木建筑的重生

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摘要:本文关注近年来关于木结构建筑研究热,结合木结构建筑的性能、设计和维护以及材料的特性,分析木结构建筑相比其它结构建筑的特点,提出木结构建筑在当展的一些待解决的关键问题和前景。

关键词:木结构;木材性能;木建筑

中图分类号:J022文献标识码:A文章编号:1005-5312(2010)11-0083-01

近年来,全国很多媒体都陆续刊登了几条消息,报道说美国、加拿大等世界木业巨头纷纷进入中国,向中国各大城市推广北美的木结构房屋。木结构建筑是人类最早兴建的建筑结构之一,纵观建筑历史,木结构因为其结构性能和美学价值,留下许多不朽之作。在古代中国更是得到广泛的应用而成为中国建筑史上最主要的建造方式。然而到近代工业革命发展,水泥及混凝土建筑材料的发明,则出现了我们现在司空见惯的钢结构建筑和混凝土结构建筑。举目我们所生活的城市,处处高楼林立,如同一座水泥森林。

一、 木建筑和其他结构建筑

建筑物按材料和结构形式可以分有钢结构,钢筋混凝土结构,砌体结构,木结构等。它们各自独具特点,可参照下表所列:

相比与其他结构,木结构取材容易、轻质高强、便于加工,施工时可以和钢结构一样标准化施工,外观上外观美雅,自然亲和。有关书籍的对比研究还显示木结构还环保节能,因为木结构别墅是以天然绿色植物――木材为结构材料的建筑,树木长到一定时间,就应合理砍伐。尽管如此,传统木结构也有着其致命的缺陷,比如木材暴露在外界空气中时极易被腐蚀和虫蛀等,木材的易燃性也一直困扰着人们。除此之外,单纯木结构能否用在在当代高层和大跨建筑中是一个关键难题。这些都有待于木材和木结构的改进和创新。

二、木结构的过去

木材是人类最早使用的建筑材料之一,早在3000 年前木结构就作为古代希腊和埃及的基本梁柱结构体系。数千年来,中国建筑始终以木为主要构材,砖石常居辅材之位。木结构建筑应用广泛,建于辽代1056年高达66米的山西应县木塔、存在已达千年之久的山西佛光寺,都是我国木结构建筑现存的典范。在其他国家如日本奈良的东大寺是目前最大的单一木建筑。木建筑营造的自然空间以人为本,以回归诗意人生为宗旨,空间注重人与建筑、自然和谐共生,造就纯天然的感受,使人陶冶精神,放松心情。

三、木结构建筑材料――木材

木材能够有效地抗压、抗拉和抗弯,尤其是抗压和抗弯时都显示出很好的塑性。木材的容重小,具有相当高的强度-容重比。木材对于侵蚀性的介质具有较高的化学稳定性。但是木材在潮湿环境下耐久性差、易遭虫害、易燃烧等诸多缺点。因而木结构建筑在城市化进程中的推广和应用有着许多亟待解决的难题。

(一)木材构造和性质

木材是变异性很大的天然生物高分子材料,其构造和性质不仅因树种而不同,而且随林木的立地条件而变异。木材作为各向异性材料,顺纹和横纹方向性能有着根本的差异,且横纹径向与切向间也有差别。木材的这些不同向的性能差异相对与各向同性钢材而言显得复杂得多。

(二) 木材的力学性能

木材的力学性质与木材的构造密切相关,同时还受木材水分、木材缺陷、木材密度以及大气温湿度变化的影响。木材密度是决定着木材强度和刚度的物质基础,是判断木材强度的最佳指标。密度增大,木材强度和刚性增高;密度增大,木材的弹性模量和韧性呈线性增高。含水率影响是当其在纤维饱和点以下,木材强度随着木材水分的减少而增高,随着水分的升高而降低。木材的缺陷(如木节、斜纹、裂纹、虫眼、变色和腐朽等)破坏了木材的正常构造,也影响木材的力学性质。

四、木结构建筑设计

木结构建筑和其他结构建筑一样,需要进行荷载分析、构件设计、构件连接,屋盖屋架设计等等。木结构建筑荷载传递路线大致是:屋盖面板屋架木梁柱子基础地基。

木结构轴心受拉压构件强度采用轴向拉压应力应小于木材的强度:N/A≤[σ],另外受压构件还需要进行稳定应算。受弯构件需要进行强度和挠度应算以及偏心受拉、压构件计算均和钢结构类似。在木结构建筑,木梁主要受弯,可以按受弯构件来设计,柱主要受轴力。

屋架设计,屋架的外形有三角形、梯形、多边形或者弧形等数种,屋架的荷载简化为每个节点上的集中荷载,在屋架各杆件,受拉的下弦杆最为重要,考虑木材的缺陷应采用钢材作为代换。木屋架确定屋架内力时,假定节点为铰接点,荷载集中到各个节点进行设计。

五、木结构的维护和加固

木结构相对于钢筋混凝土结构等其它结构耐久性和耐火性更为重要,因而木结构建筑设计对构件需要进行防腐防虫防火处理。

防虫防腐:木材在经过处理使之平衡含水率在19%以下时,虫子就不能存活,然后再在地基处使用屏障系统――防腐材料、挡虫网、周边喷洒药物等来阻隔白蚁的入侵。用严格施工技术能保证建筑材料的干燥,用高科技的“呼吸薄膜”包裹木结构别墅的外表面,使结构中的湿气能顺利排出,又避免外界的雨水不能侵入内部结构。

防火设计:木结构可以采用复合材料,比如LVL,OSB等等,这些材料本身的制作工艺及其结构就是对防火十分有利,而且它们在遭受火情时的碳化速度随着时间而变慢,这对于保持整个结构的承载是非常有利的。装修时采用结构上的全封闭的耐火石膏板装修,石膏板不仅能自然调节室外内的湿度,同时也是极好的阻燃材。在木结构别墅中安装烟雾侦测器或喷洒器系统,亦可预防在我们的生活方式中可能存在的火灾隐患。

对于已建成的木结构建筑进行定期检查,做好维护工作,也是增强建筑物耐久性的重要方面。

六、木结构在当代建筑中的应用

木结构的特质因品种和产地而异,因而是表现地方特性的建筑材料。以芬兰木建筑为例,当地森林覆盖率超过70%,每年可以生产8000万O的优质木材,砍伐之后即种植新树木。在当地木建筑中,木材不仅用于结构, 也用于构件、家具原材料和面材的材料。为了控制变形,木材被进行高温油浸和热处理;为了控制风化和褪色,通过处理剂浸注细胞或弹性薄膜来保护面层。芬兰选择当地最能经受气候考验的云杉和松树芯材作为木建筑的主要材料,从选材到建造的过程中,对结构、木料尺寸、连接方式以及结构保护都进行了深入的研究和精细的处理,应用了先进的技术。

七、总结

虽然现代研究技术就木结构的耐久性,防火性差有许多改良方法。但是目前的技术条件下,木结构的性价比相对于成熟的混凝土结构造价没有丝毫优势,大面积建设还是很成问题。人工林虽然生长周期短、投入少,但是原木的价格高高在上依旧大大限制了纯木结构的发展。相反,在建筑中结合运用木结构和其它结构更有实际价值。譬如钢结构和木结构的结合不仅能够进一步降低建筑物高度还给建筑增添自然和亲切感。纯粹木结构建筑物在高度方面是极度有限的。

放眼将来,相信社会的发展会带来建筑在结构上更多的新意,木结构的再度辉煌在于能否发挥出自身的优势,能否更好的服务于当代建筑。