輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)的研究綜述

高 兵 張洪艦

吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院（130000）

2015年的《促進(jìn)綠色建材生產(chǎn)和應(yīng)用行動(dòng)方案》提到“發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑，促進(jìn)城鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用”。2016年，住建部頒布的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》提到“推廣綠色建材，提高綠色建筑的比例”。2017年，新的《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5005—2017）頒布。新版《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50378—2019）指出，“綠色建筑是在全壽命周期內(nèi)，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，減少污染，最大限度地實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生的高質(zhì)量建筑”?？梢?jiàn)，為響應(yīng)綠色環(huán)保，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)在政策、規(guī)范、宣傳等方面大力推動(dòng)木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展和應(yīng)用。

盡管政府和企業(yè)為木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展和推廣下了很多功夫，但效果并不明顯，城市中的多高層建筑很少采用木結(jié)構(gòu)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)的低層建筑也基本沒(méi)有木結(jié)構(gòu)。鑒于此，文章將闡述其中原因，論述輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，并認(rèn)為此結(jié)構(gòu)在城鄉(xiāng)低層建筑中推廣應(yīng)用具有可行性。

1 木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與不足

木結(jié)構(gòu)是我國(guó)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，已有幾千年的悠久歷史。其以梁柱為承重受力體系，通過(guò)榫卯連接，以巧奪天工的設(shè)計(jì)建造而成，是集歷史性、藝術(shù)性和科學(xué)性于一身，具有極高的文物價(jià)值和觀賞價(jià)值[1]。木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展至今，已進(jìn)入現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的新發(fā)展階段[2]。木材作為傳統(tǒng)的天然建筑材料，易于再生，綠色環(huán)保，符合當(dāng)下節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的方針策略。木結(jié)構(gòu)建筑有如下幾個(gè)特點(diǎn)。

1.1 抗震性能

地震作用與結(jié)構(gòu)重量有關(guān)，相較于鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)自重輕，產(chǎn)生地震作用小。另外，木結(jié)構(gòu)房屋整體具有良好的韌性和塑性能力，在日本多震地區(qū)木結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，因此木結(jié)構(gòu)具備良好的抗震性能。

1.2 保溫隔熱性能

由于獨(dú)特的構(gòu)造特點(diǎn)，木材導(dǎo)電、導(dǎo)熱性低，具有良好的保溫、隔熱、絕緣的性能。

1.3 節(jié)約能源，綠色環(huán)保

木結(jié)構(gòu)的能源消耗、碳排放、水污染相比主流建筑結(jié)構(gòu)都是最低的。雖然木行業(yè)的發(fā)展必然導(dǎo)致林區(qū)的大片損失，但只要做好可持續(xù)管理，利用木材可再生特性，這些影響都是短暫的。綜合考慮，木材具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。

1.4 施工方便快捷

木材易加工，可根據(jù)要求制作成各種形狀；木材輕，運(yùn)輸安裝無(wú)需大型設(shè)備。同時(shí)，木結(jié)構(gòu)的樓梯、桁架、墻體等可預(yù)制，設(shè)計(jì)靈活，不僅能夠滿足各種結(jié)構(gòu)用途，還能夠縮短施工工期。除了上述主要特點(diǎn)外，木材還有諸如裝配化程度高、建筑美觀舒適等優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)解放初期，由于大規(guī)模建設(shè)發(fā)展的原因，木材需求量大，被過(guò)度砍伐，而且沒(méi)有注重木材資源的可持續(xù)發(fā)展，致使木材資源瀕臨枯竭。雖然近些年采取了退耕還林政策，我國(guó)的森林面積、森林覆蓋率逐年增長(zhǎng)，但優(yōu)質(zhì)的林材品種偏少，材質(zhì)偏低，使得我國(guó)木材大部分來(lái)從國(guó)外進(jìn)口。木材數(shù)量上，成本過(guò)高，不足以支撐當(dāng)代城市的建設(shè)需求，縱使木結(jié)構(gòu)建筑擁有上述突出優(yōu)點(diǎn)，但難以被普通大眾所接受。在《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50005—2017）中規(guī)定，輕型木結(jié)構(gòu)的層數(shù)不宜超過(guò)3層?？紤]到我國(guó)人多地稀的實(shí)際情況，輕型木結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)的推廣應(yīng)用受到了極大的限制。

2 輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)的可行性

由于我國(guó)人多地少的特點(diǎn)，希望用木材建造更高的建筑?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）擴(kuò)大了輕型木結(jié)構(gòu)的適用范圍，由原來(lái)“木結(jié)構(gòu)建筑不允許超過(guò)3層”變更為“允許建造7層、高度為24 m以下的木結(jié)構(gòu)組合建筑,其中木結(jié)構(gòu)的層數(shù)不應(yīng)超過(guò)3層”，以滿足人們的居住需求。所以在城鄉(xiāng)地區(qū)的低層建筑中,輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)或?qū)⑹且环N可行的構(gòu)造形式。

現(xiàn)階段，不管是臨街小區(qū)的門(mén)面房，還是老城改造，或是城區(qū)擴(kuò)建，為了盡可能地提高資源利用率，滿足現(xiàn)代生活需要，很多的建筑都是下商場(chǎng)上住房的結(jié)構(gòu)。這種建筑底層的高度、開(kāi)間和進(jìn)深的設(shè)計(jì)靈活度較大，往往需要較大的空間，因此若采用輕型木結(jié)構(gòu)會(huì)受到一定的限制，會(huì)削弱結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，導(dǎo)致地震作用下由于底層的損壞而使整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌。因此當(dāng)?shù)蛯有枰^大使用空間，用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)代替輕型木結(jié)構(gòu)是合理的。此外，底層木結(jié)構(gòu)容易受潮、蟲(chóng)侵，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以有效避免這樣的問(wèn)題。若上層使用輕型木結(jié)構(gòu)，由于可以在工廠預(yù)先完成房屋的桁架、墻體等構(gòu)件，將構(gòu)件送至工地可直接進(jìn)行拼裝組合，能夠短時(shí)間內(nèi)完成一棟房屋的建造，工業(yè)集成化程度高，符合當(dāng)下裝配式建筑的工業(yè)化要求。同時(shí)木結(jié)構(gòu)對(duì)地基的負(fù)荷大大降低，增加了建筑面積，為土地、環(huán)保等問(wèn)題提供了可持續(xù)的解決方案，既順應(yīng)了時(shí)代建筑潮流，又降低了對(duì)底層承重的要求。

從另一方面來(lái)說(shuō)，輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)是輕型木結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的折合。在低層使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不僅降低了木結(jié)構(gòu)房屋的整體造價(jià)，同時(shí)滿足了防潮、防水等要求。在上層使用木結(jié)構(gòu)，不僅能夠減少施工工期，且對(duì)周邊環(huán)境污染較少，也順應(yīng)了綠色環(huán)保的建筑理念，減少了廢棄物的污染，提高了建筑裝配率，既滿足了經(jīng)濟(jì)要求，也響應(yīng)了國(guó)家號(hào)召。

3 輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用

盡管《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014）中明確了輕型木結(jié)構(gòu)混合結(jié)構(gòu)的定義和允許的建造規(guī)模，但由于我國(guó)對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較晚，在近些年才逐漸興起，所以這種輕木-混凝土混合建筑仍處在探索階段。雖然我國(guó)現(xiàn)階段還沒(méi)有“4+3”的組合結(jié)構(gòu)（下4層混凝土結(jié)構(gòu)，上3層輕木結(jié)構(gòu)），但也有輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)成功的例子。

成都青白江華嚴(yán)小學(xué)，是成都市第一棟采用輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)的小學(xué)教學(xué)樓。該教學(xué)樓采用了“1+2”混合結(jié)構(gòu)建筑形式，底層為混凝土澆筑用作商鋪，2~3層為輕型木結(jié)構(gòu)搭建，為小學(xué)所在地。建筑面積共計(jì)869 m2。國(guó)內(nèi)還有一些工程在探索“1+3“的混合結(jié)構(gòu)，但規(guī)模不大，也說(shuō)明了這種類(lèi)型結(jié)構(gòu)具有可行性但當(dāng)前還處于不成熟階段。

加拿大不列顛哥倫比亞建筑規(guī)范（British Columbia Building Code.簡(jiǎn)稱BCBC）最早的木結(jié)構(gòu)建筑層數(shù)為4層，2009年加拿大BCBC規(guī)范把木結(jié)構(gòu)的建筑層數(shù)從4層提高到6層。2019年3月，BC省允許木結(jié)構(gòu)建筑的層數(shù)從現(xiàn)有的6層擴(kuò)展到12層，規(guī)范于2020年生效?？梢?jiàn)，國(guó)外的木建筑技術(shù)比我國(guó)成熟許多。2009年，美國(guó)西雅圖建成的名為“Marselle”的7層輕木-混凝土組合結(jié)構(gòu)公寓（2+5）。該建筑下部2層為混凝土結(jié)構(gòu)，上部5層為輕型木結(jié)構(gòu)[3]。美國(guó)2017年完工的“The Heights”公寓是一棟6層樓的混合建筑（1+5）。這棟建筑的地下車(chē)庫(kù)與一層的店鋪采用混凝土結(jié)構(gòu)，而5層住宅則采用輕型木結(jié)構(gòu)。當(dāng)然國(guó)外像這樣的混合結(jié)構(gòu)還有很多，由國(guó)外成功案例可見(jiàn)，輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)在我國(guó)存在發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 我國(guó)對(duì)輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)的研究

當(dāng)?shù)讓愉摻罨炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度足夠大時(shí)，可視作剛性基礎(chǔ)，輕型木結(jié)構(gòu)房屋坐落其上，因此可把輕型木結(jié)構(gòu)房屋作為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。這種分開(kāi)的分析和構(gòu)造并不復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)就可以解決相應(yīng)的問(wèn)題。當(dāng)?shù)讓觿偠炔皇亲銐虼髸r(shí)，這種上柔下剛的混合結(jié)構(gòu)體系在地震作用下，如何準(zhǔn)確合理地計(jì)算上部輕型木結(jié)構(gòu)的地震作用力是研究的重點(diǎn)。

熊海貝[4]等人對(duì)“1+2”的3層輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，模型總高8.8 m。上部輕型木結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)采用螺栓連接。該試驗(yàn)以不同上下剛度比為依據(jù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停囼?yàn)過(guò)程選取了Taft地震波、El Centro波和上海人工地震波SHW2。結(jié)果表明，隨著震動(dòng)的增大，上部?jī)蓪幽窘Y(jié)構(gòu)有所損壞，混凝土框架損壞很小。木結(jié)構(gòu)的損壞多是釘連接節(jié)點(diǎn)的破壞，而釘連接節(jié)點(diǎn)在破壞前往往發(fā)生了較大的變形，這個(gè)過(guò)程消耗了地震的能量，因此輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。上部輕型木結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)隨著上下剛度比的增大而減小。

李英俏[5]通過(guò)有限元分析得出混凝土結(jié)構(gòu)、輕木結(jié)構(gòu)的上下剛度比較大時(shí)，可按底部剪力法將上下結(jié)構(gòu)分開(kāi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，但對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)分析時(shí)，需考慮下部混凝土框架結(jié)構(gòu)對(duì)上部的影響。此影響用地震作用放大系數(shù)來(lái)考慮，取值與上下結(jié)構(gòu)剛度比有關(guān)，上下剛度比越大，放大系數(shù)將越小。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和總結(jié)，該混合結(jié)構(gòu)在未來(lái)的發(fā)展推廣過(guò)程中仍存在有待解決的問(wèn)題。

上部輕型木結(jié)構(gòu)的地震作用力仍是輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵所在。雖然熊海貝等人的試驗(yàn)以能反映實(shí)際“單戶木結(jié)構(gòu)房屋”典型特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，但由于試驗(yàn)設(shè)備的局限性，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缧∮趯?shí)際房屋。即便能夠研究出其規(guī)律，但并不能完全代表實(shí)際情況。故應(yīng)加強(qiáng)對(duì)輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)的研究，使其更符合實(shí)際情況。同時(shí)，模型不僅限于“1+2”，應(yīng)使模型更符合我國(guó)當(dāng)下的人多地少的現(xiàn)狀，并加強(qiáng)對(duì)有限元軟件的應(yīng)用，建立更為簡(jiǎn)便的房屋整體模型。

我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用較廣，其設(shè)計(jì)方法、評(píng)價(jià)體系比較成熟完善。輕型木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、規(guī)格、材料的生產(chǎn)與評(píng)價(jià)體系還不完善，這也阻礙了輕型木結(jié)構(gòu)建筑的推廣和應(yīng)用。輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)要想得到廣泛運(yùn)用，離不開(kāi)國(guó)家和當(dāng)?shù)卣囊龑?dǎo)和支持。在不斷完善規(guī)范、設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，政府可通過(guò)建設(shè)示范區(qū)來(lái)向城郊和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的低層建筑進(jìn)行推廣輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)建筑，從而提高我國(guó)的輕木-混凝土混合結(jié)構(gòu)建筑的建造水平，并提高裝配率。