可裝配式木結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)綜述

1、引言：與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，可裝配式木結(jié)構(gòu)具有高效，環(huán)保，清潔， 耐久等優(yōu)點(diǎn)，本文對(duì)新型可裝配式木結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了分析，并與鋼筋混凝土， 砌體等其他類(lèi)型結(jié)構(gòu)作對(duì)比，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料得出應(yīng)用裝配式結(jié)構(gòu)在抗震、施 工、節(jié)能、舒適、環(huán)保方面的優(yōu)越性。相較干國(guó)外可裝配式木結(jié)構(gòu)的大量運(yùn)用，如美國(guó)每年建造的150萬(wàn)棟房屋， 70%用木材建造，我國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑一直被排除在主流建筑之外，而木材是極少 數(shù)環(huán)保且可再生的建筑材料，因此，在我國(guó)研究新型可裝配式木結(jié)構(gòu)尤為重要。 相較于目前的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)在抗震、施工、節(jié)能、舒適、環(huán)保等方面具有得 天獨(dú)厚的優(yōu)越性?？骨?008年5月12日，突如其來(lái)的汶川震造成建

2、筑物大量倒塌或嚴(yán)重破壞.然而經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，木結(jié)構(gòu)建筑表現(xiàn)出優(yōu)越的抗震性能,僅有少數(shù)年久失修的木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)生倒塌及部分木結(jié)構(gòu)民居破壞嚴(yán)重，絕大部分木結(jié)構(gòu)建筑只發(fā)生輕微破壞甚至完好無(wú)損?？梢哉f(shuō)木結(jié)構(gòu)在汶川地震中的表現(xiàn)是十分優(yōu)秀的,體現(xiàn)了木結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼筋混凝土和砌體在抗震方面的優(yōu)越性，那么，木結(jié)構(gòu)為何會(huì)有這么優(yōu)異的抗震能力呢？眾所周知，地震造成的地面運(yùn)動(dòng)使建筑物產(chǎn)生的側(cè)向慣性力集中作用于建筑中質(zhì)量最大的部分，如屋蓋和各層樓蓋。屋蓋和樓蓋的側(cè)向力應(yīng)由埴體承受，且房屋的整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)適當(dāng)?shù)剡B接在基礎(chǔ)之上。木框架建筑的以下各部分對(duì)于其抗震能力至為關(guān)鍵：與基礎(chǔ)的錨固；境體的強(qiáng)度及延性：水平樓蓋、屋蓋和天花板的強(qiáng)度

3、及連續(xù)性:所有框架構(gòu)件的相互連接。以下是木框架建筑的一些特性：1、強(qiáng)度和剛度地震產(chǎn)生的側(cè)向力會(huì)使建筑物扭曲，使境體變形（不再方正）。帶撐爛或 剪力爛的木結(jié)構(gòu)在地震時(shí)會(huì)提供關(guān)鍵的抗變形能力。用膠合板或定向刨花 板為面板的境體，在地震時(shí)具有極為有效的抗變形能力。在可能發(fā)生強(qiáng)震 的地帶，可使用較厚的結(jié)構(gòu)面板，較多或較大的釘子，以增強(qiáng)埴體的剛度 和抗變形能力。此外，研究和經(jīng)驗(yàn)還表明，些“非結(jié)構(gòu)”構(gòu)件也有助于增 強(qiáng)建筑物的側(cè)向抗力。例如，墻飾面、隔墻以及多種外墻覆層，都有助于 増強(qiáng)建筑物的側(cè)向抗力。2、延性砌體和混凝土等建筑材料需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)及細(xì)部處理，才能保證較好 的抗震性能。與這些材料相比，木結(jié)

4、構(gòu)體系得天獨(dú)厚，具有較好的延性。 延性是指建筑結(jié)構(gòu)可以屈服、變形而不倒塌的能力。在經(jīng)受地震這種突然 荷載時(shí)，房屋具備一定的柔性是最為理想的，因?yàn)槿嵝钥梢栽试S房屋耗散部分能量。眾多釘節(jié)點(diǎn)使木框架 房屋具有十分有效的延性。3、木框架建筑的重量較輕。使用絕熱混凝土模板建造的混凝土爛約是一般木 制框架境7倍重。由于地震力與結(jié)構(gòu)的重量成正比，精心設(shè)計(jì)和施工的輕 質(zhì)木框架房屋便可在地震中有上佳表現(xiàn)。4、冗余性 擁有較多傳力路徑的房屋一般被認(rèn)為在結(jié)構(gòu)上具有冗余性。他們?cè)诘卣鹬?可以提供額外的安全性。由沉重的框架支撐的建筑結(jié)構(gòu)依靠較少的結(jié)構(gòu)構(gòu) 件和連接。于是，設(shè)計(jì)或施工中的任何缺陷都可能導(dǎo)致相鄰的傳力路徑超

5、載。而典型的木框架建筑是由數(shù)以百計(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和數(shù)以千計(jì)的釘節(jié)點(diǎn)連 接構(gòu)成的。這意味著，如果某一個(gè)傳力路徑受到破壞，它所承擔(dān)的荷載可 由鄰近的構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)予以承擔(dān)。5、連按性覆有木基面板的境體除了能抵抗地震力外，房屋的設(shè)計(jì)與施工還應(yīng)能防止 房體的滑動(dòng)或傾覆。無(wú)論是哪一種情況，都應(yīng)將房屋適當(dāng)?shù)剡B接在基礎(chǔ)之 ±O埴體、樓蓋和屋蓋框架的相互連接，使得房屋成為一個(gè)堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)單 元，這對(duì)于房屋在地震中保持完整是十分重要的。而國(guó)外的許多案例也表明了木結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性：SanFernando Earthquake in 1971該次地震發(fā)生在洛杉磯北郊，大量的獨(dú)戶(hù)住宅以及醫(yī)院和商業(yè)建筑受到影 響。用無(wú)筋砌

6、體與鋼筋混凝土建造的醫(yī)院和辦公樓有的倒塌，有的受損程 度嚴(yán)重而只能拆除。大多數(shù)木框架房屋卻表現(xiàn)出色，尤其是從保護(hù)生命安 全角度來(lái)看，圣費(fèi)爾南多地區(qū)舊住宅的損壞情況從表面受損到部分坍塌, 情況不一。受損嚴(yán)重的包括：房體滑離基礎(chǔ)、管線(xiàn)空間的“矮埴”坍塌、 房屋附加結(jié)構(gòu)單元（如門(mén)廊）倒塌以及砌體煙囪坍毀。底層有大面積開(kāi)孔 的一幢較新的兩層公寓受到嚴(yán)重影響，這類(lèi)公寓樓的底層一般都是車(chē)庫(kù)。 由干車(chē)庫(kù)的一面境體是敞開(kāi)的，所以這類(lèi)樓層便成為“軟弱層”。通過(guò)這次地震，人們認(rèn)識(shí)到堅(jiān)固的境體與穩(wěn)固的基礎(chǔ)連接的重要性。建筑規(guī)隨后也做了相應(yīng)的更新。Northridge Earthquake inl994北嶺地震于19

7、94年1月17日襲擊了洛杉磯北部人口稠密的圣費(fèi)爾南多谷 地。此次地震雖是中等強(qiáng)度（6.7級(jí)），但其地面峰值加速度卻是有史以來(lái) 所記錄到的最高的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)時(shí)建筑規(guī)中所給出的加速度8。為數(shù)眾多 的房屋在地震中倒塌，其中很多是大型建筑。幸虧地震發(fā)生的時(shí)間較好, 造成的傷亡人數(shù)有限。人們對(duì)1994年北嶺地震進(jìn)行了廣泛的研究。結(jié)果 表明，絕大多數(shù)木框架房屋在地震中表現(xiàn)良好。而且這類(lèi)房屋遭受的大部 分損壞不是結(jié)構(gòu)性的，易于修復(fù)1 o施工1、施工方便，周期短木結(jié)構(gòu)房屋的施工期大約是傳統(tǒng)房屋的50%,為開(kāi)發(fā)商提供了最快的資金 回籠時(shí)間。傳統(tǒng)房屋的施工期是6 -10個(gè)月，由于木結(jié)構(gòu)板架與墻體以預(yù) 制構(gòu)件形式運(yùn)

8、到工地組裝，因此施工期僅為3-4個(gè)月。完工時(shí)，傳統(tǒng)房屋 是毛坯房，而木結(jié)構(gòu)完工時(shí)是精裝修的，馬上可入住。木結(jié)構(gòu)房屋的墓礎(chǔ)施 工工期約需要14天，結(jié)構(gòu)部分一般為14天，室外裝修等在62天左右。 總的工期為90天。預(yù)制件如屋架，地板、板架和墻體可以在基礎(chǔ)架構(gòu)開(kāi) 始施工的同時(shí)生產(chǎn)，有人測(cè)算過(guò)，一棟3 0平方米房屋的屋架，地板、板 架和墻體可以在48小時(shí)完成。此特點(diǎn)給開(kāi)發(fā)商帶來(lái)了項(xiàng)目運(yùn)作周期短，少支付銀行利息，減小資金壓力和降低市場(chǎng)變化風(fēng)險(xiǎn)的有利條件。 另外，木結(jié)構(gòu)房屋施工簡(jiǎn)易，除土地配套設(shè)施外，施工現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有成堆的磚 頭、鋼筋、水泥和塵土，木結(jié)構(gòu)房屋所用的結(jié)構(gòu)構(gòu)建和連接件都是在工廠 按標(biāo)準(zhǔn)加工生產(chǎn)，再

9、運(yùn)到工地，稍加拼裝即可建成一座漂亮的木房屋2】。2、建造成本低因現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的一次性投資成本較高，使得人們對(duì)其望而卻步，但人們忽 略了這只是建筑耗費(fèi)的開(kāi)始。不同的建筑成本對(duì)比建筑類(lèi)型實(shí)際建造成本房屋使用過(guò)程綜合測(cè)算傳統(tǒng)磚混建筑木結(jié)構(gòu)建筑1125% 153%177%16%96.5%上表表明了不同結(jié)構(gòu)的總成本對(duì)比結(jié)果。從建造成本考慮，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)使 用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方式，節(jié)約了大量的人力。從使用成本考慮，木 結(jié)構(gòu)具有保溫隔熱等節(jié)能特性，減少了大量的能源耗損、日常開(kāi)支等。從 維護(hù)成本考慮，木結(jié)構(gòu)可采用直接替換進(jìn)行更新，降低了大量的材料消耗。 因此，與其它結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)最具有成本優(yōu)勢(shì)。節(jié)能木材

10、的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，使其具有吸收空氣的特征，所以它是一種良好的保溫隔 熱體。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，在達(dá)到相同保溫效果的條件下，木材需要的厚度是混凝 土的1/15,鋼材的1/400,鋁材的1/1600。而且，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)特殊的埴 體結(jié)構(gòu)使其具有更加優(yōu)良的保溫隔熱性（如圖）。通常在境板、屋頂板、墻板夾層中分別設(shè)置10 cm或5 cm厚的保溫隔熱層，總境體約1 5 cmlScm厚就可滿(mǎn)足建筑熱工的需求。具體來(lái)說(shuō)，如果使用同樣的玻璃纖維或泡沫塑料作為保溫材料時(shí)，木結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)的保溫性能高15%-17%,隔熱效果比空心磚爛建筑高3倍。檢測(cè)結(jié)構(gòu)及能量匯總名稱(chēng)輕型木磚混復(fù)合保項(xiàng)目f結(jié)構(gòu)住宅溫結(jié)構(gòu)住宅實(shí)測(cè)采暖耗熱量(W/m2)

11、25. 383. 75折算標(biāo)準(zhǔn)年單位采暖耗熱量(W/nf)24. 6145.07采暖季耗煤量(kg/m2a)20. 8738. 22主體墻傳熱系數(shù)(w/m2K)0. 2440. 526屋頂傳熱系數(shù)(計(jì)算值)(W/nrK)0.3000. 500單玻雙框塑鋼窗傳熱系數(shù)(W/nr K)2.4872. 695上表是對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)住宅與磚混復(fù)合保溫墻體結(jié)構(gòu)住宅節(jié)能及空調(diào)供熱系統(tǒng)檢測(cè)與對(duì)比研究試驗(yàn)，結(jié)果表明輕型木結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)采暖耗熱量(25.38W/m1)比磚混復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)住宅(43.75W/nf)節(jié)省41.99%,折算到標(biāo)準(zhǔn)年單位采暖耗熱量節(jié)省了 45.40%,采暖季耗煤量節(jié)省了 45.40%。所以, 木結(jié)構(gòu)

12、境體材料的保溫御寒性與磚混結(jié)構(gòu)相比可大大節(jié)省空調(diào)數(shù)量、空調(diào)用 電和采暖煤氣?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)就好像一座天然的空氣調(diào)節(jié)器，相比其他結(jié)構(gòu), 冬暖夏涼、熱舒適性更好。從節(jié)能角度考慮，木結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性不言而喻。由于國(guó)多年來(lái)使用實(shí)心黏土和混凝土建造房屋，所以人們更偏愛(ài)磚混住宅。 但走進(jìn)木結(jié)構(gòu)住宅去感受一下，就會(huì)現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。例如：磚混住宅無(wú)論裝修如 何豪華，隔一段時(shí)間不用就會(huì)有陰冷潮濕之感，而木結(jié)構(gòu)住宅使用的配套建材都具有環(huán)保特性。生活在木結(jié)構(gòu)住宅里，仿佛置身于大自然，使人受益于 潛移默化之中。所以，西方對(duì)木結(jié)構(gòu)住宅有強(qiáng)烈的偏愛(ài)。同時(shí)由于建筑材料 自身的特點(diǎn)，使木結(jié)構(gòu)外觀造型和室布局設(shè)計(jì)十分靈活，可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)

13、師的想象力和入居者的個(gè)性。在加拿大，即使大規(guī)模的住宅區(qū)也很難找到兩 幢設(shè)計(jì)相同的住宅，更沒(méi)有“兵營(yíng)式”的同房型小區(qū)，而這正是目前中國(guó)的 房地產(chǎn)業(yè)所缺乏的。加拿大的歐洲移民背景使其在建筑風(fēng)格上吸收了歐洲各 國(guó)各時(shí)期的建筑特色，擁有眾多的傳統(tǒng)及現(xiàn)代建筑風(fēng)格。例如，源于英國(guó)中 世紀(jì)的“都鐸式”，田園情調(diào)的“鄉(xiāng)村式”，充滿(mǎn)浪漫色彩的“法蘭西式”， 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)溲诺摹熬S多利亞式”等。中國(guó)的低層住宅在設(shè)計(jì)水平和品位上尚待提 高，一個(gè)重要的障礙就是使用混凝土材料難以完成復(fù)雜靈活的建筑造型。而 木結(jié)構(gòu)住宅在這方面擁有極大的優(yōu)勢(shì)。不僅房屋設(shè)計(jì)可以隨心所欲，施工過(guò) 程中還能隨時(shí)調(diào)整和更改房間的布局、門(mén)窗的位置等，甚至在

14、使用過(guò)程中， 也可以輕易地?cái)U(kuò)建和改造。這些都是混凝土住宅所難以企及的。五、 環(huán)保在當(dāng)今的四大材料“鋼材、水泥、塑料、木材”中，木材是惟一可以再生, 又可多次循環(huán)利用的天然資源。木材是綠色生態(tài)建材，除了給人以舒適、美 感、回歸自然的感受外，還給人帶來(lái)健康的生活環(huán)境。作為生態(tài)建材具有以 下幾方面的優(yōu)勢(shì)：1、木材生產(chǎn)和使用能耗低樹(shù)木的生長(zhǎng)借助干自然界的土地、水分、而生長(zhǎng)成材，在所有的建筑材料 中，木材及其制品的獲取，包括生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、供應(yīng)，它所需要的能量最小。不像鋼材、水泥要?dú)v經(jīng)采掘、冶煉、鍛燒消耗大量的熱能和造成 環(huán)境污染。木結(jié)構(gòu)具有良好的隔音性和保溫隔熱性能，有研究表明：若達(dá) 到同樣的保溫效

15、果,木材需要的厚度是混凝土的1/15,是鋼材的l/400o 在使用同樣的保溫材料時(shí)，木結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)的保溫性能好15% -70% , 這意味著不僅建筑能耗的大大降低，也可節(jié)約材料，而且居住環(huán)境質(zhì)量將 得到提高。另外，木材對(duì)熱、聲、電的傳導(dǎo)性都較低，把木材作為木結(jié)構(gòu) 的梁、板、柱和境體材料是粘土磚和水泥制品所不可及。常用建筑材料熱工參數(shù)指標(biāo)材料柯稱(chēng)叱皮G )(k“ 3>比熱紅）（kj4ce-k）導(dǎo)熱系數(shù)(X )(W/fn -K)蒂熱系數(shù)0)Z=24h-W «XnK松和云杉垂蟲(chóng)木紋5500.1742.5124.187松和云杉平行木紋S500.3492.512S.873干木板術(shù)板各壁扳

16、2500.0582.5121.628鋼筋混凝土24001.5120.83714.945石渣混凝土10000.4.70.7544.710泡沬混凝土8000.2910.8373.745輕砂漿粘土磚砌體17000.7560.8799.0L3水泥砂漿18000.930.83710.06冇棉水泥板塊19000.3490.8376.3381膠介板6000.1742.5124.361通過(guò)常用建筑材料熱工參數(shù)指標(biāo)（上表）可以比較得出作為墻體材料而言，紅磚砌體的導(dǎo)熱系數(shù)是松和云杉垂直木紋及膠合板材料的435倍，是干 木板的13倍；鋼筋混凝土是上述木質(zhì)材料的869倍和26倍，由此可知 木材和木制品作為境體材料對(duì)建

17、筑的冬季取暖和夏季空調(diào)的建筑能耗將 大幅度的降低。2、木材對(duì)環(huán)境污染小木材的加工過(guò)程僅是改變形狀的冷加工物理過(guò)程，不涉及到相變或其他復(fù) 雜過(guò)程，不像水泥、紅磚的燒成和鋼材的冶煉排放CO2、SO2和大量粉塵，對(duì)水體和空氣的污染是很小的。水泥造成的水污染是木材的1.9倍, 鋼材的生產(chǎn)對(duì)水的污染是木材的120倍；木結(jié)構(gòu)材料對(duì)水毒性的影響亦 最低，鋼結(jié)構(gòu)為木結(jié)構(gòu)的3.47倍，混凝土結(jié)構(gòu)為木結(jié)構(gòu)的2.15倍。木 材在生長(zhǎng)過(guò)程中吸收CO?,放出氧氣，起到了凈化空氣的作用。鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn) 生的空氣污染為木結(jié)構(gòu)的1.7倍，混凝土結(jié)構(gòu)為2.2倍；由于CO?是溫 室效應(yīng)的直接原因，科學(xué)家們提議為了減少空氣中的CO2,我

18、們應(yīng)多種植 樹(shù)木。正在迅速成長(zhǎng)的森林是吸收CO?的主體，可持續(xù)發(fā)展的林業(yè)所提 供的永不枯竭的森林資源可使空氣質(zhì)量更加清新。另外，木材在加工過(guò)程 中產(chǎn)生的廢棄物和廢木制品以及建筑木制品垃圾，可以綜合利用和多次循 環(huán)使用，不產(chǎn)生剩余物，對(duì)環(huán)境少污染。總而言之，通過(guò)以上對(duì)木結(jié)構(gòu)房屋的的介紹，可以充分體現(xiàn)出木結(jié)構(gòu)的特 色：木結(jié)構(gòu)建筑可以產(chǎn)生更具沖擊力的視覺(jué)效果，取自大自然的天然材質(zhì) 使建筑具有一種特別的親和力，消除建筑本身作為外來(lái)物的冰冷感覺(jué)；木 結(jié)構(gòu)建造的靈活性可以充分發(fā)揮個(gè)性化、人格化特點(diǎn)。木材作為一種永恒的材質(zhì)，古老而又現(xiàn)代，木結(jié)構(gòu)建筑在風(fēng)格特性上與城 市特點(diǎn)遙相呼應(yīng)，彰顯人文特點(diǎn)。因此，木結(jié)構(gòu)建筑將塑造的不僅僅是可 供使用的建筑實(shí)體，更可成為一座座人文景觀，木結(jié)構(gòu)建筑完全是取自天 然，用之天然的建造手段，是順應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)體系。，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)從各個(gè)方 面展現(xiàn)了其不可替代的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)代木材又給建筑增添了新的功能和作用。 只要設(shè)計(jì)合理和防護(hù)良好，必然使得現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)成為我國(guó)建筑的主流。六、結(jié)論：由于可裝配式木結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕，可再生，抗震性能良好