新型木构建筑的结构表现研究

■赵树强 ■云南省城乡规划设计研究院，云南 昆明 650228

1 木材作为建筑材料的使用特点

1．1 更好的抗震性

抗震是建筑结构的必要需求，调查中，木结构“墙倒屋不塌”的现象就足以证明木结构房屋较好的抗震性;同时，木结构自身质量较钢筋混凝土、钢结构及砌体结构等均较小，地震反应也随之降低。本文认为具有较好抗震性能的木构建筑，将引领别墅休闲住房新潮流，特别是在我国西南高烈度地区。下文案例将详细分析，如何通过计算荷载要求，合理安排木构建筑的结构。

1．2 比其他建筑材料更节省成本

木材取材于自然，除了昂贵珍稀的树种外，普通建筑用木材相比钢筋混凝土和石材要价格便宜。木材能降低成本的另一个原因是，相同体积的木材要质量轻，在运输、搬运、切割、加工过程中，更节省人力物力。

1．3 环保

首先，木材是可再生资源，其生产过程，绿色环保，只要做到合理砍伐和耕种，不要过度砍伐，就能做到永续使用。但是水泥石砂在生产过程中，会消耗不可再生资源，生产过程本身也会造成大量的环境负担。另一方面纯木加工工序少，在交付使用后，不会长期的散发甲醛等污染有毒气体，是相对健康环保的绿色材料。

1．4 隔热保温效果好

木材本身导热性能差，可以起到冬暖夏凉的效果。

1．5 便于再生利用

木结构为装配式结构，木构件可方便搬运、拆迁、组装。所有拆迁废料便于降解处理，或者还可以再次利用，从而减少浪费，降低对环境的压力。

1．6 怕火易燃和易受虫蚁侵害

但是木材建筑并非没有缺点。首先，木材易于燃烧，必须进行防火处理。否则整片的木构建筑一旦发生燃烧，将给人民财产安全带来威胁。2005年贵州苗寨地区发生过一家起火，整个村庄片瓦不存的事故，因为苗寨地区全部是纯木结构的房屋。2014年香格里拉独克宗古城毁于火灾留下深刻教训。另一方面，木材容易被虫蚁侵害，例如在甘肃等地农村的木构房屋，曾经发生过白蚁吃空房梁的案例。因此木材用于建筑，不论是外墙内墙，都需要进行防火防蛀处理。

2 以中信．星耀水乡项目别墅工程为例，分析木构建筑的结构

中信．星耀水乡项目地处云南省昆明市嵩明县杨林镇，为高端旅游休闲度假项目。区域内，水系纵横，生态环境优越，整个别墅建筑在自然风光的基础上，采用纯木结构设计，即以木材作为主要承重荷载，支持建筑物基本形态。采用木构建筑，体现生态、休闲主题的同时，满足结构承载、抗震等要求，确保建筑安全可靠。

本项目建设场地地质条件较差，为深厚泥炭质土，25米深度范围内无适合的桩端持力层，为四类建筑场地。同时，该地区抗震设防烈度为8度0．30g，地震作用较大，如果采用传统的钢筋混凝土框架结构或抗震墙结构，梁、柱、墙断面较大、配筋量较大，整个建筑结构自重较大，基础投入较大，且难以实现建筑师要求的轻松、舒适的建筑风格;经过对比论证，别墅采用北美轻型木结构房屋体系，承重结构为SPF墙体体系，从楼屋面到墙体均采用SPF成品构件装配，结构构件尺寸较小、自重较轻、抗震性能较好，基础造价大大降低，大大提高了建筑的舒适型、实用性和经济性。

基于以上定位，中信嘉丽泽别墅的A户型的木屋计算书摘要如下。

恒荷载:按照楼面屋面墙体实际材料，即木材本身的性质进行计算。

活荷载限值:卫生间、卧室和楼梯2．0kn/m2;不上人的屋面0．5kn/m2;露台2．5kn/m2。

风荷载:基本风压为0．30，C类粗糙度，高度系数为1．0;风振系数1．0，体型系数按照规范选取。

结构计算采用加拿大WoodWorks软件计算，并按《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)进行复核验算。结果均满足规范要求，主要结构平面及节点设计如CAD图。

右图为中信嘉丽泽别墅的实景照片，在实现建筑功能的抗震承重之外，使用轻型木结构，造型小巧紧凑，能较好实现建筑功能、控制造价，并且实现了美观与生态。

3 新型木构建筑的结构表现

3．1 木构建筑的基本结构在现在

基于以上中信嘉丽泽别墅的建筑结构分析，可以看到，木结构在当今仍然具有使用意义。中国传统木结构建筑中最常见的梁柱结构，能够很好的满足承重荷载以及抗震性要求。虽然通常情况下，木结构建筑保存时间要比石材建筑短，容易被侵蚀。但是我国最传统的木结构，紫禁城的太和殿，屋顶采用十一间柱的方式搭建，已经保存了数百年之久。使用梁柱结构建成的建筑物从外观上错落有序，秩序简洁。

除了梁柱结构，古代木结构建筑还有穿斗室，即用一根穿枋把一排排的柱子穿连起来成为排架，然后用枋、檩斗接而成，故称作穿斗式。穿斗式结构小巧紧凑，能有效利用体型教小的原木，可以作为梁柱结构的有效补充。

右图为该别墅完工前的木构建筑图。我们可以看出，北美轻型木结构体系，没有传统意义上的梁柱，楼、屋面及墙柱体系均为小尺寸成品SPF构件排列组合，形成空间结构体系。门窗等洞口周边进行了重点加强，确保承受竖向荷载及水平地震力、风荷载的同时，有效传递上述荷载，而墙体柱在一楼和二楼之间，保持数量和结合点一致。这种结构小巧紧凑，合理利用了木材，承重效果也好。

在新型木结构建筑的结构中，梁柱结构，穿斗结构，也都被广泛使用。其中梁柱结构可以用于别墅、会所的所修建，中间穿插穿斗结构，合理利用零碎边角空间。

传统梁柱结构在使用上尤其局限性。首先，按照梁柱结构要求，要建盖大空间大型建筑，需要消耗足够多，足够大的原木，而这种原木成长耗时长，难以找到或价格昂贵。为此本文认为，现代胶合技术和链接技术，西方木框架结构，是对梁柱结构的有效补充。

3．2 将现代新型工艺技术和材料融入木构建筑结构设计

传统木构建筑中，以木材承担主要荷载，而在木材衔接固定技术方面，也研发了很多成熟技艺。例如上文中中信嘉丽泽使用螺旋和钢板连接节点。这就现代工艺的应用。

现代居住型建筑，因为要满足上下水、电路、现代家居装修的要求，而在基础建筑的牢固性方面提出新的要求。这个时候，传统木结构配合现代力学推算，并辅助以钢筋、螺旋等建筑材料，就可以实现传统与现代的完美结合。

现代胶合技术，创造出胶合木，给木结构建筑更多可能性。胶合木能形成不同弯度曲度的重木，对于体育场、剧场来、游乐场等地点来说，用胶合木打造拱形结构，有别于传统的梁柱结构，能合理的利用木材，且能够制造出奇幻的空间感。

3．3 学习和借鉴国外木构建筑的结构与传力方式

而国外很多地方，也和中国一样，长期的采用木构建筑，并积累出自己的经验。本文认为，北美木SPF新型木结构房屋，在设计建造方面有其巧妙之处。

北美新型木结构，木构件细小、尺寸规范、间隔紧密。大多数的框架由三个部分组成:构成墙壁骨架的垂直墙骨;构成楼板的水平搁栅;以及支撑屋顶的椽木或衍架。当墙由斜撑木板或轻质木基板材而形成墙覆面板时，它具有了侧向抵抗力，并进而形成了一个剪力墙系统——轻质、高强、且建造效率高。所有部件共同支撑建筑物，使之可以抵抗重力、风及地震。实践证明，木结构在各种极端的负荷条件下，均表现出其稳定性和结构的完整性，即使强烈的地震使整个建筑脱离其基础，其结构也经常完整无损。木结构韧性大，对于瞬间冲击荷载和周期性疲劳破坏有很强的抵抗能力，在所有结构中具有最佳的抗震性，这一点在许多大震区已得到充分证明。在日本1995年的神户大地震中，保留下来的房屋大部分是木结构的房屋。

对比起来，中国的梁柱机构，在墙体上，要使用大量原木，尤其是修建两层或多层木结构建筑，将消耗大量原木。而北美的SPF木结构体系，在原木使用上更加节省，而不降低荷载和抗震性。为此，本文认为，从节约木材的角度考虑，可以结合北美的木框架房进行木结构建筑。

综上，本文认为，纯木结构的建筑相比混凝土与石材建筑具有明显的优势，未来必然会在休闲产业中兴起，并引领新的建筑潮流。而在设计木构建筑的结构时，既要考虑我国传统的梁柱结构，也要结合现代胶合、螺旋链接技能，同时参考北美木框架结构，以实现节约木材功能的同时，满足抗震承重要求。

［1］中国木结构建筑形成与西方木结构比较，地理科学与规划学院09级城市规划专业，谢卓然，2012年．

［2］EPA(美国环境保护署)，Residential Air Cleaners(Second Edition):A Summary of Available Information，EPA 402-F-08-004，may 2008．

［3］杨帅，张吉光，任万辉．自然通风对装修材料污染物散发的影响，《洁净与空调技术》2007(3):50-53．