我國(guó)穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑研究現(xiàn)狀與發(fā)展建議*

付 帥 陳澤華 楊小軍 王佳陽(yáng) 劉嘉敏

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

我國(guó)具有悠久的建造和使用木結(jié)構(gòu)建筑的歷史，創(chuàng)造了輝煌的木結(jié)構(gòu)建筑文化。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑形式多樣，就現(xiàn)存古建筑和保留傳統(tǒng)構(gòu)造的地方民居來(lái)看，抬梁式木結(jié)構(gòu)和穿斗式木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最為普遍[1]。其中穿斗式主要用作民居，具有建造工藝簡(jiǎn)便、建筑成本低、取材方便等特點(diǎn)，是我國(guó)古代民間廣泛采用的建筑結(jié)構(gòu)形式[2]。隨著時(shí)代的變遷，新型建筑材料大量涌現(xiàn)，以穿斗式木結(jié)構(gòu)為代表的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑逐漸被鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代建筑取代。如何更好地繼承和發(fā)揚(yáng)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑建造技術(shù)，是我國(guó)木結(jié)構(gòu)專家學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 穿斗式木結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

穿斗式木結(jié)構(gòu)的建造特點(diǎn)是沿著房屋的進(jìn)深方向排列立柱，柱子的間距較小，柱子頂端與檁條相連，承受檁條所傳來(lái)的荷載。不使用架空的抬梁，而以穿坊穿過(guò)木柱連接各個(gè)柱子，即在立柱上開(kāi)孔，貫穿數(shù)根橫木，形成一榀木構(gòu)架。每?jī)砷緲?gòu)架之間用斗枋連接，形成一個(gè)穩(wěn)定的空間骨架[3]。抬梁式木結(jié)構(gòu)主要通過(guò)柱子將梁抬起，梁的端頭放置檁條，再沿檁條垂直方向架椽，最后在椽子上鋪望板和瓦片，形成一個(gè)穩(wěn)定的房屋結(jié)構(gòu)[4]。由于沒(méi)有了橫梁，穿斗式木構(gòu)架中檁條和屋頂?shù)闹亓恐苯佑芍映袚?dān)，因此立柱的排列較密，開(kāi)間相比抬梁式建筑要小，通常用于普通民宅。

穿斗式木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)采用榫卯連接，由榫頭和卯口組成。榫卯節(jié)點(diǎn)可以承受一定的彎矩，具有很好的彈性和抵抗水平推力的作用，表現(xiàn)出較強(qiáng)的半剛性特性。榫頭和卯口在地震過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的摩擦變形，吸收部分地震能量，減少建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[5-6]。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 抗震性能

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能與節(jié)點(diǎn)加固修復(fù)做了諸多相關(guān)研究，并取得了重要成果。抗震性能測(cè)試方面，薛建陽(yáng)等[7]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模擬地震試驗(yàn)對(duì)穿斗式木構(gòu)架進(jìn)行抗震性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)穿斗式木構(gòu)架具有良好的整體變形能力和抗倒塌能力。滕睿等[8]運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)脈動(dòng)測(cè)試對(duì)3棟川南穿斗式木構(gòu)架民居進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同類型的填充墻均可減小結(jié)構(gòu)的基本自振周期，同時(shí)增大結(jié)構(gòu)的阻尼，能起到良好的抗震作用。抗震性能模擬方面，黃舜等[9]運(yùn)用SPA2000軟件對(duì)穿斗式木構(gòu)架結(jié)構(gòu)部件組成、結(jié)構(gòu)受力和傳統(tǒng)施工工藝等進(jìn)行分析，建立抗震計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)穿斗式木構(gòu)架自振頻率和最大位移隨榫卯節(jié)點(diǎn)剛度的變化而變化。

2.2 防火性能

傳統(tǒng)穿斗式木建筑在整體布局上以連片集中為主，房屋間距過(guò)小，火災(zāi)一旦發(fā)生，常常出現(xiàn)連片燒毀的現(xiàn)象，危害極大。Firmanti等[10]對(duì)木梁在受火狀態(tài)下的受力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)持荷比與炭化深度及質(zhì)量損失成正比，與木梁的耐火極限成反比。Anita等[11]對(duì)受彎木構(gòu)件的耐火性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立了木構(gòu)件在耐火環(huán)境下載荷比和失效時(shí)間之間的關(guān)系模型，發(fā)現(xiàn)受火狀態(tài)下木構(gòu)件的失效時(shí)間與強(qiáng)度無(wú)關(guān)，臨界強(qiáng)度取決于木構(gòu)件本身的強(qiáng)度等級(jí)。付海燕等[12]采用葡萄牙軟木板作為填充物制成一種新型防火復(fù)合實(shí)木門，通過(guò)耐火極限性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其理化性能明顯好于普通實(shí)木門，對(duì)于穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑中防火木門的選擇具有一定參考價(jià)值。

2.3 木構(gòu)件加固

穿斗式民居在使用過(guò)程中，由于木材本身存在易開(kāi)裂變形等缺點(diǎn)，加上自然環(huán)境對(duì)木構(gòu)件的侵蝕，導(dǎo)致木構(gòu)件性能下降無(wú)法達(dá)到正常使用的標(biāo)準(zhǔn)，因此需要采用增強(qiáng)措施對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行加固處理[13]。近年來(lái)關(guān)于木構(gòu)件加固的研究主要集中于碳纖維材料加固，徐明剛等[14-16]運(yùn)用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastic，CFRP)對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行加固，測(cè)試其軸壓承載力、受彎承載力、抗壓剛度等，發(fā)現(xiàn)碳纖維材料能夠大幅提高木構(gòu)件的承載性能，具有良好的加固作用。這些研究可以為古建筑木結(jié)構(gòu)的保護(hù)和修復(fù)提供參考。

3 現(xiàn)存問(wèn)題

3.1 工藝相對(duì)落后

傳統(tǒng)穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑修建過(guò)程包括選址、平基、選材、施工掌墨、排扇立房和拼板裝房等，主要依靠建造師傅和工匠們的建造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工，房屋質(zhì)量難以得到保證。大部分木構(gòu)件依靠人工截取和打磨，加上傳統(tǒng)作業(yè)工具簡(jiǎn)單粗糙，導(dǎo)致木構(gòu)件精度較差，木材不能得到充分利用，建造成本難以控制。建筑材料的選用全憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，集中施工區(qū)域原材料供應(yīng)不足，以至于材料選用標(biāo)準(zhǔn)降低，難以滿足建造要求。梁、柱等主要結(jié)構(gòu)用材的基本屬性和各項(xiàng)物理性能指標(biāo)均無(wú)規(guī)范可依，難以形成工業(yè)化、系統(tǒng)化的建造模式。

3.2 容易發(fā)生火災(zāi)

在傳統(tǒng)穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑中，木構(gòu)件基本沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何阻燃處理，加上建筑密度較大，引起火災(zāi)的自然因素眾多，從而導(dǎo)致火災(zāi)時(shí)常發(fā)生。木結(jié)構(gòu)建筑失火的主要原因包括以下幾方面：在建筑用材上，民用住宅使用的木材經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)干和暴曬，含水率降低，木質(zhì)疏松，在氣候干燥時(shí)節(jié)容易發(fā)生火災(zāi)；在結(jié)構(gòu)形式上，穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋大多采用薄木板做墻體和樓板，火災(zāi)發(fā)生時(shí)極易出現(xiàn)快速燃燒現(xiàn)象，并伴隨大量熱量的釋放，加上穿斗式住宅本身南北通透，空氣流動(dòng)性較好，極易釀成大型火災(zāi)；在建筑布局上，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑具有連片集中的特點(diǎn)，房屋間距過(guò)小，難以滿足安全距離的要求，一旦發(fā)生火災(zāi)，嚴(yán)重增加了救援難度，大火會(huì)很快引燃相鄰建筑物，火勢(shì)蔓延開(kāi)來(lái)，后果不堪設(shè)想[17-18]。

3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差

傳統(tǒng)穿斗式民居大多簡(jiǎn)單粗糙，導(dǎo)致建筑在服役過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。首先，穿斗式木結(jié)構(gòu)中榫卯連接只是將榫頭插入預(yù)留卯口，并未對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行任何加固處理，當(dāng)豎向荷載增加時(shí)，榫頭將產(chǎn)生豎向位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，榫頭和卯口之間的靜摩擦轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩擦，加上榫卯節(jié)點(diǎn)的承載能力、榫頭長(zhǎng)度、卯口深度等諸多因素影響，從而出現(xiàn)拔榫、節(jié)點(diǎn)松動(dòng)等現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性不利[19-20]。其次，圍墻與木柱之間多采用墻體覆蓋柱的形式，在地震發(fā)生時(shí)，由于墻體和木柱的動(dòng)力特性存在差異，容易發(fā)生相互碰撞，造成墻體開(kāi)裂或倒塌。此外，柱腳大多平置浮擱于基礎(chǔ)石墩之上，僅依靠柱腳和石墩之間的摩擦力維持穩(wěn)定，使得柱腳在地震后易出現(xiàn)滑移和脫落[21]。傳統(tǒng)穿斗式木結(jié)構(gòu)房屋還存在屋頂過(guò)重過(guò)大、木構(gòu)架之間配合不緊密等問(wèn)題，這些均對(duì)房屋安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

4 發(fā)展建議

4.1 應(yīng)用建筑新材料

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大量工程用木材出現(xiàn)，憑借良好的物理力學(xué)性能和穩(wěn)定性能被廣泛應(yīng)用于建筑工程中。梁和柱作為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以選用強(qiáng)度設(shè)計(jì)值更高、材質(zhì)更加均勻的膠合木，其綠色環(huán)保、力學(xué)性能優(yōu)良、工業(yè)化程度高，且防腐防火性能好于普通木材，能有效減少火災(zāi)和木材腐蝕等。樓板、墻板可以選用定向刨花板，其尺寸穩(wěn)定性好、材質(zhì)均勻、抗彎強(qiáng)度高，還具備保溫隔熱、生命周期能耗低等特點(diǎn)，既保證了建筑的使用安全，又有利于環(huán)境保護(hù)[22]。屋面防水對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑十分重要，建筑物除了鋪設(shè)望板、瓦片等材料以外，還需要增設(shè)防水層，包括卷材防水層和防水墊層。卷材防水層可以采用橡膠防水卷材和瀝青防水卷材，防水墊層則可以采用瀝青防水墊層和透氣防水墊層。

4.2 提升建筑耐久性

傳統(tǒng)穿斗式民居建造技術(shù)有限，加上自然環(huán)境對(duì)房屋的侵蝕，均會(huì)影響木結(jié)構(gòu)建筑使用安全性，故需要對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行防火和防蟲等處理，以提升建筑的耐久性。在防火處理方面，當(dāng)前用于木結(jié)構(gòu)建筑的主要阻燃處理技術(shù)包括化學(xué)改性、表面涂敷和浸漬處理等。對(duì)外露的梁柱構(gòu)件，選用不燃或難燃材料包裹在木構(gòu)件外側(cè)，以起到阻燃作用。除此之外，在木構(gòu)件與墻體之間的空腔中增加擋火構(gòu)造，阻擋火焰或高溫氣體通過(guò)墻體或構(gòu)件上的孔或縫隙進(jìn)行傳播，以提高建筑的防火性能[23]。防蟲處理方面，在現(xiàn)代穿斗式木結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程中，主要采取滅治和預(yù)防兩種防蟲處理方式。滅治指的是在蟲蟻嚴(yán)重地區(qū)采用化學(xué)藥物進(jìn)行蟲蟻滅殺，采用的藥物有氟蟲晴、吡蟲啉等。預(yù)防處理則選用防蟲藥物對(duì)木材進(jìn)行噴灑，對(duì)蟲蟻起到驅(qū)逐作用，藥物選擇均應(yīng)確保對(duì)人體無(wú)害、不易燃、無(wú)異味等。

4.3 引入裝配新技術(shù)

裝配式木結(jié)構(gòu)建筑是指主要的木結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件、木組件和部品在工廠預(yù)制生產(chǎn)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝而成的木結(jié)構(gòu)建筑[24]。在建造過(guò)程中，將傳統(tǒng)穿斗式木結(jié)構(gòu)建造工藝與現(xiàn)代裝配式建造技術(shù)相結(jié)合，將房屋按照使用功能劃分為若干個(gè)單元，每個(gè)單元事先在工廠進(jìn)行預(yù)制，隨后將預(yù)制好的單元運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，在地面上先對(duì)其進(jìn)行預(yù)排列搭建，在此過(guò)程中組裝人員在屋架對(duì)應(yīng)構(gòu)件處安裝吊點(diǎn)，最后進(jìn)行整體吊裝和現(xiàn)場(chǎng)搭建，安裝方便快捷[25]。隨著國(guó)家政策的大力扶持與推進(jìn)，裝配式木結(jié)構(gòu)建筑乃至整個(gè)裝配式行業(yè)將會(huì)迎來(lái)空前發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑具有建造工藝簡(jiǎn)便、抗震性能好、建造成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)古代南方地區(qū)，但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展和人民生活水平的普遍提高，因其開(kāi)間小、防火設(shè)施落后、節(jié)點(diǎn)連接不牢靠等缺點(diǎn)，已不能滿足現(xiàn)代人的居住要求。在國(guó)家倡導(dǎo)大力發(fā)展綠色建筑的時(shí)代背景下，應(yīng)通過(guò)繼承老一輩優(yōu)良的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑建造工藝和學(xué)習(xí)國(guó)外優(yōu)秀的建造技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，同時(shí)迎合國(guó)家裝配式設(shè)計(jì)建造發(fā)展大環(huán)境，努力擴(kuò)大服務(wù)范疇，運(yùn)用新材料與新技術(shù)，提高房屋建造質(zhì)量與效率，爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代穿斗式木結(jié)構(gòu)的模塊化建設(shè)，推動(dòng)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化發(fā)展，為人類提供更加舒適的居住環(huán)境。