我國穿斗式木結構建筑研究現狀與發展建議*

付 帥 陳澤華 楊小軍 王佳陽 劉嘉敏

（南京林業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037）

我國具有悠久的建造和使用木結構建筑的歷史，創造了輝煌的木結構建筑文化。傳統木結構建筑形式多樣，就現存古建筑和保留傳統構造的地方民居來看，抬梁式木結構和穿斗式木結構的應用最為普遍[1]。其中穿斗式主要用作民居，具有建造工藝簡便、建筑成本低、取材方便等特點，是我國古代民間廣泛采用的建筑結構形式[2]。隨著時代的變遷，新型建筑材料大量涌現，以穿斗式木結構為代表的傳統木結構建筑逐漸被鋼筋混凝土結構、鋼結構及混合結構的現代建筑取代。如何更好地繼承和發揚傳統木結構建筑建造技術，是我國木結構專家學者關注的焦點。

1 穿斗式木結構特點

穿斗式木結構的建造特點是沿著房屋的進深方向排列立柱，柱子的間距較小，柱子頂端與檁條相連，承受檁條所傳來的荷載。不使用架空的抬梁，而以穿坊穿過木柱連接各個柱子，即在立柱上開孔，貫穿數根橫木，形成一榀木構架。每兩榀木構架之間用斗枋連接，形成一個穩定的空間骨架[3]。抬梁式木結構主要通過柱子將梁抬起，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，形成一個穩定的房屋結構[4]。由于沒有了橫梁，穿斗式木構架中檁條和屋頂的重量直接由柱子承擔，因此立柱的排列較密，開間相比抬梁式建筑要小，通常用于普通民宅。

穿斗式木結構節點采用榫卯連接，由榫頭和卯口組成。榫卯節點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，表現出較強的半剛性特性。榫頭和卯口在地震過程中會出現一定的摩擦變形，吸收部分地震能量，減少建筑結構的地震響應[5-6]。

2 研究現狀

2.1 抗震性能

國內學者對木結構建筑的抗震性能與節點加固修復做了諸多相關研究，并取得了重要成果。抗震性能測試方面，薛建陽等[7]通過振動臺模擬地震試驗對穿斗式木構架進行抗震性能測試，發現穿斗式木構架具有良好的整體變形能力和抗倒塌能力。滕睿等[8]運用現場脈動測試對3棟川南穿斗式木構架民居進行研究，發現不同類型的填充墻均可減小結構的基本自振周期，同時增大結構的阻尼，能起到良好的抗震作用。抗震性能模擬方面，黃舜等[9]運用SPA2000軟件對穿斗式木構架結構部件組成、結構受力和傳統施工工藝等進行分析，建立抗震計算模型，發現穿斗式木構架自振頻率和最大位移隨榫卯節點剛度的變化而變化。

2.2 防火性能

傳統穿斗式木建筑在整體布局上以連片集中為主，房屋間距過小，火災一旦發生，常常出現連片燒毀的現象，危害極大。Firmanti等[10]對木梁在受火狀態下的受力性能進行試驗研究，發現持荷比與炭化深度及質量損失成正比，與木梁的耐火極限成反比。Anita等[11]對受彎木構件的耐火性能進行試驗研究，建立了木構件在耐火環境下載荷比和失效時間之間的關系模型，發現受火狀態下木構件的失效時間與強度無關，臨界強度取決于木構件本身的強度等級。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合實木門，通過耐火極限性能測試，發現其理化性能明顯好于普通實木門，對于穿斗式木結構建筑中防火木門的選擇具有一定參考價值。

2.3 木構件加固

穿斗式民居在使用過程中，由于木材本身存在易開裂變形等缺點，加上自然環境對木構件的侵蝕，導致木構件性能下降無法達到正常使用的標準，因此需要采用增強措施對木構件進行加固處理[13]。近年來關于木構件加固的研究主要集中于碳纖維材料加固，徐明剛等[14-16]運用碳纖維增強復合材料(Carbon Fibre Reinforced Plastic，CFRP)對木構件進行加固，測試其軸壓承載力、受彎承載力、抗壓剛度等，發現碳纖維材料能夠大幅提高木構件的承載性能，具有良好的加固作用。這些研究可以為古建筑木結構的保護和修復提供參考。

3 現存問題

3.1 工藝相對落后

傳統穿斗式木結構建筑修建過程包括選址、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驗進行施工，房屋質量難以得到保證。大部分木構件依靠人工截取和打磨，加上傳統作業工具簡單粗糙，導致木構件精度較差，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人經驗，集中施工區域原材料供應不足，以至于材料選用標準降低，難以滿足建造要求。梁、柱等主要結構用材的基本屬性和各項物理性能指標均無規范可依，難以形成工業化、系統化的建造模式。

3.2 容易發生火災

在傳統穿斗式木結構建筑中，木構件基本沒有經過任何阻燃處理，加上建筑密度較大，引起火災的自然因素眾多，從而導致火災時常發生。木結構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長時間風干和暴曬，含水率降低，木質疏松，在氣候干燥時節容易發生火災；在結構形式上，穿斗式木結構房屋大多采用薄木板做墻體和樓板，火災發生時極易出現快速燃燒現象，并伴隨大量熱量的釋放，加上穿斗式住宅本身南北通透，空氣流動性較好，極易釀成大型火災；在建筑布局上，傳統木結構建筑具有連片集中的特點，房屋間距過小，難以滿足安全距離的要求，一旦發生火災，嚴重增加了救援難度，大火會很快引燃相鄰建筑物，火勢蔓延開來，后果不堪設想[17-18]。

3.3 結構穩定性差

傳統穿斗式民居大多簡單粗糙，導致建筑在服役過程中會出現部分結構不穩定的現象。首先，穿斗式木結構中榫卯連接只是將榫頭插入預留卯口，并未對節點進行任何加固處理，當豎向荷載增加時，榫頭將產生豎向位移和轉動，榫頭和卯口之間的靜摩擦轉化為動摩擦，加上榫卯節點的承載能力、榫頭長度、卯口深度等諸多因素影響，從而出現拔榫、節點松動等現象，對結構整體穩定性不利[19-20]。其次，圍墻與木柱之間多采用墻體覆蓋柱的形式，在地震發生時，由于墻體和木柱的動力特性存在差異，容易發生相互碰撞，造成墻體開裂或倒塌。此外，柱腳大多平置浮擱于基礎石墩之上，僅依靠柱腳和石墩之間的摩擦力維持穩定，使得柱腳在地震后易出現滑移和脫落[21]。傳統穿斗式木結構房屋還存在屋頂過重過大、木構架之間配合不緊密等問題，這些均對房屋安全性構成嚴重威脅。

4 發展建議

4.1 應用建筑新材料

隨著工業技術的發展，大量工程用木材出現，憑借良好的物理力學性能和穩定性能被廣泛應用于建筑工程中。梁和柱作為主要結構構件可以選用強度設計值更高、材質更加均勻的膠合木，其綠色環保、力學性能優良、工業化程度高，且防腐防火性能好于普通木材，能有效減少火災和木材腐蝕等。樓板、墻板可以選用定向刨花板，其尺寸穩定性好、材質均勻、抗彎強度高，還具備保溫隔熱、生命周期能耗低等特點，既保證了建筑的使用安全，又有利于環境保護[22]。屋面防水對木結構建筑十分重要，建筑物除了鋪設望板、瓦片等材料以外，還需要增設防水層，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

傳統穿斗式民居建造技術有限，加上自然環境對房屋的侵蝕，均會影響木結構建筑使用安全性，故需要對木結構建筑進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，當前用于木結構建筑的主要阻燃處理技術包括化學改性、表面涂敷和浸漬處理等。對外露的梁柱構件，選用不燃或難燃材料包裹在木構件外側，以起到阻燃作用。除此之外，在木構件與墻體之間的空腔中增加擋火構造，阻擋火焰或高溫氣體通過墻體或構件上的孔或縫隙進行傳播，以提高建筑的防火性能[23]。防蟲處理方面，在現代穿斗式木結構的建造過程中，主要采取滅治和預防兩種防蟲處理方式。滅治指的是在蟲蟻嚴重地區采用化學藥物進行蟲蟻滅殺，采用的藥物有氟蟲晴、吡蟲啉等。預防處理則選用防蟲藥物對木材進行噴灑，對蟲蟻起到驅逐作用，藥物選擇均應確保對人體無害、不易燃、無異味等。

4.3 引入裝配新技術

裝配式木結構建筑是指主要的木結構承重構件、木組件和部品在工廠預制生產，并通過現場安裝而成的木結構建筑[24]。在建造過程中，將傳統穿斗式木結構建造工藝與現代裝配式建造技術相結合，將房屋按照使用功能劃分為若干個單元，每個單元事先在工廠進行預制，隨后將預制好的單元運到施工現場，在地面上先對其進行預排列搭建，在此過程中組裝人員在屋架對應構件處安裝吊點，最后進行整體吊裝和現場搭建，安裝方便快捷[25]。隨著國家政策的大力扶持與推進，裝配式木結構建筑乃至整個裝配式行業將會迎來空前發展。

5 結語

穿斗式木結構建筑具有建造工藝簡便、抗震性能好、建造成本低等優點，被廣泛應用于我國古代南方地區，但是隨著社會經濟的大力發展和人民生活水平的普遍提高，因其開間小、防火設施落后、節點連接不牢靠等缺點，已不能滿足現代人的居住要求。在國家倡導大力發展綠色建筑的時代背景下，應通過繼承老一輩優良的傳統木結構建筑建造工藝和學習國外優秀的建造技術和設計理念，同時迎合國家裝配式設計建造發展大環境，努力擴大服務范疇，運用新材料與新技術，提高房屋建造質量與效率，爭取盡早實現現代穿斗式木結構的模塊化建設，推動傳統木結構的現代化發展，為人類提供更加舒適的居住環境。