高 兵 張洪艦

吉林建筑大學土木工程學院（130000）

2015年的《促進綠色建材生產和應用行動方案》提到“發(fā)展木結構建筑，促進城鎮(zhèn)木結構建筑應用”。2016年，住建部頒布的《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》提到“推廣綠色建材，提高綠色建筑的比例”。2017年，新的《木結構設計規(guī)范》（GB 5005—2017）頒布。新版《綠色建筑評價標準》（GB 50378—2019）指出，“綠色建筑是在全壽命周期內，節(jié)約資源，保護環(huán)境，減少污染，最大限度地實現(xiàn)人與自然和諧共生的高質量建筑”?？梢?，為響應綠色環(huán)保，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，近年來我國在政策、規(guī)范、宣傳等方面大力推動木結構建筑的發(fā)展和應用。

盡管政府和企業(yè)為木結構建筑的發(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構，鄉(xiāng)鎮(zhèn)的低層建筑也基本沒有木結構。鑒于此，文章將闡述其中原因，論述輕木-混凝土混合結構的優(yōu)勢，并認為此結構在城鄉(xiāng)低層建筑中推廣應用具有可行性。

1 木結構的特點與不足

木結構是我國傳統(tǒng)的結構形式，已有幾千年的悠久歷史。其以梁柱為承重受力體系，通過榫卯連接，以巧奪天工的設計建造而成，是集歷史性、藝術性和科學性于一身，具有極高的文物價值和觀賞價值[1]。木結構建筑發(fā)展至今，已進入現(xiàn)代木結構建筑的新發(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，符合當下節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的方針策略。木結構建筑有如下幾個特點。

1.1 抗震性能

地震作用與結構重量有關，相較于鋼筋混凝土與鋼結構，木結構自重輕，產生地震作用小。另外，木結構房屋整體具有良好的韌性和塑性能力，在日本多震地區(qū)木結構應用廣泛，因此木結構具備良好的抗震性能。

1.2 保溫隔熱性能

由于獨特的構造特點，木材導電、導熱性低，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

木結構的能源消耗、碳排放、水污染相比主流建筑結構都是最低的。雖然木行業(yè)的發(fā)展必然導致林區(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。

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，運輸安裝無需大型設備。同時，木結構的樓梯、桁架、墻體等可預制，設計靈活，不僅能夠滿足各種結構用途，還能夠縮短施工工期。除了上述主要特點外，木材還有諸如裝配化程度高、建筑美觀舒適等優(yōu)勢。

我國解放初期，由于大規(guī)模建設發(fā)展的原因，木材需求量大，被過度砍伐，而且沒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，我國的森林面積、森林覆蓋率逐年增長，但優(yōu)質的林材品種偏少，材質偏低，使得我國木材大部分來從國外進口。木材數(shù)量上，成本過高，不足以支撐當代城市的建設需求，縱使木結構建筑擁有上述突出優(yōu)點，但難以被普通大眾所接受。在《木結構設計標準》（GB 50005—2017）中規(guī)定，輕型木結構的層數(shù)不宜超過3層?？紤]到我國人多地稀的實際情況，輕型木結構建筑在我國的推廣應用受到了極大的限制。

2 輕木-混凝土混合結構的可行性

由于我國人多地少的特點，希望用木材建造更高的建筑?！督ㄖO計防火規(guī)范》（GB 50016-2014）擴大了輕型木結構的適用范圍，由原來“木結構建筑不允許超過3層”變更為“允許建造7層、高度為24 m以下的木結構組合建筑,其中木結構的層數(shù)不應超過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-混凝土混合結構或將是一種可行的構造形式。

現(xiàn)階段，不管是臨街小區(qū)的門面房，還是老城改造，或是城區(qū)擴建，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上住房的結構。這種建筑底層的高度、開間和進深的設計靈活度較大，往往需要較大的空間，因此若采用輕型木結構會受到一定的限制，會削弱結構整體的抗震性能，導致地震作用下由于底層的損壞而使整個結構倒塌。因此當?shù)蛯有枰^大使用空間，用鋼筋混凝土結構來代替輕型木結構是合理的。此外，底層木結構容易受潮、蟲侵，而鋼筋混凝土結構可以有效避免這樣的問題。若上層使用輕型木結構，由于可以在工廠預先完成房屋的桁架、墻體等構件，將構件送至工地可直接進行拼裝組合，能夠短時間內完成一棟房屋的建造，工業(yè)集成化程度高，符合當下裝配式建筑的工業(yè)化要求。同時木結構對地基的負荷大大降低，增加了建筑面積，為土地、環(huán)保等問題提供了可持續(xù)的解決方案，既順應了時代建筑潮流，又降低了對底層承重的要求。

從另一方面來說，輕木-混凝土混合結構是輕型木結構與鋼筋混凝土結構兩種結構優(yōu)點的折合。在低層使用鋼筋混凝土結構，不僅降低了木結構房屋的整體造價，同時滿足了防潮、防水等要求。在上層使用木結構，不僅能夠減少施工工期，且對周邊環(huán)境污染較少，也順應了綠色環(huán)保的建筑理念，減少了廢棄物的污染，提高了建筑裝配率，既滿足了經濟要求，也響應了國家號召。

3 輕木-混凝土混合結構國內外應用

盡管《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）中明確了輕型木結構混合結構的定義和允許的建造規(guī)模，但由于我國對現(xiàn)代木結構的研究相對較晚，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。雖然我國現(xiàn)階段還沒有“4+3”的組合結構（下4層混凝土結構，上3層輕木結構），但也有輕木-混凝土混合結構成功的例子。

成都青白江華嚴小學，是成都市第一棟采用輕木-混凝土混合結構的小學教學樓。該教學樓采用了“1+2”混合結構建筑形式，底層為混凝土澆筑用作商鋪，2~3層為輕型木結構搭建，為小學所在地。建筑面積共計869 m2。國內還有一些工程在探索“1+3“的混合結構，但規(guī)模不大，也說明了這種類型結構具有可行性但當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.簡稱BCBC）最早的木結構建筑層數(shù)為4層，2009年加拿大BCBC規(guī)范把木結構的建筑層數(shù)從4層提高到6層。2019年3月，BC省允許木結構建筑的層數(shù)從現(xiàn)有的6層擴展到12層，規(guī)范于2020年生效?？梢?，國外的木建筑技術比我國成熟許多。2009年，美國西雅圖建成的名為“Marselle”的7層輕木-混凝土組合結構公寓（2+5）。該建筑下部2層為混凝土結構，上部5層為輕型木結構[3]。美國2017年完工的“The Heights”公寓是一棟6層樓的混合建筑（1+5）。這棟建筑的地下車庫與一層的店鋪采用混凝土結構，而5層住宅則采用輕型木結構。當然國外像這樣的混合結構還有很多，由國外成功案例可見，輕木-混凝土混合結構在我國存在發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 我國對輕木-混凝土混合結構的研究

當?shù)讓愉摻罨炷量蚣芙Y構的抗側剛度足夠大時，可視作剛性基礎，輕型木結構房屋坐落其上，因此可把輕型木結構房屋作為獨立的結構進行分析計算。這種分開的分析和構造并不復雜。根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)范標準就可以解決相應的問題。當?shù)讓觿偠炔皇亲銐虼髸r，這種上柔下剛的混合結構體系在地震作用下，如何準確合理地計算上部輕型木結構的地震作用力是研究的重點。

熊海貝[4]等人對“1+2”的3層輕木-混凝土混合結構振動臺試驗，模型總高8.8 m。上部輕型木結構與下部混凝土結構采用螺栓連接。該試驗以不同上下剛度比為依據(jù)設計試驗模型，試驗過程選取了Taft地震波、El Centro波和上海人工地震波SHW2。結果表明，隨著震動的增大，上部兩層木結構有所損壞，混凝土框架損壞很小。木結構的損壞多是釘連接節(jié)點的破壞，而釘連接節(jié)點在破壞前往往發(fā)生了較大的變形，這個過程消耗了地震的能量，因此輕木-混凝土混合結構具有良好的抗震性能。上部輕型木結構的地震反應隨著上下剛度比的增大而減小。

李英俏[5]通過有限元分析得出混凝土結構、輕木結構的上下剛度比較大時，可按底部剪力法將上下結構分開進行結構抗震設計，但對輕型木結構分析時，需考慮下部混凝土框架結構對上部的影響。此影響用地震作用放大系數(shù)來考慮，取值與上下結構剛度比有關，上下剛度比越大，放大系數(shù)將越小。

5 結語

通過對輕木-混凝土混合結構進行系統(tǒng)的分析和總結，該混合結構在未來的發(fā)展推廣過程中仍存在有待解決的問題。

上部輕型木結構的地震作用力仍是輕木-混凝土混合結構研究的關鍵所在。雖然熊海貝等人的試驗以能反映實際“單戶木結構房屋”典型特點的結構作為研究對象，但由于試驗設備的局限性，試驗模型的尺寸小于實際房屋。即便能夠研究出其規(guī)律，但并不能完全代表實際情況。故應加強對輕木-混凝土混合結構的研究，使其更符合實際情況。同時，模型不僅限于“1+2”，應使模型更符合我國當下的人多地少的現(xiàn)狀，并加強對有限元軟件的應用，建立更為簡便的房屋整體模型。

我國鋼筋混凝土結構應用較廣，其設計方法、評價體系比較成熟完善。輕型木結構的設計、規(guī)格、材料的生產與評價體系還不完善，這也阻礙了輕型木結構建筑的推廣和應用。輕木-混凝土混合結構要想得到廣泛運用，離不開國家和當?shù)卣囊龑Ш椭С?。在不斷完善?guī)范、設計方法的同時，政府可通過建設示范區(qū)來向城郊和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的低層建筑進行推廣輕木-混凝土混合結構建筑，從而提高我國的輕木-混凝土混合結構建筑的建造水平，并提高裝配率。