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建筑工业化下的木结构的发展趋势

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摘要:该文简述国内木结构的发展现状,分别从材料、结构、施工与一体化体系方面详细介绍了在建筑工业化背景下我国木结构建筑的发展趋势。

关键词:高层木结构;模块化木结构;BIM;设计施工一体化;隔震;胶合木

0引言

中国的木结构建筑历史悠久,对世界建筑史贡献巨大。几千年前我国就出现了通过榫卯节点连接构件的木框架结构体系。解放前我国引入砖墙支撑木桁架结构体系,解放后,我国木结构建筑发展停滞。如今,我国对建筑工业化、住宅产业化的要求提高,木材作为一种可持续供应的绿色建筑材料,具有装配率高、抗震性能好等优点,随着我国对绿色建筑的推广和国际新型木材加工技术的发展,再次得到广泛使用。

1国内木结构的发展现状

我国发展木结构建筑如今已具有良好的基础和条件,人工速生林政策使我国的森林种植面积和木资源蓄积量都在世界排名前列,同时国家相关建筑部门对于木结构的重视日益提高,对于木结构的施工、设计都制定了相关标准,如木结构设计标准、装配式木结构建筑技术标准等。北京、上海等一线城市也在国家的支持下,从国外引进木结构建筑用于住宅、园林景观和宾馆。目前为止,我国正以每年六百多栋的速度建造木结构房屋,但国内的木结构房屋建造数量与国外还存在巨大差距,木结构房屋建造市场还存在着巨大的空间。根据国外的经验,现在的木结构已经摒弃以前的设计与人工制造的方法,而采用现代的胶合木结构建造,施工过程采用工厂化机械生产的方法,具有环境友好、力学性能优良、纹理观赏性强且施工工艺较为简便等优点。

2国内木结构的发展前景

2.1胶合木

胶合木是一种工程木产品,简称CLT,一般把木材分拣和切割成木方,并采用特别挑选的单板锯材-层板,根据木材强度分级与性能特点,将其安排在不同位置并用高耐久性粘合剂胶合在一起,其优点是把人工采伐或者加工后剩余的木材材料或者小直径木材通过拼接、层积、均匀涂刷胶合剂形成可用于建筑使用的木构件。从结构方面来看,胶合木构成的构件,由于其按规格将材料按照横竖纹交错排布的方式贴合,因此两个方向受力分布都较为均匀,内部应力平衡,承载能力强,而且因为胶合木层板的叠合制作工艺,其尺寸更加稳定,为建造中、高层木结构建筑创造可能。建造完成后的木结构建筑,耐火、保温、抗震性能一直是绕不开的问题。胶合木材料表层燃烧时会缓慢碳化,配合外覆防火材料,可在长时间维持内部原有结构强度,而且木材热传导性低,胶合木构件连续性强,建筑具有良好的气密性和保温隔热、隔音效果。隔震方面,胶合木结构可与紧固件和连接件紧密连接,抗震性能十分优越。从施工方面来看,胶合木结构可在工厂工业化生产,然后运输到现场进行安装,构件具有较高的精度,并提高了生产效率,机械化程度高且只需更少的工人就能完成工作。由于胶合木构件采用的是拼接形式,能极大提高木材的利用率,且相比于混凝土结构,减少了大量的能源消耗,符合绿色建筑的要求[1]。

2.2高层木结构

随着正交层板胶合木研究和应用的深入,国外高层木结构已经发展完善,而超高层混合木结构也已经在研发阶段。我国人口密集,高层建筑是城市发展必不可少的部分,而上文所述已经说明,木结构相比于混凝土钢结构也有其突出的优点,是绿色建筑发展的重要环节。以胶合木作为主要建筑材料的高层木结构体系,主要有胶合木剪力墙结构、胶合木梁柱-支撑结构和木-混凝土混合结构。胶合木剪力墙结构,承受竖向重力荷载的楼板及承受风荷载与地震作用的墙板、核心筒均采用胶合木板,是目前使用最为广泛的高层木结构。胶合木梁柱支撑结构,一般采用带有钢构件连接节点胶合木梁柱,配合支撑进行加强的结构体系。而也有部分建筑底部、核心筒采用混凝土结构,上部采用胶合木剪力墙结构的木-混凝土混合结构,以满足抗侧力刚度与防潮的要求。可见,高层木结构体系在国外的发展已经较为健全,而我国的高层木结构市场还存在巨大的发展空间。随着我国对于木结构建筑的连接节点及施工技术的提升,并对木结构抗震抗风防火等性能的深入研究,如今我国已具备发展高层结构建筑的基础,在建筑工业化的大背景下,我们需要尽快推出完善相关的标准,并对高层木结构建筑进行全面、系统的研究,在中国广阔的建筑市场定有巨大的发展前景[2]。

2.3模块化木结构

模块化木结构,即把木结构的各部分构件,如梁、柱、墙体、楼面、屋面等在工厂生产制作完成,然后在工厂或者施工现场将构件连接成一个个模块化单元,再吊装拼接到目的位置形成建筑整体。模块化单元体内也可把外墙、建筑设备及装修一并完成,并安装预制一体卫浴间,实现最高程度的预制装配率。目前我国正大力推广建筑工业化,提高建筑预制率,而模块化结构由于其施工速度快、精度高,可实现多工序同时进行,多流水线协同工作,代表着最先进的建筑制造水准和最彻底的工业化建筑模式。模块化与木结构的契合度高,木材资源是可再生资源,且在制作工程中能源消耗、环境污染小,并且具有可靠的力学与耐久性能,而模块化建筑单元一般在工厂生产安装,同样符合绿色建筑的发展要求,构件具有极高的精度,可以在节点的连接与安装方面更加牢固安全[3]。

2.4木结构与隔震

如上述高层木结构建筑中所述,虽然木结构的抗震性能十分优异,但是在抗震烈度较高的地区,还是需要有良好的抗震技术。我国古代木建筑已体现出劳动人民的巨大智慧,通过利用榫卯连接、斗拱和木柱浮置平搁等构造,使结构具有多层隔震、处处减震等消能抗震机理。汶川地震后,隔震建筑由于其易于实施、减震控制效果好在我国大量发展,目前已成为工程中应用最多的一种减震控制技术。隔震技术的本质就是通过增加系统的柔性并提供适当的阻尼,使结构与地震产生的地面运动隔离,这种思想与我国古代木建筑的消能减震体系相吻合。隔震设计一般在地下室顶板上或者地上第一层柱顶、房屋立面和刚度突变处设置隔震层,布置隔震支座,我国目前的隔震支座主要采用橡胶隔震支座和滑动隔震支座,由于隔震层水平刚度小,用于上部结构刚度较弱的木结构效果显著,而且隔震支座可进行工厂化生产,性能稳定,对环境影响小,造价不高,符合绿色建筑的要求。因此,隔震技术与现代高层木结构建筑十分契合[4]。

2.5基于BIM的木结构设计

施工一体化建筑信息模型,简称BIM,BIM技术覆盖协同设计、碰撞检查、进度管理等各个方面,能有效辅助工程项目设计、建造与管理过程,提高建设工程全过程的效率。木结构建筑装配率高,设计施工全过程工业化程度高,因此引入BIM技术可大大提高其建造效率。设计阶段,工厂预制木结构建筑构件的具体信息需深化设计,上文提到的模块化木结构建筑需要预先把建筑拆分成一个个建筑单元,并在单元内安装建筑设备,而通过引入BIM技术,可使各专业的设计人员在同一模型内进行协同设计,所需构件可加入构件库中进行重复使用,提高效率。生产制作阶段,木结构构件特别是高层木结构建筑中的构件,节点连接处精度要求高,而引入BIM技术可通过构件库来对构件进行具体的设计及施工指导,更加高效准确。安装建造阶段,住宅产业化背景下的木结构建筑作为新型建筑,施工过程及施工技术对于技术人员的要求提高,而利用BIM的虚拟建造技术可通过分析施工方案、模拟施工过程来提前准备,保证施工方案合理的同时指导现场技术人员安装,安装过程中构件可通过二维码标识并导入构件库,减少现场施工出错的概率。除此之外,项目管理方面也可以引入BIM进行多维度管理,通过BIM模型管理施工进度,安排施工工序,并预估成本计划[5]。

3结语

“十三五”规划提出以后,我国对于预制装配率及绿色建筑的要求不断提高,而木结构因其节能环保、可持续发展且装配率高、抗震性能好等特点,成为建筑发展潮流的新趋势。由于我国人口众多,高层建筑甚至超高层建筑的需求大,因此高层木结构建筑必定是研究发展的重点。而为了更好地响应绿色建筑、提高装配率的要求,可工厂化生产的模块化木结构建筑与隔震支座的结合也是目前装配程度最高的建造方案,既满足了结构可靠性要求,又提高了施工速度。最后,工厂化生产的建筑与以往现浇的混凝土钢结构建筑也有很大区别,因此BIM技术的引入可以加快设计施工一体化的发展,促进企业转型,为日后住宅产业化的全面普及打下坚实的基础。

参考文献:

[1]张磊,李志国,王敏杰,等.胶合木结构建筑的发展现状及前景[J].低温建筑技术,2011,33(12):28-30.

[2]杨学兵.高层木结构发展现状及我国相关标准浅析[J].木材工业,2017,31(4):24-27.

[3]尚澎,孙友富,高宏瑞,等.模块化木结构建筑及节点连接设计制造研究[J].林产工业,2016,43(10):37-41.

[4]潘忠炜,李静,周海涛,等.隔震技术在某木结构古建筑改造中的应用研究[J].建筑结构,2013,43(23):67-72.

[5]曾莎洁,范伟达.基于BIM的木结构设计建造一体化技术框架研究[J].建设科技,2016(18):90-92.

作者:简伟通;沈冬儿 单位:广州大学土木工程学院

云南建筑杂志责任编辑:张雨    阅读:人次