輕木-混凝土混合結構的研究綜述

高 兵 張洪艦

吉林建筑大學土木工程學院（130000）

2015年的《促進綠色建材生產和應用行動方案》提到“發展木結構建筑，促進城鎮木結構建筑應用”。2016年，住建部頒布的《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》提到“推廣綠色建材，提高綠色建筑的比例”。2017年，新的《木結構設計規范》（GB 5005—2017）頒布。新版《綠色建筑評價標準》（GB 50378—2019）指出，“綠色建筑是在全壽命周期內，節約資源，保護環境，減少污染，最大限度地實現人與自然和諧共生的高質量建筑”。可見，為響應綠色環保，實現可持續發展，近年來我國在政策、規范、宣傳等方面大力推動木結構建筑的發展和應用。

盡管政府和企業為木結構建筑的發展和推廣下了很多功夫，但效果并不明顯，城市中的多高層建筑很少采用木結構，鄉鎮的低層建筑也基本沒有木結構。鑒于此，文章將闡述其中原因，論述輕木-混凝土混合結構的優勢，并認為此結構在城鄉低層建筑中推廣應用具有可行性。

1 木結構的特點與不足

木結構是我國傳統的結構形式，已有幾千年的悠久歷史。其以梁柱為承重受力體系，通過榫卯連接，以巧奪天工的設計建造而成，是集歷史性、藝術性和科學性于一身，具有極高的文物價值和觀賞價值[1]。木結構建筑發展至今，已進入現代木結構建筑的新發展階段[2]。木材作為傳統的天然建筑材料，易于再生，綠色環保，符合當下節能減排和可持續發展的方針策略。木結構建筑有如下幾個特點。

1.1 抗震性能

地震作用與結構重量有關，相較于鋼筋混凝土與鋼結構，木結構自重輕，產生地震作用小。另外，木結構房屋整體具有良好的韌性和塑性能力，在日本多震地區木結構應用廣泛，因此木結構具備良好的抗震性能。

1.2 保溫隔熱性能

由于獨特的構造特點，木材導電、導熱性低，具有良好的保溫、隔熱、絕緣的性能。

1.3 節約能源，綠色環保

木結構的能源消耗、碳排放、水污染相比主流建筑結構都是最低的。雖然木行業的發展必然導致林區的大片損失，但只要做好可持續管理，利用木材可再生特性，這些影響都是短暫的。綜合考慮，木材具有綠色環保的特點。

1.4 施工方便快捷

木材易加工，可根據要求制作成各種形狀；木材輕，運輸安裝無需大型設備。同時，木結構的樓梯、桁架、墻體等可預制，設計靈活，不僅能夠滿足各種結構用途，還能夠縮短施工工期。除了上述主要特點外，木材還有諸如裝配化程度高、建筑美觀舒適等優勢。

我國解放初期，由于大規模建設發展的原因，木材需求量大，被過度砍伐，而且沒有注重木材資源的可持續發展，致使木材資源瀕臨枯竭。雖然近些年采取了退耕還林政策，我國的森林面積、森林覆蓋率逐年增長，但優質的林材品種偏少，材質偏低，使得我國木材大部分來從國外進口。木材數量上，成本過高，不足以支撐當代城市的建設需求，縱使木結構建筑擁有上述突出優點，但難以被普通大眾所接受。在《木結構設計標準》（GB 50005—2017）中規定，輕型木結構的層數不宜超過3層。考慮到我國人多地稀的實際情況，輕型木結構建筑在我國的推廣應用受到了極大的限制。

2 輕木-混凝土混合結構的可行性

由于我國人多地少的特點，希望用木材建造更高的建筑。《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014）擴大了輕型木結構的適用范圍，由原來“木結構建筑不允許超過3層”變更為“允許建造7層、高度為24 m以下的木結構組合建筑,其中木結構的層數不應超過3層”，以滿足人們的居住需求。所以在城鄉地區的低層建筑中,輕木-混凝土混合結構或將是一種可行的構造形式。

現階段，不管是臨街小區的門面房，還是老城改造，或是城區擴建，為了盡可能地提高資源利用率，滿足現代生活需要，很多的建筑都是下商場上住房的結構。這種建筑底層的高度、開間和進深的設計靈活度較大，往往需要較大的空間，因此若采用輕型木結構會受到一定的限制，會削弱結構整體的抗震性能，導致地震作用下由于底層的損壞而使整個結構倒塌。因此當低層需要較大使用空間，用鋼筋混凝土結構來代替輕型木結構是合理的。此外，底層木結構容易受潮、蟲侵，而鋼筋混凝土結構可以有效避免這樣的問題。若上層使用輕型木結構，由于可以在工廠預先完成房屋的桁架、墻體等構件，將構件送至工地可直接進行拼裝組合，能夠短時間內完成一棟房屋的建造，工業集成化程度高，符合當下裝配式建筑的工業化要求。同時木結構對地基的負荷大大降低，增加了建筑面積，為土地、環保等問題提供了可持續的解決方案，既順應了時代建筑潮流，又降低了對底層承重的要求。

從另一方面來說，輕木-混凝土混合結構是輕型木結構與鋼筋混凝土結構兩種結構優點的折合。在低層使用鋼筋混凝土結構，不僅降低了木結構房屋的整體造價，同時滿足了防潮、防水等要求。在上層使用木結構，不僅能夠減少施工工期，且對周邊環境污染較少，也順應了綠色環保的建筑理念，減少了廢棄物的污染，提高了建筑裝配率，既滿足了經濟要求，也響應了國家號召。

3 輕木-混凝土混合結構國內外應用

盡管《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）中明確了輕型木結構混合結構的定義和允許的建造規模，但由于我國對現代木結構的研究相對較晚，在近些年才逐漸興起，所以這種輕木-混凝土混合建筑仍處在探索階段。雖然我國現階段還沒有“4+3”的組合結構（下4層混凝土結構，上3層輕木結構），但也有輕木-混凝土混合結構成功的例子。

成都青白江華嚴小學，是成都市第一棟采用輕木-混凝土混合結構的小學教學樓。該教學樓采用了“1+2”混合結構建筑形式，底層為混凝土澆筑用作商鋪，2~3層為輕型木結構搭建，為小學所在地。建筑面積共計869 m2。國內還有一些工程在探索“1+3“的混合結構，但規模不大，也說明了這種類型結構具有可行性但當前還處于不成熟階段。

加拿大不列顛哥倫比亞建筑規范（British Columbia Building Code.簡稱BCBC）最早的木結構建筑層數為4層，2009年加拿大BCBC規范把木結構的建筑層數從4層提高到6層。2019年3月，BC省允許木結構建筑的層數從現有的6層擴展到12層，規范于2020年生效。可見，國外的木建筑技術比我國成熟許多。2009年，美國西雅圖建成的名為“Marselle”的7層輕木-混凝土組合結構公寓（2+5）。該建筑下部2層為混凝土結構，上部5層為輕型木結構[3]。美國2017年完工的“The Heights”公寓是一棟6層樓的混合建筑（1+5）。這棟建筑的地下車庫與一層的店鋪采用混凝土結構，而5層住宅則采用輕型木結構。當然國外像這樣的混合結構還有很多，由國外成功案例可見，輕木-混凝土混合結構在我國存在發展潛力。

4 我國對輕木-混凝土混合結構的研究

當底層鋼筋混凝土框架結構的抗側剛度足夠大時，可視作剛性基礎，輕型木結構房屋坐落其上，因此可把輕型木結構房屋作為獨立的結構進行分析計算。這種分開的分析和構造并不復雜。根據現有的規范標準就可以解決相應的問題。當底層剛度不是足夠大時，這種上柔下剛的混合結構體系在地震作用下，如何準確合理地計算上部輕型木結構的地震作用力是研究的重點。

熊海貝[4]等人對“1+2”的3層輕木-混凝土混合結構振動臺試驗，模型總高8.8 m。上部輕型木結構與下部混凝土結構采用螺栓連接。該試驗以不同上下剛度比為依據設計試驗模型，試驗過程選取了Taft地震波、El Centro波和上海人工地震波SHW2。結果表明，隨著震動的增大，上部兩層木結構有所損壞，混凝土框架損壞很小。木結構的損壞多是釘連接節點的破壞，而釘連接節點在破壞前往往發生了較大的變形，這個過程消耗了地震的能量，因此輕木-混凝土混合結構具有良好的抗震性能。上部輕型木結構的地震反應隨著上下剛度比的增大而減小。

李英俏[5]通過有限元分析得出混凝土結構、輕木結構的上下剛度比較大時，可按底部剪力法將上下結構分開進行結構抗震設計，但對輕型木結構分析時，需考慮下部混凝土框架結構對上部的影響。此影響用地震作用放大系數來考慮，取值與上下結構剛度比有關，上下剛度比越大，放大系數將越小。

5 結語

通過對輕木-混凝土混合結構進行系統的分析和總結，該混合結構在未來的發展推廣過程中仍存在有待解決的問題。

上部輕型木結構的地震作用力仍是輕木-混凝土混合結構研究的關鍵所在。雖然熊海貝等人的試驗以能反映實際“單戶木結構房屋”典型特點的結構作為研究對象，但由于試驗設備的局限性，試驗模型的尺寸小于實際房屋。即便能夠研究出其規律，但并不能完全代表實際情況。故應加強對輕木-混凝土混合結構的研究，使其更符合實際情況。同時，模型不僅限于“1+2”，應使模型更符合我國當下的人多地少的現狀，并加強對有限元軟件的應用，建立更為簡便的房屋整體模型。

我國鋼筋混凝土結構應用較廣，其設計方法、評價體系比較成熟完善。輕型木結構的設計、規格、材料的生產與評價體系還不完善，這也阻礙了輕型木結構建筑的推廣和應用。輕木-混凝土混合結構要想得到廣泛運用，離不開國家和當地政府的引導和支持。在不斷完善規范、設計方法的同時，政府可通過建設示范區來向城郊和鄉鎮的低層建筑進行推廣輕木-混凝土混合結構建筑，從而提高我國的輕木-混凝土混合結構建筑的建造水平，并提高裝配率。