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　　ope体育木结构建筑 W00DENSTRUCTURES 张仲强／Kevin C．K．Cheung 摘耍本文介绍7木材作为永恒的建筑材料，其所具 木材是永恒的建筑材料。历史上，木材因其结 有的许多独特的71茔能和在建箭上的许多特殊的用处。 构上的性能和美学上的价值而得到广泛使用。从过 并且还嚣禾结构在多群建造形才辛的特焦和磁法进行 去的小木屋到现在的多层木房屋．木材已经成为建 7简要的f瓢鲞．包括：轻质木框架房屋．多层木框架 筑发展史中的一条基本主线。只要有合理的设计和 房屋．原木房屋．木框架房屋．柱结构房屋．木桥及 良好的维护，木建筑能够使用很久。现在我们还能 特殊结构等。 看到几百年前建造的木建筑，如：建于公元1150年 Abstract：m『sarticlegivesabriefintroduction的挪威乌内斯·斯塔夫(UrnesStave)教堂(图 tothewood．Asatimeless buffingmaterial,1)；建于公元1056年的中国山西应县木塔(图2)： woodhas characteristicsand manyunique 建于公元682年的日本法林寺(HoriojiTemple) uses．Thearticlealsointroducesthe special (现存最早的木建筑)；以及建于1713年的俄罗斯基 woodenstructuresofdifferentconstructional 日fKizhi)岛教堂f图3、4、5)。 formssuchasLightFrameWoodenConstruction,木结构可供人们用作住宅、商业场所以及室内 Wooden—Frame Multistorey Construction，Log装修结构。随着时间的发展，木结构的发展也面临 Construction,TimberFrameConstruction,Post 着新技术ope体育、新规范和环境问题的挑战，而这也带来 FrameConseruction,Timberandsome Bridges 了如何设计未来木结构房屋的挑战。我们将面对的 speciafstructures． 不仅是木材的新使用方法，还有新型的木产品。 关鸳瓤木结构，建筑，多层，木t矿桥，拄结构，原木， 多层的木结构房屋是对木材的新应用。对各种 重木建筑 木构件性能的充分利用能够使建筑设计在形式与功 Keywords：WoodFrame，Construction， 能两方面达到统一。这些房屋能够在现在或将来城 Multistorey,Timber,Bridges,PostFrame,Log, 市土地价格上涨的情况下提供经济适用的住宅。 HeavyTimberConstruction 除了建造房屋，木材还可以用来建造桥梁。经 过防腐处理的木材能够提高使用寿命．这对中．短 期的桥梁而言是一种可行并经济的选择。 木材作为建筑材料 木材在顺着其木纤维的方向上有很强的承载 力．而在垂直的方向上则很弱。只要设计合理．木 材在建筑使用上很少有所限制。与钢结构和混凝土 结构相比，木结构要有更大的单位重量承载力。木 框架自重轻．并且在地震作用时产生的惯性力较 小。由于木材具有可再生、加工时低耗能和能储藏 炭的优点，使其成为非常生态的建材。 木材具有许多独特的性能．因此在建筑上有许 多特殊的用处。干木材具有很低的热传导性和电绝 缘性。木材对突发荷载和周期性荷载产生的疲劳都 有很好的承载力。同时．木材还有很好的抗化学腐 ‘ 蚀性，这使得它常被作为处理和存储化学药品的建 材。图6就是～个碳酸钾存储设施。许多种木材(如 雪松和红杉)因为它们自然的防腐及防病虫害能力 热性。当木材的表面被火焰炭化，这层炭化层就会 而常被用在室外。 防止内部燃烧。在轻质木框架房屋中．小尺寸的木 木材易燃，但很久前人们就认识到：大块的木 构件会被套上一层不燃性的板(如16mm防火干饰 材即使暴露在火中也能保持其结构上的整体性。这 面墙)以防火势蔓延。在需要时，人们还将木材进 L————————————————————一 种优越的耐火性能是由于其表面的炭化作用和低传 行化学处理以增加其耐火性。 作者简介：西部木产品协会技术服务总监 Author．Director-TechnicalServices,We#emWood ProductsAssociation 收稿日期：2002—05—30 万方数据 17 世界建筑9／2002 由再生纤维制造的工程木产品(EWP)在继续 木材设计的信息及其他相关指导(如住宅结构 发展并被应用到房屋建筑中。这些木材产品的结构 设计指导和独户或两户住宅的结构荷载设计)都能 性能扩大了木建筑设计者和建造者的思路。它们和 在美国木材委员会的网站(．org)上找 实心锯木的综合使用更增加了建筑的可能性。 到。 现在木建筑的唯～局限性来自设计者的想象 轻质木框架房屋 力。木房屋设计者对木构件和连接构件可以有大量 轻质木框架房屋于1833年在芝加哥发明并被 的选择。化学处理的方法更能增加木材的耐久性和 称作”芝加哥房屋”(Chicagoconstruction)或 耐火性。工程木产品(如工字木梁和复合木板)具 ”气球结构“(balloonframe)。而其后演化成的 有很高的结构性能并很少有结构限制。在胶合板中 ”平台框架”(platformframing)则在美国80％以 也使用增强纤维板来提高其结构性能。许多种金属 上的住宅中使用。 连接构件可供选择使用。这里，“木材使用手册“成 轻质木框架房屋(也叫作木框架房屋、螺栓结 为设计木房屋很好的参考。当然．通过查询相关网 构、2x4房屋)使用38mm厚的木材作为地板梁． 天花梁．屋顶椽子和墙栓。总的来说．这些构件以 站(www．fpl．fs．fed．us／documnts／fpIgtr／ 1 1 fpIgtrl3／∞Igtrl3．htm)可获得更为有效的利用木 中心相距41cm的间隔布置，其他也有一些是以 材作为建筑材料的设计指导ope体育。 30cm．48．8cm或60cm间隔布置的。木质结构板 建筑 (如夹合板、定向条板和原始木材)被用作套子覆盖 人类用树木来建造遮蔽物的历史可追溯到史前 在框架的外层，并用钉子连接。另外．小尺寸金属 时代；用树枝来建造房屋始于公元前9000多年；建 连接构件也用来将托梁、椽子和木柱隔墙连接起 造原木房屋最早的历史是中欧在公元前900年时的 来。这就是美国单层或两层木住宅(它们有的也包 农舍；而木框架则始于公元前6500年。 括地下室和阁楼)的～般结构。近来5层的轻质木 对木结构最普遍的运用还是在房屋建造中。这 结构房屋越来越受到欢迎．这～点在美国西海岸的 包括从独户的木屋到3—5层的现代化房屋(可作住 大城市尤为突出。 宅、商业设施，工业设施使用)。 木结构框架一般建在混凝土的基础上面．或者 近年来，美国平均每年新建的住宅有]50万套 在有限的情况下是建在持久的木基础上。这种基础 f2000年有159万套．见表1)。历史上，这一数字是由经过防腐处理的木条和结构木板构成。这种框 的范围是从130万到180万。另外，这其中每年有架结构中最常见的方式是平台框架。上层的楼板框 20—30万的新建住宅是采用木结构。2001年个人住架套在底层的上面作为平台来构筑墙体。墙体结构 宅的占有率达到67．8％，这是美国近来的最新纪 (或者称之为木柱隔墙)按照墙基线同时有外框的木柱隔墙向上倾斜以达到垂直的位 ％是木结构。 置。木柱隔墙的通常构造包括2x4的单层底板．中 表1 2000年新建住宅的结构形式 单户家庭 多户家庭 总计 比例 轻质木框架 1 114000 275000 1 389∞0 87％ 混凝土结构 124000 45000 169000 11％ 钢结构 6000 9000 15000 1％ 8 原木结构 5000 5000 1％ 心间隔41cm的木柱和双层的顶板。如果底板直接 木柱和木梁结构 3000 3000 1％ 和混凝土相连，就会使用经过防腐处理的木材。如 其他 12000 1 000 13000 1％ 有必要，在基础墙的顶部还会安装金属片以防白蚁。 首层墙的底板用螺钉锚固在基础上。然后是将楼板． 总计 1 264000 330000 1 594000 100％ 天花托梁和屋顶椽子架在墙的顶端。这些构件的尺 万方数据 18 世界建筑9／2002 为1．2mx2．4m)则作为剪力墙将风暴和地震时的水 材料制造时先将原木去皮，再将其加工成各种 平荷载传递到下层楼板．直到基础。此外．还有 构件。构件的内外侧可以是圆的．直的．斜的．这 25mmxgO mm木支柱的墙体作为剪力墙以承受较 使它有许多种铺设的方式。它的端侧则可是圆的． 小的水平荷载。房屋的外墙构造一般为木龙骨．抹 直的，有凹凸槽的或特殊处理的。一些做墙的原木 灰和石贴面j而内墙和天花的处理则是抹灰或贴石 是将许多片木材压在一起以成形。原木最普通的形 膏板。 式是圆形．这里有两种传统的建造技术．瑞典加工 大部分这类木房屋都是在基地上装配(“手杖 法和北美加工法。前一种方法是将底部削切以适合 建造”)。这一过程中常常使用预制构件．如与屋顶 另一构件顶端(以此相连接)j后者则是将原木叠 构架相连的金属板和墙体部件。 放．中间的缝隙用人造合成物填充。 在保温方面使用保温材料(玻璃纤维．矿棉．聚 该结构最主要的问题是木材收缩。这在室内墙 苯等材料)以尽量减少内外墙．阁楼和首层楼板处 也是木框架的房屋中尤为重要。当第二层楼板也是 的热损失。在非隔热的阁楼和管道空间(在首层和 木结构时．两套体系不同的收缩程度就应该解决ope体育。 地面之间)里设置了通风孔。在地面和底层木构件 木框架房屋 之间留出了460m的距离。在地面土层的上方还设 木框架房屋也叫做重木框架房屋，它主要用在 置了一块很重的塑料片作为防潮层。为了在寒冷的 住宅方面。传统的木框架房屋是大尺寸木构件的梁 季节防止湿气渗透，在外墙面层完工前满铺一层墙 柱体系．它们用榫，钉或者金属扣件连接(图14． 纸并在墙内侧铺塑料纸作为防潮层。 15)。大型构件用作屋顶和楼板而小型构件则用来 for 出版物传统木结构房屋的节点(Details 做墙。在许多木框架房屋中．框架外面的维护墙采 ConventionalWoodFrame Construction)提用结构绝缘板(两层定向条板中间夹～层聚苯)。作 供了一些推荐节点。 为替代也可采用木板。 多层木框架房屋 柱结构房屋 如今全球主要的工业化城市都面临着住房短缺 的问题。3～5层的木框架房屋却能提供经济住房 年建造的谷仓构造是中心间隔61cm的圆木柱构 (图9～12)。多层多户木结构房屋因其经济和建造架，19mm厚扁平放置的屋顶木檩条和电镀的钢外 速度上的优势而成为人们首选的结构体系。木框架 套。1930年多恩(H．HowardDoane)将这种类 住宅在诸如防火阻燃等细节方面都很容易实现。 型的房屋介绍到美国。用柱来支撑结构取代了对混 多层木框架房屋一个受欢迎的用途是作为自给 凝土基础的需要，这在时间和造价上都有所节约。 自足的退休社区。这种社区既有公寓式的住宅．也 这种房屋首先用在农业设施方面．如寒冷地区的家 有一些公共设施，如厨房．食堂．琴房，图书馆，棋 畜房，仓库和临时性建筑ope体育。接着这种房屋又演化为 牌室、工艺品商店和艺术中心。另一类也普遍使用 用经过防腐处理的方木和胶合(钉合)柱来替代圆 的是将3-4层木框架住宅建在底层预应力混凝土框 柱。同时。这种房屋还采用更大跨度的金属盘连接 架的车库和商业空间上面。多层木框架房屋特别适 木构架．屋顶木檩条和钢套，钢扣件f图16)。并 合作为”填充”项目建在城市中心的小街区里。 且在设计中还改良了建造方法。人们还在木构架外 在多层木框架房屋的设计中．建筑规范对防火 面使用了轻质成型的金属套板，这就能安装抵抗侧 和结构方案都有所要求。出于防火考虑．规范还限 向风力和地震力的横隔板。由于柱结构房屋具有很 制了房屋的高度和楼层面积。另外．木材收缩和隔 好的隔热性并且能像木框架房屋一样建造，所以它 声也是需要考虑的细节。 被用在商业．工业以及住宅建筑中。 寸由跨度和受荷载情况决定。屋顶使用硬托梁框架 原木房屋 木桥 外覆石膏以防天花开裂。图7．8是一座典型的平台 传统上的原木房屋是指用原木建造的乡村住宅 人们后来发现木材还可用在桥梁的建造上。木 框架住宅。 (图13)。它有许多种不同的样式并且还有现代的设 桥可以有小跨度或者中等跨度，供车行或人行(图 木柱隔墙承受屋顶．天花和楼板的竖向荷载并 施。原木牢固的结构和良好的热惰性使房屋具有极 17，18)。使用胶合．压合木材并结合好的设计和 将其传到基础上。套有结构木板的墙体《通常尺寸 佳的保温性能。 防腐处理，木桥具有经济．易建造．寿命长等优点。 世界建筑9／2002 万方数据 在不到11m的小跨度木桥中常常不需要桁架 而将桥面板直接架在桥墩上。这些桥面板是由胶合 木或钉合锯木构成。压合木桥面板则是另外一种构 造。它是用高压钢棒将锯木迭片压成～个很宽的 面。由高压产生的摩擦力使所有的片像整体一样承 受荷载。 特殊结构 除了建筑、桥梁以外，木材还可用在其他特殊 结构上．如日本岛岭地区(Shlmane 的出云(Izumo)穹顶．功能是体育，展览和会堂 (图19、20)。还有一些木建筑是为奥运会建造的． 如1972年慕尼黑夏季奥运会的自行车赛场(胶合 木结构)和1998年长野冬奥会速滑场地的胶合木 露天顶。 些传统的木结构．包括：纽约斯塔腾《Staten)岛 Great 的格雷特·基尔斯(the Kills)公园木制驳 岸：加州圣克鲁斯的市立码头；加州巴伦西亚六神 旗(SixFlagsMagic)山的巨型云霄飞车 rollercoaster 797 (Colossus J I图21．22)：、1 年下水的美国战舰；二战时全木的英国。蚊式。侦 察轰炸机。口(范路译) 参考书目 1．BulleitW．M．．1989ClassicWoodStructures； AmericanofCivil York Society K。C．K．．199321st Timber Cheung Century rican ofCivil Society Engineering，Ame York Engineers，New 2．FolienteG．C．，1995 Wood Spatial 1一Historical Chapter AssociationforShelland International Spatial 木材具有很多适合建造桥梁的优点．如很高的单位 桥面板是将厚的锯木板钉在桁架上。胶合木拱采用 StructuresState’of—the—Art 重量承载力．很好的能量吸收性能和抗结冰性。 圆弧或抛物线m的跨度。Holzer(ed．) 木桥的主要框架包括桥面板．主要的支撑构件 两铰拱的跨度不大于24m．而三铰拱的跨度则能更 3．Goldstein 和栏杆。主要的承重构件是桁架或者胶合材料的拱。 长。桥面板则通过胶合木柱与拱相连，结点处采用 它们横跨在桥墩上承受桥面板和交通的荷载。桥墩 金属片。4．RitterM．A。1990Timber 则是由木材，钢材或混凝土构成。 木制桥面板可供车行。它由厚锯木板．钉合板 桁架是由原木、锯木和胶合木构成，胶合木桁 或胶合板构成，并且铺设方向一般与支撑构件的方 USDAForest 架的跨度可以达到30m以上，其长度的限制是由运 向相垂直。钉合板桥面板的构造是将38mm厚的木 5．WalkerJ．N．，WoesteF．E．．1992 Americanof 输它们的车辆尺寸所决定。弓形网架和平行弦网架 板叠放很大的厚度并钉成一个整体的面。在一些木 BuildingDesign． Society 是由锯木或胶合木构成．它们的跨度一般在75m。 桥中也使用木材和混凝土混合的桥面板。 Agricultural 万方数据 世界建筑912002 ofPaul —Thestructureis49mwIde 图片说明 (courtesy GiIham) and16mfloorto--crown．Dueto thecorroslve 2到14世纪的挪威 pin--to—pin 1挪威斯塔夫教堂一斯塔夫式的教堂在1 natureof to wasselectedforthe 和欧洲的其他地方都有建设。有些已经有800多年的历史．但 potashsteel，glulam StaveChurch—Stavechurcheswere structural The membersare35m 24F— 仍然屹立着／Norwegian system glulam long builtin andelsewherein inthe12thto f4th V8 withan222mmx 1410mmCROSSsection Norway Europe grade centuriesSomearenowmorethan800 oldandstiII FrameWood years 7．轻木框架结梅典型的2层平台框架图／Light ofa standing． Construction：drawingtypical2--storeyplatformframing F Wood 2应县木塔，是中国最大的古代木塔。山西省的应县木塔是 8轻木框架结构：平台框架结构／LIghtrame frameconstruction． 八角形木质结构的萨克耶塔．它处在佛宫寺内。塔高67．31m， Construction：platform 9～1 直径30．27m。它是现存最大的全木质结构的古塔。这座塔建 2多层木质框架结构：9完成的松树庭院10～12松 于辽代(公元1056年)．曾用作古代军事了望塔。从外部看， 院底部构造——这个松树方形／宁静的庭院设计是在美国加 它好像只有5层，但实际上，1层和4层之间有4个暗层。术 利福尼亚洲长滩市中心的一个街区上建设的居住。零售／娱 结构之间没有钉铆连接，只以50多种木斗拱垫托接连而成， 乐设施。它是作为内城复兴项目设计的。由4层木结构居住 非常精巧奇特。应县木塔遭受过无数的风雨和7次地震，仍 层(带有一个阁楼)和几层钢筋混凝土构造的零售和娱乐区 Wooden Ancient 2 屹立不倒／Yingxlan Pagoda，theBiggest 组成。居住层比街道高40英尺(119m)，在零售和娱乐层 Frame Court Wooden inChina Wooden inShanxi 上面／MuhistoryWood Pagoda Yingxian Pagoda Provinceisan woodenstructure inside Court Pine Octagon Sakyapagoda completed(b)Pine min Court s a the is 67．31 height．andSquare／Pacificproject FuogongTemple．Thepagoda m isthe ofall entertainmentsituatedononefull blockinthe 3027 indiameter．It ancientpagoda facility city biggest wasbuiltinthe heartofdowntown It was woodenstructureinexistenceThe LongBeach，California。USA． pagoda Liao was usedasanobservation asan revitalization is 056AD)，andonce designed lnner—city project．and dynasty(1 towerforancient to offour a woodframe miIitaryofficers．Thepagodaappears comprisedstories(withloft)of havefivefloorswhen fromthe residential feetabovestreetlevel viewing outside；infact。it construction．40 atop hasfourhiddenfloorsbetweenthe1stand4thfloorNoiron severalleveIsofreinforcedconcreteandsteelconstruction nailsormetalfastenerswereusedto connectthewooden retailandentertainment containing components structuremembersIt showcasesmorethan50kindsof Wooden has Craft Construction dougong(corbelbracket)．TheYingxian pagoda 的PrecisionLogStructures提供)／Log withstoodnumerouswiru：l andrainstormsandseven ofPrecisionCraft (a)one--storylogcabin(courtesy Log earthquakes Structures。Meridian，Idaho，USA) 3．4、5俄国Kizhi岛上的变形教堂：3、教堂4、密集的圆 顶5．教堂全景——冬季教堂(左边)。钟塔(中央)和夏季教 中心贝森木工公司BensonWoodworkingCompany提供)／ 713 of timberframe ofBenson 堂(右边)。(图片由JosephLoferski提供)——它建于1Examples construction(courtesy Center，New 年，主要由欧洲赤松圆木构建，金属扣件如果有的话也很少ope体育， WoodworkingCompany，A／stead Hampshire， 只在屋顶固定瓦片时用了钉子。屋顶有22个洋葱形圆顶，能 USA) 1 FrameConstruction 很顺利排雪。在4-5m的降雪很普遍的地方这线柱框架构造／Post 优点。教堂有37m高，平面29mx26m，所有的结构连结点都”．步行木桥18交通木桥(允许交通工具通行)(图片由 Paul Timber 是木质的。它是联合国教科文组织指定的世界遗产中最重要 GiIham提供)／(a)Pedestrian Churchofthe onKizhi traffictimber ofPaul Gilham) 的地点之一／The Transfiguration bridge(courtesy Islandof ofthe 1 19外 Russia：3、Church，4、closeup domes。5、 9．20日本岛岭地区1992年的出云圆顶体育馆： ensembleofthechurches一一winter tower Yamaguchi提供)。主要结构是弯 church[1eft】。bell 观20．内部(图片由muo thesummer of Joseph 【center]end church【right】(courtesy曲软木胶合板梁．外形像Karakasa(日本用竹子和油纸作的 in 171 of Loferski)一一Itwasbuih 3 of Scots 伞)。圆顶高489m，直径1407m。这是在日本建设的第一个 mainlylogs metal DomeStadiumin Pine(Pinus fewif any fasteners，用于体育和展览的木制圆屋顶建筑／Izumo sylvestris)，with to theroofTheroofhas22 ShimanePrefectureof builtin 9 exceptnails shingles Japan 1992：1Exterior。20． holding domesthatshed nice of Ikuo mainstructureis onion—-shaped snowwonderfully————a Interior(courtesyYamaguchi)The featurewhere4to 5mof snowarecommon．Itis37m curved fir beams like Douglasglulam shaped talland29mx26min allstructuralare umbrellamadeofbambooandoiled dome plan。and joints paper)The It isontheUNESCOWorld List is 48．9manddiameterof1407m、Thisisthefirst wood—to-wood． Heritage height ofmost onearth woodendomebuihin for eventsandexhibition significantplaces Japansports 6美国俄勒冈波特兰的钾盐储藏和装载设施(图片由PauI21、22木质云霄飞车“白旋风”，在日本名古屋附近(图片 re RollerCoaster”Whi Gilham提供)：这一建筑49m宽，16m高。鉴于钾盐对钢腐由IkuoYamaguehi提供)／Wood 蚀的特性，胶合板被选作结构材料。胶合板部件是35m长／ Cyclone”atNagashimaOnsen．near Potash and in ofIkuo storageloadingfacilityPortland，Oregon，USAYamaguchi) 万方数据 21 世界建筑9／2002

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