輕型木結構建筑選材及結構分析

嚴 睿 趙 港 田芳芳 馬艷梅

（北京科技大學天津學院 天津市 301830）

1 輕型木結構的起源及發展

現在世界上很多國家都在大力發展輕型木結構建筑，在美國，其在木結構建筑當中的耗材比要占到美國木材生產總量的60%。日本的住宅大多為輕型木結構建筑，并處在整個建筑行業的領先水平，一般使用膠合木、木材以及水泥刨花板建造[1]。

我國古代木結構建筑多以重型木結構為主，在建筑耗材上偏大，且費時費力，建筑施工周期長。建國后，由于我國木材成品少，人口基數相對較多，因此政府實施了一系列的禁令來減少木材的使用，而提倡鋼筋混凝土結構以及磚混結構，導致我國木結構建筑發展停滯不前。近幾年來，我國開始提倡綠色環保，隨著人們生活的日益改善，也追求更加健康的生活，輕型木結構建筑物的需求也愈加高漲。最近的研究表明，木結構建筑相比于鋼筋混凝土結構和鋼結構等在能耗、環保、抗震等方面具有明顯的優勢[2]，雖然我國木材資源稀少，但現階段國家鼓勵木材進口，如北京、上海等地已經有成品的輕型木結構建筑投入使用。

2 輕型木結構

輕型木結構建筑是把構件斷面較小的面板和規格材緊密連接組成的。

一般用400～600mm規格材緊密連接制成輕型木結構的骨架，其骨架可以作為結構的受力構件，也可以用作為支撐構件，使其成為外墻面和內墻面以及樓面的面層和屋面的面層部分構件。這種結構形式能夠使得構件之間能夠相互作用，可靠性、構件的合理性都要優于梁柱結構[3-5]。

3 選材分析

本項目擬建于天津市武清區，根據天津市地質勘察報告以及水文條件，建設地點在地理位置上位于中緯度歐亞大陸東岸，春季干旱多風，夏季炎熱，所以在選材上應當注意防火及防風化。

木材的選擇有以下幾種：

（1）規格材

規格材是一種實心鋸材，是按照規定的尺寸以及模數制作而成的，其截面寬度一般為38mm，而長度一般為600mm。

（2）膠合木

膠合木一般是用防水性膠水將鋸材兩兩粘接在一起制作成的木結構建筑用材，在制作時分為兩種尺寸，一為固定尺寸，二為非固定尺寸，因其設計尺寸不同，所以在建筑的應用類型上也會有一定的區分。

（3）輕型木桁架

輕型木桁架是用來代替屋蓋椽條和樓蓋擱柵，一般使用其作為輕型木結構的屋蓋和樓蓋。根據屋蓋桁架不同的屋面形狀，會形成不同的坡度。

（4）木基結構板材

木基結構板材是一種結構構件，通常作為輕型木結構的墻體、屋蓋以及樓蓋的面板使用，面板一般承載由重力、地震和自然天氣引起的荷載，所以命名為結構板材，用以表示和不承重構架的區別。

3.1 屋頂屋蓋的設計及選材

在輕型木結構的屋頂設計中，規格材椽木和屋頂的擱柵主要用于普通的負載和跨度，在擱柵和椽木的預制時最長長度不可超過12m。此次工程選擇規格材，將其制作成輕型木桁架，用于輕型木結構的屋蓋和樓蓋。規格材機械應力與材料的性質在《木結構設計規范》（GB 50005—2017）中屬于軟材，其強度等級為TC17-TCll。屋頂覆層，可以增加屋頂的剛性，支撐物面，在選材時宜采用定向刨花板，且邊沿有支撐，其橫椽間距采用400mm，材料厚度采用16mm。根據《建筑工程監理工程一本通》以及相關驗算，間距400mm厚度16mm符合國家標準，且能夠更好地加強屋頂的剛性，防止垮塌。

在樓頂的建設過程中應當鋪放防水卷材，并在木材的表面涂抹防水油漆，防止滲漏。屋頂坡度擬采用27°屋頂，既可以在下雨天作為排水作用，也可以在屋頂鋪設光伏電板用以發電，起到節能減排的作用，更能體現綠色環保建筑的理念。

3.2 墻體的選材

采用鋸材和膠合板用作墻體的面板、墻骨和墻體的覆層材料。可以承載豎向重力荷載和由風和地震荷載引起的側向荷載的傳遞和承載。由于現階段房屋建筑中增加了保溫空間，所以墻骨大小設置為38×140mm，墻骨高度要延伸至整個樓層高度，以此來增強整體的支持強度。

表1為墻體的墻骨選材及相關數值。

表1

4 結構分析

木結構在抗震防震方面更優于鋼結構房屋，本工程主體框架選材為進口的軟木材料。因為木材具有多孔性質，可以吸收并緩解由外部引起的沖擊力，所以能夠很好的避震；而在建筑過程中使用的木材一般都會經過加工處理，以便擁有更好地耐腐蝕性。

木桁架結構體系和椽檁結構體系是輕型木結構建筑的主要屋架結構，在我國現階段的木結構建筑中一般都采用現場制作，現場搭建，這種方法的主要缺點是工期過長，耗時耗材，且工程質量不能保證；而且在施工時更加考驗施工人員的技術。本工程擬采用模塊建筑法，即裝配式建筑法，在工廠加工好各個模塊到現場組裝，最大限度的減少環境污染。因國內運輸條件限制，所以在制作模塊時要考慮是否符合國家《道路大型物件運輸管理辦法》。綜合場地條件以及經濟高效、便利施工等條件，本次工程采用木桁架結構體系。

屋頂構建如圖1所示。

5 設計注意事項

工程的材料及用量要作為重點考慮對象，目前導致輕型木結構裝配式推廣緩慢的主要因素有兩點：

（1）成本不好控制；

（2）材料的用量及制作過程中的廢棄量不好控制。

在設計初可采用BIM技術有效降低材料用量，并控制成本，也可直觀的看到效果大樣圖。利用BIM技術在模塊制作時也可加速模塊的研發與制作。

圖1 屋頂三維模塊

6 展望與總結

文中設計的結構和選材還沒有通過結構實例以及力學實驗驗證，對于施工和使用的效果還需要進一步驗證。隨著我國人民生活質量的不斷提高，建筑行業的不斷發展，輕型木結構裝配式建筑作為一種簡易化交易建筑將會得到更好地發展。大創項目：“基于建筑信息模型的輕型木結構住宅設計研究”（201913898016）。