结构材料系列—木材

木材是人类最早接触的建造材料之一，从人类走出洞穴进入农耕文明，即开始利用木材建造房屋。因为木材是大自然中最丰富的建造材料，中文“土木”泛指所有跟建造有关的活动，可见木材在人类建造活动中的重要地位。

古代木结构

---

古代的木结构主要存在于东方，与西方古代大量使用石材不同，东方的建筑历来以木材为主要构材。石材利于受压，因此，通常为垒砌法。而木材受弯、受拉的能力强于石材，因此木结构建筑有其独特的结构特征，即梁柱式建筑。 

中国著名木建筑群—故宫

世界上现存最古老最高纯木结构建筑—应县木塔

斗拱是古代东方木结构之关键，下图是日本主要的斗拱形式及力流传递示意。 

日本主要的斗拱形式及力流传递示意

古代木结构博大精深，篇幅有限无法展开。梁思成先生的《中国建筑史》对中国古代的建筑（主要是木结构）有很好的梳理，有兴趣的读者可以自行阅读。

木材的特性

---

可再生性

树木是唯一的数量不断增长的建筑材料。通过使用木材可减少或完全避免不可再生材料的使用。这对材料用量极大建筑工程来说，意义重大。 

防火

木材是可燃材料，但同时也是阻燃材料。细小的木头非常容易燃烧起来，但要想点燃粗厚的木材可不那么容易。木头表面一旦碳化就会形成保护层，保护内部组织。

结构所需的耐火时间可通过外包防护结构（常采用石膏板等防护饰材），或增加尺寸以控制碳化来实现。着火时，石膏板的结晶水蒸发，确保了板材背火面的低温，从而避免木材着火。除此之外，木屋还可装配喷淋系统来防火。  

耐久性

正确设计与施工的木结构寿命都很长。全世界有些木建筑从建成到现在，已经有上千年历史了。提高木材长期耐用性的方法有：

· 根据应用对象，选择合适的木材种类

· 保持结构干燥

· 为结构做好充分的防水、防潮与防阳光直射的保护措施

· 木材浸渍以防止腐烂与白蚁等

· 表面处理，如：油漆、上光与打蜡

· 良好保养及更换磨损部件

隔音

为达到良好的隔音效果，隔墙与中间层楼板均需分层且每层相互隔开，这样可隔断声音在结构中的传导。为改善对脚步等冲击声的隔音效果，可在楼板隔层内加填料，以减小结构颤动。

一般木结构都需要防火，而防火的木结构通常隔音效果都比较好。实际应用中木结构可以达到各类隔音标准。

木材制品

---

现代木结构基本摈弃了原木的使用，而采用现代工艺加工的规格材和工程木材料，比如胶合木，CLT交错层积材等。这些材料的强度、耐久性、稳定性、环保性、经济性都要远远好于一般木材。工程木材的使用也使得建造大型木结构建筑成为可能。

 常用的木材制品有集成材、单板层积材LVL(Laminated Veneer Lumber)、交错层积材 CLT（Cross Laminated Timber）和胶合板。

       集成材                  单板层积材                   交错层积材 

木材的连接

---

古代榫卯 

榫卯为“榫头”和“卯眼”的简称，是一种传统木工中接合两个或多个构件的方式。其中构件中的凸出部分称为榫（榫头，也称作笋头），凹入部分则称为卯（卯眼，也称作卯口、榫眼等）。最基本的榫卯结构由两个构件组成，其中一个的榫头插入另一个的卯眼中，使两个构件连接并固定。

现代钢木连接节点

现代木材的连接往往借助钢连接件，钢和木的组合结构体系比传统的木结构体系坚固耐用，又比现代的纯钢结构更丰富多彩。

 木结构实例

---

伊斯马宁无线电基地木塔(Ismaning，Germany/1934) 

德国1934年建造的伊斯马宁无线电基地木塔，高164m，令人震撼。大战前夜的德国，木材代替钢材成为最重要的结构材料。

塔科马穹顶（Tacoma Dome,USA/1983）

塔科马穹顶是世界上第一座大型木结构穹顶，直径为162m，覆盖13900m2展厅。穹顶顶部高度达 45.7m。

 穹顶屋面的主要受力构件为414根截面尺寸为200mm×762mm的胶合木梁。每根胶合木梁均根据穹顶表面的曲线被弯成曲线形，进而通过金属连接件将其连接，形成球形的单层网壳结构。穹顶的荷载由一个现浇的后张预应力混凝土圈梁传递到36根钢筋混凝土柱上。 

蓬皮杜梅斯艺术中心（Centre Pompidou Metz, France/ 2010） 

蓬皮杜梅斯艺术中心由坂茂建筑事务所（Shigeru Ban Architects）设计，坂茂以15m跨度为模数，设计了3个纵深长达90m的长方体。这3个管状的长方体彼此垂直叠加，略有错动，并在附近布置了一个六边形的钢框架核心筒，核心筒内部是楼梯与电梯。层叠的长方体和核心筒上部是木结构屋面，屋面上覆PTEE薄膜。

体块示意图

剖面

蓬皮杜梅斯艺术中心的主要功能是为公众展示更多的艺术作品（在巴黎蓬皮杜仅仅展出了其所有藏品的20%），并为在净高仅5.5m的巴黎博物馆无法展出的超大件作品提供展览空间。为了满足这些要求，中庭展廊的最大净空高度为18m。

内景 

细部

屋顶采用了与竹编工艺相仿的方式，让木构件彼此穿插叠加在一起。木构件既是结构受力构件，也是建筑纹理的直接表达者，让人倍感亲切。坂茂在接受采访时谈到，他是受中国传统编织草帽的启发。 

草图

从上面的草图上看到，屋面的曲面形态建筑师也只是大概有个想法。ARUP对屋面自由曲面的形态进行了优化分析，并最终得到了形态优美、受力合理的曲面。木屋面具体的结构设计由Hermann Blumer承担。这是建筑师与结构师共同协作的结果。 

苏黎世Tamedia办公大楼（Tamedia Office Building,  Zurich /2013） 

在苏黎世市中心，媒体集团Tamedia出资兴建了一座7层的木制建筑，设计者是日本建筑师坂茂。

坂茂在接受采访时说，'在这个项目中，我最主要的目标之一就是用木头取代钢筋混凝土来建造结构。另外，我还想实现不依靠金属部件，而完全用木栓来衔接木梁和其他木结构。'

施工现场

“Tamedia集团的主席希望我能营造舒适的工作环境，这也是我选择木头的原因之一。在这样的一个空间里，人们能够感到安静、平和，就像在他们自家的客厅或林间木屋里。”

节点示意

为了建造Tamedia大楼，结构工程师首先对房屋架构中所要使用的木材进行了必要厚度的计算。然后在此基础之上又多加了4厘米，以备万一发生火灾时，来保护木材内层。

不列颠哥伦比亚大学学生宿舍（Brock Commons in UBC，Canda, 2017）

在不列颠哥伦比亚大学中心区域，一栋18层53m高的学生宿舍正在施工。这栋建筑物建成后，将成为世界上最高的木结构建筑。预计2017年9月将迎来入住的学生。

这栋宿舍楼是框架核心筒体系，两个混凝土核心筒起到地震中的抗侧作用，并且在火灾中保证楼梯的疏散通畅。基础及2层以下为混凝土结构，二层以上由木质梁柱组成。

该栋建筑采用大量装配式的施工方法，结构已于2016年9月份施工完成，比预计工期提前四个月。可见装配式木结构在施工速度上是有优势的。目前正在进行内部装修施工。 

设计人员认为火灾中表面的碳化可以保护内部木材，所以宿舍的抗火能力也是没有问题的。反而梁柱之间的钢材连接件可能成为火灾中的薄弱部位。

梼原木桥博物馆（Yusuhara Wooden Bridge Museum,Japan/2010）

位于日本高知县的梼原木桥博物馆由日本隈研吾建筑事务所设计，采用本地红衫木制成。该桥梁被设计成一个极具雕塑感的三角体量，除了成功连接被道路分开的酒店和水疗馆，同时也可用作艺术家的住宿和工作驻场地点。

这个项目跨度47m，所有结构由底部中心支柱支撑。建筑师用小部件组成了结构体系，其截面仅180mmx300mm，其灵感来源于日本和中国传统的悬臂式结构。

---

限于篇幅，小i在下面罗列一些有意思的木结构建筑，供读者欣赏。

曼海姆多功能厅

（Mannheim Multihalle,Germany/1975）

曼海姆多功能厅是弗雷·奥托的代表作之一。覆盖4700平米的屋顶是木制网格结构，最大跨度60m，其形状是根据索网的逆吊实验法得到的。

大馆树海体育场

（Ohdate Jukai Dome,Japan/1997）

位于日本秋田县大馆市，由建筑师伊东丰雄设计。它拥有日本最大型的木制拱形架构，上下弦采用秋田杉的集成材，通过方钢管斜撑和实心钢管斜杆连接在一起。形成格子状的设计，相当具有特色。

 东京新宿的日本工学院射箭馆与拳击俱乐部（timber structure Archery Hall and Boxing Club,Kogakuin University,Japan/2013）

射击馆使用了通常制作家具的小木材完成结构，在拳击馆使用了略微受损的稍大块木材进行结构构筑。射击馆的结构显得精致，拳击馆的则更为粗犷。 

西班牙都市阳伞(Metropol Parasol, Spain/2011)

罗斯托克会展大厅（Warnowhalle Hanse Messe Rostock,Germany/2002）

日本兵库县朝来市温水游泳馆

目前国内的现代木结构建筑并不多，希望这篇文章能给您带来些许启发。如果您对木结构有所见解，欢迎留言。

---

参考资料：

1.《中国建筑史》梁思成

2. 现代木结构设计亮相《2013建筑结构巅峰对话，结构成就建筑之美国际会议》

3. http://www.

4. http://www.

5.http:///vancouver/ubc-tall-wood-building-worlds-tallest

6. http://www./technique_arch.htm

7. http://www./show-6-1372-1.html

8. http://arch-traveler./2013/06/tamedia-new-office-building.html

9. http://www./ad/20130816-architectural_design-770

10. 保罗·C·吉尔汉姆.塔科马穹顶体育馆—成功的木构多功能赛场的建设过程[J].世界建筑，2002

11. http://www./case-study-mannheim-multihalle/