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现代木结构建筑简明指南

2019-04-19  2018意气...

一个多世纪以来,多高层建筑主要采用混凝土和钢材建造,这两种材料是结构材料的首选并将继续成为未来建筑的重要材料。尽管如此,气候变化、城镇化建设、可持续发展及世界宜居需求为选择木材作为结构材料提供了契机。

随着城镇化进程加快,制定和实施各种规模的低碳建筑解决方案十分必要。多高层木结构建筑不仅可以减少温室气体排放,还能满足城市密集人口对住房的需求,是城市开发的重要策略之一。

高层木结构建筑并非全新的建筑形式。实际上,高层木结构建筑已经存在几个世纪了。应县木塔建于公元1056年左右,高67米,被认为是世界上现存的最高木结构建筑之一。从19世纪中期到20世纪中期,在北美和其他地区也有许多采用高层砖石混合结构,即所谓的“砖梁”建筑建造厂房和仓库。这些砖石结构通常由没有加强的砖砌外墙和支撑内部结构的重木梁柱组成。这些建筑可高达九层,大概已有100多年历史。

图:应县木塔

近十年来,由于最新的工程木产品和系统不断发展和进步,以及以基于目标和性能要求的建筑规范的制定,建成了许多8~14层的高层居住及公共木结构建筑。此外,消防安全和防护工程、建筑科学和结构工程分析的进步也促进了多高层木结构建筑的发展。

环境效益

与其他主要建筑材料相比,木材的环境优势是巨大的:首选木材作为主要结构材料有助于解决三个关键的环境问题:碳排放、固碳和可持续性发展。

与钢材和混凝土等材料相比,木材产品具有更小的内含能(Embodied Energy)。内含能是指建筑材料在原材料生产,加工,运输中所消耗的能耗。加拿大木材委员会(Canada Wood Council)早前发布的一份报告显示,钢材和混凝土产品的内含能分别比木材产品高26%57%,多排放34%81%的温室气体,造成的水污染分别高出400%350%

树木本身具有储存二氧化碳的特性,从而减少温室气体。当木材被采伐并加工成木材产品时,碳也被固定到木材产品中。就木结构建筑来说,在其整个生命周期中,碳都是被存储下来的;如果木材被回收和再加工成其他产品,那么碳的存储时间更长。加工木材产品比加工钢材和混凝土的能耗要少得多。

可持续的森林管理确保森林的合法砍伐和经营,以满足长期需求。严格的再造林要求促使每年森林的净增长量超过年度砍伐量,从而维持或增加森林碳储存。随着森林的成熟,其储碳能力下降并最终达到最大限度,若此时任由树木腐烂或者山火发生,储存的碳将被释放回大气。因此通过采伐成熟的树木,碳可以保留在木材纤维中,并从树木转移到建筑中并更长久的保存。


价格竞争力

在北美,多层轻型木结构建筑使用规格材、木基结构板(OSB)及工程木产品建造,与轻钢结构和混凝土结构相比具有价格竞争力。

图:北美多层轻型木结构

重木结构,即采用大型预制木构件,如正交胶合木(CLT)、旋切木片胶合木(LVL)和木片层积材(LSL)作为墙体、楼板和屋盖,采用胶合木作为梁柱,从成本上来看,竞争不过大多数低多层轻型木结构建筑。但是,因其高强度和稳定的工程性能,在轻型木结构建筑无法实现的高层建筑和公共建筑领域,重型木结构却能与钢筋和混凝土建筑一较高下。根据美国CLT手册,CLT在高层建筑或大体量建筑中越来越具有竞争力。

此外,重木结构建筑的安装比钢结构和混凝土结构更加迅速,因此业主和开发商将节约更多成本。举例来说,Lend Lease开发公司估计,澳大利亚墨尔本的10Forte公寓因为采用预制构件而节省30%的时间。工厂预制可以加快安装从而节约成本,实现尽早入住。木结构建筑比其他建筑更轻,这降低了对基础的要求,从而降低成本。这一特性在土质差、基础成本高的区域尤显重要,Forte公寓项目就是这种情况。

图:澳大利亚Forte十层木结构公寓项目

消防

刚颁布的国家标准《多高层木结构建筑技术标准》GB/T 51226-20172017101日生效)规定,当墙体、楼板和屋盖等结构构件满足规范要求的耐火极限时,木结构最高允许建造5层。超过5层的木结构建筑,需要进行专项论证。

对于轻型木结构建筑,通常通过安装石膏板等耐火材料使构件达到1小时和2小时的耐火极限实现。重木结构建筑由于木材截面炭化层的作用,构件具有更长的耐火极限。炭化层一旦形成,因为木材本身的低导热性,使木材内部温度不会骤然提高,因此保证了结构整体性,防止结构强度下降。此外,重木结构体系与混凝土结构和胶合木结构体系相似,可以控制燃烧的密闭空间。实木板本身也形成具有耐火极限的防火分隔,控制火灾向其它区域蔓延。

图:火灾发生后的轻型木结构墙体,在耐火时间范围内,木框架保持了结构完整性

重木结构的被动防火设计有两种方法。一是包覆石膏板用于提高重木结构构件的耐火极限,二是考虑木构件的炭化时间,达到木结构的防火性能要求,第二种方法在世界范围内正越来越多地被视为一种保证木结构防火安全的有效途径。

包覆石膏板”—根据规范对构件耐火极限的要求,在楼板下方和整栋建筑包覆1-2层耐火石膏板,以满足防火要求。这个方法与在可燃或不可燃建筑中,建造有耐火要求的楼板、屋盖和墙体构件的方法类似。炭化”——重木结构的实木构件在火灾中会形成炭化层,这个炭化层将外界热气与内部木材隔离。大尺寸构件的耐火极限可以根据构件的最小厚度和炭化层厚度计算得出。通过结合现代消防系统和建筑防火分隔措施,可以不通过包覆手段,而采用炭化计算方法,就能满足结构防火要求。这样就不需要石膏板,减少建筑重量和成本,同时可以呈现木材的自然美。

图:重型木结构构件燃烧后形成的碳化层

结构性能/抗震性能

木结构的强度重量比大于钢结构和混凝土结构,因此在地震中结构内力更小。轻型木结构建筑中,墙体数量多,为风载和地震荷载提供传力路径,增加安全冗余度。此外,轻型木结构建筑使用大量钉子,提供了良好的延性和耗能能力。以往的地震观测和测试显示,木框架建筑抗震性能良好。举例来说,在日本世界上最大的振动台试验中,6层轻型木结构抵抗住了2500年一遇的地震,只造成很小的损害。这个试验证实只要精心设计和保证施工质量,六层轻型木结构建筑的地震风险能保证在可接受范围内。

图:在日本神户三木市进行的一项六层轻型木结构振动台试验

重木构件,如CLTLVLLSL,强度和刚度都很好,形成有效的抗侧力体系。大量的抗震试验发现这些板材在多层建筑中表现良好,没有残余变形。测试建筑具有良好的延性和耗能能力,主要受益于连接节点。比如,在一项研究中,研究者在日本三木市世界上最大振动台测试了一栋7CLT建筑,即使在14次连续地震后,建筑仅受到较小的结构损坏。假使实际建筑受到相同的地震作用,震后修复也非常容易。

图:在日本三木市振动台上进行的一个七层CLT足尺寸建筑试验

除了纯木结构,木混合结构也扩大了木结构的应用范围。最常见的木混合结构是由混凝土核心筒承担横向荷载、木结构承担竖向荷载。使用这种方法,木结构建筑的很多优点都能得以实现。加拿大不列颠哥仑比亚大学校内18层的Brock Commons学生公寓就是一个混凝土核心筒木混合结构的典型例子,这个建筑的楼梯和电梯用混凝土建造,其余结构由CLT、胶合木和LVL建造。

图:加拿大UBC大学Brock Commons18层木结构学生公寓项目

能源效率


木材导热性低,因此木构件本身具有比钢结构、混凝土和砖石构件更好的热阻和更低的热桥效应。木结构墙骨之间的空腔可以填充保温材料,通常是纤维保温棉。这些保温材料通常比用于混凝土、轻钢和砖石结构的刚性或半刚性保温板更便宜。木结构构件的保温性能好,因此可以减少墙体厚度从而增大室内空间,尤其是在土地价格高的城市地区,具有更高的性价比。例如在瑞典,木框架外墙比普通砖石墙体薄50%,却能达到相同的保温性能,对于典型的多户式住宅可以增加3%的室内面积。木框架外墙也成为欧洲建造被动式建筑的首选。

重木结构建筑的独特特征使其成为节能建筑。木材的保温性能由R值(热阻值)决定,热阻值与板材厚度有关。厚板的R值高,隔热效果好,使用的保温材料少。由于重木构件是实心的,因此重木结构建筑中几乎没有空气流动的可能因此建筑物的保温性能得以提高。生产CLTLVLLSL可以使用数字化控制(CNC)设备精确控制误差,使板与板的连接更加紧密,更加提高保温节能性能。一项研究显示,一栋CLT结构建筑的运行能耗仅为普通建筑物的1/3。奥地利科瑞公司(Cree GmbH)建造的8层生命周期一号塔(LCT ONE),是根据被动式房屋标准设计的,其碳排放比按现行规范建造的建筑减少90%

图:奥地利生命周期一号塔项目

建造

木结构非常适用于预制加工。木产品,比如规格材和结构用板材,可以加工成标准尺寸,并且很容易实现预制墙体、楼板和屋盖构件。木材产品易于锯切和钻孔,适合使用金属紧固件固定。木材与钢筋混凝土相比非常轻,因此运输成本低,安装设备要求低。

在北美,多层轻型木结构和重木结构预制生产已成为通用方法。一般来说,预制生产包括构件预制、板式组件预制和单元模块预制。重型木结构建造已广泛采用预制构件,预制板、梁、柱等根据设计要求在工厂内加工、锯切,运输到施工现场,然后组装到位。

预制构件在轻型木结构建筑中应用也很广泛。到目前为止,大多数生产商生产的是开放式墙体组件。随着对建筑节能和建筑组件的质量要求越来越高,封闭式板式组件(即墙体外饰面、呼吸纸、门窗、电气和管道布线、隔汽膜和石膏板或其他内饰面全部在工厂完成)将成为主流。

图:加拿大ACQbuilt预制木结构工厂

完整的预制单元模块通常包括:楼板、墙体(外墙、内墙)以及吊顶(或屋盖)。这是最完整的预制形式,因为运到现场组装时,这些单元模块已包括了大多数内装、保温材料、管道、电线、门窗,有时还包括外饰面。一些制造商的预制比例能达到85%

图:加拿大ACQbuilt预制木结构项目工地

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