胡楊楠，楊宇生

（北方工業(yè)大學建筑與藝術(shù)學院，北京 100144）

0 引言

木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展歷史已有數(shù)千年，已從傳統(tǒng)純木結(jié)構(gòu)建筑進入鋼木混合的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展階段?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)是指通過現(xiàn)代的新型科技手段，將木材或板材經(jīng)過層壓、膠合、金屬構(gòu)件連接等一系列現(xiàn)代化的工藝處理，最后形成整體結(jié)構(gòu)性能遠超原木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)體系[1]。現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)依據(jù)房屋承重構(gòu)件所運用的材料可分為重型木結(jié)構(gòu)（膠合木結(jié)構(gòu)）、輕型木結(jié)構(gòu)、方木原木結(jié)構(gòu)及混合木結(jié)構(gòu)4種主要形式，每種結(jié)構(gòu)形式的節(jié)點連接方式各有千秋。輕型木結(jié)構(gòu)是其中的重要分支，對于其節(jié)點連接方式的研究影響著輕型木結(jié)構(gòu)建筑能否在我國木構(gòu)建筑式微階段獲得更廣泛的關(guān)注。

1 輕型木結(jié)構(gòu)的特點

輕型木結(jié)構(gòu)起源于北美地區(qū)的部分民用住宅所采用的木結(jié)構(gòu)形式，后逐漸應用到3層及3層以下的民用建筑中，在20世紀80—90年代逐漸傳入我國，其主要結(jié)構(gòu)體系由木構(gòu)架墻、木樓蓋和木屋蓋系統(tǒng)三部分所構(gòu)成[2]，每部分中的最小單元由斷面較小的統(tǒng)一規(guī)格材經(jīng)過有序地密布排列[3]。隨著建筑技術(shù)的進步，又衍生出板壁式的結(jié)構(gòu)體系，由剪力墻、樓蓋和屋蓋三大部分組成（見圖1），但構(gòu)件的最小單元保持不變[4]。由于其自身高度和跨度較小，所受到的水平荷載和豎向荷載及自重荷載同樣較小[5]，以輕型木桁架為主要承重構(gòu)件，以規(guī)格材作為建筑主材料，以剪力墻起支撐性能的新型現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑形式輕型木結(jié)構(gòu)，具有建造成本低廉、建筑材料節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)固、易于統(tǒng)籌設(shè)計、裝配靈活、施工周期短以及便于修繕等優(yōu)點，是目前市場上投放最多、技術(shù)經(jīng)驗較為成熟的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)之一。

圖1 輕型木結(jié)構(gòu)體系

2 輕型木結(jié)構(gòu)節(jié)點連接方式

隨著材料科技的創(chuàng)新和建筑技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點構(gòu)造幾乎不再采用通過構(gòu)件本身的穿插關(guān)系搭建木構(gòu)建筑骨架的傳統(tǒng)榫卯連接方式，而是更傾向借助現(xiàn)代金屬元件獲得比過去純木構(gòu)件剛性更強的力學性能，采用間接的方式將不同結(jié)構(gòu)骨架搭接在一起的連接方式（見圖2）。輕型木結(jié)構(gòu)主要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用當前市面上標準化的規(guī)格材或工程木產(chǎn)品，其構(gòu)件連接節(jié)點主要采用剛性連接和金屬連接件連接[6]。

圖2 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)金屬連接節(jié)點

常見的剛性連接方式有齒連接、鍵連接、釘連接和螺栓連接等銷軸類連接形式[7]，其在大眾市場上的應用已較為廣泛。在此基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了齒板連接和植筋連接等適應木結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化的節(jié)點連接方式。其中，除對建筑外觀等方面有特殊要求外，在輕型木結(jié)構(gòu)中主要運用與純木節(jié)點相比表現(xiàn)性能更佳的齒板連接、釘連接、螺栓連接和利用金屬掛鉤件進行節(jié)點加固[8]。

2.1 釘連接

釘連接屬于銷釘類連接，在輕型木結(jié)構(gòu)中是使用最早也是最基本的連接形式。釘連接件形式多樣，常見的釘連接件有圓鋼釘、螺紋釘、麻花釘?shù)刃问?。由釘連接件連接的木結(jié)構(gòu)節(jié)點在整體結(jié)構(gòu)中主要擔負著傳遞剪力、抵抗拔力的作用，具有較好的抗震性能。

輕型木結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能主要由其中剪力墻部分里的覆面板和墻內(nèi)骨架之間的釘連接的受力性能決定。其保證整體結(jié)構(gòu)的受力均勻及工作性能穩(wěn)定，發(fā)揮抵抗強風、地震等側(cè)向壓力的作用，以期達到保持木結(jié)構(gòu)整體骨架穩(wěn)定的目的。釘連接件嵌入的方式有多種，一般根據(jù)受力情況選擇，最常見的釘嵌入形式有平行釘入、斜向釘入、垂直釘入3種（見圖3）。

圖3 常見釘嵌入形式

釘連接的承載性能直接影響輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻乃至整體結(jié)構(gòu)的受力性能，釘連接處的節(jié)點構(gòu)造部分起到至關(guān)重要的作用。高建等[9]根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究總結(jié)歸納出釘連接節(jié)點性能主要受到基材、面板的密度與質(zhì)量、釘材的規(guī)格型號、釘?shù)那度敕绞?、?jié)點的幾何形式、木材紋理方向及施工方式等因素的影響，如直釘連接的釘節(jié)點性能優(yōu)于斜釘連接的節(jié)點性能；完全嵌入的釘節(jié)點性能優(yōu)于未完全嵌入的釘節(jié)點性能等。

盡管單個釘受到本身規(guī)格的限制僅能傳遞較小的載荷，但因其有著緊密性高、韌性充分、受力性質(zhì)明確且施工便捷的優(yōu)點，極大節(jié)省了人力物力成本，成為現(xiàn)代輕型木結(jié)構(gòu)中最常用的節(jié)點連接方式之一。

2.2 螺栓連接

螺栓連接屬于銷軸類連接，其原理是利用孔壁的擠壓作用所形成的摩擦，達到鞏固連接構(gòu)件的作用[10]。較多現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑采用螺栓連接的節(jié)點連接方式，在某種程度上螺栓和釘在輕型木結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造處承擔了相似的受力條件，但因螺栓相較釘子具有更大的剪切面，因此該類連接節(jié)點的承載能力較釘連接更大，節(jié)點結(jié)構(gòu)相對牢固。由于輕型木結(jié)構(gòu)中最小構(gòu)件的規(guī)格材的剪切破壞和破裂破壞都是脆性破壞，而螺栓連接具有抗變形能力，從安全性來看，相比其他節(jié)點連接方式，其出色的抗彎能力為連接破壞的最佳選擇。因此，規(guī)范中還給出通過螺栓連接的木構(gòu)件的最小厚度，從根本上保證了螺栓連接受力的安全性與穩(wěn)定性。

螺栓節(jié)點的連接方式為：預先對木構(gòu)件進行鉆孔，再將螺栓或者銷釘插入事先鉆好的孔中；或直接在施工現(xiàn)場插入螺栓。該連接方式傳力簡單、安全可靠、經(jīng)濟性能較好，相比于釘連接安裝更加靈活，符合現(xiàn)代裝配化生產(chǎn)的趨勢，但相較釘連接又需預鉆孔，不如釘連接施工簡便，也有一定的限制。

2.3 齒板連接

齒板連接是輕型木結(jié)構(gòu)最常見也是現(xiàn)在使用范圍最廣的1種連接方式，主要應用于輕型木結(jié)構(gòu)中的最小組成單元木桁架節(jié)點的連接（見圖4）。齒板的材料一般為鍍鋅或是鍍鋁鋅的高強度鋼板，其制造過程為：先采用高速沖模機將整卷鍍鋅鋼板沖切成凸出的板齒，再根據(jù)實際需要裁剪成不同尺寸的齒板，將齒板壓入木材需要連接的節(jié)點中便形成了輕型木桁架的齒板連接節(jié)點。

圖4 齒板

通過在桁架的連接處置入齒板，可對桁架中各條木弦進行較為快速和準確的定位。其安裝方式為：在預制工廠中拼裝好一榀桁架后，將輕型木桁架平放，再通過專門的加工機械將齒板直接壓進桁架中所對應的各條木弦間的連接處（見圖5）。

圖5 木桁架節(jié)點連接

齒板連接作為輕型木桁架獨有的連接方式，其連接性能也受到各種影響因素的制約，如木材的紋理方向、荷載力的作用方向、板齒的分布情況、板齒的數(shù)量及大小、木材的含水率等。雖然齒板連接在輕型木結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接中應用較廣泛，但這種節(jié)點連接方式的強度相對來說還是屬于比較薄弱的，故其承載能力決定整個桁架的承載性能[11]，專業(yè)人士通過“屈服理論”及相關(guān)力學荷載試驗，對其構(gòu)造提出了如下4點要求。

1）齒板應以成對的形式對稱地置于構(gòu)件連接節(jié)點的兩側(cè)且成垂直關(guān)系。

2）采用齒板連接嵌入最小構(gòu)件的深度至少應為做齒板承載力試驗時嵌入深度的2倍且嵌入深度不應大于構(gòu)件的1/2。

3）應保持齒板連接構(gòu)件完好，無缺損、木結(jié)節(jié)或孔洞等缺陷。

4）全部完成拼裝后的齒板及構(gòu)件應形態(tài)完整，無變形、位移等。

相較純木連接的連接形式，齒板連接不僅可提前進行預制生產(chǎn)，成批制作，滿足裝配化生產(chǎn)的工業(yè)需求，其生產(chǎn)方式不僅使節(jié)點性能穩(wěn)定可靠，更縮短了施工周期、節(jié)約了勞動成本、提高了裝配效率。雖該節(jié)點方式也有其相應的弊端，如由于齒板較薄較于其他節(jié)點連接方式其強度不足，受壓承載力較低、安裝注意事項過于煩瑣，但也不失為是1種便捷的節(jié)點連接方式，如果在齒板的承載力性能方向或自身材料強度上加以設(shè)計改善，其在輕型木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應用。

2.4 掛鉤件連接

掛鉤件是輕型木結(jié)構(gòu)體系中連接主梁與次梁、縫邊梁與主梁普遍采用的金屬連接件，主要用于傳遞豎向荷載。根據(jù)使用位置的不同分為梁柱用的“重型”掛鉤件和格柵用的“輕型”掛鉤件，根據(jù)傳力機理的不同分為頂掛型和面掛型。應用于輕型木結(jié)構(gòu)中的掛鉤件質(zhì)量較輕，相對應的承載力也較低[12]。根據(jù)適用情況與場景的不同又衍變出偏轉(zhuǎn)型、傾斜型、組合型等不同種類的特種掛鉤件，但不管是何種類的掛鉤件，均由正面翼、側(cè)面翼、底板3部分組成。掛鉤件連接的節(jié)點構(gòu)造由掛鉤件、緊固件和被連接的結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)成，屬于外露式的建筑節(jié)點，因此可進行外觀上的美化，符合當代審美需求。相較傳統(tǒng)的螺栓節(jié)點和釘節(jié)點，掛鉤件尺寸、形狀各異，美學性能更高，且作為傳遞豎向荷載的關(guān)鍵節(jié)點，掛鉤件連接節(jié)點因其安全可靠、安裝便捷的優(yōu)勢被大量使用于輕型木結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接中。相較其他連接方式，掛鉤件的獨有特點要求在設(shè)計節(jié)點構(gòu)造時注意進行藝術(shù)性加工，作為耐火性能更差的小面積金屬連接件，在設(shè)計時還需考慮增強其自身的防火性能。

3 結(jié)語

通過對輕型木結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造處的主要連接方式的歸納，得出以下結(jié)論。

1）釘連接與螺栓連接作為傳統(tǒng)的剛性連接形式，成本低廉，施工便捷，但隨著輕木桁架跨度加大，若單純靠釘和螺栓連接結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件，則整體結(jié)構(gòu)的可靠性能差，因此這兩種連接方式的使用范圍存在局限性。

2）齒板連接是木屋蓋桁架節(jié)點的主要連接形式，齒板構(gòu)件對尺寸精度的要求并不高且置入位置靈活，適應當代工廠預制化的生產(chǎn)模式和裝配式的建設(shè)手段，而且結(jié)構(gòu)可靠度高，當桁架布置間距較大時，使用齒板連接的連接形式可大幅度提高桁架的生產(chǎn)效率與裝配化水平。

3）掛鉤件作為輕型木結(jié)構(gòu)中最主要的受力連接載體被廣泛用于輕型木結(jié)構(gòu)建筑的主要骨架構(gòu)件連接處，具有良好的承載性能及塑性抗變形能力。它作為建筑外露的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可根據(jù)群體需要進行美觀上的升級與定制。但因掛鉤件尺寸各異、形式多樣，因此難用某個恒定的公式計算其節(jié)點的承載力，所以在使用中需要耗費時間和精力去挑選合適的掛鉤件。

木材作為綠色生態(tài)、可再生的建筑材料，其在實用性和美學性上表現(xiàn)優(yōu)異。我國雖是木結(jié)構(gòu)建筑藝術(shù)發(fā)展的搖籃，但由于近代受西方工業(yè)文明的影響發(fā)展以鋼筋混凝土為主的新的結(jié)構(gòu)體系，使我國幾千年的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)體系逐漸沒落。近年來，隨著裝配式木結(jié)構(gòu)建筑等現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑理念的興起，掀起了木結(jié)構(gòu)建筑復興的風潮，而自北美國家傳入的輕型木結(jié)構(gòu)在我國的大量推廣，這可能是將我國木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展推向另一高峰的契機。

輕型木結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，更加適應現(xiàn)代工廠預制的建造方式，優(yōu)越的保溫隔熱性能及材料的綠色可再生性使其成為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中廣泛應用的1種形式被大眾所接受。作為輕型木結(jié)構(gòu)體系中關(guān)鍵的組成部分，節(jié)點連接方式的選用不僅影響輕型木結(jié)構(gòu)的承載力、剛度、延性及耗能水平，也對安裝的便捷性、結(jié)構(gòu)成本的經(jīng)濟性及建筑的美觀性具有重要影響。因技術(shù)不斷進步，輕型木結(jié)構(gòu)中不同部分的節(jié)點構(gòu)造必將趨于標準化、規(guī)范化、高質(zhì)量化甚至是藝術(shù)化，迎合當代的高質(zhì)量大規(guī)模生產(chǎn)需求和日益提高的美學需求。

相較歐美地區(qū)的某些國家，我國對輕型木結(jié)構(gòu)節(jié)點的研究還處于發(fā)展階段，盡管可制作和供應適應國內(nèi)市場需求的金屬連接材料，但其節(jié)點連接技術(shù)大多依賴進口，在一定程度上使節(jié)點技術(shù)的創(chuàng)新具有局限性。由于金屬材料的介入，木材和金屬之間不同的物理性能會產(chǎn)生相互作用，所以要特別注意節(jié)點構(gòu)造處的防腐設(shè)計和防火設(shè)計。在發(fā)展綠色建筑與建筑裝配化的背景下，我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑在木質(zhì)新材料、組合構(gòu)件和新型節(jié)點連接技術(shù)等方面還具有很大的發(fā)展空間。