用木材制成的結(jié)構(gòu)。木材是一種取材容易,加工簡便的結(jié)構(gòu)材料。木結(jié)構(gòu)自重較輕,木構(gòu)件便于運輸、裝拆,能多次使用,故廣泛地用于房屋建筑中,也還用于橋梁和塔架。近代膠合木結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),更擴大了木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。
木材受拉和受剪皆是脆性破壞,其強度受木節(jié)、斜紋及裂縫等天然缺陷的影響很大;但在受壓和受彎時具有一定的塑性。木材處于潮濕狀態(tài)時,將受木腐菌侵蝕而腐朽;在空氣溫度、濕度較高的地區(qū),白蟻、蛀蟲、家天牛等對木材危害頗大。木材能著火燃燒,但有一定的耐火性能。因此木結(jié)構(gòu)應(yīng)采取防腐、防蟲、防火措施,以保證其耐久性(見木結(jié)構(gòu)的防腐防蟲和防火)。
木材作為一種永恒的建材,古老而又現(xiàn)代,木結(jié)構(gòu)建筑在風(fēng)格特性上與城市特點相呼應(yīng),彰顯人文特點。天然材質(zhì)使建筑具有一種特別的親和力,消除建筑本身作為外來物的冰冷感覺,木結(jié)構(gòu)建造的靈活性可以充分發(fā)揮個性化,人性化特點。木結(jié)構(gòu)在園林景觀中的應(yīng)用更有利于結(jié)合中國文化特點,煥發(fā)歷史神韻又不失現(xiàn)代氣氛.木結(jié)構(gòu)建筑將為中國建造的不僅是可供使用的建筑實體,更成為一座座人文景觀。 在中國,隨著“天?!惫こ痰膶嵤?,大部分地區(qū)已嚴(yán)禁砍伐樹林。從美國進口木材可填補由此造成的缺口。美國所有出口的木材產(chǎn)品均來源于經(jīng)認(rèn)證的美國于可持續(xù)開發(fā)的森林資源。結(jié)構(gòu)用鋸材和工程木產(chǎn)品強度高,模數(shù)體系齊全,以及完善的分等分級規(guī)定,能滿足各種從單體住宅等小型建筑到體育館和橋梁等大型建筑的多種需要。
中國是最早應(yīng)用木結(jié)構(gòu)的國家之一。根據(jù)實踐經(jīng)驗采用梁、柱式的木構(gòu)架
,揚木材受壓和受彎之長,避受拉和受剪之短,并具有良好的抗震性能;建于遼朝(1056年)的山西省應(yīng)縣木塔(見彩圖),充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)自重輕、能建造高聳結(jié)構(gòu)的特點。在木結(jié)構(gòu)的細(xì)部制作方面,采用干燥的木材制作結(jié)構(gòu),并使結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位外露于空氣之中,可防潮而免遭腐朽;在木柱下面設(shè)置礎(chǔ)石,既避免木柱與地面接觸受潮,又防止白蟻順木柱上爬為害結(jié)構(gòu);在木材表面用較厚的油灰打底,然后油漆,除美化環(huán)境外,兼有防腐、防蟲和防火的功能。
中國的木結(jié)構(gòu)建筑在唐朝已形成一套嚴(yán)整的制作方法,但見諸文獻的是北宋李誡主編的《營造法式》,是中國也是世界上第一部木結(jié)構(gòu)房屋建筑的設(shè)計、施工、材料以及工料定額的法規(guī)。對房屋設(shè)計規(guī)定“凡構(gòu)屋之制,皆以材為祖。材有八等,度屋之大小,因而用之”。即將構(gòu)件截面分為八種,根據(jù)跨度的大小選用。經(jīng)按材料力學(xué)原理核算,當(dāng)時木構(gòu)件截面與跨度的關(guān)系符合等強度原則,說明中國宋代已能通過比例關(guān)系選材,體現(xiàn)出梁抗彎強度的原理。與梁、柱式的木構(gòu)架溶為一體的中國木結(jié)構(gòu)建筑藝術(shù)別具一格,并在宮殿和園林建筑的亭、臺、廊、榭中得到進一步發(fā)揚,是中華民族燦爛文化的組成部分。
近代木結(jié)構(gòu)是在產(chǎn)業(yè)革命以后,隨著房屋和橋梁的建設(shè)而發(fā)展起來。
建筑物的能源效益是由構(gòu)成該建筑物的結(jié)構(gòu)體系和材料的保溫特性決定的。木結(jié)構(gòu)的墻體和屋架體系由木質(zhì)規(guī)格材、木基結(jié)構(gòu)覆面板和保溫棉等組成,測試結(jié)果表明,150mm厚的木結(jié)構(gòu)墻體,其保溫能力相當(dāng)于610mm厚的磚墻,木結(jié)構(gòu)建筑相對混凝土結(jié)構(gòu),可節(jié)能50%---70%。
由于木結(jié)構(gòu)優(yōu)異的保溫特性,人們可以享受到木結(jié)構(gòu)住宅的冬暖夏涼。另外,木材為天然材料,綠色無污染,不會對人體造成傷害,材料透氣性好,易于保持室內(nèi)空氣清新及濕度均衡。
木材相對其它材料有極強的韌性,加上面板結(jié)構(gòu)體系,使其對于沖擊荷載及周期性疲勞破壞有很強的抵抗力,具有最佳的抗震性,木結(jié)構(gòu)在各種極端的符合條件下,均表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的完整性,特別在易于受到颶風(fēng)影響的熱帶地區(qū)以及受到破壞性地震襲擊的地區(qū),如日本和北美,其表現(xiàn)尤為突出。
木結(jié)構(gòu)體系的耐火能力比人們通常想象的要強的多,輕型木結(jié)構(gòu)中石膏板對木構(gòu)件的覆蓋,以及重木結(jié)構(gòu)中大尺寸木構(gòu)件遇火形成的碳化層,均可以保護木構(gòu)件,并保持其結(jié)構(gòu)強度和完整性,按中國木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范設(shè)計建造的木結(jié)構(gòu)建筑,完全能夠滿足有關(guān)防火要求。
精心設(shè)計和建造的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑,能夠面對各種挑戰(zhàn),是現(xiàn)代建筑形式中最經(jīng)久耐用的結(jié)構(gòu)形式之一,能歷經(jīng)數(shù)代而狀態(tài)良好,包括在多雨、潮濕,以及白蟻高發(fā)地區(qū)。
木材腐朽是受木腐菌侵害的結(jié)果。木腐菌體內(nèi)的水解酶能將組成木材細(xì)胞壁的纖維素、木質(zhì)素及細(xì)胞內(nèi)含物分解作為養(yǎng)料,使木材的強度逐漸降低,直至失去全部承載能力。
木腐菌的生長必須同時具備下列三個條件:木材含水率高于18%;溫度在 2~35°C的范圍內(nèi);有氧氣供應(yīng)。如能去除其中之一,即可防止腐朽。中國有“千年不爛井底木”的古話,是說明木材在水中缺氧而不腐。木結(jié)構(gòu)與人類生活分不開,溫度和氧氣無法排除,只能將木材含水率控制在18%以內(nèi),即使其處于干燥狀態(tài),防止木腐菌的侵蝕。因此,要求木結(jié)構(gòu)各個部分,特別是支座節(jié)點等關(guān)鍵部位,要處于通風(fēng)良好的條件下,即使一時受潮,也能及時風(fēng)干。故在設(shè)計木結(jié)構(gòu)時,首先要考慮結(jié)構(gòu)的構(gòu)造防腐措施:如設(shè)置隔溫頂棚的木屋蓋,必須將頂棚吊在木屋架下弦下面,并使下弦底面與隔溫層保持一定距離,使整個屋架位于同一溫度場內(nèi)。如將隔溫層置于木屋架下弦之上,則只好將屋架的支座節(jié)點砌在墻內(nèi),構(gòu)成封閉的空間,以保證隔溫層下面的正溫度場的良好效果。但當(dāng)屋檐稍有滲漏,就能浸濕支座節(jié)點,由于處于封閉狀態(tài),難以短期風(fēng)干。木材只要在一定的時間內(nèi)含水率高于18%,木腐菌就能生長,而木腐菌在繁殖過程中將要排出數(shù)倍于原來用以維持生長的水分,濕潤毗鄰的木材,產(chǎn)生惡性循環(huán),使腐朽蔓延。過去不少木屋架的支座節(jié)點曾因此而嚴(yán)重腐朽毀壞,甚至引起整個屋蓋的塌倒。
埋入土中的木電桿或木樁,在土層表面上、下一個區(qū)段內(nèi),被土中的水分侵濕,又有氧氣供應(yīng),所以遭致腐朽。深埋于土中的部分不腐的原因是缺氧。地表以上較高部分不腐的原因是缺水(即含水率低于18%)。因此,對于經(jīng)常受潮或間歇受潮的木結(jié)構(gòu)或構(gòu)件,以及不得不封閉在墻內(nèi)的木梁端頭或木磚等,都必須用防腐劑處理以防木腐菌繁殖生長。
防腐劑是由具有一定毒性的化學(xué)品配制的,分水溶性、油溶性、油類及漿膏等幾種。對于經(jīng)常受潮的木構(gòu)件,宜采用屬于油類防腐劑的混合防腐油,也稱蒽油,由煤雜酚油(即木材防腐油)和煤焦油配制,遇水不易流失,藥效較長。瀝青在外觀上呈黑色粘滯狀,與蒽油類似,常被誤用作防腐劑。但瀝青只能防水而不能防腐,用瀝青涂在未經(jīng)干燥的木材上,則適得其反,阻礙了木材的風(fēng)干。
不同的樹種木材,由于細(xì)胞的內(nèi)含物不同其耐腐性也有差別。馬尾松、樺木等即屬于耐腐性差的樹種。對于同一樹種的木材,邊材較心材易腐,所以邊材所占比率較大的樹種,其耐腐性也較差。當(dāng)采用這些樹種的木材制作木結(jié)構(gòu)時,均應(yīng)用防腐劑處理。
蛀蝕木材的昆蟲主要有白蟻和甲蟲。白蟻的危害較甲蟲廣泛而嚴(yán)重。
白蟻是一種活動隱蔽,過群體生活的昆蟲。在世界上共有2000多種,在中國也有近百種之多,主要分布于長江流域和南方溫暖潮濕地區(qū)。白蟻以木材為主要食料,也離不開水分,且其生活有畏光性,到巢外取食,都在泥土筑成的蟻路中行進。故常在有木構(gòu)件或木制品而靠近水源的地方筑巢。因此廚房、浴室等處陰暗潮濕部位的木構(gòu)件最易受白蟻蛀蝕。
在中國常見的危害木材的甲蟲是家天牛、家茸天牛、粉蠹和長蠹。天牛以木材的纖維為食,幼蟲在木材內(nèi)蛀成坑道,老熟后在坑道末端成蛹,成蟲羽化后向外咬一橢圓形孔飛出。主要危害木麻黃等闊葉樹材。粉蠹及長蠹以木材的淀粉和醣類為食,故以危害闊葉樹材的邊材為主。成蟲喜在木材表面的管孔中產(chǎn)卵。因此管孔較大的櫟木、山核桃、刺槐等樹種受害最烈。幼蟲將木材內(nèi)部蛀成粉末狀,只剩下一層薄薄的外殼,表面上小蟲眼密布,其周圍常有粉末狀蛀屑。
甲蟲主要侵害含水率較低的干燥木材,而白蟻對潮濕的木材為害較烈。所以采取構(gòu)造上的防潮措施,使木構(gòu)件與水源隔斷,對減小白蟻的危害,有一定的效果。但構(gòu)造上的防潮對防蟲僅是一種輔助措施,凡是有白蟻或甲蟲的地區(qū),木結(jié)構(gòu)和木制品均應(yīng)用防蟲藥劑處理。
楠木、紫檀、柚木等樹種有較強的抗白蟻性,杉木、柳杉、樟木等也有一定的抗白蟻性,但多數(shù)樹種木材皆易受白蟻危害,如馬尾松最易受白蟻蛀蝕。所以對于易受白蟻危害的樹種木材制作的木結(jié)構(gòu)或木制品,都要用防蟲藥劑處理。
為了保證木結(jié)構(gòu)的耐久性,目前世界各國都采用既能防腐又能防蟲的藥劑。如用硼酸、硼砂和五氯酚鈉配制的硼酚合劑,是一種水溶性的藥劑,可將木構(gòu)件浸泡在藥劑的水溶液中,若每立方米木材能吸收4.5~6千克的藥劑(干劑重量),則能達到防腐防蟲的目的。由于這種藥劑遇水容易流失,故只宜用于不受潮的木構(gòu)件。對易受潮的木構(gòu)件,則應(yīng)采用油溶性的五氯酚、林丹合劑。
對木結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的防火主要是測定其耐火極限,并根據(jù)建筑物耐火等級的要求,采取提高木構(gòu)件耐火極限的措施。木構(gòu)件的耐火極限,是指某種構(gòu)件在專門的爐中,按模擬火災(zāi)溫度(700~1000°C)的火焰進行燃燒,從開始到失去其原有的功能(對承重構(gòu)件就是失去承載能力)的時間。如用厚度為 5厘米的方木膠合的門扇,其耐火極限為 1小時;截面為17×17厘米的木梁,其應(yīng)力達到10兆帕,耐火極限為40分鐘;截面為15×15厘米,高3.5米,應(yīng)力達到4兆帕的木柱,25分鐘后才破壞;而截面為29×29厘米的木柱,應(yīng)力達6 兆帕,50分鐘后才破壞。由此可見,木構(gòu)件是具有一定的耐火性能,特別是截面較大的構(gòu)件。這是因為木材是由中空的細(xì)胞組成,熱導(dǎo)率較小。并且木材在燃燒過程中,在表面形成一層木炭,而木炭也有良好的隔熱性能,因而減慢了木材的熱分解。
木構(gòu)件在火災(zāi)作用下,前2分鐘是著火燃燒,在此后的8分鐘內(nèi)的炭化速率約為每分鐘0.8毫米,由于形成木炭層,在這以后炭化速率減慢到每分鐘0.6毫米。不同樹種的炭化速率有一定的差別。木構(gòu)件的耐火極限,除試驗測定外,還可以根據(jù)已掌握的不同樹種的炭化速率進行估算。
對于無保護層的木構(gòu)件來說,應(yīng)盡量采用截面尺寸較大的整體木構(gòu)件,以提高耐火極限。試驗證明,層板膠合構(gòu)件的耐火性能與整體截面的木構(gòu)件相似。所以采用截面大的層板膠合木結(jié)構(gòu),有利于防火。提高木結(jié)構(gòu)的耐火極限有兩個途徑,一是加抹灰層或石膏板,如30×30厘米的木柱加2.5厘米的鋼絲網(wǎng)抹灰層,其耐火極限可提高到1.5小時,另一是采用防火藥劑浸注或涂防火漆,如丙烯酸乳膠防火漆,在100~200°C的溫度下能分解出磷酸使木材脫水炭化,減少可燃?xì)怏w的形成,在250°C左右能膨脹起泡,形成蜂窩狀的防火隔熱層,做到小火不燃,以防止初期火災(zāi)的擴展,一經(jīng)離開火焰即能自行熄滅。
木結(jié)構(gòu)按連接方式和截面形狀分為齒連接的原木或方木結(jié)構(gòu),裂環(huán)、齒板或釘連接的板材結(jié)構(gòu)和膠合木結(jié)構(gòu)。
齒連接的原木或方木結(jié)構(gòu)
以手工操作為主的工地制造的結(jié)構(gòu)。加工簡便,發(fā)展最早,應(yīng)用也最廣。在中國應(yīng)用最多的也是這種結(jié)構(gòu)形式。
原木或帶髓心的方木在干燥過程中,多發(fā)生順紋開裂。當(dāng)裂縫與桁架受拉下弦連接處受剪面重合時,將降低木結(jié)構(gòu)的安全度,甚至導(dǎo)致破壞。故在采用原木或方木結(jié)構(gòu)時,應(yīng)采取可靠措施,盡量減少裂縫對結(jié)構(gòu)的不利影響。
原木和方木截面較大,干燥費時,所以制作時只能采用截面內(nèi)外平均含水率不大于25%的半干材。半干材在安裝后逐漸干燥到與空氣中的相對濕度平衡時,將產(chǎn)生橫紋干縮,并在節(jié)點處產(chǎn)生的橫紋或斜紋承壓變形偏大,再由于齒連接手工操作的偏差,致使原木或方木結(jié)構(gòu)的變形較大。
原木或方木桁架的下弦除了開裂的影響之外,還常因所供應(yīng)的木材質(zhì)量偏低,難以選得符合受拉構(gòu)件材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的木材。為了保證原木或方木結(jié)構(gòu)的安全可靠,在中國大量推廣應(yīng)用鋼材作下弦和拉桿的鋼木桁架。以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠,并在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的剛度,減小了變形。
裂環(huán)、齒板或釘連接的板材結(jié)構(gòu)
由厚度在10厘米以內(nèi)的木板組成的結(jié)構(gòu)。木板厚度小,能在短期內(nèi)干燥,結(jié)構(gòu)的變形較小,且木板又無完整的年輪,在干燥過程中切向和徑向收縮率不一致所引起的翹曲可用加壓的方法控制;干燥不均勻引起的內(nèi)應(yīng)力很小,即使產(chǎn)生裂縫,因開裂程度輕微,不影響結(jié)構(gòu)的安全。。
裂環(huán)連接的板材結(jié)構(gòu)
裂環(huán)能傳遞較大的內(nèi)力,既能用于節(jié)點連接,又能用于接頭的連接;裂環(huán)能標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),環(huán)槽可用機具開鑿,可使木結(jié)構(gòu)的制作進入工業(yè)化生產(chǎn)。
裂環(huán)通過環(huán)槽承壓和連接靠木材受剪傳力,其安全度受脆性破壞的木材抗剪強度控制。裂環(huán)安裝后處于隱蔽狀態(tài),不易檢查。因此被齒板逐漸取代。
齒板連接的板材結(jié)構(gòu)
沖壓而成的齒板用油壓機直接壓入木材,制造簡便,與裂環(huán)連接相比,具有較高的緊密性,減小了結(jié)構(gòu)的變形,且便于檢查。齒板通過眾多的齒分散承壓傳力,有很好的韌性,比裂環(huán)連接可靠。近年來國外多將齒板應(yīng)用于桁架節(jié)點和接頭的連接。
釘連接的板材結(jié)構(gòu)
多在工地制造,由于加工方便,可以制成弧形桁架等合理的結(jié)構(gòu)形式,在蘇聯(lián)應(yīng)用較多。中國曾用于體育館、倉庫等跨度較大的屋蓋結(jié)構(gòu)。由于釘連接的后期變形較大,應(yīng)用受到一定的限制。
膠合木結(jié)構(gòu)
包括層板膠合結(jié)構(gòu)和膠合板結(jié)構(gòu)。由于膠合木結(jié)構(gòu)能較好地利用木材的優(yōu)點和克服其缺點,使木材在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用更為合理,所以在一些技術(shù)發(fā)達的國家得到較大的發(fā)展,而成為木結(jié)構(gòu)的主要形式。多用于大跨度的房屋。近年來,美國相繼建成直徑為153米、162米及208米的膠合木圓頂。
此外,將木材旋切成3~10毫米厚的單板,木紋相互平行層疊熱壓膠合成30~50毫米厚的板材稱為密層膠合木,可用以制成各種構(gòu)件或結(jié)構(gòu)。密層膠合木的問世使膠合木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用達到新的高度。如建于1976年跨度為122米的密層膠合木筒拱,用于美國愛達荷州立大學(xué)足球場的屋蓋,上、下翼緣采用由16層單板膠合厚度為45毫米的密層膠合木。圖為在吊裝筒拱。