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    裝配式木結構建筑的應用現狀及展望

    裝配式木結構建筑的應用現狀及展望

    打印 0條評論來源:建筑工業化裝配式建筑網(ID:ind-building) 作者:林樹枝,施有志

    摘要


    為促進裝配式木結構建筑的發展,從環保、節能保溫、安全、可持續性、設計和施工等六個方面系統總結了裝配式木結構建筑的主要特征,基于木結構建筑在國內外的應用情況,總結制約我國木結構建筑發展的三個因素,最后指出裝配式木結構建筑在中國廣闊的應用前景,并對我國裝配式木結構建筑的發展提出建議,展望未來裝配式木結構建筑的發展趨勢。


    關鍵詞:裝配式;木結構建筑;現代木結構;輕型木結構;制約因素


    引言


    木結構是我國古代建筑中的一種結構體系,它以木構梁柱為承重骨架,柱與梁之間多為榫卯結合,以磚石為體、結瓦為蓋、油飾彩繪為衣,經能工巧匠精心設計、巧妙施工而成,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,已從傳統重木結構建筑進入現代木結構建筑的新發展階段[2]?,F代木結構中,因其可工業化的建造模式,提出了預制裝配式木結構建筑的說法[3]。在鋼材、混凝土、木材、石材四大常用建筑結構材料中,木材是唯一一種具有可再生特點的自然資源。中國正在大力推進生態文明建設,木材作為一種可再生的天然資源,制成工程木材后可高效利用。應用于建筑領域的工程木材主要包括層板膠合木(Glulam)、平行木片膠合木(PSL)、單板層積膠合木(LVL)、層疊木片膠合木(LSL)、正交膠合木(CLT)。這些工程木材可填補新型建筑材料、節能環保型材料的空缺,對節能減排、對建設行業的可持續發展有重要意義。木結構建筑是生態建筑的重要代表,為節能減排、綠色環保,減輕建筑在建造、使用、拆除的全生命周期內對環境資源的壓力,實現材料的循環利用和可持續發展,推廣應用木結構已越來越成為全社會的共識。楊學兵[4]系統地介紹中國《木結構設計標準》由20世紀50年代不斷發展至今的歷史過程,并對本標準歷次的修訂工作和修改的技術內容做出分析,并研究當前我國工程建設中木結構建筑的應用現狀,分析我國木結構建筑的未來發展趨勢;蔡紹祥[5]比較了傳統與現代木結構建筑在材料使用上的優缺點以及在應用中的解決辦法,為未來木結構建筑發展提供參考建議;陸偉東等[6]和婁萬里等[7]分別分析論述了膠合木結構和輕型木結構的應用領域并指出在中國廣闊的應用前景;徐偉濤[8]介紹木結構建筑的特點及其在北美和我國的發展概況,并對我國木結構建筑的發展提出建議;劉偉慶[9]和劉永健等[10]從材料性能及加工、構件性能及創新、連接性能與進展、體系研究與開發、防火研究及需求等五個方面系統總結我國現代木結構的研究進展,分析我國現代木結構的研究現狀、存在的問題與發展趨勢。


    基于此,本文首先從六個方面總結了裝配式木結構建筑的主要特征,再通過研究木結構建筑在國內外的應用情況提出三個制約我國木結構建筑發展的因素,最后展望了未來我國裝配式木結構建筑的發展方向與趨勢。


    1、裝配式木結構建筑的主要特征


    相較于鋼筋混凝土結構或其他結構的建筑,裝配式木結構建筑主要特征表現在以下六個方面。


    1.1 環保性能


    木結構建筑在生產環節、建設環節和拆除環節都體現了其環保性能。


    1.1.1 碳排放量最少


    木材、鋼材和水泥三種建筑材料的碳排放系數分別為30、6470和1220kgCO2/t[7]??梢娤噍^于鋼材和水泥,木材生產碳排放最少,不影響生態環境,而鋼材和水泥生產釋放的溫室氣體,為全球霧霾做出了巨大貢獻,帶來的環境污染有目共睹。


    1.1.2 環境污染最小


    (1)建設環節


    建設過程中鋼筋混凝土建筑產生的建筑垃圾要比木結構建筑多得多,且較難處理,對環境造成污染。


    (2)拆除環節


    木結構建筑拆除后的木材易于處理,可循環再利用,無需填埋占用耕地,不同于鋼筋混凝土和金屬結構材料在拆除后產生大量固體廢棄物。


    1.2 節能保溫性能


    由于木質的導熱系數小,木質墻體的保溫隔熱好,可大大減少為了保溫、隔熱而需要消耗的能量,因此木結構建筑的節能環保性能好。


    1.3 安全性能


    1.3.1 抗震安全性


    木結構建筑由于自身的質量小,地震時吸收的地震力也相對較少。木結構的韌性大,對于瞬間沖擊載荷和周期性疲勞破壞有很強的抵抗能力,可以吸收并消散能量。因此木結構的抗震性優良。


    1.3.2 防火安全性


    木結構構件的耐火能力,得益于碳化層的保護作用。在火勢兇猛的情況下木材通常以每分鐘0.7mm的速度碳化。碳化層自然地將木材與外界隔離并且提高木結構可承受的溫度。因此,在一場持續30min的大火中,膠合木的每個暴露表面只有19mm因碳化而損失,余下絕大部分原始橫截面則完整無損,其燃燒速度可控,這給人員的安全撤離提供了足夠的時間。


    木結構建筑還可通過安裝自動噴淋系統、增加防火間隔、控制建筑物之間的消防距離等措施,來提高防火能力。


    1.4 可持續性


    木材是唯一可以再生的建筑材料,具有重復利用的特點。只要科學管理,合理砍伐,就能以樹木的成才周期(少則5~6年,多則20~30年)為循環,周而復始地源源不斷地得到上等的、可持續利用的建筑材料。


    1.5 設計靈活、改造方便


    木結構設計靈活,能夠突破木材自身的尺寸限制,實現各種不同的設計。在施工過程中能夠隨時調整和更改空間布局、洞口位置,相較于鋼筋混凝土結構更易改擴建。


    1.6 裝配化施工


    工廠化生產、裝配化施工。木結構建筑大量構件能夠通過工廠預制成型,工地現場裝配,結構件和連接件的生產和施工可以在全年任何氣候條件下進行,施工周期只需同等規?;炷两Y構建筑的1/3~1/2[11]。減少了施工所需的勞動力,降低了操作強度,節省了勞動成本,提高了施工質量?,F代木結構建筑可進行的框架整體預制及剪力墻等大片板式構件預制,提高木結構建筑的工業化水平,推動了裝配式木結構建筑發展。


    2、木結構建筑在國內外應用概況


    2.1 國外應用概況


    在北歐、北美、日本、澳大利亞、新西蘭等發達國家和地區木結構的應用相當普遍,如住宅、體育館、機場、火車站、橋梁、游泳館、學校建筑、商業建筑、教堂、博物館等。


    2.1.1 住宅


    在北美,住宅建設衍生出集設計、制作、安裝、裝修、整體廚衛為一體的集成住宅產業,工廠標準化生產,工地現場安裝。北美輕型木結構住宅是一種將小尺寸木構件按不大于600mm的中心間距密置而成的結構形式(見圖1),占北美住宅的85%以上,無論是在東部還是西部,均可見到大量的木結構住宅。


    圖1 輕木結構住宅

    Fig.1 Light Wood Structure Residence


    2.1.2 體育館


    1981年建成的美國塔科馬穹頂體育館穹頂直徑162m,高出地面達45.7m,可容納觀眾達26000人。穹頂屋面的主要受力構件為414根截面尺寸為200mm×762mm的膠合木梁,每根膠合木梁根據穹頂表面的曲線被彎成曲線形,并通過金屬連接件連接形成球形的單層網殼結構(見圖2)。屋面檁條與曲線形膠合木肋梁搭接,屋面板采用2mm×6mm凹槽拼合的冷杉板覆面。


    2 美國塔科馬穹頂體育館

    Fig.2 Tacoma Dome Stadium,USA


    1997年建成的日本大樹海體育館采用雙向膠合木桿件和支撐構件組成的三維桁架結構,其長邊的上下弦桿與短邊桿通過方鋼管連接件和螺栓連接,形成一個178m(長)×157m(寬)×18.3m(高)的大跨度穹頂空間。屋頂的拱形構架是秋田杉木的構件,表皮采用聚四氟乙烯的白色半透明材料,與杉木構架的結合給人親切舒適的感覺,該體育館也成為當地的地標性建筑(見圖3)。


    圖3 日本大樹海體育館

    Fig.3 Dashuhai Stadium,Japan


    除上述大型體育館之外,木結構還經常用于籃球館、羽毛球館、溜冰館、網球館及健身中心等中小型體育設施中。


    2.1.3 機場


    菲律賓的Mactan-Cebu國際機場是目前亞洲第1個大跨度全木結構的國際機場。該機場屋面設計為跨度23m的全膠合木屋頂,面積達65000m2,如圖4所示。


    圖4 Mactan-Cebu國際機場

    Fig.4 Mactan-Cebu International Airport


    2.1.4 橋梁


    在國外木結構橋梁不僅應用于人行橋、景觀橋,還被用于大型公路橋,美國就有7%左右的公路橋都為木結構橋[6],如日本Karikobouzu公路橋、美國Alton Sylor Memorial橋和挪威的Tynset橋。其中2001年在挪威Hedmark縣境內建成的Tynset橋(見圖5),該橋共3跨,總長125m,跨徑組合為7.5m+27.5m+70m,主跨矢高為17.3m,其主拱肋縱向、橫向截面形式如圖6所示。


    圖5 挪威Tynset橋

    Fig.5 Tynset Bridge,Norway


    6 主拱肋縱向、橫向截面(單位:mm)

    Fig.6 Longitudinal and transverse sections of main arch ribs (unit:mm)


    2.2 國內應用概況


    2.2.1 貴州省黔東南州游泳館


    該游泳館用地為東西長132.4m,南北深112m長方形地塊,采用大跨度木拱屋架結構形式。上部屋蓋采用張弦木拱體系,跨度50.4m;木拱沿弧長分三段拼接,每段由2塊截面為170mm(厚度)×1000mm(高度)膠合木構件組合拼裝而成,并選用PRF結構膠黏劑粘接,表面采用環保型木材防腐液ACQ和防護型木蠟油進行二次涂裝,有效提高了耐久性和防潮性。通過6根木撐桿與主索共同形成張弦結構,與縱向索和屋面索構成完整的穩定結構體系。自平衡的張弦木拱以滑移支座支撐,消除了支座水平推力。


    圖7 貴州省黔東南州游泳館

    Fig.7 Swimming Pool of Qiandongnan Prefecture,Guizhou Province


    2.2.2 成都都江堰向峨小學


    成都都江堰市向峨小學總建筑面積為5290m2,學??捎糜玫孛娣e為16311m2。教學綜合樓、宿舍樓均采用輕木結構建筑,是中國第一所全木結構校舍,如圖8所示。每個單體建筑零標高以上外墻、內隔墻均采用38mm×140mm內龍骨,外墻龍骨間距為406mm;樓面主要由樓面擱柵和樓面板組成,在下層墻頂標高處設置大梁,擱柵之間用填塊加強連接。


    圖8 都江堰向峨小學

    Fig.8 Dujiangyan Xiangye Primary School


    2.2.3 蘇州胥江木結構桁架拱橋


    蘇州胥江木結構桁架拱橋全長108m,寬6m,主拱跨度為75.7m的膠合木桁架拱體系,主拱截面高度1.2m,建造這座木拱橋共使用了400m3的木材,是目前世界單孔跨度最大的木結構橋梁,如圖9所示。該橋采用高硬度松木,由7cm寬、3cm厚、2m左右長度的小木條拼接膠合而成,設計承載力4.5kN/m2,總承載力為195t。


    圖9 蘇州胥江木結構桁架拱橋

    Fig.9 Suzhou Xujiang wooden truss arch bridge


    2.3 制約中國木結構建筑發展的因素


    總體上國外裝配式木結構建筑在民用、工業用、農業上皆有應用,除農業用比例最小和價值小外,工業和民用木建筑在現實生活中都是“大手筆”的建筑作品。但在國內,我們幾乎未見工業用的木建筑,如木廠房、木車間、木倉庫,除了一些規模較較小的園林景觀建筑外,也很少建設其他類非住宅型木建筑,諸如地標建筑、商業建筑、紀念堂、大型體育或休閑娛樂或宗教類等建筑。制約中國木結構建筑發展的主要因素為以下三個方面。


    2.3.1 木結構設計規范限制


    建筑層高、建筑層數的規定限制了木結構建筑的發展。消防規范過于嚴厲,與國外的消防理念有較大差異。國外重點是確?;馂臅r人員安全,中國除了人之外,還需要確保財產不受損失。因此許多設計方案,在國外行得通,于國內審查卻無法過關。


    2.3.2 上下游產業鏈不完善


    近幾十年來,磚石、鋼筋混凝土結構風靡一時,導致建筑用木材的處理技術和現代木材工業停滯。工程木材的相關研究也落后于發達國家。


    2.3.3 大眾觀念的制約


    大眾仍停留在傳統木材的觀念上,認為木結構建筑易著火、腐爛快及防白蟻。歷史上兵荒馬亂、殺人放火,房屋容易被人一把火燒了,還是磚石、鋼筋混凝土結構可靠。這些錯誤觀念需要引導并消除。實質上,過度依賴磚石、鋼筋混凝土結構也有問題,鋼筋、砂石、水泥資源有限,不環保、不可持續,許多地方砂石開采已經告急。


    3、我國裝配式木結構建筑發展展望


    木結構是中國幾千年建筑歷史上最重要的建筑形式。但自上世紀60年代起,新建的木結構建筑在我國占比很低,與發達國家相比,有很大的差距,木結構的發展還有很大的空間。隨著國家標準《裝配式木結構建筑技術標準》[12]和新版《木結構設計標準》[13]的頒布實施,以及國家鼓勵裝配式建筑發展的政策推動,中國木結構建筑行業將會出現爆發式發展。特別是我國經濟持續高速增長,抗震要求高、或造型特殊的公共建筑、居住建筑、橋梁工程等大批建設項目待建,為裝配式木結構建筑提供了廣闊的應用前景。對木結構建筑的推廣應進行科學引導,盡快形成木結構建筑產業鏈,業主、設計、施工、制作等各方主體形成合力,共同推動我國木結構建筑健康發展。


    (1)多措并舉,在全國范圍內,大力推廣裝配式木結構體系。在地震區、地質災害多發區、旅游度假區,重點推廣木結構建筑。提升農村木結構建筑占比,爭取旅游風景區木結構建筑全覆蓋。


    (2)加快研究多層、高層現代木結構建筑技術,進行高層木結構建筑試點示范。推動木結構建筑在政府投融資公共項目中的應用,以及在平改坡、棚戶區、歷史風貌建筑改造中的應用。


    (3)逐年增加木結構研發投入,不斷攻克木結構應用的關鍵技術難題。國內多家高等院校、研究機構、木結構制造企業,在解決工程木材的強度、防火、防潮、及耐久性方面,有了突破性進展,逐步為木結構建筑的大面積推廣應用掃清了障礙。


    4、結語


    我國已具備大力發展現代木結構的條件,發展現代木結構是綠色低碳和建筑工業化的重要途徑,加快裝配式木結構建筑的發展,有利于建筑業企業的轉型升級。要以國家大力發展裝配式建筑為契機,盡快形成裝配式木結構建筑的產業鏈,加大工程木材的研發投入,在技術上爭取早日達到世界領先水平。


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    [13] GB50005-2017, 木結構設計標準[S].GB50005-2017, Wood Structure Design Standard [S].


    (編輯:王欣蔚)



    延伸閱讀:

    重木連接設計—優選指南 木結構建筑建造時,返璞歸真,盡顯形態之美 通過面包屋解析裝配式木結構建筑的優越性能

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    [責任編輯:Susan]

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