建筑用木材的使用初探

諶曉夢

（中國城市科學研究會木結構建筑專業(yè)委員會，北京 100835）

0 引言

木材是大自然賜予人類的禮物，被譽為“最有人情味的材料”。其質感溫潤親和可再生，具有諸多材料無法比擬的美感。作為建筑材料，木材的使用由來已久，在工業(yè)文明出現(xiàn)以前，一直是傳統(tǒng)建筑的主要建造材料。

1 木材簡介

木材是喬木或灌木等植物在初生長后，在根莖中之維管形成層不斷向內發(fā)展的植物組織結構[1]。作為四大傳統(tǒng)建材之一，木材用在建筑工程的很多方面，如桁架、梁、柱、門窗、地板、頂棚、模板、腳手架等。作為唯一可再生的建筑材料，木材具有其獨特優(yōu)勢：

1）質強比佳：木材強度高，韌性好，重量較輕。木材密度在450～675kg/m3，混凝土在2350～2450kg/m3，在滿足同等使用條件時，混凝土的重量是木材的兩倍。這對減輕建筑物的自重，節(jié)省建筑物的基礎處理都是十分有利的。

2）抗震性好：作為生物質材料，木材的延展性良好，受到外界沖擊或震動破壞時，自身的破壞不是瞬間發(fā)生，而是較為緩慢的過程。因此很多木結構建筑在受到?jīng)_擊乃至地震時，最可能保持整體結構的完整和穩(wěn)定。

3）易于加工：木材取自天然，易于加工、運輸施工便捷，生產(chǎn)成本低。

4）環(huán)保可持續(xù)：木材屬于自然產(chǎn)物，具有綠色屬性。樹木在生長過程中，以光合作用的形式在植物中實現(xiàn)“碳固存”，每生長1m3木材，吸收約1t二氧化碳，釋放0.75t氧氣；從建材生產(chǎn)角度看，每生產(chǎn)1t木材，需耗費453kw電力，而1t鋼則需3780kw。據(jù)研究顯示，每生產(chǎn)1噸材料對比：木材釋放1070kg氧氣，固化二氧化碳1470kg；鋼釋放5000kg二氧化碳；水泥釋放2500kg二氧化碳。說明一個單位材料的加工能耗，木材：水泥：鋼鐵：鋁的比值為1：5：191：791[2]。從建筑能耗來看，據(jù)研究顯示，最大限度利用木材的設計可將傳統(tǒng)設計建筑物的溫室氣體排放減少近50%（表1），可使房屋使用中的能耗減少23%～25%[3]。

5）親和舒適：據(jù)研究學者發(fā)現(xiàn)，生活在木材的建筑空間，確實對人體生理指標、體溫、心率和血壓等有積極的影響，遠遠優(yōu)于金屬、石材等材料的環(huán)境。國外木材科學學者也曾研究木材的顏色和心理之間的關系，結果光譜顯示，木材表面的字符確實能給人以天然舒適的感覺，更容易給人們帶來放松的感覺。

表1 主要建材生命周期對環(huán)境影響比較

2 作為建筑材料的歷史

圖1 原始巢居發(fā)展序列

人們對于木材的起用，更多的是源于自然的選擇。遠古時期的黃河和長江流域，樹木非常茂盛，黃土高原還是一片原始森林，人們?yōu)榱硕惚芤矮F蟲蛇或自然災害的侵蝕，開始練習構木為巢，而木材的取材和加工相對容易，自然而然就發(fā)展成了干欄式木建筑。戰(zhàn)國和遼宋時期，梁柱式、穿斗式木建筑及《營造法式》等建筑規(guī)范相繼出現(xiàn)，建筑發(fā)展逐漸成熟，開始從滿足居住需求向美學需求方面轉變，隨之出現(xiàn)了各類符合標準規(guī)范的亭臺樓閣、橋梁等木建筑。到唐宋明清時代，又因文化和環(huán)境等地域性差異，建造出了不同的代表性的民族建筑，如以紫禁城為代表性的官式建筑、山西應縣佛宮寺釋迦塔、侗族依山而建的干欄式建筑、木結構重檐式交通廊橋以及湘西鳳凰吊腳樓等，很多建筑留存至今。

以橋梁建筑為例，最早先秦時期木材被用來建造木梁木柱橋。南宋時期，隨著建筑規(guī)范的出現(xiàn)，木材開始應用于建造橋墩基礎、橋身，古老的“睡木沉基”正是南宋橋梁建筑的一項重大技術發(fā)明，即以整株松（杉）木縱橫疊架于水底，以“臥樁”的形式構筑橋墩基礎以降低施工難度，加速工程進展。另外，不乏一些橋梁全部用木材建成，如（江西宜黃縣）下東門橋，為典型的木結構橋[4]。

可見，古時木材在建筑中應用十分廣泛，包括宮殿、壇廟、民居、古典園林（亭、臺、樓、閣、廊、榭、軒、舫、館、橋等）等，其功能定位主要在結構構件，如梁、柱、枋、檁等，也用作裝飾構件，如門、窗、斗拱等。木材在古代建筑上的廣泛使用體現(xiàn)了其獨特的東方文化和審美取向，象征著天人合一的世界觀，承載著古代社會民俗與精神的變遷，也給后人帶來了燦爛的建筑藝術。

3 建筑用木材使用現(xiàn)狀

不可否認，木材也有其與生俱來的缺陷。因生物質材料的特性，在建筑工程中長時間大量地在露天環(huán)境中使用木材，其防腐、阻燃、耐久性會成為持續(xù)面臨解決的問題。久而久之，在現(xiàn)代工業(yè)文化的主流引導下，木質建材的競爭力逐漸減弱，諸多無機材料鋼筋混凝土等以其較低的應用要求逐漸實現(xiàn)了應用的超越。同時，由于我國人口眾多，以全球20%的人口占有5%的森林資源，人均木材資源相當不足，在上世紀80年代國家保護天然林的政策下，木材尤其是建筑結構用材逐漸被邊緣化。

隨著科技的進步和城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，人們意識到與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾日益凸顯，人們對于建筑材料的生態(tài)性的思考和轉變日漸增多。此時，木材在受到現(xiàn)代工業(yè)文化的沖擊之后，又重新回歸了人們的視野。木材作為建筑材料對于當代建筑的發(fā)展而言，不論是從精神方面給予人們的親切感知，還是說實際層面上對于緩解不斷惡化的環(huán)境問題，都有著不容忽視的作用。在建筑中使用木材進行設計和建造也更能夠符合綠色環(huán)保的政策意識。

以下從資源、建材種類方面了解木材的使用現(xiàn)狀。

3.1 木材資源

在一帶一路的大背景下，木材資源的產(chǎn)量和消費及在建筑行業(yè)的應用分析應該站在全球經(jīng)濟一體化的角度來思考。

圖表顯示十多年來，我國木材產(chǎn)量、進口量（圖2）持續(xù)增長，對外依賴度超過50%。國內木材消費總量從2007年的3.8 億立方米增長到2018 年的6.1 億立方米，年均增長4.67%。隨著木質建材的回歸，用于建筑業(yè)的木材從2016年的0.84億立方米增長到2018年的1.86立方米，呈持續(xù)增加態(tài)勢（圖3）。表中數(shù)據(jù)可以看出，木材的總需求量、消費量均逐年增加，建筑業(yè)對木材資源的利用也逐漸增加，但空間仍然很大[5]。

圖2 2006-2018木材產(chǎn)量和進口量

圖3 建筑業(yè)木材消費量

3.2 建筑結構用材

現(xiàn)代建筑用木材的種類很多，按照樹種不同可包括杉、松、柳等，按照材種不同可包括南美材、東南亞材、北美材、歐洲材等，按照用途不同可分為結構材、非結構材。結構材又包括原木、鋸材和膠合材。其中，原木和鋸材屬于實木，膠合材屬于人造材。

以下介紹三類主要的建筑結構用木材[6]。

3.2.1 原木

原木是樹干經(jīng)去皮后直接用做結構構件的木材，通常應用在傳統(tǒng)的木梁橋、井干式木結構建筑中[1]。原木用作結構構件時，對材料的規(guī)格、外觀等要求很高，故不利于廣泛使用。在現(xiàn)代木建筑中，原木通常被作為質樸純粹的代表符號應用在建筑中的特定位置（圖4）。

圖4 井干式木結構

3.2.2 鋸材

鋸材是將原木按一定規(guī)格切尺寸切割加工后得到的截面為矩形的方木、板材或規(guī)格材。鋸材結構強度大、材質均勻、尺寸穩(wěn)定，通常用作框架結構建筑的結構材或樓地面的覆面板[1]。鋸材經(jīng)粗加工而成，一般作為結構的構成元素與結構一起隱藏在建筑內部。如Flip Flop House，木框架結構主要用規(guī)格材，但在結構外部加蓋其他裝飾材料，建造完成后看不到任何鋸材的使用痕跡（圖5）。

圖5 鋸材建筑

3.2.3 膠合材

膠合材是將原木通過膠合壓制而成的材料，在膠合過程中加入多種添加劑，能夠有效地提高木材利用率和木材性能。其尺寸和形狀不受樹木自然特性的限制，可以根據(jù)設計需要制造出大斷面和各種形狀的結構用材。在建筑應用中，適用部位靈活，可用于結構、圍護、外表皮等多個地方。多用于建造會所、學校、醫(yī)院、圖書館或游泳館等公共建筑。

圖6 膠合材

膠合材主要分類是木基結構板材、結構復合材和膠合木（圖6）。目前我國存在兩類結構用木基結構板材，針葉材膠合板和定向木片板，均通過高溫高壓和結構用膠，將很小的材料顆?；蛩槠澈隙伞＿m用于施工項目的模板、輕型木結構樓蓋覆面板、屋面板和墻面板等。由于原料種類無多限制，提高了木材資源的利用效率，降低成本，符合環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的理念。

結構復合材包括兩種產(chǎn)品即單板層積材（LVL）和旋切片膠合木（PSL），被廣泛地用在輕型木建筑中梁、柱、過梁以及重型木結構的構件中。

膠合木即集成材（GLT），是較小規(guī)格的實木鋸材，利用冷固化型膠粘劑，順紋方向粘結而成的一種工程木?？梢灾谱鞒纱罂缍葟澢海粡V泛應用于橋梁、建筑等工程領域。

隨著膠合技術的發(fā)展，膠合材將更多地取代原木作為結構材料。

3.3 非結構用材

木材作為非結構用材在建筑中的應用則更加普遍。比如家具和家居裝飾中的應用，幾乎隨處可見，有各式家具、木質門窗、實木地板、鑲板、椽子、掛瓦條、灰板條等；景觀建筑中，有木棧道、花壇、圍欄、候車亭、景觀橋等。結構用木材亦可用作建筑裝修、裝飾。

隨著現(xiàn)代木材加工處理技術不斷發(fā)展，多用作非結構材的木基復合材料應運而生，可見于建筑領域的各個環(huán)節(jié)，比如景觀建筑中防腐木、炭化木、塑木的應用等。木基復合材料是指以木材為增強體，以樹脂、塑料、金屬或水泥石膏為基體復合而成的材料，是現(xiàn)代技術為木質材料帶來的一種創(chuàng)新，作為木材工業(yè)的發(fā)展方向，正成為科研學者們的研究熱點。

4 木材作為建筑材料的發(fā)展趨勢

隨著高技術、輕結構在建筑中的應用，生態(tài)建材將代表著一種方向和趨勢。木材作為首選的生態(tài)建材將在現(xiàn)代工業(yè)化進程中發(fā)揮著其不可替代的作用，作為傳統(tǒng)建筑文化的載體，也將成為展現(xiàn)科技與傳統(tǒng)文化交融的材料語言，其應用也將呈多元化的發(fā)展。

在堅持木材合理利用、節(jié)約利用的前提下，如何利用現(xiàn)代工業(yè)技術手段將木材屬性創(chuàng)新改良，為木材注入新的科技含量，運用至現(xiàn)代建筑，既給傳統(tǒng)材料賦予時代性，又體現(xiàn)地域文化特性，是值得人們思考的問題。

從宏觀上看，繼續(xù)發(fā)展木材在建筑中的應用，需要根據(jù)我國的國情、政策和林產(chǎn)資源，在加強生態(tài)建設、積極發(fā)展、科學經(jīng)營、持續(xù)利用森林資源的前提下，立足于人工林的培育和合理利用，積極開發(fā)利用國外森林資源，通過應用數(shù)字化技術，充分利用并且加工各類木材及剩余物，開發(fā)并且生產(chǎn)高得率、高性能的木質復合材料，以滿足市場的需要。