大跨木結(jié)構(gòu)的發(fā)展及在我國的應(yīng)用前景

尹婷婷

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

0 引言

在全球高度重視環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的潮流下，木材作為一種綠色、低碳、可再生的建材在建筑行業(yè)再次得到青睞。木材具有優(yōu)異的比強(qiáng)度和比剛度，是一種特別適合大跨度結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)材料[1]。通常將包括結(jié)構(gòu)跨度超過30 m的無障礙空間的建筑定義為大跨度建筑，大跨度木結(jié)構(gòu)則是大跨度建筑結(jié)構(gòu)的一種[2]。木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定層板膠合木結(jié)構(gòu)主要適用于大跨度木結(jié)構(gòu)建筑[3]。常見類型的大跨度木結(jié)構(gòu)體系主要是桁架結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)，以及一些空間結(jié)構(gòu)。

在現(xiàn)代材料和建筑技術(shù)的推動(dòng)下，大跨度木結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出各種巧妙的結(jié)構(gòu)形式，如桁架拱、傘形穹頂、樹形柱、空間網(wǎng)格[4]。大跨度木結(jié)構(gòu)用于大型建筑可實(shí)現(xiàn)造型美觀和綠色自然的效果，在歐洲、北美和日本等發(fā)達(dá)地區(qū)已被廣泛應(yīng)用于體育館、展覽廳等大型公共建筑中。

1 大跨木結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

1.1 具有較高的承載效率

根據(jù)要抵抗的負(fù)載類型，不同的材料具有不同的承載結(jié)構(gòu)效率，具有最大結(jié)構(gòu)效率的材料可以在安全承載負(fù)載時(shí)達(dá)到構(gòu)件最輕。

構(gòu)件受到拉伸或壓縮時(shí)，最大抗拉結(jié)構(gòu)效率則是通過最高抗拉強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度f與密度ρ的比率獲得的。構(gòu)件受到彎曲時(shí)，材料承載效率計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)與以上類似。對(duì)于在外端支撐點(diǎn)載荷的懸臂，f2/3/ρ比率越大將越有助于最大化抗彎結(jié)構(gòu)效率。考慮撓曲時(shí)，彈性模量E與材料密度ρ的比率E1/2/ρ最高的材料將是最有效的[5]。

表1給出了不同材料抵抗施加載荷的能力比值，比值越高，材料的承載效率越高。數(shù)值表明，木材和CRFP具有最高的效率比，從結(jié)構(gòu)角度來看，是承受施加載荷的最適合的材料。

1.2 具有較高的性價(jià)比

木材不僅結(jié)構(gòu)輕盈，具有較高的力學(xué)性能，同時(shí)也具有低廉的價(jià)格和環(huán)保的特性，因此木材是具有較高性價(jià)比的材料。CRFP與木材相比，是增強(qiáng)型聚合物材料，具有最高的效率比，但是價(jià)格昂貴，并且從環(huán)境角度來看生產(chǎn)耗?能高，因而限制了其在土木工程中的應(yīng)用。

表1 四類結(jié)構(gòu)材料抵抗拉伸，屈曲和彎曲承載效率比較

與其他材料相比，木結(jié)構(gòu)可以大大降低建筑造價(jià)，如表2所示。這一方面是因?yàn)槟窘Y(jié)構(gòu)采用干法施工，因而施工速度快、施工周期短，另一方面是因?yàn)槟緲?gòu)件質(zhì)量輕，運(yùn)輸成本低。

表2 瑞士的建國700周年紀(jì)念館采用不同結(jié)構(gòu)造價(jià)、周期比較

2 大跨木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展概況

大跨度木結(jié)構(gòu)于16世紀(jì)最早用于橋梁建造，直到19世紀(jì)上半葉，木材基本上是用于橋梁建造的唯一材料。從19世紀(jì)后半葉開始，鋼筋和混凝土等材料的出現(xiàn)代替了木材的應(yīng)用，大跨木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用大量減少。近幾十年，隨著新型木質(zhì)材料、新型連接件、數(shù)字化設(shè)計(jì)建造技術(shù)的進(jìn)步，木材作為建筑材料的大跨木結(jié)構(gòu)開始“復(fù)興”，并蓬勃發(fā)展。

2.1 新型木質(zhì)材料

新型木質(zhì)材料如Glulam（膠合木），LVL（層壓單板木材），CLT（交叉層壓木材）等材料的出現(xiàn)，不僅保持了木材原有的天然特性，還實(shí)現(xiàn)了木材工業(yè)化，提高了木質(zhì)構(gòu)件各類力學(xué)性能，使更大跨度、更大截面、特殊結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。膠合木的截面高度通常為152～1 830 mm，甚至還能更高，是唯一能制造成彎曲形狀的工程木產(chǎn)品，使用膠合木的跨度可以超過150 m。

1983年，世界上第1座大型木結(jié)構(gòu)穹頂美國塔科馬穹頂體育館建成，跨度達(dá)162 m，高度達(dá) 45.7 m，穹頂屋面的主要受力構(gòu)件就是414根截面尺寸為200 mm×762 mm的膠合木梁[6]。

1962年，日本建成的新發(fā)田市立厚生年金體育館成為利用曲線膠合木建造大跨度穹頂?shù)睦锍瘫浇ㄖ?，該木拱跨度?6 m[7]。

LVL是用旋切的3.5 mm上厚單板，經(jīng)施膠、順紋組巧、施壓膠合而得到的一種結(jié)構(gòu)材料，可實(shí)現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)，如“懸浮屋頂”的制成（圖1）。

近年來CLT開始普及，并用于大跨度木結(jié)構(gòu)梁柱、屋頂或樓板，如加拿大蒙特利爾足球場整個(gè)屋頂是由13根長69 m的正交膠合木梁來支撐（圖2）。

2.2 新型連接件

節(jié)點(diǎn)在大跨度木結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用。木結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相似，但木材通常不能用鋼結(jié)構(gòu)中典型的簡單焊接或“插入式”連接。

圖1 LVL“懸浮屋頂”

圖2 加拿大蒙特利爾足球場

大跨木結(jié)構(gòu)連接應(yīng)滿足2個(gè)要求，一是盡可能地減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，二是適應(yīng)結(jié)構(gòu)且容易搭建。開槽鋼板和銷釘?shù)刃滦徒饘龠B接件和節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)符合以上要求，并實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與美觀的統(tǒng)一。

鋼板和銷釘式連接使得大跨度（70～80 m）木桁架結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)成為可能（圖3、圖4），如挪威哈馬爾奧林匹克圓形劇場的主桁架，跨度為71 m，由于制造和運(yùn)輸原因桁架的弦必須拼接，底部弦桿接頭設(shè)計(jì)用于7 000 kN的設(shè)計(jì)張力，所采用的節(jié)點(diǎn)是開槽鋼板和銷釘連接。

圖3 桁架節(jié)點(diǎn)

圖4 典型拱門底座節(jié)點(diǎn)和鉸接式脊節(jié)點(diǎn)

針對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)特別設(shè)計(jì)的金屬連接件也有很多（圖5）。

2.3 數(shù)字化設(shè)計(jì)建造技術(shù)

以計(jì)算機(jī)輔助虛擬設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助實(shí)體建造等數(shù)字化設(shè)計(jì)建造技術(shù)引入大跨木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算、構(gòu)件加工以及施工管理之中，使大跨木結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了新的發(fā)展。早在1991年，計(jì)算機(jī)已作為結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行工程決策的有效工具，開發(fā)了木屋頂桁架的分析和設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序，使桁架的設(shè)計(jì)得以優(yōu)化，從程序中可得到供設(shè)計(jì)者使用的設(shè)計(jì)圖[8]。有限元程序被用于結(jié)構(gòu)及金屬連接進(jìn)行建模、分析和設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)建筑系統(tǒng)優(yōu)化[9]。三維計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)更好地輔助了大跨度木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]。

圖5 空間木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的技術(shù)用于大跨木結(jié)構(gòu)模擬與建構(gòu)，計(jì)算機(jī)可通過精確計(jì)算最優(yōu)結(jié)構(gòu)形狀，基于數(shù)控加工技術(shù)（Computer NumericalControl，CNC）的數(shù)字建造技術(shù)，可對(duì)所有部件進(jìn)行加工，并模擬展示整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性和裝配性，使得復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)更加容易被設(shè)計(jì)和建造[11]。如日本大館樹海巨蛋體育場，跨度為175 m，由于體育場的形狀像橄欖樹，每個(gè)拱形形狀都不同，木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全依靠計(jì)算機(jī)輔助。

3 國內(nèi)大跨木結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析

3.1 國內(nèi)大跨木結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀

通過引進(jìn)國外先進(jìn)的膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)和產(chǎn)品，目前國內(nèi)大跨木結(jié)構(gòu)開始用于各種工程領(lǐng)域，如體育場館、橋梁、公共類休閑娛樂場館以及公共交通建筑。根據(jù)2018年《中國木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》中的2017年新建木結(jié)構(gòu)類型情況分析，膠合木結(jié)構(gòu)占比新建木結(jié)構(gòu)約為20%，可推斷大跨木結(jié)構(gòu)應(yīng)用不到20%。

近年來，我國不斷探索大跨度木結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)與建造，建設(shè)了一些有地標(biāo)性意義的大跨度木結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，以膠合木材料為主的大跨木結(jié)構(gòu)在許多地方都有不同工程領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例。

1）大跨木結(jié)構(gòu)應(yīng)用于橋梁。2013年蘇州“歡樂胥江橋”木拱結(jié)構(gòu)竣工，除樁基為混凝土之外，橋體全部是純木結(jié)構(gòu)，全長120 m，主跨度達(dá)到75.7 m，為當(dāng)時(shí)世界上最大跨度的木拱橋。建造這座木拱橋一共使用了400 m3的木材，全部采用寬7 cm、厚3 cm、長2 m左右的小木條拼接膠合而成[12]。

2）大跨木結(jié)構(gòu)應(yīng)用于公共會(huì)館。2012年貴州百麗杜鵑展會(huì)大廳完工，為大跨木結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，跨度達(dá)53 m，建筑面積約3 000 m2，是亞洲最大的木結(jié)構(gòu)會(huì)館。

3）大跨木結(jié)構(gòu)應(yīng)用于體育場館。2017年貴州省榕江室內(nèi)游泳館竣工，其屋蓋采用張弦木拱體系，跨度50.4 m，木拱為2×170 mm×1 000 mm雙拼膠合木構(gòu)件，沿弧長三段拼接。木拱采用6根木撐桿與主索形成張弦結(jié)構(gòu)，并與縱向索和屋面索形成完整穩(wěn)定體系，為國內(nèi)跨度第一和面積第一的木結(jié)構(gòu)屋蓋。

4）大跨木結(jié)構(gòu)應(yīng)用于公共文娛建筑。2012年天津華僑城歡樂谷文化演藝中心完工，采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，跨度達(dá)85 m，屋頂結(jié)構(gòu)木梁均采用膠合木結(jié)構(gòu)，是目前國內(nèi)單體規(guī)模最大的木結(jié)構(gòu)建筑之一。

5）大跨木結(jié)構(gòu)應(yīng)用于公共交通建筑。法國AREP設(shè)計(jì)集團(tuán)為成都景城廣場地鐵站上蓋設(shè)計(jì)的木結(jié)構(gòu)穹頂結(jié)構(gòu)，主體建筑采用3個(gè)跨度95、86、77 m木結(jié)構(gòu)大拱，預(yù)計(jì)2020年完工，建成后將成為國內(nèi)目前跨度最大的鋼木結(jié)構(gòu)建筑。

3.2 國內(nèi)大跨木結(jié)構(gòu)發(fā)展前景分析

3.2.1 市場需求不斷擴(kuò)大

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量要求越來越高，對(duì)休閑度假需求越來越強(qiáng)。木結(jié)構(gòu)不僅能較好地讓人融入自然，同時(shí)給人親切的體驗(yàn)感。因此，大跨木結(jié)構(gòu)在體育場館、休閑娛樂場館建筑等休閑度假建筑中的應(yīng)用需求將會(huì)日益增加。

同時(shí)，在全球重視低碳環(huán)保的背景下，大跨木結(jié)構(gòu)高結(jié)構(gòu)效率比以及環(huán)保、高性價(jià)比等特性，決定大跨木結(jié)構(gòu)將在國內(nèi)大型工業(yè)建筑、公共建筑結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)勁復(fù)興。

再者，在產(chǎn)業(yè)政策方面，2017年，住建部發(fā)布《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》《裝配式建筑示范城市管理辦法》《裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地管理辦法》，全面推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展；國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的意見》，在具備條件的地方倡導(dǎo)發(fā)展現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑，不斷提高裝配式建筑在新建建筑中的比例。大跨木結(jié)構(gòu)作為裝配式建筑的重要組成部分，符合我國發(fā)展裝配式建筑的方向。

因此，大跨木結(jié)構(gòu)的市場需求將不斷擴(kuò)大。

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)逐步完善

2011年中國頒布實(shí)施了GB/T 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》，給出了對(duì)膠合木的生產(chǎn)及質(zhì)量控制的相關(guān)要求。

2012年中國頒布實(shí)施了GB/T 50708—2012《膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，為膠合木在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。 另外，GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 50206—2012《木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、GB/T 50772—2012《木結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》以及GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等規(guī)范也都納入了膠合木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工以及防火的內(nèi)容。

2017年1月10日，住建部發(fā)布第1417號(hào)公告，發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51233—2016《裝配式木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

國內(nèi)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，將會(huì)推動(dòng)以膠合木結(jié)構(gòu)為主的大跨木結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

3.2.3 產(chǎn)能不斷提升

根據(jù)2018年《中國木結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》分析，目前國內(nèi)已投資建設(shè)的Hundegger木結(jié)構(gòu)加工中心有30臺(tái)，意大利SCM木構(gòu)件加工中心有1臺(tái)，金田豪邁木構(gòu)件加工中心有4臺(tái)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國產(chǎn)膠合木生產(chǎn)線約60條，CLT生產(chǎn)線3條，彎曲梁生產(chǎn)線7條。

因此，國內(nèi)生產(chǎn)線有能力生產(chǎn)大跨木結(jié)構(gòu)所需要的構(gòu)件，產(chǎn)能的提升可以保障大跨木結(jié)構(gòu)對(duì)膠合木或者CLT材料的需求。

4 展望

目前，國內(nèi)大跨木結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用都相對(duì)比較少，可借鑒和學(xué)習(xí)國外的研究成果和案例，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究，從而推動(dòng)大跨木結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展：

1）膠合木材料性能研究。與國外相比，國內(nèi)大跨木結(jié)構(gòu)跨度雖然不斷突破，但數(shù)量、規(guī)模還較小。原因之一是由于國產(chǎn)膠合木產(chǎn)品尺寸和性能的限制，雖然國內(nèi)已掌握膠合木生產(chǎn)技術(shù)并擁有多條生產(chǎn)線，但多數(shù)依靠進(jìn)口膠合木。這主要是因?yàn)閲鴥?nèi)膠合木材料力學(xué)性能的研究還不夠，限制了應(yīng)用。因此對(duì)包含正交膠合木在內(nèi)的國產(chǎn)膠合木材料性能的系統(tǒng)研究及評(píng)價(jià)體系的建立還有待加強(qiáng)。

2）結(jié)構(gòu)形態(tài)研究。與國外相比，國內(nèi)大跨木結(jié)構(gòu)應(yīng)用結(jié)構(gòu)造型還比較簡單。因此進(jìn)行豐富結(jié)構(gòu)造型、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理受力的大跨木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形態(tài)研究十分必要。國外大跨木結(jié)構(gòu)的發(fā)展一方面得益于空間結(jié)構(gòu)形態(tài)理論，尤其是自由曲面的形態(tài)構(gòu)成研究有了較大發(fā)展，另一方面隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、進(jìn)行結(jié)構(gòu)形態(tài)的數(shù)值生成得以實(shí)現(xiàn)。如何掌握和運(yùn)用這些成果，是我們研究的方向之一。

3）結(jié)構(gòu)性能研究。基于國產(chǎn)膠合木的大跨度木結(jié)構(gòu)，尤其是大跨空間木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力性能及影響因素的研究，通過試驗(yàn)進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)的數(shù)值分析、理論研究，在我國基本都是空白，也亟待研究。

4）安全監(jiān)測研究。國外對(duì)大量大跨木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)失效分析[13-14]表明，錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境變化會(huì)造成大跨木結(jié)構(gòu)破壞，因此，對(duì)大跨木結(jié)構(gòu)環(huán)境和安全監(jiān)測研究，以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)行為、滿足安全預(yù)警的需求，同樣也是需要關(guān)注的。