫暖。

3.5 防火性能較高

調查研究，火災中的人員傷亡與建筑結構材料的燃燒性并沒有直接關系，而致人死亡的原因更多的是因內部裝飾材料等燃燒后迅速傳播的有毒氣體。木材本身可以碳化阻止進一步燃燒，木結構采用防火石膏板對房子進行重重設防，重點對可燃的木制構件進行保護，以阻斷火焰與木構件的接觸，猶如給木結構建筑穿了一件難燃或不燃的防火外套。加上傳統木框架、木衍架和工字格柵的木結構墻體、地板和屋頂，耐火極限可達2 h，相當于非易燃材料的防火水平。

4 木材與不同材料的結合

木材及其他材料結合可以克服木材自身的缺點和不足，包括力學上的、構造連接上的、裝飾表現上的等，能夠從技術層面解決許多問題，例如磚、石克服木材的不耐腐蝕、不耐磨，防火性差的弱點；鋼材及其他金屬材料的應用克服了木材連接的弱點及木材厚重、跨度小的問題，同時還解決了木材與大面積玻璃連接的問題。這樣才能創造更為合理的建筑形式[7]。

4.1 木材與磚的結合

從力學性能考慮，磚材一般作為承重部位墻體、臺階等，木材則屋頂墻身上部、地板、非承重墻的骨架、門窗、家具等部位；磚石的粗獷、穩重、冷峻和木材的溫柔、輕盈、溫暖，產生一種結構邏輯與肌理特效的對比與和諧。例如建成于1997年的美國佛蒙特州斯特瑞藤山的卡維爾住宅（圖1），是充分利用木材與磚材的質感與肌理對比所營造的住宅建筑。

4.2 木材與混凝土結合

木材與混凝土都是手工制作的材質，因此極為樸實自然。墨西哥建筑師卡拉赫用鋼筋混凝土材料及當地木材創造了不少富有墨西哥特色的作品。在尼格羅住宅中，用混凝土墻與木質梁作為承重體系，各個不同材質的界面使室內空間顯得豐富而富有情趣（圖2）。

4.3 木材與金屬結合

金屬和木的結合更加增強了建筑的視覺效果。金屬在木結構建筑的應用加強了連接上的功效，提高了整體剛度的作用[9]。金屬因物理性能可以實現較大的跨度，形成規模較大的建筑。例如由A&G建筑事務所在美國紐約州難安普頓設計的阿莫爾別墅就是木材與金屬結合的最好例證（圖3）。

4.4 多種材料的結合

充分利用木材及各種材料的不同特性進行組合運用，更好地創作出適宜建筑。例如巴特普林斯在美國加利福尼亞州門多西諾設計的海特住宅就是通過木材與玻璃、混凝土、金屬等的有效結合創造的現代木結構建筑。

5 結語

現代輕型木結構建筑具有一定的防火、抗震、環保、舒適等特點。木材同時可以兼容磚材、金屬、混凝土等多種材料，達到有效的設計目標。對有條件地區的舊木結構建筑可以重點保護與再開發、再利用。例如福州的三坊七巷做到住宅建筑的旅游化，成為地區的一個亮點。同時重點發展現代輕型木結構建筑，在保護原有植被的住宅區、旅游區等，在保護地區環境、降低能耗、投入較少的情況下，營造綠色風向標。在倡導綠色建筑的環境下，國家有關部門應大力研究及出臺相關政策，扶持從事木結構建筑的研究及培養相關木結構材料開發和銷售的人才。我國現代木結構建筑的逐步發展將為低碳經濟以及社會可持續發展做出更大的貢獻。

參考文獻

[1]梁超.現代木結構建筑技術的優勢[J].上海建設科技，2006（5）：57-58.

[2]白化奎.發展輕型木結構住宅的幾點建議[J].林業科技，2009，34（1）：56.

[3]韓國產業文化出版社.韓國現代建筑木制別墅建筑[M].長春：吉林科學技術出版社，2003：8-13.

[4]張仲強.木結構建筑[J].世界建筑，2002（9）：17-21.

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[9]陳孝柱，董巖.一種新型框架式“鋼木結構”的研制與設計[J].赤峰學院學報（自然科學版），2014（20）：18-20.