現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在園林建筑中的應(yīng)用★

張 瑩 高 龍 謝嘉彤

(中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012)

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在園林建筑中的應(yīng)用★

張 瑩 高 龍 謝嘉彤

(中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012)

對重型和輕型兩種木結(jié)構(gòu)類型進行了介紹，分析了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)常用的木材種類，并對現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)應(yīng)用于園林建筑可能存在的耐火性、防腐性、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性等問題進行了探索，提出了一些防治建議。

木結(jié)構(gòu)，園林設(shè)計，木材，景觀小品

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)木材為原料，應(yīng)用膠合等現(xiàn)代處理工藝，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用標(biāo)準(zhǔn)化的木材或工程木產(chǎn)品，構(gòu)件連接節(jié)點采用金屬連接件連接的結(jié)構(gòu)形式，突破了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的諸多限制，分散了原料的自然缺陷，拓展了材料的適用范圍，相較傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)具有自重輕、靈活性好、抗性強等優(yōu)點[1-3]。就木制園林建筑而言，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多采用抬梁式或者穿斗式，而現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中采用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)理念，使用新型膠合梁結(jié)合金屬構(gòu)件，突破了木材作為建筑材料在跨度和承重上的局限，更加穩(wěn)定，強度更高，同時更加節(jié)省原材料。相關(guān)研究表明，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑平均每平方米使用木材約0.5 m3～0.7 m3，而現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑每平方米僅需0.2 m3～0.3 m3。

中國古典園林中不乏經(jīng)典的木制園林小品、建筑，其中一些優(yōu)秀的木結(jié)構(gòu)建筑和小品由于高超的建造技藝和絕妙的造型設(shè)計，令人嘆為觀止[4]，雖然經(jīng)歷了上千年的風(fēng)雨，依然能屹立不倒。近些年出現(xiàn)并逐漸流行的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)園林建筑作為一種既傳統(tǒng)又時尚的形式在園林設(shè)計中被越來越多的應(yīng)用。

1 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的分類

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)主要分為重型木結(jié)構(gòu)和輕型木結(jié)構(gòu)兩大類，前者是指用較大尺寸或斷面的工程木產(chǎn)品作為梁、柱的木框架，墻體采用木骨架等組合材料的結(jié)構(gòu)形式，其承載系統(tǒng)由梁和柱構(gòu)成；后者是指用標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格材、木基結(jié)構(gòu)板材建造的木框架結(jié)構(gòu)形式，其承載系統(tǒng)由墻骨柱和木構(gòu)架墻體構(gòu)成。

1)重型木結(jié)構(gòu)。由于重型木結(jié)構(gòu)是以木制梁、柱為主要承重結(jié)構(gòu)，跨度較大的木結(jié)構(gòu)，通常適用于在開闊場地建造的大型構(gòu)筑物。我國傳統(tǒng)園林建筑中的亭、廊、榭、樓等都屬于這種梁柱式結(jié)構(gòu)，包括在清明上河圖中出現(xiàn)的跨度較大的橋梁也屬于此類。可見重型木結(jié)構(gòu)在園林設(shè)計應(yīng)用中有著悠久的歷史?，F(xiàn)代重型木結(jié)構(gòu)中常使用膠合木(也叫膠合層壓木材，是一種將單獨的規(guī)格材在一定條件下膠結(jié)在一起制作而成的結(jié)構(gòu)用材)作為主次梁柱及重型桁架的結(jié)構(gòu)部件(見圖1)，歐洲在木結(jié)構(gòu)建筑中使用膠合木結(jié)構(gòu)已有數(shù)十年的歷史，經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展和研究，膠合木已經(jīng)能夠在中性體量的建筑物中完全取代鋼結(jié)構(gòu)和混凝土。在建造一些跨度較大的會所、車站、會展中心、廊架、門廊、茶餐廳、咖啡館和體育館等景觀小品和公共構(gòu)筑物時應(yīng)用較為廣泛。2010年在上海舉行的世博會中瑞典館、溫哥華館、加拿大館、挪威館等都采用了重型木結(jié)構(gòu)的形式。

2)輕型木結(jié)構(gòu)。輕型木結(jié)構(gòu)由使用間隔緊密的規(guī)格定型木構(gòu)件，結(jié)合覆面板的墻體、樓板和屋蓋系統(tǒng)構(gòu)成的單層或多層構(gòu)筑物，是北美住宅常見的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)類型主要是以鋼筋混凝土或砌體為基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)采用規(guī)格材和木基結(jié)構(gòu)板材以及其他工程木產(chǎn)品，其特征類似箱形結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間通過錨栓相接，抗震性能較好，主要用于建造辦公樓、商務(wù)會所和獨棟別墅等。其中以北美輕型木結(jié)構(gòu)較為常見，通常以2×4 m，2×6 m規(guī)格板材作為龍骨，外覆結(jié)構(gòu)板材形成剪力墻，內(nèi)填保溫材料并加上防水系統(tǒng)，北美地區(qū)90%以上的別墅住宅都采用此種模式建造[5]。

2 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)常用的木材種類

1)花旗松(Pseudotsuga menziesii)?；ㄆ焖墒且环N常見的先鋒樹種，一般不與其他樹種混合生長。其樹皮厚，呈紅褐色，樹干通直且分支點高，樹體高度通常達(dá)到35 m～50 m，直徑可達(dá)120 cm或更粗。花旗松是優(yōu)質(zhì)軟木中最堅固的木材，具有強度高、硬度大和耐久等特點，可產(chǎn)生出長度長、紋理細(xì)的無缺陷材和適合再加工的加工用材以及品種繁多的高強度結(jié)構(gòu)用產(chǎn)品。根據(jù)花旗松的物理特性和加工特點，其作為結(jié)構(gòu)用材在注重結(jié)構(gòu)性能的領(lǐng)域被廣泛使用，特別適合制作成膠合木用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件和重型木結(jié)構(gòu)中的木框架。

2)西部紅柏(Thuja plicata)。西部紅柏是壽命長、且耐腐蝕、耐蟲害的北美軟木種類之一，成年樹體巨大。其木材重量輕、質(zhì)地軟，紋理均勻，具有筆直的紋理并且不包含樹脂。所有這些特性使其木材易于加工處理，對于要求高抗腐蝕性、尺寸穩(wěn)定性和良好的絕緣值的應(yīng)用場合，西部紅柏是優(yōu)先選擇的樹種。由于外觀優(yōu)美、耐久性良好，西部紅柏廣泛應(yīng)用于景觀美化中，可用于建造平臺、花架、圍欄、屏風(fēng)和庭院家具等多種細(xì)木工產(chǎn)品。同時，西部紅柏能很好的吸收油漆和著色劑，也是護墻板、木飾條的首選木材。上海世博公園外飾面大量使用西部紅柏，是國內(nèi)第一個在公園內(nèi)大面積采用無節(jié)、無色差西部紅柏的項目。

3)SPF(云杉—松—鐵杉)。加拿大的廣袤森林出產(chǎn)了世界上質(zhì)量最好的軟木木材。SPF(云杉—松—鐵杉)是加拿大最主要的經(jīng)濟樹種，由四類樹種組成，分別是白云杉、英格曼云杉、小干松和阿爾卑斯鐵杉，由于這四類樹種具有極其相似的物理特性，所以通常組合使用。SPF的樹種群具有耐寒、中等尺寸等共性，平均26 m高，直徑最大800 mm，由于生長在較為寒冷的氣候中，生長速度較為緩慢。其木材強度大而且易于加工，經(jīng)過窯干的SPF木材質(zhì)量輕，穩(wěn)定性強，加工性好，紋理漂亮，且供應(yīng)量充足，是建筑及結(jié)構(gòu)用材的重要選擇。

3 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)應(yīng)用于園林建筑可能存在的問題

3.1 木材的耐火性和防腐性

在使用木結(jié)構(gòu)進行建造時，消防通常是人們較為關(guān)心的問題，但與傳統(tǒng)概念相悖的是，發(fā)生火災(zāi)時，木結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土或磚結(jié)構(gòu)的安全性更好[6]，圖2為由美國國家林產(chǎn)品協(xié)會(National Forest Products Association)提供西南研究所(Southwest Research Institute)的測試結(jié)果。這主要是由于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中根據(jù)防火需要對材料所做的處理，處理方法主要有以下三種：1)隔離法：現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)，尤其是輕型木結(jié)構(gòu)中常使用防火石膏板將木結(jié)構(gòu)部分與火源隔離，這樣可以達(dá)到與磚石結(jié)構(gòu)相同的防火性能。2)炭化法：木材在燃燒過程中，外層的焦炭層可以起到阻止火焰侵入的作用，而鋼結(jié)構(gòu)由于良好的導(dǎo)熱和延展性，在火災(zāi)中常常因為受熱變形導(dǎo)致房屋倒塌，因此木結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)的耐火性更強。通?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)在選材時會預(yù)留耐火碳化層，以花旗松為例，在火災(zāi)中的碳化速率約38 mm/h，因此在切割木材時除結(jié)構(gòu)計算所需要的斷面尺寸外，需預(yù)留1 h～2 h耐火碳化層以應(yīng)對火災(zāi)[7]。3)涂料法：現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)可以通過在木材表面噴涂耐火涂料以達(dá)到提高耐火性的目的，但由于此種方法成本較高，且涂料脫落會影響美觀等原因，在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中較少使用。另外，防腐處理技術(shù)在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)材料中已經(jīng)比較成熟，主要是將木材的含水率降至15%以下并使用防腐劑，這樣可以防止木腐菌的生長，保證木材使用的長久性。

3.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性

由于近年來木結(jié)構(gòu)在加拿大、北美等國家應(yīng)用較多，因此在設(shè)計和預(yù)制材料的尺寸方面多采用英制(英制與公制的基本換算：1英寸=0.025 4 m，1英尺=12英寸，1 m=39.37英寸)，與我國設(shè)計行業(yè)所使用的公制不統(tǒng)一。如果用公制進行施工圖設(shè)計，使用進口英制尺寸的木材作為原材料，則會由于尺寸換算而產(chǎn)生不必要的浪費。因此統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并通過合理設(shè)計及選材可以大大節(jié)省材料和節(jié)約成本。

3.3 抵御外界惡劣環(huán)境的能力

由于木材的自然屬性，沒有進行后期維護的木結(jié)構(gòu)的外觀，會隨著日光照射、雨水沖刷等發(fā)生變化，產(chǎn)生局部開裂、褪色等現(xiàn)象，雖然不會傷及木結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，但會嚴(yán)重影響美觀(見圖3)。經(jīng)過對年代較久的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的觀察發(fā)現(xiàn)，通常淺色木結(jié)構(gòu)較深色更易褪色變舊。在園林設(shè)計應(yīng)用中，木材靠近地面的部分建議進行特殊的防腐處理，如不經(jīng)防腐處理而直接在戶外應(yīng)用則必須采用懸挑和細(xì)節(jié)設(shè)計來隔濕防潮，約每隔2年～4年需要對木結(jié)構(gòu)的外立面進行維護保養(yǎng)。

同時，使用木結(jié)構(gòu)建造時要注意防止白蟻等生物對木材的破壞，較為大型的木結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物常采用“裝飾層+防火層+防白蟻層+結(jié)構(gòu)層”的結(jié)構(gòu)形式。

4 結(jié)語

近年來，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用于園林建筑中，其克服了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的局限，具有環(huán)境友好、施工周期短、靈活性強、耐久性好等諸多優(yōu)勢，符合可持續(xù)利用的基本原則。常用的木材種類包括花旗松、西部紅柏、SPF等，根據(jù)各自的特性適用于園林設(shè)計的不同領(lǐng)域。同時，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)能夠很好地應(yīng)對木結(jié)構(gòu)存在的耐火性差、易腐蝕等問題，在設(shè)計時需要注意尺寸規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，以及對木結(jié)構(gòu)的長期維護保養(yǎng)。

[1] 輕型木結(jié)構(gòu)住宅與磚混復(fù)合保溫墻體結(jié)構(gòu)住宅建筑節(jié)能及空調(diào)供熱系統(tǒng)檢測與對比研究報告[R].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑節(jié)能技術(shù)研究所，2008.

[2] Puettmann M E, Wilson J B. Life-cycle Analysis of Wood Products: Cradle-to-gate Lci of Residential Wood Building Materials[J].Wood and Fiber Science,2007,37(Special Issue):18-29.

[3] 中國木結(jié)構(gòu)建筑與其它結(jié)構(gòu)建筑能耗和環(huán)境影響比較[R].北京：清華大學(xué)國際工程項目管理研究院建筑環(huán)境與設(shè)備研究所，2006.

[4] 郝春榮.從中西木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展看中國木結(jié)構(gòu)建筑的前景[D].北京：清華大學(xué)，2004.

[5] Thompson J W, Sorvig K. Sustainable landscape construction: a guide to green building outdoors (2nd ed.)[M].Washington DC: Island Press,2007.

[6] 施煜庭.現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑在我國的應(yīng)用模式及前景的研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2006.

[7] 嚴(yán)國華,吳建紅.淺析在園林景觀工程中合理應(yīng)用木結(jié)構(gòu)措施[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(13):195.

[8] 張 生,郭鎮(zhèn)坤.園林生態(tài)景觀應(yīng)用中的木結(jié)構(gòu)建筑及設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011(26):30.

The application of modern timber structure in landscape architecture★

Zhang Ying Gao Long Xie Jiatong

(ChinaSciencesAcademy,NationalAstronomicalObservatory,Beijing100012,China)

This paper introduced the heavy and light two kinds of wood structure types, analyzed the wood species of modern wood structure commonly used, and explored the fire resistance, non-corrosibility, design standards uniformity and other issues applied the modern wood structure to landscape architecture, put forward some prevention suggestions.

wood structure, garden design, wood, landscape sketch

2014-12-20 ★：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(項目編號：11303062)

張 瑩(1986- )，女，工程師； 高 龍(1979- )，男，工程師； 謝嘉彤(1985- )，男，工程師

1009-6825(2015)06-0191-02

TU366.2

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