重型木結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案大全

在加拿大，甚至在整個(gè)北美、歐洲范圍內(nèi)，有一種既古老又新興的建筑材料正在流行，那就是工程木產(chǎn)品。工程木產(chǎn)品除了有用來(lái)搭建輕型木結(jié)構(gòu)骨架的鋸材，還有利用現(xiàn)代工程技術(shù)將小尺寸規(guī)格木材通過(guò)膠合、加壓、機(jī)械加工來(lái)形成更大尺寸構(gòu)件的工程木產(chǎn)品。而使用工程木產(chǎn)品建造的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為重型木結(jié)構(gòu)（Mass Heavy Timber Structure）。先進(jìn)的技術(shù)賦予重型木結(jié)構(gòu)建筑能夠?qū)崿F(xiàn)更大的結(jié)構(gòu)跨度，更高的建筑高度以及靈活的結(jié)構(gòu)布置，使木結(jié)構(gòu)建筑的建造在當(dāng)代具有新的機(jī)遇并快速發(fā)展。

與鋼筋混凝土材料相仿，重型木結(jié)構(gòu)工程木產(chǎn)品也具有詳細(xì)的分類(lèi)。膠合木可制作成平直的構(gòu)件也可通過(guò)層板的彎折形成曲面的構(gòu)件。多元的重型木構(gòu)件不僅為結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定性，在符合使用需求的基礎(chǔ)上也不失為設(shè)計(jì)增加亮點(diǎn)。

重型木構(gòu)件產(chǎn)品種類(lèi)眾多，其構(gòu)件的組合方式也多種多樣，但總體來(lái)說(shuō)一般用層板膠合木（Glulam）作為框架梁和柱，正交膠合木 （CLT）、層板釘接木（NLT或Nail-Lam）和層板銷(xiāo)接木（DLT）作為樓板、墻板和屋面板。目前最主流的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有以下幾種：

1.膠合木框架結(jié)構(gòu)

重型木結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)非“膠合木框架”結(jié)構(gòu)莫屬。位于加拿大多倫多市Atlantic大街80號(hào)的“第一個(gè)商業(yè)木結(jié)構(gòu)項(xiàng)目”用的正是此類(lèi)結(jié)構(gòu)。

80 Atlantic Fabricator Timber Systems公司的總裁Gary Williams先生認(rèn)為，“樓、屋面結(jié)構(gòu)板的造價(jià)越低，整個(gè)結(jié)構(gòu)的造價(jià)就越低?！睂?duì)于重型木結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，框架梁的成本僅占整個(gè)結(jié)構(gòu)的一小部分，而樓、屋面板的成本是決定項(xiàng)目整體造價(jià)高低的關(guān)鍵。所以，為了減少樓板的建造成本，可以通過(guò)縮小樓板的跨度，并增加更多的框架梁來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于框架梁數(shù)量的增加，使得每個(gè)區(qū)隔分配的受荷面積得以減少，相應(yīng)的單塊樓面板的跨度和荷載均得以相應(yīng)減少，最終達(dá)到減少樓面板厚度的目的。整個(gè)結(jié)構(gòu)的總造價(jià)也得以降低。

需要注意的是，當(dāng)采用此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時(shí)，推薦如圖1所示，把框架梁的長(zhǎng)邊垂直于與單片樓面板的短邊布置。當(dāng)然，由于框架梁的跨度變長(zhǎng)，它的截面高度也會(huì)相應(yīng)增加，所以并不推薦層高較低的建筑選用圖1結(jié)構(gòu)布置。在層高受限的情況下，框架梁和樓面板的長(zhǎng)短邊朝向需要互換，如圖1.1所示：框架梁跨度變小，相應(yīng)的截面高度也減小，樓板的厚度也會(huì)有所減小。這種結(jié)構(gòu)布置能夠減少膠合木封邊梁對(duì)玻璃幕墻采光的不利影響。

2.單向主梁+次梁

主梁和次梁的組合確保了結(jié)構(gòu)造價(jià)的最小化，因?yàn)闃前宓暮穸葘?huì)被縮減到滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最小厚度。樓板的跨度被次梁分隔，次梁承載來(lái)自樓板的荷載，并將此荷載傳遞至主梁，最終由主梁將荷載傳遞到框架柱上。

雖然這個(gè)結(jié)構(gòu)布置可能是造價(jià)最低的選項(xiàng)，但是由于主次梁根數(shù)較多，單個(gè)房間內(nèi)的層高會(huì)由于布置了次梁而減少。并且由于雙向均布置了膠合木梁，設(shè)備管線的布置會(huì)受到一定的影響。

3.雙向主梁+大塊樓面板

在兩方向柱距相同的情況下，在兩個(gè)方向布置截面高度相同的主梁。樓面板相鄰兩跨交錯(cuò)布置，使得每根膠合木框架梁上受力情況類(lèi)似。由于兩個(gè)方向布置有膠合木主梁，使得采用該結(jié)構(gòu)布置的建筑的整體性更好。

此結(jié)構(gòu)無(wú)次梁，并且主梁尺寸相對(duì)較小，可以滿(mǎn)足把構(gòu)件暴露在外的需求，增加單個(gè)房間內(nèi)的樓層凈高，以滿(mǎn)足對(duì)內(nèi)部空間感的體現(xiàn)和對(duì)內(nèi)部空間功能的靈活劃分。

4.CLT樓板-立柱點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)

雙向、點(diǎn)支承的正交膠合木板（CLT板）結(jié)構(gòu)體系具有較高的抗扭轉(zhuǎn)和抗壓性能，能夠大大減小所需樓板的厚度，因此在多高層和大跨度樓、屋面板已經(jīng)剪力墻的應(yīng)用中，性?xún)r(jià)比尤其高。

但是CLT面板也有自身的局限。從構(gòu)造上來(lái)說(shuō)，CLT板通常采用三層、五層或七層規(guī)格材或結(jié)構(gòu)復(fù)合材正交組胚粘結(jié)而成。CLT產(chǎn)品的力學(xué)性能分主（強(qiáng)度）方向和次（強(qiáng)度）方向兩個(gè)方面。主方向指平行于表層材料紋理的方向，一般是CLT產(chǎn)品的長(zhǎng)度方向;次方向是垂直于表層材料紋理的方向，一般是CLT產(chǎn)品的寬度方向。

CLT的強(qiáng)度方向

CLT面板的尺寸通常受運(yùn)輸條件的限制，寬度范圍在2.4—3m之間。防火性能也比較有挑戰(zhàn)性，以5層基層板的CLT面板為例：兩層板在1.5h左右會(huì)被燃盡，剩下的三層板可能達(dá)不到殘余強(qiáng)度的要求。一般情況下，通過(guò)增加木板的厚度或?qū)訑?shù)，或是在CLT面板迎火面包裹石膏板，以達(dá)到防火目的。

5.寬扁橫梁-樓板-立柱

當(dāng)建筑對(duì)室內(nèi)凈高有嚴(yán)格要求時(shí)，我們可以選擇用膠合木（Glulam）或者正交膠合木（CLT）作為寬扁梁構(gòu)件。其受彎承載力的大小與橫梁的寬度成正比，但是與同樣截面積的常規(guī)框架梁相比，抗彎承載力低且撓度明顯變大。因此若承擔(dān)同樣的樓面荷載，運(yùn)用寬扁橫梁的結(jié)構(gòu)布置的性?xún)r(jià)比較低。

此外，使用寬扁梁時(shí)，如果橫梁恰好只有一邊邊緣受力，整個(gè)連接結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不平衡彎矩而造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，因此，相連接的樓板接縫要位于橫梁的中心線上。

寬扁梁的結(jié)構(gòu)分為兩種： 1）如上圖圖5所示，橫梁位于樓板之下;2）如上圖圖5.1所示，橫梁位于樓板之上，該種連接需要設(shè)計(jì)特殊的連接掛件，連接做法較為復(fù)雜，但是在相同層高下可以增大樓層凈高。樓面保溫隔音棉和部分水電管線可以在兩根扁梁之間的凹槽內(nèi)架設(shè)，并在此上做建筑地面使得樓板上下表面均為平整的完成面。另外，在美觀角度上，其大面積平整的天花板和較大的柱距大大增加了室內(nèi)空間感和自然采光的效率。

6.寬扁梁-樓板-寬扁立柱

如果同時(shí)有層高和建造成本的限制，可以選用寬扁橫梁和寬扁立柱的結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)的樓板嵌于寬扁橫梁之間，縮短了樓板構(gòu)件的單位寬度，減小了構(gòu)件成本。并且樓板與橫梁上端齊平，至少減少了一半的結(jié)構(gòu)厚度，大大增加了樓層凈高。

然而，由于橫梁和樓板的結(jié)構(gòu)存在著很大的承載穩(wěn)定性問(wèn)題 ——在橫梁受力不均的情況下，樓板容易坍塌，所以立柱的寬度必須增加到橫梁寬度，以此來(lái)解決橫梁力矩不平衡的問(wèn)題。此外，還需注意的是，此結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上也有很大的挑戰(zhàn)性，特別是在樓面板懸挑部分的抗傾覆設(shè)計(jì)。目前，并沒(méi)有體系完整的文獻(xiàn)和論證來(lái)支持此結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

7.橫梁 – 交錯(cuò)樓板 – 立柱

交錯(cuò)樓板的結(jié)構(gòu)旨在用最少的建筑材料實(shí)現(xiàn)大跨度。此結(jié)構(gòu)已被Michael Green建筑事務(wù)所使用，并且Equilibrium Consulting顧問(wèn)事務(wù)所對(duì)該結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行了改進(jìn)升級(jí)。

此結(jié)構(gòu)通常用兩層平行的樓板交錯(cuò)，并在上下層樓板邊緣處有小尺寸的相疊，疊加處用斜向螺絲固定以抵抗疊合處的剪力。其好處在于樓板可以盡可能的薄，原理與波紋鋼板類(lèi)似。

8.箱型梁 – 箱型樓板 – 立柱

箱型木構(gòu)件在工廠就已預(yù)制完成，通常用正交膠合木（CLT）作為上、下翼板，用重型木板材（大多為膠合木glulam）作為腹板。其尺寸和重量被優(yōu)化在吊車(chē)吊裝能力范圍之內(nèi)，意在減少吊裝和裝配次數(shù)，以此來(lái)加快建造速度。

箱型木構(gòu)件中部貫通的空間一般不會(huì)被封堵，以用來(lái)提供給各種設(shè)備、管線架設(shè)的空間。但有時(shí)會(huì)根據(jù)消防設(shè)計(jì)的要求對(duì)空腔進(jìn)行防火封堵。

9.應(yīng)力蒙皮橫梁和樓板格架 – 立柱

在“應(yīng)力蒙皮”的木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，樓板不僅僅負(fù)責(zé)將荷載傳遞到梁上，而且還增大了梁與樓板形成的組合截面的抵抗矩，及抵抗彎矩的能力。

應(yīng)力蒙皮格架利用雙向承載的系統(tǒng)來(lái)更好的增加抗彎強(qiáng)度，如上圖所示，木色樓板和橫梁為一組，藍(lán)色橫梁和天花板一組，各自形成空腹桁架，并共同組成格狀結(jié)構(gòu)抵抗兩個(gè)方向的彎矩效應(yīng)。

10.奈爾維橫梁 – 立柱

意大利結(jié)構(gòu)工程師奈爾維（Pier Luigi Nervi）諸多作品中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件都極其優(yōu)雅地表現(xiàn)了荷載的分解和傳導(dǎo)。在過(guò)去材料成本大于勞動(dòng)力成本的時(shí)代，奈爾維發(fā)明了一種混凝土梁板結(jié)構(gòu)，能夠最充分地利用各種材料性能同時(shí)最大程度減少材料的自重。

目前，重型木結(jié)構(gòu)項(xiàng)目有著類(lèi)似的情況：重型木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件成本較高，而隨著數(shù)控機(jī)床（CNC）技術(shù)的大規(guī)模使用，各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件也可以通過(guò)CNC加工來(lái)實(shí)現(xiàn)而無(wú)需投入過(guò)多勞動(dòng)力。因此所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工完畢之后，結(jié)構(gòu)的裝配過(guò)程將會(huì)更加經(jīng)濟(jì)化。所以奈爾維結(jié)構(gòu)很適合被運(yùn)用到重型木結(jié)構(gòu)項(xiàng)目里。

圖10是奈爾維結(jié)構(gòu)的一個(gè)演繹，把其在都靈勞動(dòng)宮（Palace of Labour in Turin ）項(xiàng)目中使用的混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成重型木結(jié)構(gòu)。放射狀的弧梁系統(tǒng)架設(shè)在立柱之上，有效抵抗了板面?zhèn)鱽?lái)的彎矩，而環(huán)狀橫梁對(duì)弧梁提供了側(cè)向支撐，有效地防止了弧梁的失穩(wěn)。

11.空腹混凝土樓板-重型木樓板復(fù)合結(jié)構(gòu) （VCTC）

空腹混凝土-重型木樓板是混凝土、木復(fù)合構(gòu)件的一種。木結(jié)構(gòu)樓板上方鋪設(shè)的一層與木樓板近似厚度的混凝土樓板，其朝向與木材纖維垂直，功能相當(dāng)于寬扁橫梁。

VCTC的優(yōu)勢(shì)之一在于它不需要框架梁構(gòu)件，并且能滿(mǎn)足對(duì)大跨度柱網(wǎng)的需求。因此能夠更靈活的分隔室內(nèi)空間。此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以根據(jù)建筑對(duì)空間的需求（比如無(wú)柱大會(huì)議廳），隨意調(diào)整構(gòu)件的組合，而不改變樓板結(jié)構(gòu)厚度。

VCTC的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是高防火性能，這點(diǎn)在木結(jié)構(gòu)建筑中尤為重要。樓板結(jié)構(gòu)中混凝土部分完全覆蓋了木材，使樓板達(dá)到更高防火性能。

佩克公司的梯形截面梁結(jié)構(gòu)尤其適用于大跨度和薄樓板的情況。梯形截面的鋼梁頂面與樓板齊平，鋼梁由一個(gè)梯型的箱型梁和一片鋼下翼緣板。梯形梁的兩側(cè)腹板開(kāi)灌漿孔，使樓板上方灌注的混凝土能夠填充其中。這種復(fù)合樓板結(jié)構(gòu)能夠增加抗彎強(qiáng)度和剛度，同時(shí)，如果在錐型梁中布置縱向鋼筋以形成鋼筋混凝土梁，且該混凝土梁在火災(zāi)工況下能獨(dú)立承擔(dān)上部傳來(lái)的荷載，那么下翼緣鋼板就不需要做額外的防火處理。

目前，此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)已被應(yīng)用在由BNKC建筑事務(wù)所和Blackwell結(jié)構(gòu)事務(wù)所合作設(shè)計(jì)的一棟8層辦公樓上，項(xiàng)目位于加拿大多倫多Wade大街77號(hào)。

加拿大多倫多Wade大街77號(hào)7層木結(jié)構(gòu)辦公大樓 | Canadian Architect

12.Rhomberg結(jié)構(gòu)事務(wù)所設(shè)計(jì)的Cree結(jié)構(gòu)

Rhomberg結(jié)構(gòu)事務(wù)所設(shè)計(jì)了Cree結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)在歐洲有一定的影響力。它是一種木材-混凝土-鋼材復(fù)合構(gòu)件，旨在達(dá)到對(duì)各種材料的最大利用率。

在箱型鋼材主梁和木材次梁之上，預(yù)制的混凝土樓板寬度在2.5m到3m之間，長(zhǎng)度可跨一個(gè)開(kāi)間，其在室外的部分融入木次梁形成邊梁，可按具體情況選擇用立柱或隔墻支承。

13.Zollinger 薄板-菱形橫梁格架-立柱

德國(guó)建筑工程師Friederich Zollinger在19世紀(jì)20年代為了緩解一戰(zhàn)中建筑材料匱乏的問(wèn)題，發(fā)明了薄片屋面板。此結(jié)構(gòu)屬于互承結(jié)構(gòu)的一種，緊密的菱形格架系統(tǒng)使橫梁的尺寸大大減小，也使屋面板縮減到最大可能的薄度。同時(shí)，屋頂面板的朝向與菱形格相垂直，形成非常結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)，能承載很強(qiáng)的風(fēng)力荷載和地震引起的荷載。

14.三層橫梁-樓板-立柱

三層橫梁能夠被應(yīng)用于純木結(jié)構(gòu)的建筑里，通常用于對(duì)膠合木梁的高度有很高要求的情況。其中間的橫梁在柱位置被打斷，膠合木柱在樓層間位置連續(xù)。這種構(gòu)造能夠防止樓面板橫紋承壓的問(wèn)題以減少各個(gè)樓層累積的豎向變形。而且，兩邊的連續(xù)橫梁置于立柱之上，能夠有效地增加構(gòu)件的硬度和剛度。

當(dāng)然，在結(jié)構(gòu)荷載需要的情況下，工程師也可以把多層橫梁組裝在一起，寬度能夠超出膠合木（glulam）的最大寬度365mm。雖然這種多層橫梁結(jié)構(gòu)相對(duì)于正常橫梁其支撐作用有所下降，但是在防火性能上有著很大的提高。因?yàn)橄啾扔隗w積，多層橫梁結(jié)構(gòu)裸露的面積相對(duì)更小，而且，位于外部的橫梁在意外火險(xiǎn)中能夠保護(hù)中部橫梁不易被點(diǎn)燃。

值得注意的是，橫梁結(jié)構(gòu)厚度的減小，在越來(lái)越高的木結(jié)構(gòu)建筑中有著舉足輕重的意義：在相同高度的建筑里，結(jié)構(gòu)越薄，意味著層數(shù)越多。

重型木結(jié)構(gòu)的研發(fā)日新月異，其建筑強(qiáng)度通?？膳c混凝土和鋼結(jié)構(gòu)相媲美，結(jié)構(gòu)專(zhuān)家們也在不斷嘗試著更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。也許筆者在寫(xiě)此文的結(jié)語(yǔ)時(shí)，又有新的材料及結(jié)構(gòu)被研發(fā)設(shè)計(jì)出來(lái)。位于洛杉磯的Perkins+Will建筑技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任Andrew Tsay Jacobs去年在接受采訪時(shí)感慨道：“我認(rèn)為在未來(lái)5年甚至更短的時(shí)間內(nèi)，開(kāi)發(fā)商在開(kāi)發(fā)大型商業(yè)樓宇項(xiàng)目的時(shí)候會(huì)這么提問(wèn)：“我們是否應(yīng)該考慮采用重型木結(jié)構(gòu)（Mass Timber）？”

參考資料：

1.https：//www.canadianarchitect.com/mass-timber-primer/

2.https：//www.archdaily.cn/cn/923782/cltjiao-cha-ceng-ya-mu-ban-hui-zai-wei-lai-qu-dai-hun-ning-tu-ma

3.https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1646085201754747013&wfr=spider&for=pc

4.http：//www.awhouse.art/reciprocal-structure

5.https：//baike.baidu.com/item/%E5%BA%94%E5%8A%9B%E8%92%99%E7%9A%AE%E7%BB%93%E6%9E%84/22268484

6.http：//blog.sina.com.cn/s/blog_5509545f0100wrfh.html

7.https：//www.sohu.com/a/215321301_761796