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发表于2018-12-20    1466人浏览    1人跟帖    总热度:235  

发展前景广阔的木结构建筑


中国是最早应用木结构的国家之一。中国的木结构建筑在唐朝已形成一套严整的制作方法,但见诸文献的是北宋李诫主编的《营造法式》,是中国也是世界上第一部木结构房屋建筑的设计、施工、材料以及工料定额的法规。中国木结构建筑艺术别具一格,并在宫殿和园林建筑的亭、台、廊、榭中得到进一步发扬,是中华民族灿烂文化的组成部分。

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木结构是我国古代建筑中的一种结构体系,它以木构梁柱为承重骨架,柱与梁之间多为榫卯结合,以砖石为体、结瓦为盖、油饰彩绘为衣,经能工巧匠精心设计、巧妙施工而成,集历史性、艺术性和科学性于一身,具有极高的文物价值和观赏价值。木结构体系一般分为抬梁式结构、穿斗式结构和井干式结构三种,其中以抬梁式结构应用较广。
 
抬梁式结构

抬梁式又称叠梁式是在立柱上架梁,梁上又抬梁。使用范围广,在宫殿、庙宇、寺院等大型建筑中普遍采用,更为皇家建筑群所选,是木构架建筑的代表。
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穿斗式构架

穿斗式构架沿房屋的进深方向按檩数立一排柱,每柱上架一檩,檩上布椽,屋面荷载直接由檩传至柱,不用梁。每排柱子靠穿透柱身的穿枋横向贯穿起来,成一榀构架。每两榀构架之间使用斗枋和纤子连接起来,形成一间房间的空间构架。
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中国的木结构建筑在设计上很有特色。根据实践经验,采用了梁、柱式的木构架,扬木材受压和受弯之长,避受拉和受剪之短,并具有良好的抗震性能;建于辽朝(1056年)的山西省应县木塔,充分体现了结构自重轻、能建造高耸结构的特点。在木结构的细部制作方面,采用干燥的木材制作结构,并使结构的关键部位外露于空气之中,可防潮而免遭腐朽;在木柱下面设置础石,既避免木柱与地面接触受潮,又防止白蚁顺木柱上爬为害结构;在木材表面用较厚的油灰打底,然后油漆,除美化环境外,兼有防腐、防虫和防火的功能。

应县木塔

山西应县木塔:塔高67.31米的八角形九层木塔,中国现存最高大最古老的一座纯木结构建筑——佛宫寺释迦塔。

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九层木塔结构,其中有四个结构层为平坐层,也称为“暗层”,夹在各明层之间,是一个中空的双层环状结构。在平坐层内柱子之间和内、外角柱之间架设不同方向的斜撑,形成桁架结构(TRUSS)全塔共使用400余攒不同类型的斗拱,平面则采取内、外两圈八边形立柱,内圈主柱8根,外圈主柱24根,形成内外双层套筒式的平面结构。

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在世界古代建筑中,西方建筑以石结构为基本特征,东方建筑的代表则是中国的木结构建筑体系。中国建筑在很早以前就取得了很高的技术和艺术成就。考古发掘证明早在七千年前的浙江余姚河姆渡遗址中就已经有了完整的榫卯结构构件,可以说,中国发展出了古代世界最古老、最完备的木结构建筑体系。 

日本的传统建筑也是以木结构为主。但是日本古代的木结构建筑受中国的影响很大。日本文化很早就受到中国文化的影响,隋唐时期,日本在政治、经济、科学技术、文化艺术等各方面全面学习中国,中国的木结构建筑也是在此时对日本产生了最大的影响。现在日本一些最著名的古建筑大多是受中国唐代建筑的影响而建造的,一些最著名的古建筑其建造年代也相当于中国的唐代。例如著名的法隆寺,唐招提寺等。 

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我国木结构建筑技术博大精深,自隋唐时期传入日本后,日本人至今仍然沿用。在这个多地震国家的主要居住建筑中,一直有半数以上采用木结构。

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木结构建筑:日本三条市(Sanjo City)社区活动中心

木结构建筑

原木结构:(1)现代木结构。现代木结构多以金属部件为主要连接件,比传统木结构的连接方式要简化得多;(2)传统木结构。主要用于古建筑维修、仿古建筑,与古代木结构连接方式基本相同,一般用于寺庙、古镇修缮。

复合木结构:(1)现代复合木结构。现代复合木结构采用胶合木,胶合木与成材相比,强度大,而且结构均匀,内应力小,不易开裂和翘曲变形,还有较高的耐火性能,可解决大跨度、耐候防蛀等问题;(2)传统复合木结构。传统复合木结构也有采用胶合木的,因为其各项性能稳定,可以用于改善传统木结构跨度小、不耐火等问题。

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现代木结构建筑

以胶合木为代表的现代复合木结构。可用于公共建筑、公寓、住宅等。(1)正交胶合木,胶合梁和柱,强度很大。可用于木桁架屋顶,实现大跨度。(2)钢筋混凝土核心筒+木框架+木楼板,可建设高层建筑。

层压式的木材非常轻便和坚固,而且由于抗剪能力提高,对抗震更有利,这样的材料也更能支撑起大楼的重量。现代化的林业工程,采用叠合层技术,能够帮助木材发挥更大的强度,更稳定的性能。

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金属连接件
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应用于建筑领域的工程木材

层板胶合木(Glulam);
平行木片胶合木(PSL);
单板层积胶合木(LVL);
层叠木片胶合木(LSL);
正交胶合木(CLT)。

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胶合木具有很强的耐火性能

木结构构件的耐火能力,得益于碳化层的保护作用。在火势凶猛的情况下木材通常以每分钟0.7毫米的速度碳化。碳化层自然地将木材与外界隔离并且提高木结构可承受的温度。因此,在一场持续30分钟的大火中,胶合木的每个暴露表面只有19毫米因碳化而损失,余下绝大部分原始横截面则完整无损。其燃烧速度可控。

木材因为表面碳化的作用,只会产生缓慢的强度损失,给人员的安全撤离提供了足够的时间。木结构建筑还可通过安装自动喷淋系统、增加防火间隔、控制建筑物之间的消防距离等措施,来提高防火能力。

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木结构建筑的优势
木材是唯一可以再生的建筑材料。只要科学管理,合理砍伐,就能以树木的成才周期(少则5-6年,多则20-30年)为循环,周而复始地源源不断地得到上等的、可持续利用的建筑材料。

木结构的抗震性优良。木结构房屋由于自身的质量小,地震时吸收的地震力也相对较少。木结构的韧性大,对于瞬间冲击载荷和周期性疲劳破坏有很强的抵抗能力,可以吸收并消散能量。

木结构建筑的节能环保性能好。由于木质的导热系数小,木质墙体的保温隔热好,可大大减少为了保温、隔热而需要消耗的能量。

工厂化生产、装配化施工。结构件和连接件可以在全年的任何气候条件下生产, 然后在建筑场地上短期完成预制构件的装配。减少了施工所需的劳动力,降低了操作强度,节省了劳动成本,提高了施工质量。

防火没有问题。木制建筑结构用木材可采用水基性阻燃处理剂进行阻燃处理,具炭化效应,遇火时,木表面会形成炭化层,其低传导性可有效阻止火焰向内蔓延,从而保证整个木结构体在很长时间内不受破坏。 

北美装配式木结构住宅

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轻型木结构占北美住宅的85%以上。在北美,无论是在东部还是西部,均可见到大量的木结构住宅。


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在北美,住宅建设衍生出集设计、制作、安装、装修、整体厨卫为一体的集成住宅产业,工厂化生产,工地现场安装。原来量大面广的是木结构,但随着木材价格的上涨,北美也发展轻钢结构住宅。

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加拿大30层木结构大楼

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加拿大不列颠哥伦比亚大学18层全木结构公寓:以钢筋混凝土核心筒为主要抗侧力构件、木梁柱为主要竖向受力构件;结构体系的水平与竖向受力合理,分工明确。

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在北美和欧洲,随着新型工程木材的快速发展,木结构建筑早已走向现代化,在民用和公共建筑中均得到广泛运用。

罗里达拉姆国际机场-北卡罗莱纳州
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多伦多艺术展览中心
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国外木结构建筑欣赏

地球科学中心大楼
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UBC可持续发展大楼
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火车站
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火车站
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图片来源:厦门巢居木结构

瑞士木桥
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图片来源:厦门巢居木结构

体育馆
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图片来源:厦门巢居木结构

青少年活动中心
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图片来源:厦门巢居木结构

机场
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图片来源:厦门巢居木结构

卖场
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图片来源:厦门巢居木结构

商场购物中心
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图片来源:厦门巢居木结构

2010年加拿大冬奥会速滑馆
建筑面积47000m2。
屋面由14根1600mm高木梁承重跨度近100m。
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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所

美国加州Anaheim市迪斯尼溜冰中心
曲线胶合木梁跨度为35.4m,梁截面为225mm×1292mm,木结构建筑面积5295.5平方米。
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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所

加拿大西蒙弗雷泽大学(SFU)主楼
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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所

惠斯勒公共图书馆
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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所

游泳馆
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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所
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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所

教堂
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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所

汽车博物馆
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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所

学校建筑
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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所

木结构建筑的生态特性优越

木结构建筑是真正的节能环保,它在建设阶段的耗能和使用阶段的耗能,要比钢筋混凝土建筑都低。

在生产环节:木材生产不影响生态环境,而钢材和水泥的生产,为全球雾霾做了巨大贡献,带来的环境污染有目共睹;

在建设环节:钢筋混凝土建筑产生的建筑垃圾要比木结构建筑多得多,还很难处理;

在使用环节:木结构建筑具有相对较好的保温隔热性能,可减少能源消耗;

在拆除环节:木结构建筑拆除后的木材易于处理,可循环再利用,无需填埋占用耕地。

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国家标准《装配式木结构建筑技术标准》正式发布实施,有利于推动木结构建筑发展。《标准》规定:

1、木结构材料不仅用传统木材,还包括工程木材。工程木材和原木有本质区别,它是经过现代的工业手段和先进技术,加工成适合于建筑用的梁、柱等部品部件。工程木材比传统木材具有高得多的强度和更好的性能。

2、木结构的连接方式也不仅是传统方式,传统的木结构是用榫卯等方式连接,现在增加了金属部件等多种连接方式。
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木材的强度其实不逊于RC结构。规范规定使用的木材抗压设计强度值达20Mpa,但顺纹抗剪强度只能达到2Mpa,差距较大。但现代化的林业工程、材料工程,采用叠合层技术,能够帮助木材发挥更大的强度,更稳定的性能。

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但《装配式木结构建筑技术标准》又规定,装配式木结构设计,尚应符合 《木结构设计规范》GB50005-2003,而这本《木结构设计规范》,规定木结构建筑不应超过三层,已严重制约了木结构建筑的发展(建筑高度、防火、防腐等)。

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从古到今,木结构建筑超过三层的,比比皆是。《木结构设计规范》(GB50005-2003)是如何编出来的?依据又是什么?这本规范必须修改。

万古楼是丽江的标志性建筑,为塔式五重檐全木结构建筑,高33米,象征原丽江纳西族自治县33万各族人民。主体柱子16根,都是通天木柱,是中国全木结构斗拱建筑,一柱通顶不连接的第一楼。柱长22米。

丽江万古楼
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2017年,住房城乡建设部发布新版《木结构设计标准》为国家标准,编号为GB50005-2017,自2018年8月1日起实施。原国家标准《木结构设计规范》GB50005-2003同时废止。

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新版《木结构设计标准》GB50005-2017,参考了《加拿大国家建筑规范》2010版、美国《国际建筑规范》2006版、《加拿大轻型木结构工程手册》2009版、美国林纸协会《木结构设计标准》2012版等国外相关规范标准的规定。

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2015年,国家建筑标准设计图集《木结构住宅》修编为《木结构建筑》,扩大了应用范围,增加胶合木等现代木结构体系。

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我国已具备发展现代木结构的条件。木结构的特点:重量轻、抗震性能好。可循环、可再生。没有永久性建筑垃圾。绿色、低碳、环保。中国也不缺木材。人工林的蓄积量达到一定比例,应该开采,如果不及时开采,它会倾倒、腐烂,甚至在一定条件下可能发生自燃。

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欧美多采用木结构、钢-木结构建设住宅。木结构、钢-木结构,抗震能力强。

中国大量采用砖混结构、或钢筋混凝土结构建造住宅,重量大,地震力也大,加上施工质量难于确保,地震时,住宅垮塌较多。


四川绵竹市遵道镇鹏花村(汶川地震前)
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四川绵竹市遵道镇鹏花村(汶川地震后)
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国内采用砖混结构建设住宅,建设标准低,抗震性能不好,未来也难于做功能性改造。砖墙承重,也不符合国家的墙改方向。因此,经济发达地区或条件允许的地区,应淘汰砖混结构。

可借鉴发达国家的经验,重点在农村推广集设计、制作、安装、装修、整体厨卫为一体的钢、木结构集成住宅。

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北川红枫敬老院是2008年汶川地震过后,加拿大在四川援建的三座木结构公共建筑之一。

建筑经历多次强度较大余震和潮湿天气,表现出了极佳的抗震和防潮性能。

北川红枫敬老院
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图片来源:厦门巢居木结构

木结构建筑实例-贵州省黔东南州游泳馆
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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所


木结构建筑实例-滁河景观桥

项目位于江苏省南京市六合区,为单跨20米的胶合木拉杆拱桥,应用竖嵌FRP增强胶合木梁技术。

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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所


木结构建筑实例-苏州胥江木结构桁架拱桥

项目位于苏州市胥口镇,桥梁全长108米,宽6米,主拱跨度为75.7m的胶合木桁架拱体系,主拱截面高度1.2m 。是目前世界跨度最大的木结构桥梁。

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资料来源:南京工业大学现代木结构研究所

几点思考

发达国家的居民住宅以低层、多层为主,且大力推广装配式木结构住宅、钢-木结构住宅,对增强房屋抗震能力,十分有利。

装配式木结构、钢-木结构,重量轻,吸收地震力小,地震时更不易垮塌。

结构是由不同功能的基本构件通过可靠连接组成的、能够长期安全可靠的承受各种荷载和作用的、合理的整体系统。装配式木结构、钢-木结构,只要连接节点可靠,就有很好的整体性。

中国人普遍不认同木结构作为住宅,不是因为缺少木材,而是因为历史上兵荒马乱,烧杀抢掠,木制房屋不安全。这种观念应改变。

制约中国木结构建筑发展的因素

木结构设计规范的限制。建筑层高、建筑层数的规定限制了木结构建筑的发展。消防规范过于严厉,与国外的消防理念有较大差异。国外重点是确保火灾时人员安全,中国除了人之外,还有确保财产不受损失。因此,许多设计方案,在国外行得通,在国内,审查就过不了关。

上下游产业链不完善。近几十年来,砖石、钢筋混凝土结构风靡一时,导致建筑用木材的处理技术和现代木材工业停滞。工程木材的相关研究也落后于发达国家。

大众观念的制约。大众仍停留在传统木材的观念上,认为木结构建筑易着火、腐烂快、还要防白蚁。历史上兵荒马乱、杀人放火,房屋容易被人一把火烧了,还是砖石、钢筋混凝土结构可靠。这些不正确的观念需要引导并消除。实质上,过度依赖砖石、钢筋混凝土结构也有问题,钢筋、砂石、水泥资源有限,不环保,不可持续,许多地方砂石开采已经告急。

随着国家标准《装配式木结构建筑技术标准》和新版《木结构设计标准》GB50005-2017的颁布实施,以及国家鼓励装配式建筑发展的政策推动,中国木结构建筑行业将会出现爆发式发展。对木结构建筑的推广应进行科学引导,尽快形成木结构建筑产业链,业主、设计、施工、制作等各方主体形成合力,共同推动我国木结构建筑健康发展。

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米兰世博会-中国馆
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贵阳古建筑修缮
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杭州香积寺重建工程
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苏州园博会
现代木结构主题馆
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木结构建筑
--古村落保护

复兴田园、故乡初现。山中芳华尽揽,红紫妆林绿满池,游丝飞絮两依依。 “大帽山境”--厦门市首个田园综合体,特色民宿,还有农民漆画展、山境集市、儿童牧场、精品餐厅、咖啡馆、休闲茶社、乡食手作、亲子学堂、乡村民谣、露天电影、生态农产品自助采摘等。

“大帽山境”田园综合体
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装配式木结构建筑发展展望

木结构是中国几千年建筑历史上最重要的建筑形式。但自上世纪60年代起,新建的木结构建筑在我国占比很低,与发达国家相比,有很大的差距,木结构的发展还有很大的空间。

随着政府对装配式建筑的鼓励和扶持,特别是我国经济持续高速增长,抗震要求高、或造型特殊的公共建筑、居住建筑、桥梁工程等大批建设项目待建,为木结构提供了广阔的应用前景。

木结构建筑是生态建筑的重要代表,为了节能减排、绿色环保,减轻建筑在建造、使用、拆除的全生命周期内对环境资源的压力,为了材料的可循环、再利用,更为了可持续发展,推广应用木结构、钢-木结构已越来越成为全社会的共识。

木结构研发投入逐年增加,木结构应用的关键技术难题不断被攻克。国内多家高等院校、研究机构、木结构制造企业,在解决工程木材的强度、防火、防潮、及耐久性方面,有了突破性进展,逐步为木结构建筑的大面积推广应用扫清了障碍。新的木结构建筑规范和标准也发布,为木结构建筑迎来了大规模推广应用的春天。

发展现代木结构是绿色低碳和建筑工业化的重要途径。加快装配式木结构建筑的发展,有利于建筑业企业的转型升级。要以国家大力发展装配式建筑为契机,尽快形成装配式木结构建筑的产业链。要加大工程木材的研发投入,在技术上,争取早日达到世界领先水平。

没有成功的企业,只有时代的企业。没有踏上装配式建筑这趟时代列车,结局就是被淘汰。数据就是核心竞争力,柯达、摩托罗拉、诺基亚这些世界顶级品牌已经消失,根源就是没有登上数据列车,逆时代潮流就是前车之鉴。
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 发表于2018-12-20   |  只看该作者      

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