新型木構建筑的結構表現研究

■趙樹強 ■云南省城鄉規劃設計研究院，云南 昆明 650228

1 木材作為建筑材料的使用特點

1．1 更好的抗震性

抗震是建筑結構的必要需求，調查中，木結構“墻倒屋不塌”的現象就足以證明木結構房屋較好的抗震性;同時，木結構自身質量較鋼筋混凝土、鋼結構及砌體結構等均較小，地震反應也隨之降低。本文認為具有較好抗震性能的木構建筑，將引領別墅休閑住房新潮流，特別是在我國西南高烈度地區。下文案例將詳細分析，如何通過計算荷載要求，合理安排木構建筑的結構。

1．2 比其他建筑材料更節省成本

木材取材于自然，除了昂貴珍稀的樹種外，普通建筑用木材相比鋼筋混凝土和石材要價格便宜。木材能降低成本的另一個原因是，相同體積的木材要質量輕，在運輸、搬運、切割、加工過程中，更節省人力物力。

1．3 環保

首先，木材是可再生資源，其生產過程，綠色環保，只要做到合理砍伐和耕種，不要過度砍伐，就能做到永續使用。但是水泥石砂在生產過程中，會消耗不可再生資源，生產過程本身也會造成大量的環境負擔。另一方面純木加工工序少，在交付使用后，不會長期的散發甲醛等污染有毒氣體，是相對健康環保的綠色材料。

1．4 隔熱保溫效果好

木材本身導熱性能差，可以起到冬暖夏涼的效果。

1．5 便于再生利用

木結構為裝配式結構，木構件可方便搬運、拆遷、組裝。所有拆遷廢料便于降解處理，或者還可以再次利用，從而減少浪費，降低對環境的壓力。

1．6 怕火易燃和易受蟲蟻侵害

但是木材建筑并非沒有缺點。首先，木材易于燃燒，必須進行防火處理。否則整片的木構建筑一旦發生燃燒，將給人民財產安全帶來威脅。2005年貴州苗寨地區發生過一家起火，整個村莊片瓦不存的事故，因為苗寨地區全部是純木結構的房屋。2014年香格里拉獨克宗古城毀于火災留下深刻教訓。另一方面，木材容易被蟲蟻侵害，例如在甘肅等地農村的木構房屋，曾經發生過白蟻吃空房梁的案例。因此木材用于建筑，不論是外墻內墻，都需要進行防火防蛀處理。

2 以中信．星耀水鄉項目別墅工程為例，分析木構建筑的結構

中信．星耀水鄉項目地處云南省昆明市嵩明縣楊林鎮，為高端旅游休閑度假項目。區域內，水系縱橫，生態環境優越，整個別墅建筑在自然風光的基礎上，采用純木結構設計，即以木材作為主要承重荷載，支持建筑物基本形態。采用木構建筑，體現生態、休閑主題的同時，滿足結構承載、抗震等要求，確保建筑安全可靠。

本項目建設場地地質條件較差，為深厚泥炭質土，25米深度范圍內無適合的樁端持力層，為四類建筑場地。同時，該地區抗震設防烈度為8度0．30g，地震作用較大，如果采用傳統的鋼筋混凝土框架結構或抗震墻結構，梁、柱、墻斷面較大、配筋量較大，整個建筑結構自重較大，基礎投入較大，且難以實現建筑師要求的輕松、舒適的建筑風格;經過對比論證，別墅采用北美輕型木結構房屋體系，承重結構為SPF墻體體系，從樓屋面到墻體均采用SPF成品構件裝配，結構構件尺寸較小、自重較輕、抗震性能較好，基礎造價大大降低，大大提高了建筑的舒適型、實用性和經濟性。

基于以上定位，中信嘉麗澤別墅的A戶型的木屋計算書摘要如下。

恒荷載:按照樓面屋面墻體實際材料，即木材本身的性質進行計算。

活荷載限值:衛生間、臥室和樓梯2．0kn/m2;不上人的屋面0．5kn/m2;露臺2．5kn/m2。

風荷載:基本風壓為0．30，C類粗糙度，高度系數為1．0;風振系數1．0，體型系數按照規范選取。

結構計算采用加拿大WoodWorks軟件計算，并按《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)進行復核驗算。結果均滿足規范要求，主要結構平面及節點設計如CAD圖。

右圖為中信嘉麗澤別墅的實景照片，在實現建筑功能的抗震承重之外，使用輕型木結構，造型小巧緊湊，能較好實現建筑功能、控制造價，并且實現了美觀與生態。

3 新型木構建筑的結構表現

3．1 木構建筑的基本結構在現在

基于以上中信嘉麗澤別墅的建筑結構分析，可以看到，木結構在當今仍然具有使用意義。中國傳統木結構建筑中最常見的梁柱結構，能夠很好的滿足承重荷載以及抗震性要求。雖然通常情況下，木結構建筑保存時間要比石材建筑短，容易被侵蝕。但是我國最傳統的木結構，紫禁城的太和殿，屋頂采用十一間柱的方式搭建，已經保存了數百年之久。使用梁柱結構建成的建筑物從外觀上錯落有序，秩序簡潔。

除了梁柱結構，古代木結構建筑還有穿斗室，即用一根穿枋把一排排的柱子穿連起來成為排架，然后用枋、檁斗接而成，故稱作穿斗式。穿斗式結構小巧緊湊，能有效利用體型教小的原木，可以作為梁柱結構的有效補充。

右圖為該別墅完工前的木構建筑圖。我們可以看出，北美輕型木結構體系，沒有傳統意義上的梁柱，樓、屋面及墻柱體系均為小尺寸成品SPF構件排列組合，形成空間結構體系。門窗等洞口周邊進行了重點加強，確保承受豎向荷載及水平地震力、風荷載的同時，有效傳遞上述荷載，而墻體柱在一樓和二樓之間，保持數量和結合點一致。這種結構小巧緊湊，合理利用了木材，承重效果也好。

在新型木結構建筑的結構中，梁柱結構，穿斗結構，也都被廣泛使用。其中梁柱結構可以用于別墅、會所的所修建，中間穿插穿斗結構，合理利用零碎邊角空間。

傳統梁柱結構在使用上尤其局限性。首先，按照梁柱結構要求，要建蓋大空間大型建筑，需要消耗足夠多，足夠大的原木，而這種原木成長耗時長，難以找到或價格昂貴。為此本文認為，現代膠合技術和鏈接技術，西方木框架結構，是對梁柱結構的有效補充。

3．2 將現代新型工藝技術和材料融入木構建筑結構設計

傳統木構建筑中，以木材承擔主要荷載，而在木材銜接固定技術方面，也研發了很多成熟技藝。例如上文中中信嘉麗澤使用螺旋和鋼板連接節點。這就現代工藝的應用。

現代居住型建筑，因為要滿足上下水、電路、現代家居裝修的要求，而在基礎建筑的牢固性方面提出新的要求。這個時候，傳統木結構配合現代力學推算，并輔助以鋼筋、螺旋等建筑材料，就可以實現傳統與現代的完美結合。

現代膠合技術，創造出膠合木，給木結構建筑更多可能性。膠合木能形成不同彎度曲度的重木，對于體育場、劇場來、游樂場等地點來說，用膠合木打造拱形結構，有別于傳統的梁柱結構，能合理的利用木材，且能夠制造出奇幻的空間感。

3．3 學習和借鑒國外木構建筑的結構與傳力方式

而國外很多地方，也和中國一樣，長期的采用木構建筑，并積累出自己的經驗。本文認為，北美木SPF新型木結構房屋，在設計建造方面有其巧妙之處。

北美新型木結構，木構件細小、尺寸規范、間隔緊密。大多數的框架由三個部分組成:構成墻壁骨架的垂直墻骨;構成樓板的水平擱柵;以及支撐屋頂的椽木或衍架。當墻由斜撐木板或輕質木基板材而形成墻覆面板時，它具有了側向抵抗力，并進而形成了一個剪力墻系統——輕質、高強、且建造效率高。所有部件共同支撐建筑物，使之可以抵抗重力、風及地震。實踐證明，木結構在各種極端的負荷條件下，均表現出其穩定性和結構的完整性，即使強烈的地震使整個建筑脫離其基礎，其結構也經常完整無損。木結構韌性大，對于瞬間沖擊荷載和周期性疲勞破壞有很強的抵抗能力，在所有結構中具有最佳的抗震性，這一點在許多大震區已得到充分證明。在日本1995年的神戶大地震中，保留下來的房屋大部分是木結構的房屋。

對比起來，中國的梁柱機構，在墻體上，要使用大量原木，尤其是修建兩層或多層木結構建筑，將消耗大量原木。而北美的SPF木結構體系，在原木使用上更加節省，而不降低荷載和抗震性。為此，本文認為，從節約木材的角度考慮，可以結合北美的木框架房進行木結構建筑。

綜上，本文認為，純木結構的建筑相比混凝土與石材建筑具有明顯的優勢，未來必然會在休閑產業中興起，并引領新的建筑潮流。而在設計木構建筑的結構時，既要考慮我國傳統的梁柱結構，也要結合現代膠合、螺旋鏈接技能，同時參考北美木框架結構，以實現節約木材功能的同時，滿足抗震承重要求。

［1］中國木結構建筑形成與西方木結構比較，地理科學與規劃學院09級城市規劃專業，謝卓然，2012年．

［2］EPA(美國環境保護署)，Residential Air Cleaners(Second Edition):A Summary of Available Information，EPA 402-F-08-004，may 2008．

［3］楊帥，張吉光，任萬輝．自然通風對裝修材料污染物散發的影響，《潔凈與空調技術》2007(3):50-53．