木結(jié)構(gòu)發(fā)展綜述及在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

李 揚

(貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心,貴州 貴陽 550000)

0 引言

木材是一種綠色可持續(xù)的建筑材料,具有綠色環(huán)保、保溫隔熱、輕質(zhì)美觀、建造方便、抗震耐久等優(yōu)點。隨著時代發(fā)展和科技進步,建筑材料不斷創(chuàng)新,木材及其制品在建筑上的應(yīng)用更加廣泛,木結(jié)構(gòu)建筑也取得了顯著的發(fā)展。

1 木結(jié)構(gòu)的優(yōu)點及發(fā)展

1.1 木結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

木結(jié)構(gòu)建筑施工期短、設(shè)計靈活,具有低傳導(dǎo)性和良好的防火性能,相對于傳統(tǒng)建筑優(yōu)勢明顯,同時木結(jié)構(gòu)又具有較強抵抗重力、風(fēng)力和地震的能力。隨著加工工藝的進步,木材制品相比于原木具有更好的防火防腐能力和更優(yōu)的受力性能,為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的發(fā)展創(chuàng)造了可能。[1]人們對木結(jié)構(gòu)的認知也隨著環(huán)保意識的提高日益增多,綠色環(huán)保的木結(jié)構(gòu)建筑施工整潔方便,不污染環(huán)境,有益于人們健康,因其獨特的優(yōu)勢被廣泛地用于建筑中,以房屋、橋梁等建筑結(jié)構(gòu)形式較為常見。

1.2 我國木結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

我國古代建筑以木結(jié)構(gòu)為主, 多采用木材制作梁、架、斗拱等構(gòu)件,是最早應(yīng)用木結(jié)構(gòu)的國家之一。

北宋時期的《營造法式》系統(tǒng)地反映出官式建筑的發(fā)展水平,是我國第一部有關(guān)建筑設(shè)計及技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)的完整巨著。建于遼代的山西應(yīng)縣木塔是我國現(xiàn)存唯一木塔,是古代木構(gòu)高層建筑的典型實例,如圖1。

圖1 山西應(yīng)縣木塔

為了促進木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展,2004年起,我國相繼出臺了《木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》等四部木結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范和手冊。[2]我國首屆木結(jié)構(gòu)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇于2009年在上海舉行,論壇倡導(dǎo)科學(xué)、有效利用森林資源,同時展示了具有先進理念的木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)和木結(jié)構(gòu)住宅,促進了國內(nèi)木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)件和完善。[3]

木結(jié)構(gòu)建筑符合國家倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展政策,人們對自然健康、綠色環(huán)保的觀念意識也越發(fā)認同,木結(jié)構(gòu)建筑得到了前所未有的青睞,在中國具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。

1.3 國外木結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

木結(jié)構(gòu)建筑在北美和北歐地區(qū)應(yīng)用廣泛,技術(shù)成熟,占市場主導(dǎo)地位,在芬蘭、瑞典、美國和加拿大等國均占有很大比例,圖2是位于加拿大的全木結(jié)構(gòu)公寓。綜合來看,森林蓄積量大、可利用的木材資源豐富是木結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛的主要原因。

圖2 18層全木結(jié)構(gòu)公寓

2 木空間結(jié)構(gòu)

近年來隨著建筑技術(shù)和材料的進步和發(fā)展,大跨度空間結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。

2.1 木空間結(jié)構(gòu)分類

2.1.1 木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)類似,由很多桿件通過節(jié)點連接而成,可分為木網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、球面木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、自由曲面木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、樹形結(jié)構(gòu)等。[4]

木空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的主要材料一般為膠合木、鋸材等,通常為矩形、圓形截面,一般采用鋼制節(jié)點。

2.1.2 木空間張拉結(jié)構(gòu)

木空間張拉結(jié)構(gòu)由木構(gòu)件與鋼拉桿共同組成,充分利用了木材的抗壓性能和鋼材的抗拉性能,既可以增加跨度,同時又節(jié)省材料,造型也更加豐富。采用木空間張拉結(jié)構(gòu)的蘇格蘭議會廳如圖3,造型優(yōu)雅,極具特色。

圖3 木張弦結(jié)構(gòu)——蘇格蘭議會廳

2.2 木空間結(jié)構(gòu)工程實例

2.2.1 美國塔科馬穹頂體育館

美國塔科馬穹頂體育館見圖4,它的主要受力構(gòu)件由414根膠合木梁組成,并通過金屬連接件連接形成球形單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),穹頂直徑達162m。木結(jié)構(gòu)穹頂方案造價為3.02億美元,相比之下,充氣穹頂和混凝土穹頂?shù)脑靸r分別為3.55億美元和4.38億美元。

圖4 塔科馬穹頂體育館

比起鋼結(jié)構(gòu)或者混凝土結(jié)構(gòu)來,木結(jié)構(gòu)具有較大的強重比,因此在地震發(fā)生的時候產(chǎn)生的水平地震力相對較小。例如,2001年,在距離體育館不到25km的地方發(fā)生了里氏6.8級地震,而體育館卻未發(fā)生任何損壞。

穹頂在施工時利用木柱對木構(gòu)件進行支撐而免于搭設(shè)腳手架,如圖5。第一批首先拼裝36根構(gòu)件,每根構(gòu)件使用一根木柱作為支撐,與現(xiàn)澆的鋼筋混凝土環(huán)形圈梁構(gòu)成了自平衡體系。然后在進行剩余構(gòu)件、檁條和屋面板的安裝。最后完成屋面的保溫和防水層的鋪設(shè)施工。

圖5 施工中的穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

3.2.2 貴州百里杜鵑國際會展中心

百里杜鵑國際會展中心位于貴州省百里杜鵑景區(qū)內(nèi),它以防腐木為結(jié)構(gòu)骨架,表面用膜進行覆蓋,覆蓋面積達到8567,是典型的現(xiàn)代木空間結(jié)構(gòu)建筑。

圖6 貴州百里杜鵑國際會展中心

會展中心與景區(qū)環(huán)境協(xié)調(diào)共生,別具一格,匠心獨運,充分利用了大跨度木空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,靈活地將膜與木材兩種材料結(jié)合,展示了建筑結(jié)構(gòu)形式的多樣性。

4 前景展望

隨著綠色建筑推行的不斷深入,節(jié)能環(huán)保、獨具優(yōu)勢的木結(jié)構(gòu)建筑將成為我國綠色建筑的又一選擇,市場潛力巨大,前景廣闊,未來必將占有一席之地。發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑,是綠色發(fā)展理念在城市建設(shè)中的具體體現(xiàn),也是建設(shè)科技的發(fā)展方向和責(zé)任所在,建議今后從以下兩方面著手：

1)在具備條件的地區(qū)試點應(yīng)用木結(jié)構(gòu),從中積累相關(guān)經(jīng)驗,完善規(guī)范制度,為進一步推廣木結(jié)構(gòu)的奠定基礎(chǔ)。

2)加大木結(jié)構(gòu)建筑的研究和推廣力度,創(chuàng)新生產(chǎn)工藝和施工方法,展開木空間結(jié)構(gòu)的實驗研究工作,組織召開相關(guān)論壇會議,交流探討木結(jié)構(gòu)的最新進展,同時實施一些木空間結(jié)構(gòu)的工程案例,為進一步發(fā)展木空間結(jié)構(gòu)積累經(jīng)驗。