■趙樹強 ■云南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院,云南 昆明 650228
抗震是建筑結(jié)構(gòu)的必要需求,調(diào)查中,木結(jié)構(gòu)“墻倒屋不塌”的現(xiàn)象就足以證明木結(jié)構(gòu)房屋較好的抗震性;同時,木結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量較鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)等均較小,地震反應(yīng)也隨之降低。本文認為具有較好抗震性能的木構(gòu)建筑,將引領(lǐng)別墅休閑住房新潮流,特別是在我國西南高烈度地區(qū)。下文案例將詳細分析,如何通過計算荷載要求,合理安排木構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)。
木材取材于自然,除了昂貴珍稀的樹種外,普通建筑用木材相比鋼筋混凝土和石材要價格便宜。木材能降低成本的另一個原因是,相同體積的木材要質(zhì)量輕,在運輸、搬運、切割、加工過程中,更節(jié)省人力物力。
首先,木材是可再生資源,其生產(chǎn)過程,綠色環(huán)保,只要做到合理砍伐和耕種,不要過度砍伐,就能做到永續(xù)使用。但是水泥石砂在生產(chǎn)過程中,會消耗不可再生資源,生產(chǎn)過程本身也會造成大量的環(huán)境負擔(dān)。另一方面純木加工工序少,在交付使用后,不會長期的散發(fā)甲醛等污染有毒氣體,是相對健康環(huán)保的綠色材料。
木材本身導(dǎo)熱性能差,可以起到冬暖夏涼的效果。
木結(jié)構(gòu)為裝配式結(jié)構(gòu),木構(gòu)件可方便搬運、拆遷、組裝。所有拆遷廢料便于降解處理,或者還可以再次利用,從而減少浪費,降低對環(huán)境的壓力。
但是木材建筑并非沒有缺點。首先,木材易于燃燒,必須進行防火處理。否則整片的木構(gòu)建筑一旦發(fā)生燃燒,將給人民財產(chǎn)安全帶來威脅。2005年貴州苗寨地區(qū)發(fā)生過一家起火,整個村莊片瓦不存的事故,因為苗寨地區(qū)全部是純木結(jié)構(gòu)的房屋。2014年香格里拉獨克宗古城毀于火災(zāi)留下深刻教訓(xùn)。另一方面,木材容易被蟲蟻侵害,例如在甘肅等地農(nóng)村的木構(gòu)房屋,曾經(jīng)發(fā)生過白蟻吃空房梁的案例。因此木材用于建筑,不論是外墻內(nèi)墻,都需要進行防火防蛀處理。
中信.星耀水鄉(xiāng)項目地處云南省昆明市嵩明縣楊林鎮(zhèn),為高端旅游休閑度假項目。區(qū)域內(nèi),水系縱橫,生態(tài)環(huán)境優(yōu)越,整個別墅建筑在自然風(fēng)光的基礎(chǔ)上,采用純木結(jié)構(gòu)設(shè)計,即以木材作為主要承重荷載,支持建筑物基本形態(tài)。采用木構(gòu)建筑,體現(xiàn)生態(tài)、休閑主題的同時,滿足結(jié)構(gòu)承載、抗震等要求,確保建筑安全可靠。
本項目建設(shè)場地地質(zhì)條件較差,為深厚泥炭質(zhì)土,25米深度范圍內(nèi)無適合的樁端持力層,為四類建筑場地。同時,該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度0.30g,地震作用較大,如果采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或抗震墻結(jié)構(gòu),梁、柱、墻斷面較大、配筋量較大,整個建筑結(jié)構(gòu)自重較大,基礎(chǔ)投入較大,且難以實現(xiàn)建筑師要求的輕松、舒適的建筑風(fēng)格;經(jīng)過對比論證,別墅采用北美輕型木結(jié)構(gòu)房屋體系,承重結(jié)構(gòu)為SPF墻體體系,從樓屋面到墻體均采用SPF成品構(gòu)件裝配,結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較小、自重較輕、抗震性能較好,基礎(chǔ)造價大大降低,大大提高了建筑的舒適型、實用性和經(jīng)濟性。
基于以上定位,中信嘉麗澤別墅的A戶型的木屋計算書摘要如下。
恒荷載:按照樓面屋面墻體實際材料,即木材本身的性質(zhì)進行計算。
活荷載限值:衛(wèi)生間、臥室和樓梯2.0kn/m2;不上人的屋面0.5kn/m2;露臺2.5kn/m2。
風(fēng)荷載:基本風(fēng)壓為0.30,C類粗糙度,高度系數(shù)為1.0;風(fēng)振系數(shù)1.0,體型系數(shù)按照規(guī)范選取。
結(jié)構(gòu)計算采用加拿大WoodWorks軟件計算,并按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)進行復(fù)核驗算。結(jié)果均滿足規(guī)范要求,主要結(jié)構(gòu)平面及節(jié)點設(shè)計如CAD圖。
右圖為中信嘉麗澤別墅的實景照片,在實現(xiàn)建筑功能的抗震承重之外,使用輕型木結(jié)構(gòu),造型小巧緊湊,能較好實現(xiàn)建筑功能、控制造價,并且實現(xiàn)了美觀與生態(tài)。
基于以上中信嘉麗澤別墅的建筑結(jié)構(gòu)分析,可以看到,木結(jié)構(gòu)在當(dāng)今仍然具有使用意義。中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中最常見的梁柱結(jié)構(gòu),能夠很好的滿足承重荷載以及抗震性要求。雖然通常情況下,木結(jié)構(gòu)建筑保存時間要比石材建筑短,容易被侵蝕。但是我國最傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu),紫禁城的太和殿,屋頂采用十一間柱的方式搭建,已經(jīng)保存了數(shù)百年之久。使用梁柱結(jié)構(gòu)建成的建筑物從外觀上錯落有序,秩序簡潔。
除了梁柱結(jié)構(gòu),古代木結(jié)構(gòu)建筑還有穿斗室,即用一根穿枋把一排排的柱子穿連起來成為排架,然后用枋、檁斗接而成,故稱作穿斗式。穿斗式結(jié)構(gòu)小巧緊湊,能有效利用體型教小的原木,可以作為梁柱結(jié)構(gòu)的有效補充。
右圖為該別墅完工前的木構(gòu)建筑圖。我們可以看出,北美輕型木結(jié)構(gòu)體系,沒有傳統(tǒng)意義上的梁柱,樓、屋面及墻柱體系均為小尺寸成品SPF構(gòu)件排列組合,形成空間結(jié)構(gòu)體系。門窗等洞口周邊進行了重點加強,確保承受豎向荷載及水平地震力、風(fēng)荷載的同時,有效傳遞上述荷載,而墻體柱在一樓和二樓之間,保持數(shù)量和結(jié)合點一致。這種結(jié)構(gòu)小巧緊湊,合理利用了木材,承重效果也好。
在新型木結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)中,梁柱結(jié)構(gòu),穿斗結(jié)構(gòu),也都被廣泛使用。其中梁柱結(jié)構(gòu)可以用于別墅、會所的所修建,中間穿插穿斗結(jié)構(gòu),合理利用零碎邊角空間。
傳統(tǒng)梁柱結(jié)構(gòu)在使用上尤其局限性。首先,按照梁柱結(jié)構(gòu)要求,要建蓋大空間大型建筑,需要消耗足夠多,足夠大的原木,而這種原木成長耗時長,難以找到或價格昂貴。為此本文認為,現(xiàn)代膠合技術(shù)和鏈接技術(shù),西方木框架結(jié)構(gòu),是對梁柱結(jié)構(gòu)的有效補充。
傳統(tǒng)木構(gòu)建筑中,以木材承擔(dān)主要荷載,而在木材銜接固定技術(shù)方面,也研發(fā)了很多成熟技藝。例如上文中中信嘉麗澤使用螺旋和鋼板連接節(jié)點。這就現(xiàn)代工藝的應(yīng)用。
現(xiàn)代居住型建筑,因為要滿足上下水、電路、現(xiàn)代家居裝修的要求,而在基礎(chǔ)建筑的牢固性方面提出新的要求。這個時候,傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)配合現(xiàn)代力學(xué)推算,并輔助以鋼筋、螺旋等建筑材料,就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)與現(xiàn)代的完美結(jié)合。
現(xiàn)代膠合技術(shù),創(chuàng)造出膠合木,給木結(jié)構(gòu)建筑更多可能性。膠合木能形成不同彎度曲度的重木,對于體育場、劇場來、游樂場等地點來說,用膠合木打造拱形結(jié)構(gòu),有別于傳統(tǒng)的梁柱結(jié)構(gòu),能合理的利用木材,且能夠制造出奇幻的空間感。
而國外很多地方,也和中國一樣,長期的采用木構(gòu)建筑,并積累出自己的經(jīng)驗。本文認為,北美木SPF新型木結(jié)構(gòu)房屋,在設(shè)計建造方面有其巧妙之處。
北美新型木結(jié)構(gòu),木構(gòu)件細小、尺寸規(guī)范、間隔緊密。大多數(shù)的框架由三個部分組成:構(gòu)成墻壁骨架的垂直墻骨;構(gòu)成樓板的水平擱柵;以及支撐屋頂?shù)拇净蜓芗?。?dāng)墻由斜撐木板或輕質(zhì)木基板材而形成墻覆面板時,它具有了側(cè)向抵抗力,并進而形成了一個剪力墻系統(tǒng)——輕質(zhì)、高強、且建造效率高。所有部件共同支撐建筑物,使之可以抵抗重力、風(fēng)及地震。實踐證明,木結(jié)構(gòu)在各種極端的負荷條件下,均表現(xiàn)出其穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的完整性,即使強烈的地震使整個建筑脫離其基礎(chǔ),其結(jié)構(gòu)也經(jīng)常完整無損。木結(jié)構(gòu)韌性大,對于瞬間沖擊荷載和周期性疲勞破壞有很強的抵抗能力,在所有結(jié)構(gòu)中具有最佳的抗震性,這一點在許多大震區(qū)已得到充分證明。在日本1995年的神戶大地震中,保留下來的房屋大部分是木結(jié)構(gòu)的房屋。
對比起來,中國的梁柱機構(gòu),在墻體上,要使用大量原木,尤其是修建兩層或多層木結(jié)構(gòu)建筑,將消耗大量原木。而北美的SPF木結(jié)構(gòu)體系,在原木使用上更加節(jié)省,而不降低荷載和抗震性。為此,本文認為,從節(jié)約木材的角度考慮,可以結(jié)合北美的木框架房進行木結(jié)構(gòu)建筑。
綜上,本文認為,純木結(jié)構(gòu)的建筑相比混凝土與石材建筑具有明顯的優(yōu)勢,未來必然會在休閑產(chǎn)業(yè)中興起,并引領(lǐng)新的建筑潮流。而在設(shè)計木構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)時,既要考慮我國傳統(tǒng)的梁柱結(jié)構(gòu),也要結(jié)合現(xiàn)代膠合、螺旋鏈接技能,同時參考北美木框架結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)節(jié)約木材功能的同時,滿足抗震承重要求。
[1]中國木結(jié)構(gòu)建筑形成與西方木結(jié)構(gòu)比較,地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院09級城市規(guī)劃專業(yè),謝卓然,2012年.
[2]EPA(美國環(huán)境保護署),Residential Air Cleaners(Second Edition):A Summary of Available Information,EPA 402-F-08-004,may 2008.
[3]楊帥,張吉光,任萬輝.自然通風(fēng)對裝修材料污染物散發(fā)的影響,《潔凈與空調(diào)技術(shù)》2007(3):50-53.