現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)房屋進展

■ 張嘉秋 Zhang Jiaqiu 秦惠紀 Qin Huiji

0 前言

近10年現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)在中國得到發(fā)展，源自政府建設部門對綠色建材和循環(huán)經(jīng)濟的重視。

2005年3月，中國林科院木材工業(yè)研究所從加拿大引進木結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)材料應用關(guān)鍵技術(shù)，在北京建造了2層輕型木結(jié)構(gòu)示范房屋(圖1)；同年9月，上海科學技術(shù)委員會在莘莊建造了3層木結(jié)構(gòu)生態(tài)建筑示范樓(圖2)；10月，蘇州落成了首棟木制結(jié)構(gòu)聯(lián)排別墅。同期在全國建造的木結(jié)構(gòu)住宅還有北京波特蘭花園、溫哥華森林，上海紅楓小區(qū)、南京佳湖綠島、蘇州青湖麗苑等輕型木結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)以及上海金橋“夢家園”(加拿大木業(yè)辦公地)。該時期的木結(jié)構(gòu)建筑以整體產(chǎn)品引進方式建設。

近年上海采用輕木或膠合木結(jié)構(gòu)的項目有：上海市援建項目都江堰向蛾小學建筑群(圖3)，世博會展館建筑-溫哥華案例館(圖4)、世博村A地塊近代保護建筑董寅初住宅修復工程，三林經(jīng)適房基地行政中心(圖5)，以及松江陳子龍紀念館仿古建筑群、江寧路511號(原戈登路巡捕房)修復工程、圣三一教堂修復工程和寶山寺仿古建筑群(圖6)等項目。

基于中國政府對綠色建筑的重視和加、歐、美、日和新西蘭等國木業(yè)在中國的投入，國內(nèi)外學者、工程師定期進行了木結(jié)構(gòu)技術(shù)交流和互訪，國內(nèi)工程界和開發(fā)商對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)認知度的不斷加深，對于促進中國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)在中國經(jīng)過了十年初創(chuàng)期，在各個領(lǐng)域都取得了令人矚目的成果，但也存在一些值得業(yè)內(nèi)人士進一步思考的問題，本文就當前木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)進展中涉及到木結(jié)構(gòu)設計方面的一些問題作進一步討論。

1 技術(shù)標準

近十年來，國內(nèi)的科研、教學、設計單位聯(lián)手，在國外木業(yè)研究機構(gòu)的支持下，引進吸收了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)研發(fā)成果，編制了一系列國家、地方和行業(yè)標準。

2005年版《木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50005-2003)[1]對輕型木結(jié)構(gòu)和膠合木結(jié)構(gòu)設計的一般要求作了規(guī)定。

2009年版《輕型木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-2059-2009)[2]提出了按工程設計法或按構(gòu)造設計法對整體木結(jié)構(gòu)建筑進行抗震設計的概念，給出了水平荷載作用下木結(jié)構(gòu)抗震分析方法，并且對木結(jié)構(gòu)的連接設計和構(gòu)造設計都作出了具體的規(guī)定。作為上海市政府城鄉(xiāng)建設委員會第五注冊期培訓班的培訓教材。

國內(nèi)已編的木結(jié)構(gòu)建筑設計標準還有：中國西南設計院主編的國標《膠合木設計技術(shù)規(guī)范》(GB/T50708-2012)、行標《輕型木桁架技術(shù)規(guī)范》(JGJT265-2012)，國家建材工業(yè)局標準站主編的國標《木骨架組合墻體技術(shù)規(guī)范》(GB/T5036l-2005)。

目前，國標2003版的《木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[3]正在進行修訂中。為適應公共建筑對(重)木結(jié)構(gòu)建筑業(yè)市場的需求，上海現(xiàn)代建筑設計集團、同濟大學、上海市消防局、蘇州皇家等單位編制的《工程木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》正在進行中，

據(jù)了解，國內(nèi)已編或在編的木結(jié)構(gòu)材料或構(gòu)件標準有：中國林業(yè)科學研究院林業(yè)新技術(shù)研究所主編的《輕型木結(jié)構(gòu)用木質(zhì)復合工字擱柵》，黑龍江省林業(yè)科學院木材科學研究所主編的《木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料使用銷類金屬緊固件連接性能試驗方法》、《木工字梁》、《木結(jié)構(gòu)用單板層積材》，南京林業(yè)大學主編的《輕型木結(jié)構(gòu)建筑覆面板用定向刨花板》，北京林業(yè)機械研究所負責《輕型木結(jié)構(gòu)連接件通用技術(shù)條件》等。

即將頒布的國標《建筑防火規(guī)范》(報批稿)[4]允許木結(jié)構(gòu)組合(混合)建筑的層數(shù)為7層、24m高度，拓寬了木結(jié)構(gòu)建筑的適用范圍。

2 設計技術(shù)

現(xiàn)代木建筑按常用的結(jié)構(gòu)用材可分為原木方木結(jié)構(gòu)(圖7)、膠合木結(jié)構(gòu)(圖8)和輕木結(jié)構(gòu)(圖9)三類，以及他們的混合應用結(jié)構(gòu)，或與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)組合應用結(jié)構(gòu)；按常用的結(jié)構(gòu)力學模型可分為梁柱式框架體系(圖8)、輕型木結(jié)構(gòu)體系(圖9)、普通膠合木或CLT膠合木的墻板結(jié)構(gòu)體系(圖10)以及他們的混合應用結(jié)構(gòu)。但是迄今為止，除了輕型木結(jié)構(gòu)體系的力學計算模型比較明確外，梁柱式框架體系雖已得到應用，但其受力機理尚存在某些不確定性；近年來，歐美研發(fā)普通膠合木或CLT膠合木墻板結(jié)構(gòu)體系也已進入試設計階段。

2.1 木框架結(jié)構(gòu)力學模型基本假定

木框架結(jié)構(gòu)是國內(nèi)適用的基本結(jié)構(gòu)體系。對梁柱式結(jié)構(gòu)而言，由于梁柱節(jié)點的非剛性，導致在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)初始變形大的特證。描述梁柱節(jié)點非剛性變形特征需要考慮因素較多，包括梁柱節(jié)點連接設計、節(jié)點構(gòu)造、試驗方法，特別是木材物理力學參數(shù)，目前難以用公式進行概括。(純)框架結(jié)構(gòu)過大的變形限制了他的應用，節(jié)點非剛性特征有待進一步研究。文獻[3]規(guī)定梁柱式木結(jié)構(gòu)柱應按兩端鉸接計算。文獻[7]第11.3.1條文說明提出了梁柱鉸接房屋的適用性問題，并在第11.3.6～11.3.8條提出控制側(cè)向變形、加強整體性和保證穩(wěn)定性的措施。

2.2 水平層間位移

文獻[3]第4.2.15條規(guī)定，輕型木結(jié)構(gòu)的水平層間位移不得超過結(jié)構(gòu)層高的1/250；第4.2.19條規(guī)定，文物建筑和優(yōu)秀歷史建筑維護和加固設計驗算木構(gòu)架的抗震變形時，位移角限值宜取1/30；兩者差異較大。據(jù)文獻[8]介紹，部分美國規(guī)范SEAOC.1996、ASCE 41.2006、FEMA(2000)對輕型木結(jié)構(gòu)房屋層間位移性能參數(shù)給出的參考值：小震、中震、大震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移限制分別為1%、2%、3%。

鑒于木結(jié)構(gòu)試驗本構(gòu)關(guān)系中存在的非線性性質(zhì)和前期變形大的特點，文獻[3]規(guī)定的小震作用下水平層間位移限值偏嚴。參照文獻[7]鋼筋混凝土框架和多層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/50和文獻[8]的規(guī)定，如果將木框架結(jié)構(gòu)極限層間位移角控制在1/50～1/30內(nèi)，根據(jù)近期上海《工程木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》對五類木框架結(jié)構(gòu)系列的初步試驗結(jié)果證明，所有帶支撐框架和帶木基結(jié)構(gòu)墻板框架、包括“控制極限層間位移角的帶隅撐框架結(jié)構(gòu)”，層間位移角一般都能控制在該范圍內(nèi)，成為可供選擇的框架結(jié)構(gòu)種類。

2.3 五種類型木框架結(jié)構(gòu)的試驗研究

為了開拓木框架結(jié)構(gòu)體系，上海《工程木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》進行了(純)框架、帶交叉支撐框架、帶人字撐框架、帶隅撐框架和帶木基結(jié)構(gòu)墻板框架等五種類型木框架結(jié)構(gòu)系列的研究(表1)，此外，還完成了內(nèi)插鋼板螺栓連接節(jié)點試驗，以及在內(nèi)插鋼板螺栓連接節(jié)點與螺栓垂直方向施加橫紋自攻螺絲的節(jié)點試驗。

試驗結(jié)果表明，采用內(nèi)插鋼板螺栓連接梁柱式(純)框架節(jié)點試驗，同樣存在節(jié)點非剛性問題。

試驗證明，當以承載能力評價帶支撐框架與(純)框架的力學性能時，前者有效地提高了結(jié)構(gòu)的承載能力，變形量也能控制在結(jié)構(gòu)正常使用的范圍內(nèi)。

與帶支撐框架相比，帶木基結(jié)構(gòu)墻板框架在試驗前期，墻板幾乎承擔了全部側(cè)向荷載作用，結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形量接近帶人字撐框架變形量，但該階段的荷載值僅為帶人字支撐框架的一半。在反復荷載作用下，部分墻板退出工作，墻板抗剪承載力持續(xù)降低。但是在大變形情況下，框架與木基結(jié)構(gòu)墻板變形越來越協(xié)調(diào)，整體工作能力不斷提高，彌補了墻板承載力的降低，結(jié)構(gòu)整體工作，形成穩(wěn)定的承載能力，結(jié)構(gòu)變形呈持續(xù)增長的態(tài)勢，結(jié)構(gòu)延性良好。

在與螺栓垂直方向施加橫紋自攻螺絲后，內(nèi)插鋼板螺栓連接梁柱式節(jié)點的承載能力與剛度得到提高，提高的幅度與梁柱節(jié)點的設計、自攻螺栓的排列和數(shù)量以及自攻螺絲的長度和位置有關(guān)。施加橫紋自攻螺絲后顯著提高了節(jié)點的延性性能。

3 配套技術(shù)

與木結(jié)構(gòu)建筑設計配套的計算軟件、連接件產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)設計手冊等都是不可或缺的結(jié)構(gòu)設計組成部分。

國內(nèi)木結(jié)構(gòu)建筑工程結(jié)構(gòu)計算方法有二種，一種是按現(xiàn)行國標或地方標準的手算計算書。對于3層及3層以下的平立面規(guī)則的木結(jié)構(gòu)建筑而言，采用文獻[2]規(guī)定方法進行抗震設計，手算具有可操作性，但是當結(jié)構(gòu)存在規(guī)則性問題或體型比較復雜需要按側(cè)向剛度分配法作整體分析時，手算就顯得力不從心了。

第二種采用國外MITEK軟件計算的設計文件，該軟件適用于各類木結(jié)構(gòu)建筑整體設計和構(gòu)件設計，但使用MITEK軟件尚需國內(nèi)建設技術(shù)主管部門認可。該軟件尚存在諸多需要與中國規(guī)范協(xié)調(diào)銜接的前后處理問題。雖然國內(nèi)部分用戶已購買了該軟件，但使用范圍受到一定限制。

國內(nèi)木結(jié)構(gòu)設計軟件的研發(fā)尚未提到議事日程。計算手段涉及木結(jié)構(gòu)建筑的推廣應用，開發(fā)中國適用的木結(jié)構(gòu)計算軟件應是當務之急。

國內(nèi)配套的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用手冊、企業(yè)的制品標準，僅見高承勇等編著的“輕型木結(jié)構(gòu)建筑設計”，附有構(gòu)件選用表；蘇州皇家編制的工程木制品、木結(jié)構(gòu)五金等企業(yè)標準。

著名的連接件專業(yè)生產(chǎn)廠SIMPSON公司[5]、MITEK公司的產(chǎn)品遍及木與木、木與混凝土、木與鋼以及木與砌體結(jié)構(gòu)中的連接中。

目前送審的木結(jié)構(gòu)建筑工程設計文件的深度一般都未達建設部《建筑工程設計文件編制深度規(guī)定》[6]，或存在設計文件不全，或存在設計深度不夠等問題，包括計算書、設計說明、平面圖、節(jié)點詳圖、連接件詳圖以及其他構(gòu)配件等。

國內(nèi)木結(jié)構(gòu)設計配套技術(shù)的開發(fā)力度尚不能滿足木結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的需求。

4 前景

國內(nèi)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑業(yè)從本世紀初起步，已具雛形，工程項目遍及全國各省市，應用于住宅會所、游藝設施、景觀小品和橋梁等建筑結(jié)構(gòu)中，也常見于仿古建筑中。

國內(nèi)科研院校、設計、木業(yè)聯(lián)手的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)理論研究、應用技術(shù)以及實驗研究的成果卓有成效地推動了中國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)事業(yè)的進展，當前國內(nèi)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的瓶頸是適用的結(jié)構(gòu)計算軟件、工程木制品、連接件等，建筑市場監(jiān)管機制也需要進一步配套和完善。

隨著現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)的進展、木結(jié)構(gòu)建筑日益廣泛的應用，木結(jié)構(gòu)研發(fā)將如同混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)一樣，終將顯示其在建筑結(jié)構(gòu)體系領(lǐng)域內(nèi)的不可或缺的價值。

[1]中華人民共和國建設部主編.木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(GB50005-2003)(2005年版). 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[2]上海現(xiàn)代建筑設計(集團)有限公司主編.輕型木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)程(DG/TJ08-2059-2009).上海：2009.

[3]木結(jié)構(gòu)規(guī)范修訂組.木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(GB50005)(征求意見稿)，2013.

[4]中華人民共和國公安部主編.建筑防火規(guī)范(GB 50016)(報批稿)，2012.

[5]SIMPSON.WOOD CONSTRUCTION CONNECTORS C 2011-2012.

[6]中華人民共和國建設部.建筑工程設計文件編制深度規(guī)定(2008板)，2010.

[7]中華人民共和國建設部主編.建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011-2010).北京：2010.

[8]康加華.輕型木結(jié)構(gòu)房屋力學性能與設計理論研究.上海：同濟大學博士學位論文，2012，4.