輕型木結(jié)構(gòu)房屋的材料及其性能

梁恩虎

1 概述

縱觀建筑歷史,木結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)性能及美學價值,留下了許多不朽之作,我國古代建筑更以木結(jié)構(gòu)為主體,形成了風格獨特的建筑體系。近年,我國由于森林管理不善,濫砍濫伐,以致材源枯竭被限制使用,幾乎不再建造木結(jié)構(gòu)房屋,從而在這方面是個盲點。中國的木結(jié)構(gòu)停頓了20年,而這正是國際上木結(jié)構(gòu)發(fā)展最快的時期,從實木、原木結(jié)構(gòu)到膠合木結(jié)構(gòu),再到復合木結(jié)構(gòu),直至更新型的木質(zhì)材料,木結(jié)構(gòu)已不是大家傳統(tǒng)概念上的木結(jié)構(gòu),在建筑上已經(jīng)達到可以替代鋼材的程度。在歐美發(fā)達國家,已經(jīng)實現(xiàn)了森林資源利用的良性循環(huán),實現(xiàn)了科學采伐。

2 材料特性

輕型木結(jié)構(gòu)的主要組成部分是規(guī)格鋸材。它構(gòu)成了封閉及分割房屋空間的結(jié)構(gòu)外殼,同時也為裝修材料提供了內(nèi)襯。除鋸材以外,其他木制品也經(jīng)常用于建造結(jié)構(gòu)外殼,以及內(nèi)部和外部的裝修。所有這些產(chǎn)品都有其特定的用途,并且是按特定的標準生產(chǎn)?？蚣芡ǔＳ玫氖且?guī)格鋸材,此外還有支承板、木板及裝飾鋸材等木材分類,分述如下。

2.1 規(guī)格材

規(guī)格材是按輕型木結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求,木材截面的寬度和高度按規(guī)定尺寸加工的規(guī)格化鋸材,輕型木結(jié)構(gòu)用規(guī)格材的材質(zhì)等級分為七級(見表1)。

當采用進口規(guī)格材時,進口規(guī)格材應(yīng)有中文標識,認證等級應(yīng)附有說明,并應(yīng)符合我國商檢規(guī)定,進口的熱帶木材,還應(yīng)附有無活蟲蟲孔的證書,并按國別、等級、規(guī)格分批堆放,不得混淆,儲存期間應(yīng)防止木材霉變、腐朽。

表1 材質(zhì)等級

2.2 工程木制品

除了規(guī)格材以外,各種工程木制品也被用于木結(jié)構(gòu)房屋建筑中。這些產(chǎn)品的性能一般等同于或優(yōu)于規(guī)格材,而且生產(chǎn)中所用的木材(來自生長迅速的小徑級木材)較少。工程木制品有多種,它包括工字形木格柵和結(jié)構(gòu)復合材等產(chǎn)品。

工字形木格柵是用結(jié)構(gòu)復合材作翼緣,木基結(jié)構(gòu)板作腹板,用耐水膠將翼緣和腹板粘合生產(chǎn)出的具有已知工程特性的、尺寸穩(wěn)定的輕型產(chǎn)品。此產(chǎn)品的剛度和強度都比較均勻,且重量輕,這些特征使它廣泛地應(yīng)用在住宅和商業(yè)建筑的大跨度的格柵和椽木中。

結(jié)構(gòu)復合材可用于輕型木結(jié)構(gòu)的樓蓋主梁、屋脊梁,包括旋切板膠合木和旋切片膠合木。旋切板膠合木(LVL)是將旋切的厚單板(厚度2.5 mm～6.4 mm)順木紋層疊膠合熱壓而成。旋切片膠合木是由旋切木片(厚度2.5 mm～6.4 mm,長度至少為厚度的150倍)順木紋膠合熱壓而成,它包括兩種性能類同的產(chǎn)品:平行木片膠合木(PSL)和層疊木片膠合木(LSL)。

由于跨度大且房屋服務(wù)性強,工程木制品為設(shè)計帶來了巨大的靈活性。此外,當用于屋頂結(jié)構(gòu)時,這些產(chǎn)品能容納更高的保溫程度。

2.3 木基結(jié)構(gòu)板

木基結(jié)構(gòu)板是以木材為原料(旋切材、木片、木屑等)通過膠合壓制成的承重板材,包括結(jié)構(gòu)膠合板和定向木片板。

結(jié)構(gòu)膠合板是按相鄰層纖維方向互相垂直組坯膠合而成的板材,組成膠合板的單板通常為奇數(shù)層。膠合板按加工后膠合板上可見的材質(zhì)缺陷和加工缺陷分成四個等級:特等、一等、二等、三等。結(jié)構(gòu)膠合板厚度小,但強度、硬度較高,耐沖擊性、耐久性較好,垂直于板面的握釘力較高,便于各種加工,因此用途廣泛。

定向木片板(OSB)是將長度不小于30 mm的薄木片施膠分層定向鋪裝加壓制成的木片板,定向木片板中的木片以機械方式定向,外層薄木片的定向與板的長度方向平行、內(nèi)層薄木片則隨機鋪設(shè)或相互交叉。定向木片板主要用于屋頂或墻覆面、樓面底板、護墻板以及木制工字格柵腹板。

用作屋面板、樓面板和墻面板的木基結(jié)構(gòu)板材應(yīng)滿足GB 50206-2002木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范以及相關(guān)產(chǎn)品標準的規(guī)定,進口木基結(jié)構(gòu)板材上應(yīng)有經(jīng)過認可的認證標識、板材厚度以及板材的使用條件等說明。

3 輕型木結(jié)構(gòu)住宅的性能

3.1 抗震性能

作為一種結(jié)構(gòu)材料,木材在地震性能表現(xiàn)上明顯優(yōu)于其他材料,木材質(zhì)硬且最輕,因而地面加速度在木建筑物上所產(chǎn)生的能量沒有其他建筑物大。木框架系統(tǒng)的另外一個額外優(yōu)勢是其柔韌性優(yōu)于其他材料,可以吸收并消散能量。

輕型木結(jié)構(gòu)開始于100多年前的北美。長期以來,無論在建筑物性能表現(xiàn)上還是在裝配它的行業(yè)技藝上,其業(yè)績已得到公認。北美各地的許多20世紀初建造的木結(jié)構(gòu)便是這種系統(tǒng)可靠性的有力證明。這種北美系統(tǒng)在其他地區(qū)也證明有同樣好的表現(xiàn)。毀壞性最大的近代地震之一是1995年的日本神戶地震。這場里氏6.8級,財產(chǎn)損失超過1 000億美元的地震對所有受到嚴重的橫向和豎向地震力的建筑物來說都是一次殘酷的考驗。在這場地震中,以傳統(tǒng)日本式梁柱風格建造的較舊房屋都被摧毀。以北美抗震標準建造的新房屋則幾乎未受影響。

調(diào)查報告表明在地震中倒塌的北美式木建筑非常少。觀察到的為數(shù)不多的幾處倒塌一般是由于多層建筑中一樓脆弱所致。許多現(xiàn)代房屋在其一層外墻上有很大的洞口(如大窗戶、露臺門、車庫門),無論是什么樣的建筑,洞口都會削弱這些墻的強度。

抗震設(shè)計時應(yīng)注意以下幾個方面:1)解決一層脆弱問題。2)在穩(wěn)定的地基上建造牢固的基礎(chǔ)。3)墻體與基礎(chǔ)需緊密結(jié)合。4)其他木部件與墻骨間需恰當釘合。

3.2 防火性能

建筑物防火規(guī)范規(guī)定了不同類型的建筑物可以使用不同的防火安全材料。一種材料可能有防火性,但在火災(zāi)中卻仍可能有很大問題。

在防火方面,生活在木結(jié)構(gòu)房屋中與生活在其他材料建造的房屋中是一樣安全的。通過利用建筑物特點分離建筑物部件,可以使火和煙霧隔間化。依據(jù)建筑物的用途,規(guī)范已明確了墻體、地板和天花板能抵抗火災(zāi)的時間長短。擋火板是為封鎖這些孔隙作為輸送路線而設(shè)置的建筑材料,火與煙霧也可以穿過向整個建筑物提供空氣的管道設(shè)施,建筑物內(nèi)的火警被觸發(fā),防火擋板就會在管道中各就其位,阻擋火與煙霧的蔓延。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑的防火設(shè)計,應(yīng)遵照GB 50016建筑設(shè)計防火規(guī)范和GB 50005-2003木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中相關(guān)章節(jié)的規(guī)定執(zhí)行。輕型木結(jié)構(gòu)房屋剖面如圖1所示。

3.3 防潮性能

人們通常認為水是木材的敵人,其實不然。在多雨或潮濕地方的木造建筑物可以有極好的性能表現(xiàn)。關(guān)鍵在于在設(shè)計和建造以木材為基礎(chǔ)的建筑產(chǎn)品時需懂得如何處理水分。

事實上,與其他常用建筑材料相比,如熟石膏板、干墻、非木質(zhì)地板覆蓋材料、吸聲天花板、瓷磚及室內(nèi)陳設(shè),木材更不容易偶爾浸濕而受到永久損壞。一般來說,一棟建筑物中唯一需要完全防潮的部分是建筑物外殼,特別是屋頂薄膜——它應(yīng)盡可能排水,但在蓄水時需保持防水性能。如果建筑物面層可以很好地排水,那么建筑物中的其他建筑部件則不一定需要防水。在建筑物外殼完好無損的建筑物中,木材可能遇到唯一一種潮濕是水蒸氣。這種無色無味的氣體總是少量地存在于空氣之中,對木材來說這并不是問題。只是當木材接觸到液體水時,危險才會出現(xiàn)。但即使在這種情況下,木材仍可以吸收大量的水分,而不會達到維持腐蝕菌生存的含水率。

3.4 防蟻性能

白蟻是噬食纖維素的體小色淡的昆蟲:它們的食物包括任何由木材、紙張或纖維造成的東西。白蟻在百萬年前就存在了,它的歷史比人類長,當然也比人類的建筑物長。然而,雖然白蟻在數(shù)字上有優(yōu)勢,但人類卻有大腦優(yōu)勢。我們不必將白蟻從地球上滅絕;只要采取預(yù)防措施,就可以智勝它們。

傳統(tǒng)對付白蟻的方法主要是依賴土壤化學品——在建筑物周圍的一圈地上撒滿對白蟻有長期毒性的物質(zhì)。但是,隨著管理環(huán)境的不斷改變,“化學隔離”已不再是防白蟻的首選策略。當今,可以結(jié)合其他方法對建筑物進行防白蟻保護工作。物理屏障已取代過去的化學屏障。有兩種選擇:一種是稱作 Termi-Mesh(TM)的纖細的不銹鋼網(wǎng)眼,另一種是成為屏障砂粒的纖細的像礫石一樣的材料。夏威夷和澳大利亞等白蟻活躍地區(qū)都在使用這兩種技術(shù)。屏障砂粒的大小為1.7 mm～2.4 mm,大的使白蟻無法推開而小的又使白蟻無法擠身而過。

[1]CMHC.加拿大木框架房屋建筑[M].北京:加拿大木業(yè)協(xié)會,1995.

[2]CMHC.房屋建筑術(shù)語匯編[G].北京:加拿大木業(yè)協(xié)會,1997.

[3]GB 50005-2003,木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB/T 50329-2002,木結(jié)構(gòu)試驗方法標準[S].

[5]GBJ 16-87,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[6]GB 50206-2002,木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[7]靳百川,黎 鐘.輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[8]樊承謀.木結(jié)構(gòu)工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1996.

[9]中國建筑西南建筑設(shè)計院.木結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993.

[10]中華人民共和國國家標準,木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].