建筑工業(yè)化背景下我國木結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

簡偉通，沈冬兒

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

中國的木結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久，對世界建筑史貢獻巨大。幾千年前我國就出現(xiàn)了通過榫卯節(jié)點連接構(gòu)件的木框架結(jié)構(gòu)體系。解放前我國引入磚墻支撐木桁架結(jié)構(gòu)體系，解放后，我國木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展停滯。如今，我國對建筑工業(yè)化、住宅產(chǎn)業(yè)化的要求提高，木材作為一種可持續(xù)供應(yīng)的綠色建筑材料，具有裝配率高、抗震性能好等優(yōu)點，隨著我國對綠色建筑的推廣和國際新型木材加工技術(shù)的發(fā)展，再次得到廣泛使用。

1 國內(nèi)木結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑如今已具有良好的基礎(chǔ)和條件，人工速生林政策使我國的森林種植面積和木資源蓄積量都在世界排名前列，同時國家相關(guān)建筑部門對于木結(jié)構(gòu)的重視日益提高，對于木結(jié)構(gòu)的施工、設(shè)計都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。北京、上海等一線城市也在國家的支持下，從國外引進木結(jié)構(gòu)建筑用于住宅、園林景觀和賓館。目前為止，我國正以每年六百多棟的速度建造木結(jié)構(gòu)房屋，但國內(nèi)的木結(jié)構(gòu)房屋建造數(shù)量與國外還存在巨大差距，木結(jié)構(gòu)房屋建造市場還存在著巨大的空間。根據(jù)國外的經(jīng)驗，現(xiàn)在的木結(jié)構(gòu)已經(jīng)摒棄以前的設(shè)計與人工制造的方法，而采用現(xiàn)代的膠合木結(jié)構(gòu)建造，施工過程采用工廠化機械生產(chǎn)的方法，具有環(huán)境友好、力學(xué)性能優(yōu)良、紋理觀賞性強且施工工藝較為簡便等優(yōu)點。

2 國內(nèi)木結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景

2.1膠合木

膠合木是一種工程木產(chǎn)品，簡稱CLT，一般把木材分揀和切割成木方，并采用特別挑選的單板鋸材-層板，根據(jù)木材強度分級與性能特點，將其安排在不同位置并用高耐久性粘合劑膠合在一起，其優(yōu)點是把人工采伐或者加工后剩余的木材材料或者小直徑木材通過拼接、層積、均勻涂刷膠合劑形成可用于建筑使用的木構(gòu)件。

從結(jié)構(gòu)方面來看，膠合木構(gòu)成的構(gòu)件，由于其按規(guī)格將材料按照橫豎紋交錯排布的方式貼合，因此兩個方向受力分布都較為均勻，內(nèi)部應(yīng)力平衡，承載能力強，而且因為膠合木層板的疊合制作工藝，其尺寸更加穩(wěn)定，為建造中、高層木結(jié)構(gòu)建筑創(chuàng)造可能。

建造完成后的木結(jié)構(gòu)建筑，耐火、保溫、抗震性能一直是繞不開的問題。膠合木材料表層燃燒時會緩慢碳化，配合外覆防火材料，可在長時間維持內(nèi)部原有結(jié)構(gòu)強度，而且木材熱傳導(dǎo)性低，膠合木構(gòu)件連續(xù)性強，建筑具有良好的氣密性和保溫隔熱、隔音效果。隔震方面，膠合木結(jié)構(gòu)可與緊固件和連接件緊密連接，抗震性能十分優(yōu)越。

從施工方面來看，膠合木結(jié)構(gòu)可在工廠工業(yè)化生產(chǎn)，然后運輸?shù)浆F(xiàn)場進行安裝，構(gòu)件具有較高的精度，并提高了生產(chǎn)效率，機械化程度高且只需更少的工人就能完成工作。由于膠合木構(gòu)件采用的是拼接形式，能極大提高木材的利用率，且相比于混凝土結(jié)構(gòu)，減少了大量的能源消耗，符合綠色建筑的要求[1]。

2.2高層木結(jié)構(gòu)

隨著正交層板膠合木研究和應(yīng)用的深入，國外高層木結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展完善，而超高層混合木結(jié)構(gòu)也已經(jīng)在研發(fā)階段。我國人口密集，高層建筑是城市發(fā)展必不可少的部分，而上文所述已經(jīng)說明，木結(jié)構(gòu)相比于混凝土鋼結(jié)構(gòu)也有其突出的優(yōu)點，是綠色建筑發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

以膠合木作為主要建筑材料的高層木結(jié)構(gòu)體系，主要有膠合木剪力墻結(jié)構(gòu)、膠合木梁柱-支撐結(jié)構(gòu)和木-混凝土混合結(jié)構(gòu)。膠合木剪力墻結(jié)構(gòu)，承受豎向重力荷載的樓板及承受風(fēng)荷載與地震作用的墻板、核心筒均采用膠合木板，是目前使用最為廣泛的高層木結(jié)構(gòu)。膠合木梁柱支撐結(jié)構(gòu)，一般采用帶有鋼構(gòu)件連接節(jié)點膠合木梁柱，配合支撐進行加強的結(jié)構(gòu)體系。而也有部分建筑底部、核心筒采用混凝土結(jié)構(gòu)，上部采用膠合木剪力墻結(jié)構(gòu)的木-混凝土混合結(jié)構(gòu)，以滿足抗側(cè)力剛度與防潮的要求。

可見，高層木結(jié)構(gòu)體系在國外的發(fā)展已經(jīng)較為健全，而我國的高層木結(jié)構(gòu)市場還存在巨大的發(fā)展空間。隨著我國對于木結(jié)構(gòu)建筑的連接節(jié)點及施工技術(shù)的提升，并對木結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)防火等性能的深入研究，如今我國已具備發(fā)展高層結(jié)構(gòu)建筑的基礎(chǔ)，在建筑工業(yè)化的大背景下，我們需要盡快推出完善相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，并對高層木結(jié)構(gòu)建筑進行全面、系統(tǒng)的研究，在中國廣闊的建筑市場定有巨大的發(fā)展前景[2]。

2.3模塊化木結(jié)構(gòu)

模塊化木結(jié)構(gòu)，即把木結(jié)構(gòu)的各部分構(gòu)件，如梁、柱、墻體、樓面、屋面等在工廠生產(chǎn)制作完成，然后在工廠或者施工現(xiàn)場將構(gòu)件連接成一個個模塊化單元，再吊裝拼接到目的位置形成建筑整體。模塊化單元體內(nèi)也可把外墻、建筑設(shè)備及裝修一并完成，并安裝預(yù)制一體衛(wèi)浴間，實現(xiàn)最高程度的預(yù)制裝配率。

目前我國正大力推廣建筑工業(yè)化，提高建筑預(yù)制率，而模塊化結(jié)構(gòu)由于其施工速度快、精度高，可實現(xiàn)多工序同時進行，多流水線協(xié)同工作，代表著最先進的建筑制造水準(zhǔn)和最徹底的工業(yè)化建筑模式。模塊化與木結(jié)構(gòu)的契合度高，木材資源是可再生資源，且在制作工程中能源消耗、環(huán)境污染小，并且具有可靠的力學(xué)與耐久性能，而模塊化建筑單元一般在工廠生產(chǎn)安裝，同樣符合綠色建筑的發(fā)展要求，構(gòu)件具有極高的精度，可以在節(jié)點的連接與安裝方面更加牢固安全[3]。

2.4木結(jié)構(gòu)與隔震

如上述高層木結(jié)構(gòu)建筑中所述，雖然木結(jié)構(gòu)的抗震性能十分優(yōu)異，但是在抗震烈度較高的地區(qū)，還是需要有良好的抗震技術(shù)。我國古代木建筑已體現(xiàn)出勞動人民的巨大智慧，通過利用榫卯連接、斗拱和木柱浮置平擱等構(gòu)造，使結(jié)構(gòu)具有多層隔震、處處減震等消能抗震機理。

汶川地震后，隔震建筑由于其易于實施、減震控制效果好在我國大量發(fā)展，目前已成為工程中應(yīng)用最多的一種減震控制技術(shù)。隔震技術(shù)的本質(zhì)就是通過增加系統(tǒng)的柔性并提供適當(dāng)?shù)淖枘?，使結(jié)構(gòu)與地震產(chǎn)生的地面運動隔離，這種思想與我國古代木建筑的消能減震體系相吻合。隔震設(shè)計一般在地下室頂板上或者地上第一層柱頂、房屋立面和剛度突變處設(shè)置隔震層，布置隔震支座，我國目前的隔震支座主要采用橡膠隔震支座和滑動隔震支座，由于隔震層水平剛度小，用于上部結(jié)構(gòu)剛度較弱的木結(jié)構(gòu)效果顯著，而且隔震支座可進行工廠化生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，對環(huán)境影響小，造價不高，符合綠色建筑的要求。因此，隔震技術(shù)與現(xiàn)代高層木結(jié)構(gòu)建筑十分契合[4]。

2.5基于BIM的木結(jié)構(gòu)設(shè)計施工一體化

建筑信息模型，簡稱BIM，BIM技術(shù)覆蓋協(xié)同設(shè)計、碰撞檢查、進度管理等各個方面，能有效輔助工程項目設(shè)計、建造與管理過程，提高建設(shè)工程全過程的效率。木結(jié)構(gòu)建筑裝配率高，設(shè)計施工全過程工業(yè)化程度高，因此引入BIM技術(shù)可大大提高其建造效率。

設(shè)計階段，工廠預(yù)制木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的具體信息需深化設(shè)計，上文提到的模塊化木結(jié)構(gòu)建筑需要預(yù)先把建筑拆分成一個個建筑單元，并在單元內(nèi)安裝建筑設(shè)備，而通過引入BIM技術(shù)，可使各專業(yè)的設(shè)計人員在同一模型內(nèi)進行協(xié)同設(shè)計，所需構(gòu)件可加入構(gòu)件庫中進行重復(fù)使用，提高效率。生產(chǎn)制作階段，木結(jié)構(gòu)構(gòu)件特別是高層木結(jié)構(gòu)建筑中的構(gòu)件，節(jié)點連接處精度要求高，而引入BIM技術(shù)可通過構(gòu)件庫來對構(gòu)件進行具體的設(shè)計及施工指導(dǎo)，更加高效準(zhǔn)確。安裝建造階段，住宅產(chǎn)業(yè)化背景下的木結(jié)構(gòu)建筑作為新型建筑，施工過程及施工技術(shù)對于技術(shù)人員的要求提高，而利用BIM的虛擬建造技術(shù)可通過分析施工方案、模擬施工過程來提前準(zhǔn)備，保證施工方案合理的同時指導(dǎo)現(xiàn)場技術(shù)人員安裝，安裝過程中構(gòu)件可通過二維碼標(biāo)識并導(dǎo)入構(gòu)件庫，減少現(xiàn)場施工出錯的概率。除此之外，項目管理方面也可以引入BIM進行多維度管理，通過BIM模型管理施工進度，安排施工工序，并預(yù)估成本計劃[5]。

3 結(jié)語

“十三五”規(guī)劃提出以后，我國對于預(yù)制裝配率及綠色建筑的要求不斷提高，而木結(jié)構(gòu)因其節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展且裝配率高、抗震性能好等特點，成為建筑發(fā)展潮流的新趨勢。由于我國人口眾多，高層建筑甚至超高層建筑的需求大，因此高層木結(jié)構(gòu)建筑必定是研究發(fā)展的重點。而為了更好地響應(yīng)綠色建筑、提高裝配率的要求，可工廠化生產(chǎn)的模塊化木結(jié)構(gòu)建筑與隔震支座的結(jié)合也是目前裝配程度最高的建造方案，既滿足了結(jié)構(gòu)可靠性要求，又提高了施工速度。最后，工廠化生產(chǎn)的建筑與以往現(xiàn)澆的混凝土鋼結(jié)構(gòu)建筑也有很大區(qū)別，因此BIM技術(shù)的引入可以加快設(shè)計施工一體化的發(fā)展，促進企業(yè)轉(zhuǎn)型，為日后住宅產(chǎn)業(yè)化的全面普及打下堅實的基礎(chǔ)。