畢業(yè)論文：建筑木材及木結構研究（定稿）

1/1畢業(yè)論文：建筑木材及木結構研究（定稿）木材及其木結構研究【摘要】：

本文首先主要回顧了木材的使用歷史,然后闡述了木材的材料性能以及木結構的結構形態(tài)，還有現(xiàn)代木結構的新技術和新材料，最后探討了木材在資源利用和可持續(xù)發(fā)展問題方面的作用。

【關鍵詞】：

木材、木結構、單板層積材、定向刨花層積材1、木材使用的歷史架木造屋，這項活動最早大致出現(xiàn)在14000多年前，從考古文獻中得知，木材是人類最早使用的建筑材料之一。

早在數(shù)千年前，在中國的傳統(tǒng)建筑中，木材的廣泛應用以及高水平的木構技術和藝術成就使以木構為主體的中國傳統(tǒng)建筑在世界建筑文明體系中獨樹一幟。

中國的第一代建筑理論家和建筑學術體系的奠基者之一梁思成先生曾經精辟地將中國建筑傳統(tǒng)定義為土木之功作為建筑用材。

木構作為世界各種文明體系中的基本現(xiàn)象，在西方的建造行為中，也是重要的傳統(tǒng)之一。

作為西方文明發(fā)源地的歐洲，其建造行為中的木構原本就是重要的傳統(tǒng)之一，雖然西方建筑在我們的概念里有較多是石構的影像，但從數(shù)量和范圍上看，木構只會比石構更為巨大和廣泛。

在歐洲，希臘早期的廟宇和其他建筑物，都是木構架的。

由于木構架容易腐朽和失火，希臘人利用陶片來保護木構架。

古羅馬時代在建筑上繼承了古希臘的成就，并創(chuàng)造發(fā)展了獨特的拱券技術。

在木結構的應用上，最早的木屋架形式是由兩根相對的木料構成人字形，中間用水平的聯(lián)系桿件連接。

在大型的公共建筑上除了使用拱頂和穹頂之外，也使用木桁架。

西歐在5～10世紀建筑極不發(fā)達，中世紀之初，除了意大利北部一個地區(qū)之外，西歐各地普遍失去了拱券技術。

西歐在大部分地區(qū)丟失了古羅馬的拱券技術后，大量的采用了木屋架。

自10世紀起，拱券技術從意大利北部傳到萊茵河流域的城市里，進而傳到西歐各地。

因為木屋架太容易失火，教堂重新使用拱券技術。

在木桁架的應用上，意大利和拜占庭一直沿用相同樣式。

15世紀，英國對原有木桁架進行了一項很大的改革，即托臂梁桁架，與拱肋相結合，產生較大的跨度。

英國倫敦的威斯敏特大廳是目前保留最好的采用這種木構架的建筑。

每一架拱由三組木頭并排構成，而這三組木頭是用橡樹制成的木栓連接起來的。

在屋頂結構中間的每個交叉元素，都是通過獨立的榫卯結構相連接的。

外側的木頭在中間大致與接縫處聯(lián)起來，使得這塊木頭與兩側都連接起來。

然而在1666年倫敦的那場大火燒毀了13000多所住宅。

所以木構架建筑物也逐漸減少。

直到1760年代，隨著水力和風力的使用，動力工廠大量興起，木材在建筑上的使用有越來越多。

到1773年時，羅德島上的木材完全耗盡。

1777年，圓鋸在英國獲得專利，更加帶動了木材在建筑中的使用。

1810年，木材取代皮毛成為加拿大最大的出口商品。

1832年，在美國芝加哥發(fā)明一種被稱為芝加哥房屋的輕質木框架房屋。

房屋使用38mm厚的木材作為墻骨、地扳梁、天花梁、屋頂椽子。

骨架間用大量生產的長釘連接而成，頂部也通過釘子連接加固。

這種輕型木結構成為最主要的低層住宅、多層住宅、宿舍、旅館、老年公寓等的木結構方式。

1850年，圓鋸在美國首次用于木材加工。

到19世紀60年代，北美五大湖地區(qū)成為美國木材生產加工的中心。

而到1870年代，由于美國東部地區(qū)大量的伐木，導致其森林面積大大減少，美國東部地區(qū)逐漸成為了從西部進入木材的凈進口地區(qū)。

而1883年通往普吉特海灣的鐵路的建成通車則打開了西北部森林的大門。

1884年在愛沙尼亞生產出了三層座位的椅子。

到1890年代，鋸木廠鍋爐的熱回收加熱產生的熱池塘，使得北美鋸木廠全年的全年運行成為可能。

與此同時，大尺度的帶鋸也發(fā)明出來。

1905年，軟木膠合板在劉易斯和克拉克遠征百年紀念展上展出。

1906年，在德國生產出合成樹脂膠水。

自從20世紀40年代后期開始，平臺框架開始占主導地位，如今，它代表了加拿大建筑業(yè)的常規(guī)做法。

2、材料性質2.1、木材的構成木材是一種天然可再生的材料，還是一種多用途的材料，它能以不同的方式制成用途廣泛的產品。

天然木材的構成與結構具有多樣性復雜性，這既是一個長處，又是一個短處。

一方面因為這種多樣性帶來了廣泛的用途；另一方面由于復雜性在使用中需要特別謹慎地了解每種木材的特性，以確保達到所要求的質量或標準。

木材的多孔結構是為了給樹木提供水分和養(yǎng)料。

作為在植物史中較為古老的樹種，落葉樹木含有三種不同種類的細胞，分別用來提供、運輸和儲存養(yǎng)分。

針葉樹木卻只有一種細胞，它是一種既能提供養(yǎng)分,也能運輸和儲存養(yǎng)分的細胞，這樣就增加了這種木材的彈性。

木髓位于樹干的正中心。

木頭的細胞圍繞著這個最初的中心開始生長。

木髓通常是干燥的并且不能提供水分和養(yǎng)料。

通過樹干的橫截面可以看到放射狀的髓線。

加上顏色和年輪以及在很多種樹中都有的樹脂囊，就能夠得出這種木材的各項性能，并能得知樹木的年齡和健康狀況。

心材指在生活的樹木中已不含生活細胞的中心部分，其貯藏物質（如淀粉）已不存在或轉化為心材物質；通常色深；無輸導樹液與貯藏營養(yǎng)物質的功能；其主要對整株植物起到支持作用。

心材是由邊材逐漸轉化形成，時間自3年至30年以上。

邊材是指樹木次生木質部的外圍活層，功能為將水及礦物質輸送到樹冠。

其細胞中水分較心材多，且無心材中常見的深色沉積物質。

色淺，較軟，在橫切面(如樹樁)上一般易于辨認。

各種樹木的心材與邊材的比例和形態(tài)差異的明顯程度各異。

圖一：

木材的結構（圖片一來源：

安德烈德普拉澤斯.建構建筑手冊[M].袁海貝譯.大連：

大連理工大學出版社，2007.)年輪的形狀與樹木的生長環(huán)境氣候有很大的關系。

在氣候溫和的中歐，樹木的生長從四、五月份開始，到八、九月份結束。

因此在春天形成的木質中我們可以看到層有較大孔的薄壁早材細胞，這種細胞能夠快速地運輸水分和養(yǎng)料。

在秋天形成的晚材厚壁細胞給樹木提供了強度。

形成層位于樹皮下，這里的細胞把樹皮組織和內部組織分開。

木材是主要由天然可塑性物質木質素與纖維素組成的復合結構。

正是因為木質素才使得樹有別于其他植物，因為在其他植物的組成中幾乎不含木質素。

由纖維素組成的平行管束被縛在一起形成木質素，木質素能使樹長高，并且使木材既堅硬義富有彈性。

在木材的許多用途中，便利用了纖維素和木質素相結合的固有好處，例如在坑木、桿、柱、鋸材、木基板材及其派生物。

2.2、木材的力學特性木材的力學強度主要是由木質素提供的，基于木質素平行排列的生理特征，木材是具有天然缺陷的非均勻材料。

木材在順其生長方向上的纖維長度以及纖維的強度較徑向均大得多，決定了天然的木材單向受力的特點順紋和橫紋具有不同承載力，在其生長方向的力學強度要比木材徑向上的強度大許多倍。

大多數(shù)種類的木材均只適合在順紋方向受壓、受拉及承受彎矩，然而延徑向方向上有相對較大的抗剪力的能力。

因此既可以承壓也可以受拉。

3、結構形態(tài)3.1、實體承重墻木結構作為實體承重墻是指一類小型木結構建筑，包括住宅、農舍等采用原木結構或柱結構的建造方式。

這類建筑也歸為重型木結構建筑（圖二）。

實體承重墻原木結構與通常的框架建筑不同，而是將原木水平疊置形成墻體，作為承重墻。

原木間通過削切使之互相契合。

轉角處采用立柱，立柱開槽。

水平疊置的原木端頭做成榫狀，嵌入開槽的立柱。

原木結構更多的應用了榫卯技術。

它們的特征是：

橫向水平放置矩形或圓形木材，厚重的墻體有很好的保溫隔熱性能。

這種結構通常被森林資源豐富、氣候比較寒冷的地區(qū)的民居所采用。

在原始的壁式木結構中就有圓木房屋。

俄羅斯寒帶地區(qū)的木屋、中國云南少數(shù)哈尼族的井干式房屋都屬于這種。

此外還有阿爾卑斯山脈地區(qū)的谷倉。

3.2、木框架木框架結構又稱為柱結構(pole-type)，是最古老的木結構方式中的一種，是從圓木構架發(fā)展而來的建筑形式（圖三）。

在柱結構建筑中，基礎的做法比較簡單，直接使用經過防腐處理的柱子置于地基中，用柱作為支撐框架，形成房屋框架，用重型木結構厚板作樓板、天花、屋頂。

外墻可以設計成非承重墻，可以大規(guī)模的開口或開大型窗戶。

這種房屋可以先進行屋頂結構的構筑，再構筑墻體。

柱結構的長處在于使用大截面的構件可以節(jié)省器材和人力。

此外，裸露的木材表現(xiàn)出一種自然的質感。

目前，柱結構仍然在許多農舍、公園小品和一些商業(yè)建筑中使用，并時常與典型的平臺框架結合運用。

由于現(xiàn)代結構力學的不斷發(fā)展，木框架結構也用于一些現(xiàn)代建筑。

圖二：

實體承重墻圖三：

木框架（圖片二、三來源：

安德烈德普拉澤斯.建構建筑手冊[M].袁海貝譯.大連：

大連理工大學出版社，2007.)3.3、輕質木框架和平臺框架輕型木框架建筑主要是指輕質框架房屋和平臺框架房屋。

與梁柱木結構不同，輕型木框架結構是一種由樓板和墻體體系組成的空間箱形結構（圖四、五）。

這種結構形式使構件之間能相互作用，有效的抵抗地震荷載。

輕型木框架的結構體系主要為樓板框架和墻體框架，構件主要包括墻骨、擱柵、椽子桁架和覆面板，是由一系列規(guī)格木材和板材組成。

規(guī)格材和板材本身幾何尺寸按一定模數(shù)形成系列。

同時，它們在結構中，構件之間的位置尺寸也按同樣的模數(shù)系列布置。

這就使得輕型木框架建筑從構件制造，結構設計到施工均能形成標準化。

結構的標準化從最大程度上保證了施工質量和速度，從而有效的降低了建造成本。

這種木結構建筑在現(xiàn)代西方國家特別是美國是很常見的。

例如，皮亞諾在意大利熱那亞設計的皮亞諾事務所和1997年建成的美國新士麥那海灣的大西洋藝術中心均采取這樣的結構。

圖四：

輕質木框架圖五：

平臺框架（圖片四、五來源：

安德烈德普拉澤斯.建構建筑手冊[M].袁海貝譯.大連：

大連理工大學出版社，2007.)圖六：

大西洋藝術中心圖七：

大西洋藝術中心（圖片六、七來源：

/2011/0328/5158.html）1997年建成的美國新士麥那海灣的大西洋藝術中心是由查爾斯羅斯設計，功能包括舞蹈，戲劇，繪畫，雕塑，音樂和寫作工作室，加上一個黑盒劇場，圖書館和食堂。

設計將藝術中心隱藏到周邊植被中，形成完全意義上的融入周邊環(huán)境。

并且建筑結構也高度反映環(huán)境特征，建筑材料包括雪松護墻板、紅木窗口、現(xiàn)澆混凝土、玻璃等。

皮亞諾在意大利熱那亞設計的皮亞諾事務所始建于1989年，坐落于意大利熱那亞城西邊緣地帶的環(huán)海山丘上，其中包括聯(lián)合國教科文組織的一所實驗室和倫佐皮亞諾的建筑工作室。

它被有目的地與外界隔離，就像一塊沙漠孤洲。

它平靜而沉默，使人專注，激發(fā)人的創(chuàng)造力。

然而，它并非隱士閑居之所，不同國籍的人在這里工作，它的大門永遠向同行敞開。

建筑與周圍環(huán)境完美和諧地融為一體，它呈階梯狀沿陡峭的山坡向著大海鋪展開來。

房屋是玻璃結構，完全模仿利古里亞(Ligurian)海濱傳統(tǒng)樣式的花房形式。

它位于山嶺與地中海的交接地帶，就像是一首獻給大海的贊美詩。

工作室就像一座巨大的花房，里里外外遍布花木，似乎與自然有著特殊親密的關系。

本著這種精神，建筑尋求最大限度地利用自然光，燦爛的陽光彌漫于室內的每一個角落，成為建筑中人們的天然時鐘。

盡管該建筑已成為故意遠離市區(qū)的世外桃源，但它可以通過現(xiàn)代科技與世界交流，并不是真的與城市對立，因而擁有后都市(PostUrban)研究中心的美稱。

圖八：

皮亞諾工作室內景圖九：

皮亞諾工作室內景圖十：

皮亞諾工作室軸側圖圖十一：

皮亞諾工作室平面圖（圖片八十一來源：

周浩明.世外桃源_后都市_--倫佐皮亞諾工作室與聯(lián)合國教科文組織實驗室[J].室內設計與裝飾.2006(3):86-89.)4、新木結構技術和木材料4.1、工程木材單板層積材是用結構膠粘劑將交錯疊放的多層平行單板粘合在一起而制成的長板材，可以非常靈活地切割成所需規(guī)格的板材。

該產品是在一定的溫度和壓力下用膠將旋切板熱壓而形成的工程木產品，生產中每一旋切板的纖維方向與產品的長邊平行。

通常單板層積材的寬度為45mm，高度由240～475mm不等。

單板層積材對木材種類沒有特別的要求。

一般能制造膠合板的樹種都能用來生產該產品。

單板層積材一般用于制作建筑中的梁、桁架弦桿、屋脊梁、預制工字形擱柵的翼緣以及腳手架的鋪板。

單板層積材也用作建筑中的柱以及剪力墻中的墻骨柱。

單板層積材中的旋切板厚度通常為2．5～3．Omm，一般不超過6mm。

與膠合板的生產類似，剛旋切下來的板片通過機械干燥、平整，并根據(jù)原料的天然缺陷如木節(jié)和劈裂的數(shù)量和尺寸來分類。

由于生產中對每一層旋切板的等級和質量都有嚴格的控制，因此單板層積材的材性變化很小。

4.2、大板系統(tǒng)定向刨花層積材(OSL)是刨片層積材產品的形式之一。

其制造過程與刨片層積材類似，兩者的主要不同在于他們所使用的木片長度。

定向刨花層積材中的木片長度較短，一般不超過150mm，其剛度和強度比刨片層積材稍低。

一般刨片層積材的強度和剛度稍低于單板層積材和平行單板條層積材，且尺寸穩(wěn)定性也不及單板層積材和平行單板條層積材，當含水率變化時，刨片層積材的厚度脹縮比單板層積材和平行單板條層積材的脹縮要大。

4.3、木材水泥復合水泥刨花板是以水泥為膠凝材料，木質刨花為填充增強材料，外加適量水和化學助劑，經攪拌、成型加壓，養(yǎng)護而成的無機膠合人造板。

它具有較好的強度和較高的耐水性能，還具有防水、防腐、隔音、隔熱加工方便等特性，是一種良好的建筑材料。

水泥麥秸板則是用麥秸取代木質刨花，在水泥中摻入一定量的粉煤灰，來制造水泥麥秸板的。

在水泥麥秸板中，麥秸起著填充及增強的作用水泥主要是膠凝作用。

因此，在一定范圍內，增加麥秸用量，可以提高水泥麥秸板的強度。

但是，如果麥秸用量過多，會使水泥麥秸板的吸水厚度膨脹率較大。

這主要是由于麥秸是多孔吸水材料，需要依賴水泥所具有的防水性能，來提高其自身的防水性能。

在一定密度的水泥麥秸板中，麥秸所占比例越高，提供防水作用的水泥就越少，從而導致水泥麥秸板的吸水厚度膨脹率逐漸加大。

研究表明：

麥秸／水泥為0．32時，水泥麥秸板的靜曲強度和內結合強度達到最大值；麥秸／水泥為0．28時。

水泥麥秸板的吸水厚度膨脹率最低。

5、資源利用和其他可持續(xù)發(fā)展問題木材是一種可再生資源，凈化空氣和水，產品利用率接近100％，在生產過程中能量需求最低，相對于其他替代品產生更少的廢水和廢氣，完全可重復使用、可