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美国多层木结构房屋的应用与设计

作者: 来源: 日期:2016-8-26 17:06:35
 

木结构房屋

一、引言  木结构是人类最早采用的建筑结构形式之一。在我国宋朝时期,木结构的修建就已形成了一套完整的方法,至今仍保存下来的木塔、木结构宫殿、庙宇是我国古代的代表性建筑。  由于木结构房屋具有很多优点,所以它在许多国家又重新得到发展。近年来,国外的木结构房屋得到大力推广。目前,日本新建住宅房屋中,有半数以上是木结构;在北美,约有75%的人居住在木制房屋里。二、木结构的特点及应用情况  现代木结构房屋主要有以下特点:  (一)施工安装方便,建设周期短  现代木结构的施工与轻型钢结构类似,采用工厂预制、现场拼装的建造形式,轻型木结构的各种构件如墙骨柱、楼面梁、椽条、木屋架、各种面板等都是工厂生产运输到现场的,工地主要是基础施工、各种构件的拼装等。木结构建筑用材的自重都较轻,而且目前广泛使用的轻型木结构是一层一层建造的,已安装好的下层结构将为上层结构的施工提供工作平台;单块墙板都是单层高度的,尺寸不大、重量轻,因此施工过程中不需要使用大型吊装设备。而且作为现场拼装式的施工,单个工程的施工作业面多,容易加快施工进度,一般可在3个月内交房,建造周期短,而且拆卸搬迁也极为方便。  (二)抗震、防火性能好  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。而且结构物上的地震作用与结构质量有关,木结构质量轻,产生的地震作用也小。此外,由地震致使房屋倒塌时对人产生的伤害也要比其他建筑材料小。  在木结构建筑发达的国家,木材被定为“准耐燃的材料”。大尺度的木材在燃烧时,常在外层形成一层碳化层,有效隔绝燃烧的继续,有助于保护内部木质强度和结构完整性。而且现代一些木结构别墅的外层被耐火的石膏板等无机建材包裹着,也起到耐火作用。  (三)保温、隔音  从材料性能上来说,木材热传导速度慢。由于木材本身构造的特点,细胞内有空腔,形成了天然的中空材料,使得热传导速度慢,保温、隔热性能好。从结构形式上来说,现代木结构的墙体一般设计成中空的,与普通的砌体和混凝土墙体相比,木结构房屋的墙体就像保温瓶胆,而普通砖混或钢筋混凝土墙体就像玻璃杯,因此现代木结构房屋墙体也有利于保温。  木结构的外墙也有较好的隔音性能,甚至内墙可以在技术上做到绝对隔音,但成本有所增加。  (四)材料利用率高、投资少  在木材加工过程中,为了最大限度地利用原木,可利用其不同长度、不同断面同时生产很多品种和规格的材料。如去除边角后可以生产各种尺寸的规格材。由于材质的不均匀性,可以按材质好坏分不同等级。  轻型木结构建筑能够使用各种不同规格、等级的木材,从而提高材料利用率,减少材料浪费;轻型木结构建筑还能利用速生材生产的定向刨花板作为墙板、楼板,从而进一步降低结构造价。  随着木材工业的发展,充分利用木材资源生产出的工程木产品,为木结构建筑的可持续发展奠定了基础。研究显示,实木产品对于树木的利用率为60%,而工程木产品可达95%。  (五)木结构在美国的应用  木材是大自然赐予人类的天然、能耗低,且可再生的建筑材料。由于木结构建筑具有上述诸多优点,加之北美森林资源丰富、林产工业发达,美国木结构房屋历史悠久,至今仍为人们住宅首选的主要结构之一。1997年美国新建单体别墅约113.8万栋,其中90%采用木结构。另外所建的33.8万栋多层住宅中,绝大多数也采用木结构。

三、美国房屋木结构常见的结构形式与设计 

 (一)木结构体系的历史发展  在木结构建筑中,木结构形态的演进与自然资源的多寡、经济因素的考量及人类工艺技术进步等息息相关。  早期在森林资源丰富、人口稀少的北欧,出现过圆木井干式的传统建筑。此种构造方式目前在俄罗斯等国还存在。后来因为森林资源的减少,过渡到木筋墙结构,仍以木材为主要的支撑构架,其间以土石材料填充之。此类建筑形态的演进可以追溯到lO世纪左右。  在亚洲,不管是在建筑的空间尺度上,还是在节点的复杂性上,木结构建筑都展现了一种与西方不同的更高难度、更精致的构筑文化。  中国古代木结构建筑一般先在石头之类的基础上建立柱子,然后在柱子上架梁,再在梁上立数层瓜柱和梁,最上层立脊瓜柱,构成一组木构架。这种木结构体系最大的特点就是承重和围护结构分工明确,使建筑物上的重量都由柱子承受,而墙壁只起围护和分割的作用。由此,门窗的配置不受限制,具有“墙倒屋不塌”之妙。除此之外,这种结构还有其他优点,如便于适应不同气候条件(可随意安排房屋的高度、屋面的材料、窗户的变化),减少地震危害(各接点有一定的收缩余地),方便提供材料。 

 (二)轻型木结构体系  现代美国木结构住宅中的主要结构形式是“轻型木结构体系”。  轻型木结构体系,是将小截面构件按一定的间距等距离平行排列形成框架,然后在框架外根据受力需要,包上结构面板,形成建筑物的墙体、楼盖和屋盖等基本构件。整个结构体系就是由这些墙体、楼盖和屋盖构成的箱形建筑体系。作为一种高次超静定的结构体系,轻型木结构的结构强度通过主要结构构件(框架)和次要结构构件(墙面板、楼面板和屋面板)的共同作用形成。  当这种结构通过合理设计,部分结构体系能够承受和传递跨距较大的荷载时,也能用于其他大型的工业和民用建筑。  这种结构称为“轻型木结构体系”,并不是说它自重轻,只能承受较小的荷载,而是因为它单个构件的断面较小。 

 (三)轻型木结构的材料  1.规格材  轻型木结构的框架,或者说骨架,包括楼盖搁栅、屋盖椽条、天棚搁栅以及墙体中的墙骨柱等,一般采用规格材。所谓规格材,是指按一定尺寸和模数制成的实心锯材。轻型木结构框架最常用的是截面宽度为38mm的构件,长度一般以600mm为进级单位。  2.胶合木  胶合木是采用防水结构胶将锯材粘接在一起形成的一种工程木产品。胶合木的截面尺寸包括定尺和非定尺尺寸。定尺的胶合木大部分用于住宅。非定尺的胶合木主要用于商业和公共建筑中。  3.结构复合木材  结构复合木材主要指两种产品,即单板层积材(也称旋切板胶合木)和旋切片胶合木。单板层积材是将木材单板平行放置,热压成型。而旋切片胶合木则将单板切成条状,然后采用结构胶沿构件长度方向粘接。结构复合木材用的胶黏剂都是室外用防水胶。  结构复合材被广泛地用在轻型木结构中梁、柱、过梁以及重型木结构的构件中。结构复合材在加工过程中,对原材料的缺陷进行了分离,提高了结构强度。有数据显示,结构复合材的抗弯强度是标准强度等级规格材的3倍,刚度提高30%。  4.工字木搁栅  工字木搁栅是一种可以有效代替实木规格材搁栅的工程木产品。工字木搁栅一般采用规格材或单板层积材作翼缘,结构胶合板或定向刨花板作腹板。因为工字木搁栅采用了高强度的工程木材,所以与传统的实木规格材搁栅相比,它的应用跨度可以更大。  5.轻型木桁架  轻型木桁架可用于轻型木结构的屋盖和楼盖,代替屋盖椽条和楼盖搁栅。屋盖桁架根据屋面形状的不同,有不同的坡度。而楼盖桁架为上下弦杆平行的桁架。生产时,桁架的杆件一般采用截面宽度为38mm的机械分等规格材。杆件在节点处采用金属镀锌齿板从桁架两侧压入,将所有杆件连接在一起。  6.木基结构板材  木基结构板材包括结构胶合板和定向刨花板。木基结构板材在轻型木结构中用作楼盖、屋盖和墙体的面板。作为结构构件,面板除了承载竖向重力荷载外,更主要起到传递和承载由风和地震荷载引起的侧向荷载,所以称作结构板材,以示与不承重的非结构板材的区别。

(四)轻型木结构的结构形式  目前,欧美普遍采用的轻型木结构形式主要为两种:全高框架和平台框架。  全高框架与平台框架的不同在于:用于外墙和某些内墙的墙骨是连续的,它们经过楼板一直支撑到屋顶框架的顶板处。由于楼板搁栅和墙骨间的连接不适于预制,也不容易在工地安装,因此这种构造方法目前很少使用。  平台式框架轻型木结构是一种将小尺寸规格材以较小的中心间距(一般为410~610mm)密置而成的一种结构形式。这些密置的骨架构件既是结构的主要受力体系,又是内、外墙面和楼屋面面层的支撑构架,同时还为安装保温隔热层、穿越各种管线提供了空间。  平台框架的主要优势在于独立于墙体,而组装的楼板系统提供了一个平台或工作表面,人们可在其上组装及建造隔墙。由于墙骨只有一层楼高,所以墙体可以很容易地在其他地方预制,或在楼面底板上装配。  墙体可一次一层楼地架设而无需使用笨重的提升设备。作为墙体框架组成部分的底板和顶板,在楼板及天花板处起到挡火条的作用,并且为墙覆面板和内部装修提供受钉支撑。  平台框架结构的主要组成部分为屋面结构、墙体结构和楼面结构。  1.屋面结构  现在在美国,轻型木结构的屋面体系一般有两种,即传统的搁栅-椽条体系和轻型桁架,而后者的应用现在越来越广泛。  对于搁栅-椽条体系,椽条一端支承在墙体的顶梁板上,另一端支承在屋脊板上。为了减小椽条对墙体的推力,椽条之间在底部支座。

更新时间:2016/8/26




 
 
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