輕型木結(jié)構(gòu)建筑選材及結(jié)構(gòu)分析

嚴(yán) 睿 趙 港 田芳芳 馬艷梅

（北京科技大學(xué)天津?qū)W院 天津市 301830）

1 輕型木結(jié)構(gòu)的起源及發(fā)展

現(xiàn)在世界上很多國家都在大力發(fā)展輕型木結(jié)構(gòu)建筑，在美國，其在木結(jié)構(gòu)建筑當(dāng)中的耗材比要占到美國木材生產(chǎn)總量的60%。日本的住宅大多為輕型木結(jié)構(gòu)建筑，并處在整個(gè)建筑行業(yè)的領(lǐng)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(jié)構(gòu)建筑多以重型木結(jié)構(gòu)為主，在建筑耗材上偏大，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，建筑施工周期長。建國后，由于我國木材成品少，人口基數(shù)相對(duì)較多，因此政府實(shí)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(jié)構(gòu)以及磚混結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致我國木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展停滯不前。近幾年來，我國開始提倡綠色環(huán)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(jié)構(gòu)建筑物的需求也愈加高漲。最近的研究表明，木結(jié)構(gòu)建筑相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等在能耗、環(huán)保、抗震等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[2]，雖然我國木材資源稀少，但現(xiàn)階段國家鼓勵(lì)木材進(jìn)口，如北京、上海等地已經(jīng)有成品的輕型木結(jié)構(gòu)建筑投入使用。

2 輕型木結(jié)構(gòu)

輕型木結(jié)構(gòu)建筑是把構(gòu)件斷面較小的面板和規(guī)格材緊密連接組成的。

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

3 選材分析

本項(xiàng)目擬建于天津市武清區(qū)，根據(jù)天津市地質(zhì)勘察報(bào)告以及水文條件，建設(shè)地點(diǎn)在地理位置上位于中緯度歐亞大陸東岸，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱，所以在選材上應(yīng)當(dāng)注意防火及防風(fēng)化。

木材的選擇有以下幾種：

（1）規(guī)格材

規(guī)格材是一種實(shí)心鋸材，是按照規(guī)定的尺寸以及模數(shù)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(jié)構(gòu)建筑用材，在制作時(shí)分為兩種尺寸，一為固定尺寸，二為非固定尺寸，因其設(shè)計(jì)尺寸不同，所以在建筑的應(yīng)用類型上也會(huì)有一定的區(qū)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(jié)構(gòu)的屋蓋和樓蓋。根據(jù)屋蓋桁架不同的屋面形狀，會(huì)形成不同的坡度。

（4）木基結(jié)構(gòu)板材

木基結(jié)構(gòu)板材是一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通常作為輕型木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)板材，用以表示和不承重構(gòu)架的區(qū)別。

3.1 屋頂屋蓋的設(shè)計(jì)及選材

在輕型木結(jié)構(gòu)的屋頂設(shè)計(jì)中，規(guī)格材椽木和屋頂?shù)臄R柵主要用于普通的負(fù)載和跨度，在擱柵和椽木的預(yù)制時(shí)最長長度不可超過12m。此次工程選擇規(guī)格材，將其制作成輕型木桁架，用于輕型木結(jié)構(gòu)的屋蓋和樓蓋。規(guī)格材機(jī)械應(yīng)力與材料的性質(zhì)在《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50005—2017）中屬于軟材，其強(qiáng)度等級(jí)為TC17-TCll。屋頂覆層，可以增加屋頂?shù)膭傂?，支撐物面，在選材時(shí)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(jù)《建筑工程監(jiān)理工程一本通》以及相關(guān)驗(yàn)算，間距400mm厚度16mm符合國家標(biāo)準(zhǔn)，且能夠更好地加強(qiáng)屋頂?shù)膭傂?，防止垮塌?/p>

在樓頂?shù)慕ㄔO(shè)過程中應(yīng)當(dāng)鋪放防水卷材，并在木材的表面涂抹防水油漆，防止?jié)B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(shè)光伏電板用以發(fā)電，起到節(jié)能減排的作用，更能體現(xiàn)綠色環(huán)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?？梢猿休d豎向重力荷載和由風(fēng)和地震荷載引起的側(cè)向荷載的傳遞和承載。由于現(xiàn)階段房屋建筑中增加了保溫空間，所以墻骨大小設(shè)置為38×140mm，墻骨高度要延伸至整個(gè)樓層高度，以此來增強(qiáng)整體的支持強(qiáng)度。

表1為墻體的墻骨選材及相關(guān)數(shù)值。

表1

4 結(jié)構(gòu)分析

木結(jié)構(gòu)在抗震防震方面更優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)房屋，本工程主體框架選材為進(jìn)口的軟木材料。因?yàn)槟静木哂卸嗫仔再|(zhì)，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(huì)經(jīng)過加工處理，以便擁有更好地耐腐蝕性。

木桁架結(jié)構(gòu)體系和椽檁結(jié)構(gòu)體系是輕型木結(jié)構(gòu)建筑的主要屋架結(jié)構(gòu)，在我國現(xiàn)階段的木結(jié)構(gòu)建筑中一般都采用現(xiàn)場制作，現(xiàn)場搭建，這種方法的主要缺點(diǎn)是工期過長，耗時(shí)耗材，且工程質(zhì)量不能保證；而且在施工時(shí)更加考驗(yàn)施工人員的技術(shù)。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(gè)模塊到現(xiàn)場組裝，最大限度的減少環(huán)境污染。因國內(nèi)運(yùn)輸條件限制，所以在制作模塊時(shí)要考慮是否符合國家《道路大型物件運(yùn)輸管理辦法》。綜合場地條件以及經(jīng)濟(jì)高效、便利施工等條件，本次工程采用木桁架結(jié)構(gòu)體系。

屋頂構(gòu)建如圖1所示。

5 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

工程的材料及用量要作為重點(diǎn)考慮對(duì)象，目前導(dǎo)致輕型木結(jié)構(gòu)裝配式推廣緩慢的主要因素有兩點(diǎn)：

（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(shè)計(jì)初可采用BIM技術(shù)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(shù)在模塊制作時(shí)也可加速模塊的研發(fā)與制作。

圖1 屋頂三維模塊

6 展望與總結(jié)

文中設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和選材還沒有通過結(jié)構(gòu)實(shí)例以及力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于施工和使用的效果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。隨著我國人民生活質(zhì)量的不斷提高，建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，輕型木結(jié)構(gòu)裝配式建筑作為一種簡易化交易建筑將會(huì)得到更好地發(fā)展。大創(chuàng)項(xiàng)目：“基于建筑信息模型的輕型木結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)研究”（201913898016）。