建筑工業化背景下我國木結構的發展趨勢

簡偉通，沈冬兒

（廣州大學土木工程學院，廣州 510006）

0 引言

中國的木結構建筑歷史悠久，對世界建筑史貢獻巨大。幾千年前我國就出現了通過榫卯節點連接構件的木框架結構體系。解放前我國引入磚墻支撐木桁架結構體系，解放后，我國木結構建筑發展停滯。如今，我國對建筑工業化、住宅產業化的要求提高，木材作為一種可持續供應的綠色建筑材料，具有裝配率高、抗震性能好等優點，隨著我國對綠色建筑的推廣和國際新型木材加工技術的發展，再次得到廣泛使用。

1 國內木結構的發展現狀

我國發展木結構建筑如今已具有良好的基礎和條件，人工速生林政策使我國的森林種植面積和木資源蓄積量都在世界排名前列，同時國家相關建筑部門對于木結構的重視日益提高，對于木結構的施工、設計都制定了相關標準，如木結構設計標準、裝配式木結構建筑技術標準等。北京、上海等一線城市也在國家的支持下，從國外引進木結構建筑用于住宅、園林景觀和賓館。目前為止，我國正以每年六百多棟的速度建造木結構房屋，但國內的木結構房屋建造數量與國外還存在巨大差距，木結構房屋建造市場還存在著巨大的空間。根據國外的經驗，現在的木結構已經摒棄以前的設計與人工制造的方法，而采用現代的膠合木結構建造，施工過程采用工廠化機械生產的方法，具有環境友好、力學性能優良、紋理觀賞性強且施工工藝較為簡便等優點。

2 國內木結構的發展前景

2.1膠合木

膠合木是一種工程木產品，簡稱CLT，一般把木材分揀和切割成木方，并采用特別挑選的單板鋸材-層板，根據木材強度分級與性能特點，將其安排在不同位置并用高耐久性粘合劑膠合在一起，其優點是把人工采伐或者加工后剩余的木材材料或者小直徑木材通過拼接、層積、均勻涂刷膠合劑形成可用于建筑使用的木構件。

從結構方面來看，膠合木構成的構件，由于其按規格將材料按照橫豎紋交錯排布的方式貼合，因此兩個方向受力分布都較為均勻，內部應力平衡，承載能力強，而且因為膠合木層板的疊合制作工藝，其尺寸更加穩定，為建造中、高層木結構建筑創造可能。

建造完成后的木結構建筑，耐火、保溫、抗震性能一直是繞不開的問題。膠合木材料表層燃燒時會緩慢碳化，配合外覆防火材料，可在長時間維持內部原有結構強度，而且木材熱傳導性低，膠合木構件連續性強，建筑具有良好的氣密性和保溫隔熱、隔音效果。隔震方面，膠合木結構可與緊固件和連接件緊密連接，抗震性能十分優越。

從施工方面來看，膠合木結構可在工廠工業化生產，然后運輸到現場進行安裝，構件具有較高的精度，并提高了生產效率，機械化程度高且只需更少的工人就能完成工作。由于膠合木構件采用的是拼接形式，能極大提高木材的利用率，且相比于混凝土結構，減少了大量的能源消耗，符合綠色建筑的要求[1]。

2.2高層木結構

隨著正交層板膠合木研究和應用的深入，國外高層木結構已經發展完善，而超高層混合木結構也已經在研發階段。我國人口密集，高層建筑是城市發展必不可少的部分，而上文所述已經說明，木結構相比于混凝土鋼結構也有其突出的優點，是綠色建筑發展的重要環節。

以膠合木作為主要建筑材料的高層木結構體系，主要有膠合木剪力墻結構、膠合木梁柱-支撐結構和木-混凝土混合結構。膠合木剪力墻結構，承受豎向重力荷載的樓板及承受風荷載與地震作用的墻板、核心筒均采用膠合木板，是目前使用最為廣泛的高層木結構。膠合木梁柱支撐結構，一般采用帶有鋼構件連接節點膠合木梁柱，配合支撐進行加強的結構體系。而也有部分建筑底部、核心筒采用混凝土結構，上部采用膠合木剪力墻結構的木-混凝土混合結構，以滿足抗側力剛度與防潮的要求。

可見，高層木結構體系在國外的發展已經較為健全，而我國的高層木結構市場還存在巨大的發展空間。隨著我國對于木結構建筑的連接節點及施工技術的提升，并對木結構抗震抗風防火等性能的深入研究，如今我國已具備發展高層結構建筑的基礎，在建筑工業化的大背景下，我們需要盡快推出完善相關的標準，并對高層木結構建筑進行全面、系統的研究，在中國廣闊的建筑市場定有巨大的發展前景[2]。

2.3模塊化木結構

模塊化木結構，即把木結構的各部分構件，如梁、柱、墻體、樓面、屋面等在工廠生產制作完成，然后在工廠或者施工現場將構件連接成一個個模塊化單元，再吊裝拼接到目的位置形成建筑整體。模塊化單元體內也可把外墻、建筑設備及裝修一并完成，并安裝預制一體衛浴間，實現最高程度的預制裝配率。

目前我國正大力推廣建筑工業化，提高建筑預制率，而模塊化結構由于其施工速度快、精度高，可實現多工序同時進行，多流水線協同工作，代表著最先進的建筑制造水準和最徹底的工業化建筑模式。模塊化與木結構的契合度高，木材資源是可再生資源，且在制作工程中能源消耗、環境污染小，并且具有可靠的力學與耐久性能，而模塊化建筑單元一般在工廠生產安裝，同樣符合綠色建筑的發展要求，構件具有極高的精度，可以在節點的連接與安裝方面更加牢固安全[3]。

2.4木結構與隔震

如上述高層木結構建筑中所述，雖然木結構的抗震性能十分優異，但是在抗震烈度較高的地區，還是需要有良好的抗震技術。我國古代木建筑已體現出勞動人民的巨大智慧，通過利用榫卯連接、斗拱和木柱浮置平擱等構造，使結構具有多層隔震、處處減震等消能抗震機理。

汶川地震后，隔震建筑由于其易于實施、減震控制效果好在我國大量發展，目前已成為工程中應用最多的一種減震控制技術。隔震技術的本質就是通過增加系統的柔性并提供適當的阻尼，使結構與地震產生的地面運動隔離，這種思想與我國古代木建筑的消能減震體系相吻合。隔震設計一般在地下室頂板上或者地上第一層柱頂、房屋立面和剛度突變處設置隔震層，布置隔震支座，我國目前的隔震支座主要采用橡膠隔震支座和滑動隔震支座，由于隔震層水平剛度小，用于上部結構剛度較弱的木結構效果顯著，而且隔震支座可進行工廠化生產，性能穩定，對環境影響小，造價不高，符合綠色建筑的要求。因此，隔震技術與現代高層木結構建筑十分契合[4]。

2.5基于BIM的木結構設計施工一體化

建筑信息模型，簡稱BIM，BIM技術覆蓋協同設計、碰撞檢查、進度管理等各個方面，能有效輔助工程項目設計、建造與管理過程，提高建設工程全過程的效率。木結構建筑裝配率高，設計施工全過程工業化程度高，因此引入BIM技術可大大提高其建造效率。

設計階段，工廠預制木結構建筑構件的具體信息需深化設計，上文提到的模塊化木結構建筑需要預先把建筑拆分成一個個建筑單元，并在單元內安裝建筑設備，而通過引入BIM技術，可使各專業的設計人員在同一模型內進行協同設計，所需構件可加入構件庫中進行重復使用，提高效率。生產制作階段，木結構構件特別是高層木結構建筑中的構件，節點連接處精度要求高，而引入BIM技術可通過構件庫來對構件進行具體的設計及施工指導，更加高效準確。安裝建造階段，住宅產業化背景下的木結構建筑作為新型建筑，施工過程及施工技術對于技術人員的要求提高，而利用BIM的虛擬建造技術可通過分析施工方案、模擬施工過程來提前準備，保證施工方案合理的同時指導現場技術人員安裝，安裝過程中構件可通過二維碼標識并導入構件庫，減少現場施工出錯的概率。除此之外，項目管理方面也可以引入BIM進行多維度管理，通過BIM模型管理施工進度，安排施工工序，并預估成本計劃[5]。

3 結語

“十三五”規劃提出以后，我國對于預制裝配率及綠色建筑的要求不斷提高，而木結構因其節能環保、可持續發展且裝配率高、抗震性能好等特點，成為建筑發展潮流的新趨勢。由于我國人口眾多，高層建筑甚至超高層建筑的需求大，因此高層木結構建筑必定是研究發展的重點。而為了更好地響應綠色建筑、提高裝配率的要求，可工廠化生產的模塊化木結構建筑與隔震支座的結合也是目前裝配程度最高的建造方案，既滿足了結構可靠性要求，又提高了施工速度。最后，工廠化生產的建筑與以往現澆的混凝土鋼結構建筑也有很大區別，因此BIM技術的引入可以加快設計施工一體化的發展，促進企業轉型，為日后住宅產業化的全面普及打下堅實的基礎。